《物质结构与性质》——19、共价晶体

第三章  晶体结构与性质

第二节 分子晶体和共价晶体

二、共价晶体

1、共价晶体的概念

有些晶体的微观空间里没有分子，而是所有相邻原子间都以共价键结合，整块晶体是一个共价键三维骨架结构，也可以认为是一个“巨分子”，这样的晶体叫做共价晶体（原子晶体）。

共价晶体的构成粒子是原子。如，金刚石就是一种典型的共价晶体，由碳原子构成。

共价晶体中的原子间的作用力是共价键。如，金刚石中碳原子之间是C—C。有些晶体如石墨，也是由原子构成，原子之间存在共价键，但其层与层之间是范德华力，所以不是共价晶体。     

2、常见的共价晶体

常见的共价晶体主要是ⅢA、ⅣA族一些元素的单质或化合物。

3、共价晶体的物理性质

（1）熔、沸点很高，硬度很大。

共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，破坏共价键需要消耗较多的能量。

（2）结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高，硬度越大。

如，金刚石的C—C键长很短（154pm），键能很大（347.7kJ/mol），使得金刚石在所有已知晶体中硬度最大，而且熔点很高（>3500℃）。

再如二氧化硅晶体，熔点1713℃，是自然界中含量最高的固态二元化合物。

思考：金刚石、碳化硅、晶体硅均是具有相似的结构的共价晶体，比较它们的键长、键能、熔点和硬度的数据，分析其中的关系。  

碳和硅为同主族元素，原子半径C＜Si，键长C—C＜C—Si＜Si—Si，键能C—C＞C—Si＞Si—Si，所以它们的熔点和硬度：金刚石>碳化硅>晶体硅。   

4、常见共价晶体结构

（1）金刚石

金刚石中的碳采取sp3杂化，每个碳原子与相邻的4个碳原子形成4个C—C（配位数为4），键角109°28′，构成一个正四面体，这样形成共价键三维骨架结构。

每个C形成4个C—C，每个C—C为2个C原子共有，即C原子与C—C数目之比为1∶2。  

晶体中最小的环由6个碳原子组成（六元环），且不在同一平面内，是一个空间正六边形。每个C原子被12个六元环共用，1个碳原子对应2个碳环。

其晶胞是一个立方体（见上图，用红色线标出），有8个碳原子在顶点（深蓝色碳原子），6个在面心（也是深蓝色碳原子），还有4个在体心（浅蓝色碳原子）。如果将其晶胞分成8个小立方体，其中4个交错排列的小立方体体心各有1个碳原子，另4个小立方体为空。

一个晶胞中含碳原子：

设晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为多少g·cm－3。

以一个晶胞为对象，一个晶胞8个碳原子，质量为8×12/NA g，其晶胞是立方体，体积为棱长（晶胞参数）的立方，注意单位的换算。其密度为：

晶体中两个最近的碳原子之间的距离为多少pm。设碳原子的半径为r，则a、r是什么关系？

形成共价键的碳原子之间距离最近，可认为是碳原子半径的2倍，是体对角线的1/4。  

如果将金刚石中碳原子换成硅原子，则得到单晶硅的晶体，是重要的半导体材料。

（2）二氧化硅

二氧化硅也是一种常见的共价晶体。     

Si原子采取sp3杂化，每个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个O原子和2个Si原子相结合，形成一个硅氧四面体。每个Si原子对应4个 Si—O。

最小环由6个Si原子和6个O原子组成，是一个12元环。每个Si原子被12个环共用，每个O原子被6个环共用。   

5、二氧化硅的主要用途

二氧化硅晶体有多种结构，最常见的是低温石英。通常海滩河岸的黄沙、带状的石英矿脉、花岗岩中的白色晶体、透明的水晶等都是低温石英。

低温石英中，顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，这一结构决定了它具有手性（左、右型）。被广泛用作压电材料，如制作石英手表。  

二氧化硅的用途很多，制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。   

思考：

怎样从原子结构的角度理解金刚石、硅和锗的熔点、硬度依次下降。

它们都是共价晶体，结构相似。原子半径C<Si<Ge，所以键长C—C<Si—Si<Ge—Ge，键能C—C>Si—Si>Ge—Ge，其熔点和硬度依次下降。

具有共价键的晶体叫共价晶体，这种说法是否正确。

由原子直接通过共价键形成的三维空间结构的晶体都是共价晶体。有些分子晶体、离子晶体中也含有共价锓，如冰、碳酸钠等。

小结：

共价晶体是原子通过共价键形成的三维空间结构。

形成共价晶体的主要是ⅢA、ⅣA族一些元素的单质、化合物。

共价晶体的熔点、沸点很高、硬度很大。

金刚石、二氧化硅是常见的共价晶体，知道其晶体结构，特别是金刚石的晶胞。