3.2 分子晶体与原子晶体

第二节原子晶体和分子晶体本节主要内容包括：

1.某些原子晶体的结构

2.某些分子晶体的结构

3.某些混合键型晶体的结构回忆.堆积方式及性质小结堆积方式点阵形式空间利用率配位数Z球半径面心立方最密堆积(A1)面心立方74.05%124六方最密堆积(A3)六方74.05%122体心立方密堆积(A2)体心立方68.02%8(或14)2

金刚石型堆积(A4)面心立方34.01%484.堆积方式及性质小结堆积方式点阵形式空间利用率配位数Z球半径面心立方最密堆积(A1)面心立方74.05%124六方最密堆积(A3)六方74.05%122体心立方密堆积(A2)体心立方68.02%8(或14)2

金刚石型堆积(A4)面心立方34.01%48一.原子晶体定义：相邻原子间以共价键形成的具有立体网状结构的晶体。特征：共价键由方向性和饱和性，因此，原子晶体一般硬度大，熔点高，不具延展性；其晶体中原子堆积不遵从紧密堆积原理。示例：金刚石、Si、Ge、Sn等的单质，以及SiC、SiO2，BN,Si3N4等化合物。示例.金刚石型堆积（A4）配位数为4，空间利用率为

34.01%，不是密堆积。这种堆积方式的存在因为原子间存在着有方向性的共价键力。如Si、Ge、Sn等。边长为a的单位晶胞含半径的球8个。

1.某些原子(共价键型)晶体的结构

(1)结构特征及一般性质由于共价键具有方向性和饱和性,共价键的方向性决定了这类晶体的空间构型,共价键的饱和性决定这类晶体中各个微粒的配位数都比较小。这类晶体的特性是：导电性、导热性很差硬度较大,熔点较高,几乎不溶于任何溶剂等。(2)几种典型的共价键型晶体

金刚石:晶态单质碳的一种变体,是石墨、无定形碳、富勒烯的同素异形体,以矿石形式存在于自然界。金刚石为无色立方面心晶体;熔点4000℃(63大气压),密度3.51g/cm3;折射率高,对光的透明度好;硬度为10000千克力/毫米2,是自然界硬度最大的物质。莫氏硬度标度法规定金刚石的硬度为10。金刚石不导电,在室温下对所有化学试剂都显惰性,在隔绝空气的条件下加热到1000℃时,金刚石转变为石墨,在空气中加热到780℃左右会燃烧生成二氧化碳。

金刚石是典型的原子晶体,在晶体结构中每个碳原子都以sp3杂化轨道与另四个碳原子共价单键,呈正四面体配位,晶格结点间以键能相当大的C─C键相互结合,其键能为345.6千焦/摩尔,

键长为154pm,所有价电子都参与了共价键的形成,晶体内没有自由电子。透明的金刚石可作宝石(钻石),价格昂贵,以克拉为其计量单位(1克拉＝200毫克)。黑色和不透明的金刚石在工业上用作钻头和切割工具。金刚石粉是优良的磨料。金刚石是典型的原子晶体,其晶体中一个晶胞的如右图示。金刚石属于A4型晶体,它的空间利用率较低,只有34.01%。

Si、Ge、Sn等单质晶体也可以具有与金刚石类似的A4型结构,它们也都是共价键型晶体。金刚石的晶体结构

1977年山东省临沂市华侨乡常林村农民魏振芳在田间深挖土地时,意外地发现了一颗特大天然金刚钻石。钻石重158.786克拉,色泽透明,呈淡黄色,光彩夺目。发现后魏振芳把它献给了国家,被命名为“常林钻石”。到目前为止,“常林钻石”仍是中国最大的一颗钻石,也是世界上罕见的特大钻石之一。常林钻石ZnS晶体：

ZnS晶体中的化学键属于极性共价键,它们的晶体也是共价键型晶体。一般称为AB型共价键型晶体。该晶体有立方和六方两种结构型式,晶体中各个原子的配位数都是4。金刚砂SiC等也属于立方ZnS型结构的晶体。石英SiO2的晶体结构：属于AB2型晶体,相当于金刚石结构中的碳原子全部换成硅原子,在2个硅原子之间添加一个氧原子形成的。一个SiO2晶胞

SiO2晶体跟单晶硅都属于正四面体型的立体网状空间结构,所不同的是SiO2晶体以“Si-O-Si”键代替了单晶硅中的“Si-Si”键,它们的结构单元如下图,请回答：

