几种常见晶体结构分析

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几种常见晶体结构分析

河北省宣化县第一中学 栾春武 邮编 075131

栾春武：中学高级教师，张家口市中级职称评委会委员。河北省化学学会会员。市骨干教师、市优秀班主任、模范教师、优秀共产党员、劳动模范、县十佳班主任。

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一、氯化钠、氯化铯晶体——离子晶体

由于离子键无饱和性与方向性，所以离子晶体中无单个分子存在。阴阳离子在晶体中按一定的规则排列，使整个晶体不显电性且能量最低。离子的配位数分析如下：

离子数目的计算：在每一个结构单元（晶胞）中，处于不同位置的微粒在该单元中所占的份额也有所不同，一般的规律是：顶点上的微粒属于该

单元中所占的份额为18，棱上的微粒属于该单元中所占的份额为1

4，面上

的微粒属于该单元中所占的份额为1

2，中心位置上（嚷里边）的微粒才完

全属于该单元，即所占的份额为1。

1.氯化钠晶体中每个Na +周围有6个Cl －，每个Cl －周围有6个Na +，与一个Na +距离最近且相等的Cl －围成的空间构型为正八面体。每个Na +周围与其最近且距离相等的Na +有12个。见图1。

图1

图2 NaCl

晶胞中平均Cl－个数：8×1

8

+ 6×

1

2

＝ 4；晶胞中平均Na+个数：1 +

12×1

4

＝ 4

因此NaCl的一个晶胞中含有4个NaCl（4个Na+和4个Cl－）。

2.氯化铯晶体中每个Cs+周围有8个Cl－，每个Cl－周围有8个Cs+，与一个Cs+距离最近且相等的Cs+有6个。

晶胞中平均Cs+个数：1；晶胞中平均Cl－个数：8×1

8

＝ 1。

因此CsCl的一个晶胞中含有1个CsCl（1个Cs+和1个Cl－）。

二、金刚石、二氧化硅——原子晶体

1.金刚石是一种正四面体的空间网状结构。每个C

原子以共价键与4个C原子紧邻，因而整个晶体中无单

个分子存在。由共价键构成的最小环结构中有6个碳原

子，不在同一个平面上，每个C原子被12个六元环共用，每C—C键共6

个环，因此六元环中的平均C原子数为6×

1

12

＝

1

2

，平均C—C键数为

6×1

6

＝ 1。

C原子数: C—C键键数＝ 1:2； C原子数: 六元环数＝ 1:2。

2.二氧化硅晶体结构与金刚石相似，C被Si代替，C与C之间插

氧，即为SiO

2晶体，则SiO

2

晶体中最小环为12环（6个Si，6个O），

图3 CsCl

晶

图4 金刚石晶

最小环的平均Si原子个数：6×

1

12

＝

1

2

；平均O原子个数：6×

1

6

＝ 1。

即Si : O＝ 1 : 2，用SiO

2

表示。

在SiO

2

晶体中每个Si原子周围有4个氧原子，同时每个氧原子结合2个硅原子。一个Si原子可形成4个Si—O键，1mol Si原子可形成

4mol Si—O键。

但是由此有许多学生认为二氧化硅晶体结

构中一个最小的环是由8个原子构成的。

实际上，在二氧化硅晶体中每个硅原子与

周围的四个氧原子的成键情况与金刚石晶

体中的碳原子与周围的其它碳原子连接的

情况是相同的。即每个硅原子与周围的四

个氧原子构成一个正四面体。只是每个氧原子又处在由另一个硅原子为中心的一个正四面体上。即每个氧原子为两个硅氧四面体共用。如上图所示。从此图中可以明确看出，构成二氧化硅晶体结构的最小环是由12个原子构成的椅式环，注意图中∠O－Si－O=109°28′。

三、干冰——分子晶体

干冰晶体是一种立方面心结构，立方体的八个

顶点及六个面的中心各排布一个CO

2

分子，晶胞是

一个面心立方。一个晶胞实际拥有的CO

2

分子数为

四个（均摊法），每个CO

2

分子周围距离相等且最

图7 CO

2

晶

近的CO

2分子共有12个。分子间由分子间作用力形成晶体。每个CO

2

分内

存在共价键，因此晶体中既有分子间作用力，又有化学键，但熔、沸点的高低由分子间的作用力决定，重要因素是相对分子质量，因此当晶体熔化时，分子内的化学键不发生变化。

每个结构单元中含CO

2分子数目为：8×

1

8

+ 6×

1

2

＝ 4

四、石墨——混合型晶体

石墨晶体是层状结构，在每一层内有无数个正六边形，同层碳原子间以共价键结合，晶体中C—C的夹角为120℃,层与层之间的作用力为范德瓦尔斯力，每个C原子被六个棱柱共用，每六个棱柱实际占有的C原子数为2个。

每个正六边形拥有的C原子数为：6×1

3

＝2 ；每个C原子平均形成

3

2

个共价键，C原子数与C—C键数之比为2 : 3。

石墨的独特结构决定了它的独特性质，该晶体实际介于原子晶体、分子晶体、金属晶体之间，因此具有各种晶体的部分性质特点，是一种混合型晶体。如熔点高、硬度小、能导电等。

五、固态金属单质——金属晶体

金属（除金属汞外）在常温下都是晶体，在金属中，金属原子好像许多硬球一样一层一层紧密地堆积着。每个金属原子周围都有许多相同的金属原子围绕着。其实由于金属原子的最外层电子都较少，故金属原

子容易失去电子变成金属离子。金属原子释放电子后形成的离子按一定

图8 石墨的结