怎樣判別晶胞

文章編號：1005－6629(2008)05－0074－02中圖分類號：O71 文獻標識碼：B

晶胞是晶體學一個重要的和基本的概念。在新一輪課程改革中這一概念已正式進入中學教學。事實上，晶胞概念通過化學競賽和教輔資料早就為中學師生耳聞目睹，然而對這一概念的準確內涵卻存在較普遍的模糊認識，造成使用上的混亂甚至錯誤。下面結合典型實例和中學教學實際需要，淺談晶胞的判別，以期引起讀者對這一問題的關注。

1晶胞的內涵

能夠表現晶體結構特征的基本單位稱為晶胞。整塊晶體是由完全等同的晶胞“無隙并置”地堆積起來。

“無隙并置”即一個晶胞與它比鄰的晶胞是完全共頂角、共面、共棱的，取向一致，無間隙，從一個晶胞到另一個晶胞只需平移，不需轉動。晶胞的這種本質屬性稱為晶胞的平移性。

晶胞具有相同的頂角、相同的平行面和相同的平行棱是晶胞平移性這一本質特征的必然推論。例如，下列晶體結構可以表示為晶胞是A和D，而表示B、C晶體結構單元的平行六面體不具有相同的頂角、相同的平行面和相同的平行棱。

注：圖中的“●”或“○”代表兩種不同的原子。

下圖分別為CsCl、BaCl₂晶體結構模型。對CsCl來說，左側的大立方體是由右側八個小立方體“無隙并置”堆積構成的，因而右側的小立方體表示晶胞；對BaCl₂來說，左側的大立方體不可能通過右側的小立方體“無隙并置”堆積構成，因而，右側的小立方體不能表示晶胞。

所謂“相同”，包括“化學上相同”(原子或分子相同)和“幾何上相同”(原子的排列與取向)。 例如， 干冰晶胞（見下圖）：

位于八個頂點和三對平行面面心上的都是二氧化碳分子，它們在化學上是等同的。然而頂角二氧化碳分子是一種取向，三對面心的二氧化碳分子的取向與頂角二氧化碳分子的取向都不相同，而且它們之間也互不相同，因而，有四種幾何上相同的二氧化碳分子，即該晶胞中相同的二氧化碳分子是四種。又如，碘的晶胞是正交晶胞（晶胞的邊長a≠b≠c，晶胞面夾角α=β=γ=90°，見下圖）：

頂角碘分子和一對側平行面（底）面心的碘分子是一種取向，另二對平行面面心的碘分子是另一種取向，即該晶胞中相同的碘分子是二種。

由以上分析可知，晶胞是具有特定化學內容和幾何內容的“實體”，其結構信息是外顯的，這不同于點陣單位。點陣單位圖只給出了點陣點，這些幾何學上的一個點是晶胞中一個結構基元的抽象，它既沒有體積、大小，也沒有形狀，但這些“點”也代表特定的內容（包括化學內容和幾何內容）。在最簡單的情況下，點陣點所代表的只是一個原子或一個分子，但對于絕大多數具體晶體，點陣點不只代表一個原子或一個分子，而是若干個原子或分子的集合。

由于晶胞的形狀和大小與點陣單位的形狀和大小完全相等，這兩個概念常被不加區分地誤用。事實上，我們普遍看到的異質類晶現象，是指不同物質晶體具有相同的晶胞幾何特征（如形狀相同、微粒在空間相對位置排布相同或者說微粒在空間的堆積方式相同）。例如，金屬晶體的簡單立方堆積、鉀型堆積、銅型堆積，不能說它們的晶胞相同，因為晶胞是惟一確定的。

2 簡單立方晶胞、體心立方晶胞和面心立方晶胞的判別

立方晶胞是布拉維系7種不同幾何特征晶胞中的一種，也是中學教學涉及最多的一種，分為簡單立方、體心立方和面心立方三種。如下圖：

體心晶胞的特征是晶胞內的任一原子作體心平移必得與它完全相同的原子，即處于晶胞頂點的原子和處于體心的原子周圍環境（化學環境和幾何環境）完全相同。下圖中的金屬鈉是體心晶胞，氯化銫不是體心晶胞，而是簡單立方晶胞。

面心晶胞的特征是晶胞內的任一原子作面心平移必得與它完全相同的原子，即處于晶胞頂點的原子和處于面心的原子周圍環境（化學環境和幾何環境）完全相同。如下圖所示。

需要指出的是，由于干冰晶胞有四種不同取向的二氧化碳分子，晶胞通過面心平移后，頂點和面心周圍化學環境相同（最近且等距的二氧化碳分子都是12個），但幾何環境（分子取向）不同，因此干冰晶胞不是面心立方晶胞，而是簡單立方晶胞。

再如下圖，由于頂角碘分子和一對側平行面（底）面心的碘分子是一種取向，另二對平行面面心的碘分子是另一種取向，晶胞只可作側平行面（底）面心的平移，而不能作另二個平行面面心的平移，因此，碘晶體是左右軸向的底心晶胞。

參考文獻：

[1]北京師范大學 華中師范大學 南京師范大學 無機化學教研室無機化學[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]武漢大學 吉林大學 等校編無機化學[M].北京：高等教育出版社，1994年4月第三版.