最后更新: 2025-10-29 09:06 查看: 17 次反馈能力测评会员8.2元/月赞助

共价晶体、分子晶体、金刚石、二氧化硅、液晶

自然界中有许多天然矿石都是晶体。例如，金刚石是被人们称为宝石的天然晶体，它不仅有绚丽的色彩和光滑平整的多面体几何外形，还具有诸多优良性质，如熔点高达 $3350{ }^{\circ} \mathrm{C}$ 、不导电、莫氏硬度极高。这些性质显然是由金刚石的晶体结构决定的。那么，在金刚石晶体中，碳原子又是怎样排列的呢？

## 共价晶体

共价晶体是相邻原子之间通过共价键而形成的三维空间网状结构的晶体，共价晶体的基本结构微粒是原子。由于共价键有方向性，晶体中原子的空间排列主要取决于共价键的空间指向，所以共价晶体中没有球密堆积的特征。金刚石晶体就是一种常见的共价晶体。

在金刚石晶体中，每个碳原子都采用 $\mathrm{sp}^3$ 杂化，与紧邻的四个碳原子以共价键结合，无数碳原子以这种方式相互连接形成三维空间网状结构（图3．13）。每个 C—C键的键长为 154 pm ，键能为 $347 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{~mol}^{-1}$ ，相邻两个 $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ 键之间的键角为 $109^{\circ} 28^{\prime}$ 。正是这种特殊的排列方式，造就了金刚石晶体的独特性质。要想破坏或熔化金刚石，必须破坏其中的共价键，这需要非常大的能量，因此金刚石是一种熔点很高、硬度很大、性质稳定的物质。

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 在金刚石的晶胞（图3.14）中，由于共价键的饱和性与方向性，每个碳原子都只与周围的四个呈正四面体排列的碳原子形成碳碳单键。由此可见，金刚石中碳原子的排列方式与金属晶体和离子晶体中紧密堆积的排列方式有明显的不同。
 
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 除了金刚石外，常见的共价晶体还有纯净的晶体硅 （ Si ）、水晶（ $\mathrm{SiO}_2$ ）和金刚砂（ SiC ）等。它们被广泛应用于光学研究、地质勘探、石油钻井等。

如果将金刚石晶体结构中的碳原子替换为硅原子，可得到晶体硅的结构。若再向晶体硅结构中的每个 Si－Si键中＂插人＂一个氧原子，如图 3.15 所示，硅原子和氧原子以共价键结合，每一个硅原子周围有四个氧原子排列成以硅原子为中心的硅氧四面体，再由许多个这样的硅氧四面体通过氧原子互相连接，从而形成二氧化硅的晶体结构。在二氧化硅晶体中，每一个硅原子与周围四个氧原子形成共价键，每一个氧原子与周围两个硅原子形成共价键，因此，在二氧化硅晶体中硅原子和氧原子的个数比为 $1: 2$ 。由此可见，由原子通过共价键形成的共价晶体中也不存在单个分子，因此也有人认为，可以把整个共价晶体看成是由＂无限＂数目的原子构成的一个＂巨型分子＂。

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 碳化硅（ SiC）是 1891 年人工合成的无机非金属材料。它的晶体结构可以看作是金刚石晶胞内部的四个碳原子替换成硅原子，从而形成 $\mathrm{C}-\mathrm{Si}$ 交替排列的空间骨架。由图 3.16中的碳化硅晶胞可以看出，晶胞中各有四个碳原子和四个硅原子，因此在整个碳化硅晶体中碳原子和硅原子的个数比为 1 ：1。

碳化硅晶体硬度大、耐磨性好、耐高温，可用于制作耐磨的高级工程陶瓷，还可用于制造火箭喷管、燃气轮机叶片等。此外，碳化硅还广泛应用于半导体、光伏发电、航空航天等领域。

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 从表3.3中的数据可以看出，共价晶体大多具有较高的熔点和硬度，这是为什么？讨论表中所给出的结构相似的共价晶体的熔点差别较大的可能原因
 
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  共价晶体熔点的高低与其内部结构密切相关。在共价晶体中，所有原子均以共价键相结合，只要共价键不被破坏，原子就不能自由移动。对结构相似的共价晶体来说，原子半径越

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