物质晶体空间结构的分析

郭越

一、原子晶体

原子晶体是原子间通过共价健结合而成的空间网状结构的晶体。

1.金刚石晶体网状结构中，每个碳原子上有4个“C-C”键，由“C-C”键形成的最小环中有6个碳原子，通过每个碳原子可形成12个最小六元碳环，“C-C”键之间的夹角为109°28′。

2.单晶硅网状结构与金刚石相同，每个硅原子上有4个“Si-Si”键，由“Si-Si”键形成的最小环中有6个硅原子，通过每个硅原子可形成12个最小六元硅环，“Si-Si”键之间的夹角为109°28′。

3.碳化硅晶体网状结构与金刚石相似，每个碳原子上有4个“C-Si”键，每个硅原子上有4个“Si-C”键，由“C-Si”键形成的最小环中也有6个原子：3个碳原子，3个硅原子，通过每个硅原子或碳原子亦能形成12个最小六元环，“Si-C”键之间的夹角都是109°28′，化学式：SiC。由于“C-C”键的键长最短，键能最大，“C-Si”键的键长、键能次之，而“Si-Si”键的键长最长，键能最小，所以三种晶体的熔沸点高低顺序是：金刚石>碳化硅>单晶硅。

4.二氧化硅晶体网状结构中，每个硅原子上有4个“Si-O”键，每个氧原子上有2个“O-Si”键，由Si-O键形成的最小环中有12个原子——6个硅原子，6个氧原子，通过每个硅原子形成12个最小12元环，且“Si-O”键之间的夹角也是109°28′。

5.石墨为片状层结构的过渡型晶体，每层由正六边形边成网状结构，每个六元环占有的碳原子份数6×1/3=2（个），平均“C-C”键数6×1/2=3（个），碳原子的最外层电子只成键3个，剩余1个电子在层与层之间共用。

6.单晶硼网状结构中，以B12正二十面体为基本结构单元，由12个硼原子组成，有二十个等边三角形和12个顶点，每个硼原子与邻近5个硼原子等距离，结构单元B12中每个三角形占有的硼原子份数为3/5，B12二十面体中棱数（B-B键数）为12×5×1/2=30，或由欧拉定律求解：棱数=顶点数+面数-2=12+20-2=30。结构单元如图1所示。

图1二、分子晶体

形成分子晶体的微粒是分子，而分子中各原子的空间排布是不同的。

1.CH4分子正四面体，“C-H”键之间的夹角109°28′，由此分子可联想到正四面体的分子或离子：CH4、SiF4、ClO-4、SO2-4、PO3-4、SiO4-4、NH+4等。

CH2=CH2分子为平面型分子，2个碳原子与4个氢原子在同一平面上，键角为120°，由此分子推断出CH2=CHCH=CH2的分子中各原子在同一平面上。

C2H2分子为直线型分子，由此联想到CO2、CS2等分子为直线分子。

分子为平面正六边形结构，6个碳原子与6个氢原子都在同一平面上，键角 120°。 等电子体的“无机苯”N3B3H6的分子结构与苯分子结构相似，所有原子在同一平面上，分子结构为： 〖1〗B〖2〗N〖3〗B〖4〗N〖5〗B〖6〗NHHHHHH

由CH2=CH2，HC≡CH分子结构可推断出H2CCH—CHCCCFCHCH2的所有原子可能在同一平面上。由以上可以得出结论：有机物分子中，碳碳键如果全部是饱和单键，则每个碳原子与其他4个碳原子形成四面体结构；碳碳键如果是饱和单键与不饱和键（双键或三键）交替形成，则分子中的原子可能在同一平面上。

2.P4分子结构是一个内空的正四面体，每个磷原子都有三个“P-P”键，每个P4分子共有6个“P-P”键，四个正三角形，依据P4分子结构可推断其氧气氧化的实质：白磷（P4）分子中每个“P-P”键被氧化时断裂而嵌入氧原子，生成P4O6。P4O6分子中每个磷原子上还有一对孤对电子，可继续被氧气氧化成P4O10，或白磷（P4）在充足的O2中燃烧生成P4O6。P4O6、P4O10最小环为6个原子的稠环化合物。

3.C60、C70、N60、N70分子都是形如球状的多面体，分子中的每个碳或氮原子只跟相邻的3个碳原子或氮原子形成化学键（一个双键，两个单键）。（1） C60等分子中通过五边形，六边形连接成球面，每个五边形占有的原子份数：1/3×5=5/3，平均棱数：1/2×5=5/2；每个六边形占有的原子份数：1/3×6=2，平均棱数：1/2×6=3。（2） C60、N60分子中棱边数：60×3×1/2=90；C70、N70分子中棱边数：70×3×1/2=105；（3） C60、N60分子中五边形、六边形数。设五边形数a，六边形数为b，则

5a/3+2b=60

60+（a+b）-90=2（欧拉定律）

解之得： a=12

b=20

同理C70、N70分子中五边形数12，六边形数25。

三、离子晶体

根据离子晶体中的最小重复单位——晶胞，可求化学式及阴、阳离子个数比，方法如下：

（1）处于顶点的离子同时为8个晶胞共有，每个离子给每个晶胞的贡献是1/8；

（2）处于棱上的离子同时为4个晶胞共有，每个离子给每个晶胞的贡献是1/4；

（3）处于面上的离子同时为2个晶胞共有，每个离子给每个晶胞的贡献是1/2；

（4）处于晶胞内部的离子属于该晶胞。

（收稿日期：2016-02-10）