(1)SiO2晶体中最小环是几元环?(2)每个Si原子为几个环共有?(3)每个最小环平均拥有几个氧原子?(3)共价键型晶体结构与物性的关系由于在共价键型晶体中,满带与空带之间有一个较大的能隙,因此这类晶体不是绝缘体就是半导体。当满带与空带的能隙大于2～3eV时,就是绝缘体；当能隙小于2～3eV时,是半导体；导体满带与空带之间没有能隙。金刚石是典型的绝缘体；锗是半导体。当半导体搀杂后,电子能级恰好处于禁带的位置,从而使满带与空带的能隙变小,增加导电性能。二.分子晶体定义：单原子分子或以共价键结合的有限分子，再由范德华力凝聚而成的晶体。范围：全部稀有气体单质、许多非金属单质、一些非金属氧化物和绝大多数有机化合物都属于分子晶体。特点：以分子间作用力结合，作用能相对较弱。故通常表现为;熔点低，硬度小，有较强的挥发性（如干冰，碘单质等）!部分分子晶体内除范德华力外，氢键的存在是某些分子晶体中重要的作用力（如冰，氨基酸等）；由于分子间力无方向性通常也使得分子在堆积时尽可能利用空间并采取紧密堆积方式，但多种因素（例如分子构型，极性及氢键存在等）会影响分子的堆积方式。氢键定义：Ｘ－ＨＹ，Ｘ－Ｈ是极性很大的共价键，Ｘ、Ｙ是电负性很强的原子。氢键的强弱介于共价键和范德华力之间；氢键由方向性和饱和性；Ｘ－Ｙ间距为氢键键长，Ｘ－ＨＹ夹角为氢键键角（通常100180）；一般来说，键长越短，键角越大，氢键越强。氢键对晶体结构（如冰的熔点，密度和比热容等）有着重大影响。2.某些分子晶体的结构分子与分子之间存在一种比化学键要弱得多的相互作用,这种相互作用就是分子间力。由分子间力凝聚而形成的晶体就是分子晶体。分子间力没有方向性和饱和性,因此分子晶体采取尽可能密的堆积结构。如C60晶体。

硬度小,熔点低,升华热不大等是分子晶体的共性。(1)几种典型的分子晶体：

C60晶体；CO2晶体；稀有气体晶体(He是A3型、其余都是A1型);有机晶体等属于分子晶体。C60晶体的一个晶胞

(2).氢键和氢键型晶体

(1)水的晶体结构氢键是一种“较强的,具有方向性的分子间力”。冰就是由氢键结合而成的晶体。蛋白质的构象就是由氢键决定的。3.某些混合键型晶体的结构晶体结构中含有两种或两种以上键型(结合形式)的晶体,称为混合键型晶体。石墨是典型的混合键型晶体。

(1)石墨的结构碳原子采取sp2杂化,同一层中,碳原子之间形成共价键,不同层之间的结合力是分子间力。3.39Å石墨晶体密度的计算：石墨的一个晶胞如右图,两个最紧邻碳原子之间的距离为0.142nm,层与层之间的距离为0.339nm,每个晶胞中含有4个碳原子,因此其密度为：(2)不同键型晶体的结构及性质比较金刚石、石墨、C60晶体的性质比较晶体晶体类型晶体中粒子间的作用力晶体的密度软硬顺序金刚石原子晶体共价键力3.51g/cm3

最硬石墨混合键型共价键力和范德华力2.25g/cm3

较软C60分子晶体范德华力1.69g/cm3

最软从上面可以看出不同键型晶体性质的不同。练习题：若石墨中两个相邻原子间距0.142nm,层距0.339nm;金刚石中两个相邻原子间距离为0.154nm;两个相邻C60球心间距离为1.00nm,计算碳三种同素异形体的密度。练习题:1.低温下,Ne原子按立方最密堆积形成晶体。0.1MPa,0K(外推)时的晶胞参数a=446.2pm,请计算:(a)晶体的密度;(b)晶体中每个原子所占的体积;(c)该原子的范德华半径。答案：

(a)1.509g·cm-3;(b)0.0222nm3;(c)157.8pm。2.石墨能与熔融金属钾作用,形成兰色的C24K、灰色的C48K、C60K等,有一种青铜色的CxK中K(用o表示)的分布如图所示,则x=________;有一种石墨化合物为C6K,在图标出K的分布情况(用×表示);另有一种石墨化合物C32K,其的分布也类似图的中心六边形,则最近两个K原子之间的距离为石墨键长的________倍。3.(8分)碳化硅(SiC)俗名“金刚砂”,有类似金刚石的结构和性质。其空间结构中碳硅原子相间排列,右图所示为碳化硅的晶胞(其中●为碳原子,○为硅原子)。已知:碳原子半径为7.7×10－11m,硅原子半径为1.17×10－10m,SiC晶体密度为3.217g/cm3,相对原子质量:C12.01,Si28.09)。(a)SiC是

晶体,碳、硅原子杂化类型都是

,键角都是

,三个碳原子和三个硅原子相间构成一个

式(船、椅)六元环。(b)如右图所示碳化硅晶胞,从立方体对角线的视角观察,画出一维空间上碳、硅原子的分布规律(注意原子的比例大小和相对位置,至少画两个周期)

4.（10分）

BGO是我国研制的一种闪烁晶体材料，首次用于诺贝尔奖获得者丁肇中的著名实验，它是锗酸铋简称。若知：①在BGO中，锗处于最高价态，②在BGO中，铋的价态与铋跟氯形成的某种共价化合物时所呈的价态相同，在此氯化物中铋具有最外层8电子稳定结构，③BGO可看成是由锗和铋两种元素所形成的复杂氧化物，且在BGO晶体的化学式中，这两种氧化物所含氧的总质量相同。请填空：(1)锗和铋的元素符号分别是

和

；(2)BGO晶体的化学式