各种晶体结构
铜臭 / 2022-07-19
根据物质微粒(离子、原子、分子)运动的形式、范围以及分子间的距离，可将物质分为固、液、气三种聚集状态。气体的粒子能自由运动，液体的粒子在其体积之内也可以自由运动，而固体的粒子只能在固定的位置作振动。因此只有固态物质才能读到粒子排列的规律性。固态物质按其特征又可分为晶体和非晶体(无定形物质)两种。下面讨论晶体的性质与结构的关系:
一、晶体的特征
晶体具有整齐的、有规则的几何外形，例如食盐结晶为正立方体形;明矾结晶为八面体形。而非晶体的外形是不规则的，例如沥青、松香和玻璃等。
晶体的另一特征是各向异性，也就是它的物理性质在不同的方向是不同的。例如晶体的解理性、导热性、光学性质在不同的方向测定时，常是不相同的。非晶体则各向同性。
当把晶体加热到某一温度( 熔点)，晶体就开始熔化，在没有全部熔化以前，继续加热，温度不再上升，这时所供给的热量都用于使晶体变为液态。这个温度，称为固体物质的熔点。晶体物质都有其固定的熔点;非晶体在加热过程中，随着温度的升高而逐渐变软、流动，最后完全变成液体，没有固定的熔点。
但是，晶体与非晶体并非截然不同的两种物质。由于条件的不同，同一物质可以形成晶体，也可以形成非晶体。例如，在自然界中，石英、白硅石等是二氧化硅的晶体，而燧石、硅藻土则是二氧化硅的非晶体。明胶、橡胶等非晶体在适当的条件下，也可以使它们成为晶体。
还应指出，有很多外观为非晶体的物质，实际上是由极微小 的晶体积集而成的。例如无定形碳一木炭、 骨炭等，大部分具有十分微细的和石墨相似的晶体结构。因此，自然界中大部分固态物质都属于晶体。
晶体的上述特征是其内部结构的反映。组成晶体的粒子是有规则地排列在空间的一定点上，这些点的总和叫做晶格(或点 阵)。排有粒子的那些点叫做晶格的结点。图4-9是一种晶格的示意。
.jpg "晶格结构")
对于不同类型的晶体，粒子在空间排列的规律性可能不同，但对同一种晶体来说，这种规律性总是相同的。
晶体还有单晶体与多晶体之分。单晶体是由同一个晶格在各个方向上均衡生长起来的，这种晶体是比较少见的。常见晶体的整个结构不是由同一晶格，而是由很多取向不同的单晶颗粒拼凑形成的。这样的晶体叫做多晶体。
二、晶体的主要类型
晶格结点在空间排列的形状各式各样，按照晶格结点上粒子的种类(更确切地说，按照粒子间作用力的性质)不同，可将晶体分为以下几种类型:
1.离子晶体。在离子晶体的晶格结点上交替排列的是正、负离子，正、负离子间是由很强的离子键(静电引力)作用着，所以离子晶体有较高的熔点和较大的硬度。离子晶体中，由于离子不能自由移动，又没有自由电子，故离子晶体在固态时是不能导电的，但在熔化(或溶解于水)时，由于离子能自由移动，因此具有导电性。离子晶体的延展性很小。绝大部分的盐类和很多金属氧化物的晶体都是离子晶体，例如NaCI、Na₃PO₄和BaO等。
在离子晶体中，每一个离子都被带相反电荷的离子包围着，图4-10所示的是食盐晶体。显然，在晶体中并没有氯化钠单分子存在，整个晶体可以看成是一个巨大的氯化钠分子;其中Na⁺与CI⁻数目之比是1:1。为了方便，把NaCl作为氯化钠的分子式。
2.原子晶体。在原子晶体晶格的结点上排列着中性原子，它们之间以共价键相联系。因此，原子晶体般具有很大的硬度、很高的熔点和很小的延展性。在一般条件下，其固志与被态都不导电。
