晶体结构与性质知识总结(完
善)
-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
3-1、晶体的常识
一、晶体和非晶体
1、概述——自然界中绝大多数物质是固体，固体分为和两大类。
微观空间里呈现周期性有序排列的宏观表象。
* 晶体不因颗粒大小而改变，许多固体粉末用肉眼看不到规则的晶体外形，但在显微镜下仍可看到。
* 晶体呈现自范性的条件之一是晶体生长的速率适当，熔融态物质凝固速率过快常得到粉末或没有规则外形的块状物。
* 各向异性——晶体的许多物理性质如强度、热导性和光导性等存在各向异性即在各个方向上的性质是不同的
二、晶胞
1、定义——描述晶体结构的基本单元。
2、特征——
（1）习惯采用的晶胞都是体，同种晶体所有的晶胞大小形状及内部的原子种类、个数和几何排列完全相同。
（2）整个晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。
<1> 所谓“无隙”是指相邻晶胞之间没有任何间隙；
<2> 所谓“并置”是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。
3、确定晶胞所含粒子数和晶体的化学式——均摊法分析晶胞与粒子数值的关系
（1）处于内部的粒子，属于晶胞，有几个算几个均属于某一晶胞。
（2）处于面上的粒子，同时为个晶胞共有，每个粒子有属于晶胞。
（3）处于90度棱上的粒子，同时为个晶胞共有，每个粒子有属于晶胞。
（4）处于90度顶点的粒子，同时为个晶胞共有，每个粒子有属于晶胞；处于60度垂面顶点的粒子，同时为个晶胞共有，每个粒子有属于晶胞；处于120度垂面顶点的粒子，同时为个晶胞共有，每个粒子有属于晶胞。
4、例举
三、分类
晶体根据组成粒子和粒子之间的作用分为分子晶体、原子晶体、金属晶体和离子晶体四种类型。
3-2、分子晶体和原子晶体
一、分子晶体
1、定义——只含分子的晶体。
2、组成粒子——。
3、存在作用——组成粒子间的作用为（），多原子分子内部原子间的作用为。 * 分子晶体中定含有分子间作用力，定含有共价键。
* 分子间作用力于化学键。
4、物理性质
（1）熔沸点与硬度——融化和变形只需要克服，所以熔沸点、硬度，部分分子晶体还可以升华。熔融一定破坏分子间的和可能存在的键，绝不会破坏分子内部
的。
同为分子晶体的不同物质，一般来说尤其对于结构组成相似的分子，相对分子质量越大，熔沸点越；相对分子质量相差不大的分子，极性越大熔沸点越；含氢键的熔沸点会特殊的些。
例如：
（2）溶解性——遵循同性互溶原理（或说相似相溶原理）：即极性分子易溶于性溶剂（多为），如卤化氢（HX）、低级醇和低级羧酸易溶于极性溶剂水；非极性分子易溶于非极性（有机）溶剂，如硫、磷和卤素单质（X2）不易溶于极性溶剂水而易溶于非极性溶剂CS2、苯等。同含氢键的溶解性会更，如乙醇、氨气与水。
5、类别范畴
（1）除C、Si、B外的非金属单质，如卤素、氧气和臭氧、硫（S8）、白磷（P4）、足球烯（C60）、稀有气体等。
（2）除铵盐、SiO2、SiC、Si3N4、BN等外的非金属互化物，包括非金属氢化物和氧化物，如氨（NH3）、冰（H2O）、干冰（CO2）、三氧化硫（SO3）等。
（3）所有的酸分子（纯酸而非溶液）。
（4）大多有机物。
（5）除汞外常温下为液态和气态的物质。
（6）能升华的物质。如干冰、碘、等。
6、结构例析
如果分子间作用力只有范德华力，其分子占晶胞六面体的个顶角和个面心，若以一个分子为中心，其周围通常有个紧邻分子，这一特征称为分子密堆积，如O2、C60、CO2、I2等。
（1）干冰
固态的，色透明晶体，外形像冰，分子间作用力只有，熔点较，常压能升华，常作制冷剂或人工降雨。
二氧化碳分子占据立方体晶胞的个面心和个顶角，与每个二氧化碳分子距离最近且相等的二氧化碳分子有个，若正方体棱长为a，则这两个相邻的CO2的距离为。
（2）冰
固态的，色透明晶体，水分子间作用力除外，还有，氢键虽远小于共价键，但明显大于范德华力，所以冰的硬度较，熔点相对较。
每个水分子与周围距离最近且相等的水分子有个，这几个水分子形成一个的空间构型，晶体中水分子与氢键的个数之比为。这一排列使冰中水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙，所以冰的密度于液体水（4C的水密度最大，通常认为是1）。
（3）天然气水合物
——可燃冰·海底储存的潜在能源，甲烷分子处于水分子形成笼子里，形式多样。
二、原子晶体
1、定义——相邻间以键结合而成空间网状的晶体。整块晶体是一个三维的共价键网状结构的“大分子”，又称共价晶体。
2、组成粒子——。
3、存在作用——。
4、物理性质
（1）熔沸点与硬度——熔点、硬度，是原子晶体的特征。具体综合考虑构型和键能。
同为原子晶体的物质，空间构型相似时，共价键键长越短，键能就越，熔沸点就越。
