第二节 分子晶体与共价晶体

一、分子晶体

1.1 基本概念

1. 定义 ：只含分子，或分子间以分子间作用力（范德华力、氢键）结合的晶体
2. 分子晶体和共价晶体的辨析 ：

注意：不是所有的分子晶体内部都有共价键，eg：稀有气体（单原子分子）

1.2 分子晶体包含的物质

1. 所有非金属氢化物：\(\ce{H2O、H2S、NH3、CH4、HX(卤素)}\) 等
2. 部分非金属单质：\(\ce{X_2、C_{60}、稀有气体、O_2、H_2、S_8、P4}\) 等
3. 部分非金属氧化物：\(\ce{CO2、SO2、NO2、P4O6}\)等
4. 几乎所有的酸：\(\ce{H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3}\) 等
5. 绝大多数有机物：苯、四氯化碳、乙醇、冰醋酸、蔗糖等
6. 注意 ：以下这些物质是分子晶体，但是容易被错认成其他晶体，\(\ce{BeCl2、AlCl3、FeCl3、HgCl2、SnCl4}\)

1.3 分子晶体的物理性质

1. 分子晶体熔、沸点低，硬度很小（常温常压下，呈气体或液体的都是分子晶体。高中范围内，除\(\ce{Hg}\) 和离子液体外）
2. 分子晶体不导电
3. 分子晶体的溶解性一般符合”相似相溶“原理（极性溶极性，非极性溶非极性）

1.4 分子晶体结构特征

1.5 冰与干冰的结构

1. 相同质量的冰比水体积大的原因：一个冰分子与四个氢键相连，一个水分子周围只有3.4个左右氢键。而氢键具有方向性

二、共价晶体

2.1 基本概念

1. 定义 ：相邻原子间以共价键相结合形成共价键的三维骨架（空间立体网状）结构的晶体
2. 构成微粒 ：原子；微粒间的作用力，共价键

2.2 共价晶体包含的物质

共价晶体的数量少，直接背诵，通常与\(\ce{ⅢA、ⅣA、ⅤA}\) 族相关

1. 某些单质：\(\ce{B}\) 、\(\ce{Si}\) 、\(\ce{Ge}\) 、\(\ce{C(金刚石)}\)
2. 某些非金属化合物：\(\ce{SiC、SiO2、BN、Si3N4}\)
3. 极少数金属氧化物：刚玉（\(\ce{\alpha-Al2O3}\)）等

2.3 物理性质

1. 熔点很高。共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时需要破坏共价键，需要很高的温度，所以共价晶体具有很高的熔点。
2. 硬度很大 ：共价键三维股价结构决定了共价晶体硬度很大。如金刚石是天然存在的最硬的物质
3. 一般不导电，但晶体硅是半导体
4. 难溶于一般的溶剂

2.4 典型的共价晶体

1. 金刚石（单晶硅同）

1. 每个\(\ce{C}\) 周围紧邻4个\(\ce{C}\) (呈正四面体)，每个\(\ce{C}\) \(\ce{sp^{3}}\) 杂化，键角109°28′
2. 1mol金刚石有2mol\(\ce{C-C}\) 键
3. 最小环由6个碳原子组成，且最小环上有4个碳原子在一个平面
4. 每个\(\ce{C}\)原子被12个六元环共用，1个六元环占有的\(\ce{C}\) 原子为\(\ce{\dfrac{1}{2}}\) 个
5. 一个金刚石晶胞占有8个\(\ce{C}\)原子（顶角+六面+4内错）

2. 二氧化硅

1. 每个\(\ce{Si}\) 周围有4个\(\ce{O}\) 原子，独自占有2个\(\ce{O}\) 原子（均摊），采取\(\ce{sp^{3}}\) 杂化
2. 每个\(\ce{Si}\) 独占4个\(\ce{Si-O}\) 键；每个\(\ce{O}\) 独占两个\(\ce{Si-O}\) 键
3. 1mol \(\ce{SiO2}\) 有4mol\(\ce{Si-O}\) 键
4. 最小环是十二元环，包括6个\(\ce{Si}\) 原子，6个\(\ce{O}\) 原子

3.碳化硅晶胞

1. 把\(\ce{Si}\) 晶胞中，4个内错的晶胞换成\(\ce{C}\) 原子即可

三、面心立方最密堆积中的空隙

3.1 正四面体空隙

1. 面心立方最密堆积：8个顶角，6个面都有粒子
2. 正四面体空隙：每个顶角的原子与其相近的面上的原子都可以组成正四面体，它们围城的空隙称为正四面体空隙。而面心立方最密堆积中总共有8个这样的正四面体空隙
3. 金刚石晶胞原子填充在8个正四面体空隙中的4个中，填充率为50%

3.2 正八面体空隙

1. 面心立方堆积中六个面上的粒子相连，组成正八面体，围城的空隙叫正八面体空隙。并且每条棱的棱心也可以当作空隙的体心，所以每个晶胞中平均有4个八面体空隙