几种典型晶体结构的特点分析

徐寿坤

有关晶体结构的知识是高中化学中的一个难点，它能很好地考查同学们的观察能力和三维想像能力，而且又很容易与数学、物理特别是立体几何知识相结合，是近年高考的热点之一。熟练掌握NaCl、CsCl、CO₂、SiO₂、金刚石、石墨、C₆₀等晶体结构特点，理解和掌握一些重要的分析方法与原则，就能顺利地解答此类问题。

通常采用均摊法来分析这些晶体的结构特点。均摊法的根本原则是：晶胞任意位置上的原子如果是被n个晶胞所共有，则每个晶胞只能分得这个原子的1/n。

1. 氯化钠晶体

由下图氯化钠晶体结构模型可得：每个Na⁺紧邻6个，每个紧邻6个（上、下、左、右、前、后），这6个离子构成一个正八面体。设紧邻的Na⁺与Cl^-间的距离为a，每个Na⁺与12个Na⁺等距离紧邻（同层4个、上层4个、下层4个），距离为。由均摊法可得：该晶胞中所拥有的Na⁺数为，数为，晶体中Na⁺数与Cl^-数之比为1：1，则此晶胞中含有4个NaCl结构单元。

2. 氯化铯晶体

每个Cs⁺紧邻8个Cl^-，每个Cl^-紧邻8个Cs⁺，这8个离子构成一个正立方体。设紧邻的Cs⁺与Cs⁺间的距离为，则每个Cs⁺与6个Cs⁺等距离紧邻（上、下、左、右、前、后）。在如下图的晶胞中Cs⁺数为，在晶胞内其数目为8，晶体中的数与数之比为1：1，则此晶胞中含有8个CsCl结构单元。

3. 干冰

每个CO₂分子紧邻12个CO₂分子（同层4个、上层4个、下层4个），则此晶胞中的CO₂分子数为。

4. 金刚石晶体

每个C原子与4个C原子紧邻成键，由5个C原子形成正四面体结构单元，C-C键的夹角为。晶体中的最小环为六元环，每个C原子被12个六元环共有，每个C-C键被6个六元环共有，每个环所拥有的C原子数为，拥有的C-C键数为，则C原子数与C-C键数之比为。

5. 二氧化硅晶体

每个Si原子与4个O原子紧邻成键，每个O原子与2个Si原子紧邻成键。晶体中的最小环为十二元环，其中有6个Si原子和6个O原子，含有12个Si-O键；每个Si原子被12个十二元环共有，每个O原子被6个十二元环共有，每个Si-O键被6个十二元环共有；每个十二元环所拥有的Si原子数为，拥有的O原子数为，拥有的Si-O键数为，则Si原子数与O原子数之比为1：2。

6. 石墨晶体

在石墨晶体中，层与层之间是以分子间作用力结合，同层之间是C原子与C原子以共价键结合成的平面网状结构，故石墨为混合型晶体或过渡型晶体。在同层结构中，每个C原子与3个C原子紧邻成C-C键，键角为，其中最小的环为六元环，每个C原子被3个六元环共有，每个C-C键被2个六元环共有；每个六元环拥有的C原子数为，拥有的C-C键数为，则C原子数与C-C键数之比为2：3。

7. C₆₀分子

C₆₀是由60个C原子组成的类似于足球的分子，由欧拉定律可推知该分子中有12个正五边形和20个正六边形。每个C原子与其他3个C原子紧邻成键，形成的总键数为由于每个C原子可形成4个键，所以3个键中肯定有一个是双键，则其中的双键数为,单键数为。