（2）溶解性——溶于极性溶剂，溶于非极性（有机）溶剂。
5、类别范畴
（1）Si、B、Ge和C（金刚石）等非金属单质。
（2）SiO2、SiC、Si3N4、BN等。
6、结构例析
（1）金刚石
色晶体，天然硬度最，于导电和导热，溶于水和有机溶解。能燃烧生成。
属于晶体，这种晶体的特点是；金刚石中与某个C原子紧邻即距离最近且相等C原子有（杂化），它们形成原子的构型，键角；由共价键构成最小环上有个 C原子（平均每个最小环上有1/2个碳原子和1个碳碳单键），晶体中C原子个数与C-C键数之比为。
金刚石晶胞可以看为8个小立方体形成的大立方体，碳原子占大立方体的个顶角、个面心（或说占大立方体的个一个中心、个棱心）以及其中间隔的个小立方体的中心（或说碳原子占每个小立方体间隔的个顶角和中心），平均每个晶胞含有个碳原子。
晶体硅（单晶硅）、碳化硅（金刚砂）结构和性质均与之相似。
（2）二氧化硅
色晶体，硬度、熔点，于导电和导热，溶于水和有机溶剂。只与酸和强碱反应。用于制造水泥、玻璃、人造宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维等。
相当于在晶体硅的每个硅硅键之间个插入了一个氧原子，每个Si与个O原子形成
个共价键，这几个氧原子形成的空间构型为，每个O与个Si原子形成共价键。在二氧化硅晶体中Si与O原子个数比为，平均每mol SiO2晶体中含有Si-O键最接近
______mol。
* 石墨——色非金属单质，溶于水，质地软，熔点，可做铅笔芯和固体润滑剂，电和热的体，能做高温下的电极。
属于晶体，是状结构：层内碳原子间以相结合，C原子呈杂化，即每一个碳原子与紧邻的个碳原子形成个共价键（碳原子数与碳碳单键数之比为），这几个碳原子形成的空间构型为；层间存在的作用力为。石墨中最小的碳环为元环，每个C原子被个六边形共用，平均每个环占有个碳原子，即碳原子数与碳环数之比为。
3-3、金属晶体
一、金属键
1、定义——
2、特征——描述金属键最简单的理论是“电子气理论”
3、强弱——F=K·Q1Q2/r2
金属晶体导电性、导热性、延展性等共性以及熔沸点和硬度差异性解释。
二、金属晶体的原子堆积模型
1、二维空间放置
（1）非密置层——纵横成行，配位数为；
（2）密置层——成行交错，配位数为。
2、三维堆积
I、非密置层在三维空间的两种堆积方式：
（1）简单立方堆积——三维成行堆积，晶胞为个原子形成的立方体，平均每个晶胞含有个原子。配位数为，它们形成一个空间构型，空间利用率太低，为52%，只有金属钋（Po）采取这种堆积方式。
（2）体心立方堆积——晶胞为个原子形成的立方体（八顶角一中心），平均每个晶胞含有个原子。配位数为，它们形成一个空间构型，空间利用率稍高，为68%，许多金属如IA族金属Na、K、Fe等采取这种堆积方式。
II、密置层在三维空间按体心立方堆积的两种堆积方式
（3）六方最密堆积——按ABABABAB······的方式堆积，Mg、Zn、Ti等；
（4）面心立方堆积——按ABCABCABC······的方式堆积，Cu、Ag、Au等。
~~均为金属晶体的最密堆积，配位数均为，空间利用率均为74%。
3-4、离子晶体
一、离子晶体
1、定义——由和通过键结合而成的晶体。
2、构成粒子——。
3、存在作用——构成粒子间一定存在，构成粒子内可能存在。
4、物理性质
（1）熔沸点较，硬而脆；综合考虑离子晶格和键能，融化一定破坏键，不会破坏其中可能的存在的键。
F=K·Q1Q2/r2，即空间构型相似的离子晶体，离子电荷越、成键离子半径和越，熔沸点越高。
（2）大多溶于水，一定破坏键，可能破坏可能存在的部分或全部的键。
（3）固体导电，液态导电，水溶液导电。一定为离子化合物，一定为电解质。
5、类别范畴——离子化合物
（1）IA、IIA族等的活泼金属和VIA、VIIA族等的活泼非金属形成的化合物；
（2）强碱和大多数盐；
（3）熔融能导电的化合物。
6、结构例析
离子晶体中的配位数（缩写为.）是指一个离子周围最邻近的异性离子的数目。NaCl和CsCl的阴阳离子之比均为1：1，同属AB型离子晶体，但配位数不同。
晶体中正负离子的半径比是决定离子晶体的重要因素，简称几何因素；
正负离子的电荷比也是决定离子晶体结构的重要因素，简称电荷因素；
离子的纯粹程度是决定离子晶体结构的又一因素，简称键性因素。
（1）氯化钠
阴、阳离子的配位数为，即每个Na+紧邻个Cl—，这些Cl—构成的几何图形是；每个Na+与个Na+等距离相邻。晶胞为八个小立方体并集形成的一个大的立方体，若钠离子占其个顶角和个面心的话，氯离子则占其个中心和个棱心，分别平均每个氯化钠晶胞含有个Na+和个Cl—。
若晶胞棱长为a，则相邻同性离子的核间距离为，相邻异性离子的核间距离
为。
（2）氯化钾
每个Cl—(或Cs+)周围与之最接近且距离相等的Cs+(或Cl—)共有个，这几个Cs+(或Cl—)在空间构成的几何构型为；在每个Cs+周围距离相等且最近的Cs+共有个，这几个Cs+(或