周期系第Ⅳ类主族，碳(全刚石)、硅、结、锡(灰锡)等单质的品体为原子晶体。周期系第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类主族元素彼此组成的某些化合物，如康化硅(SiC)和碳化看(B₄C)等，也是原子晶体。在金刚石品体中，每个碳原子四周对容地分布着四个碳原子组成正四面体，如图4-11所示。碳化硅的品体与金刚石一样，只是碳原子和硅原子相间地排列着。
对原子晶体来说，其中也没有单分子存在，整个晶体可以看成是一个巨大的分子。
.jpg "金刚石的晶体结构 固体二氧化碳的结构")
3.分子晶体。在分子晶体中，晶格结点上排列着的是分子。虽然分子中的原子是以共价键相联系的，但是分子与分子之间的作用力比较弱，因此分子晶体的硬度小、熔点低。由于分子晶体是由电中性的分子组成，所以在固态或液态时，一般都难导电。
大多数非金属单质和它们之间的化合物，以及大部分有机化合物，在固态时都形成分子晶体，如冰、干冰(固体二氧化碳)、固态氮化氢等，固态二氧化碳的分子结构如图4-12所示。
4.金属晶体。除汞以外，金属都具有晶体结构。在金属晶体的晶格结点上，排列着金属原子和由金属原子脱落一部分或全部价电子而形成的金属离子。在金属晶体内的原子和离子不是固定不变的，而是在它们之间进行着不断的交换。在这种交换过程 中，电子在某一瞬间不受某原子或离子的束缚， 而能在金属晶体内自由地移动，因此称为自由电子。这样就把金属离子和金属 原子联结起来组成金属晶体，如图4-13所示。 由于自由电子的存在引起晶体中粒子间的作用力，叫做金属键。和原子晶体及离子晶体一样，整个金属晶体可以看成是一个巨大的分子。
自由电子理论可以说明金属的共同物理性质，如导电性、导热性以及延展性等。在通常情况下，金属中自由电子的运动是不定向的。但当金属 的两端只要存在一定的电位差， 电子就会朝一个方向移动，这就是金属能导电的原因。金属的导电性一般随温度升高面降低，因为温度升高时，晶格结点上粒子的振动速度加快、幅度加大，自由电子的运动所受到的阻力也增大，因此导电性就降低。
金属中的杂质也会使金属的导电性降低，这主要是由于杂质破坏了金属原子的有规则排列，从而使电子的运动受到阻碍。故金属的纯度愈高，其导电性愈好。
金属晶体不但有良好的导电性，而且也有良好的导热性。当金属一端受热时，自由电子的运动加强,不断地与晶格结点上的粒子相碰撞，从面引起它们之间的能量交换，使热量从金属一端传至另一端，这就是金属容易导热的原因。
金属具有良好的延展性，也可以从金属晶体的结构来解释。由于金属键没有方向性，当金属受到外力作用后，金属的正离子或原子容易作相对滑动，但仍能靠自由电子保持金属键的结合力。因此金属发生变形而不致断裂。但原子晶体则不同，结点间联系的力是靠共价键，而共价键是有方向性的，因此在外力作用下,各层间发生相对滑动时，由于共价键被破坏，层与层之间联系就破坏，因而使晶体破裂。在离子晶体中，虽然离子晶体没有方向性，但受到外力各层间发生相对滑动时，就使带有相同电荷的离子相遇而发生排斥，;因而就破坏了各层间的联系而引起晶体破裂。图4-14表示不同类型的晶体受外力作用时的情况。
加工后的金属，可塑性减退而硬度增加。但若将加工后的金属加热到一定温度，然后慢慢冷却(叫退火)，又可恢复其可塑性，因为这时金属的正离子或原子又重新有规则的排列，恢复原来的晶格。
.jpg "金属的晶体结构")
.jpg "不同类型的晶体受外力作用时的情况")
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