物質晶體空間結構的分析

郭越

一、原子晶體

原子晶體是原子間通過共價健結合而成的空間網狀結構的晶體。

1.金剛石晶體網狀結構中，每個碳原子上有4個“C-C”鍵，由“C-C”鍵形成的最小環中有6個碳原子，通過每個碳原子可形成12個最小六元碳環，“C-C”鍵之間的夾角為109°28′。

2.單晶硅網狀結構與金剛石相同，每個硅原子上有4個“Si-Si”鍵，由“Si-Si”鍵形成的最小環中有6個硅原子，通過每個硅原子可形成12個最小六元硅環，“Si-Si”鍵之間的夾角為109°28′。

3.碳化硅晶體網狀結構與金剛石相似，每個碳原子上有4個“C-Si”鍵，每個硅原子上有4個“Si-C”鍵，由“C-Si”鍵形成的最小環中也有6個原子：3個碳原子，3個硅原子，通過每個硅原子或碳原子亦能形成12個最小六元環，“Si-C”鍵之間的夾角都是109°28′，化學式：SiC。由于“C-C”鍵的鍵長最短，鍵能最大，“C-Si”鍵的鍵長、鍵能次之，而“Si-Si”鍵的鍵長最長，鍵能最小，所以三種晶體的熔沸點高低順序是：金剛石>碳化硅>單晶硅。

4.二氧化硅晶體網狀結構中，每個硅原子上有4個“Si-O”鍵，每個氧原子上有2個“O-Si”鍵，由Si-O鍵形成的最小環中有12個原子——6個硅原子，6個氧原子，通過每個硅原子形成12個最小12元環，且“Si-O”鍵之間的夾角也是109°28′。

5.石墨為片狀層結構的過渡型晶體，每層由正六邊形邊成網狀結構，每個六元環占有的碳原子份數6×1/3=2（個），平均“C-C”鍵數6×1/2=3（個），碳原子的最外層電子只成鍵3個，剩余1個電子在層與層之間共用。

6.單晶硼網狀結構中，以B12正二十面體為基本結構單元，由12個硼原子組成，有二十個等邊三角形和12個頂點，每個硼原子與鄰近5個硼原子等距離，結構單元B12中每個三角形占有的硼原子份數為3/5，B12二十面體中棱數（B-B鍵數）為12×5×1/2=30，或由歐拉定律求解：棱數=頂點數+面數-2=12+20-2=30。結構單元如圖1所示。

圖1二、分子晶體

形成分子晶體的微粒是分子，而分子中各原子的空間排布是不同的。

1.CH4分子正四面體，“C-H”鍵之間的夾角109°28′，由此分子可聯想到正四面體的分子或離子：CH4、SiF4、ClO-4、SO2-4、PO3-4、SiO4-4、NH+4等。

CH2=CH2分子為平面型分子，2個碳原子與4個氫原子在同一平面上，鍵角為120°，由此分子推斷出CH2=CHCH=CH2的分子中各原子在同一平面上。

C2H2分子為直線型分子，由此聯想到CO2、CS2等分子為直線分子。

分子為平面正六邊形結構，6個碳原子與6個氫原子都在同一平面上，鍵角 120°。 等電子體的“無機苯”N3B3H6的分子結構與苯分子結構相似，所有原子在同一平面上，分子結構為： 〖1〗B〖2〗N〖3〗B〖4〗N〖5〗B〖6〗NHHHHHH

由CH2=CH2，HC≡CH分子結構可推斷出H2CCH—CHCCCFCHCH2的所有原子可能在同一平面上。由以上可以得出結論：有機物分子中，碳碳鍵如果全部是飽和單鍵，則每個碳原子與其他4個碳原子形成四面體結構；碳碳鍵如果是飽和單鍵與不飽和鍵（雙鍵或三鍵）交替形成，則分子中的原子可能在同一平面上。

2.P4分子結構是一個內空的正四面體，每個磷原子都有三個“P-P”鍵，每個P4分子共有6個“P-P”鍵，四個正三角形，依據P4分子結構可推斷其氧氣氧化的實質：白磷（P4）分子中每個“P-P”鍵被氧化時斷裂而嵌入氧原子，生成P4O6。P4O6分子中每個磷原子上還有一對孤對電子，可繼續被氧氣氧化成P4O10，或白磷（P4）在充足的O2中燃燒生成P4O6。P4O6、P4O10最小環為6個原子的稠環化合物。

3.C60、C70、N60、N70分子都是形如球狀的多面體，分子中的每個碳或氮原子只跟相鄰的3個碳原子或氮原子形成化學鍵（一個雙鍵，兩個單鍵）。（1） C60等分子中通過五邊形，六邊形連接成球面，每個五邊形占有的原子份數：1/3×5=5/3，平均棱數：1/2×5=5/2；每個六邊形占有的原子份數：1/3×6=2，平均棱數：1/2×6=3。（2） C60、N60分子中棱邊數：60×3×1/2=90；C70、N70分子中棱邊數：70×3×1/2=105；（3） C60、N60分子中五邊形、六邊形數。設五邊形數a，六邊形數為b，則

5a/3+2b=60

60+（a+b）-90=2（歐拉定律）

解之得： a=12

b=20

同理C70、N70分子中五邊形數12，六邊形數25。

三、離子晶體

根據離子晶體中的最小重復單位——晶胞，可求化學式及陰、陽離子個數比，方法如下：

（1）處于頂點的離子同時為8個晶胞共有，每個離子給每個晶胞的貢獻是1/8；

（2）處于棱上的離子同時為4個晶胞共有，每個離子給每個晶胞的貢獻是1/4；

（3）處于面上的離子同時為2個晶胞共有，每個離子給每個晶胞的貢獻是1/2；

（4）處于晶胞內部的離子屬于該晶胞。

（收稿日期：2016-02-10）