各種晶體結構
銅臭 / 2022-07-19
根據物質微粒(離子、原子、分子)運動的形式、范圍以及分子間的距離，可將物質分為固、液、氣三種聚集狀態(tài)。氣體的粒子能自由運動，液體的粒子在其體積之內也可以自由運動，而固體的粒子只能在固定的位置作振動。因此只有固態(tài)物質才能讀到粒子排列的規(guī)律性。固態(tài)物質按其特征又可分為晶體和非晶體(無定形物質)兩種。下面討論晶體的性質與結構的關系:
一、晶體的特征
晶體具有整齊的、有規(guī)則的幾何外形，例如食鹽結晶為正立方體形;明礬結晶為八面體形。而非晶體的外形是不規(guī)則的，例如瀝青、松香和玻璃等。
晶體的另一特征是各向異性，也就是它的物理性質在不同的方向是不同的。例如晶體的解理性、導熱性、光學性質在不同的方向測定時，常是不相同的。非晶體則各向同性。
當把晶體加熱到某一溫度( 熔點)，晶體就開始熔化，在沒有全部熔化以前，繼續(xù)加熱，溫度不再上升，這時所供給的熱量都用于使晶體變?yōu)橐簯B(tài)。這個溫度，稱為固體物質的熔點。晶體物質都有其固定的熔點;非晶體在加熱過程中，隨著溫度的升高而逐漸變軟、流動，最后完全變成液體，沒有固定的熔點。
但是，晶體與非晶體并非截然不同的兩種物質。由于條件的不同，同一物質可以形成晶體，也可以形成非晶體。例如，在自然界中，石英、白硅石等是二氧化硅的晶體，而燧石、硅藻土則是二氧化硅的非晶體。明膠、橡膠等非晶體在適當的條件下，也可以使它們成為晶體。
還應指出，有很多外觀為非晶體的物質，實際上是由極微小 的晶體積集而成的。例如無定形碳一木炭、 骨炭等，大部分具有十分微細的和石墨相似的晶體結構。因此，自然界中大部分固態(tài)物質都屬于晶體。
晶體的上述特征是其內部結構的反映。組成晶體的粒子是有規(guī)則地排列在空間的一定點上，這些點的總和叫做晶格(或點 陣)。排有粒子的那些點叫做晶格的結點。圖4-9是一種晶格的示意。
.jpg "晶格結構")
對于不同類型的晶體，粒子在空間排列的規(guī)律性可能不同，但對同一種晶體來說，這種規(guī)律性總是相同的。
晶體還有單晶體與多晶體之分。單晶體是由同一個晶格在各個方向上均衡生長起來的，這種晶體是比較少見的。常見晶體的整個結構不是由同一晶格，而是由很多取向不同的單晶顆粒拼湊形成的。這樣的晶體叫做多晶體。
二、晶體的主要類型
晶格結點在空間排列的形狀各式各樣，按照晶格結點上粒子的種類(更確切地說，按照粒子間作用力的性質)不同，可將晶體分為以下幾種類型:
1.離子晶體。在離子晶體的晶格結點上交替排列的是正、負離子，正、負離子間是由很強的離子鍵(靜電引力)作用著，所以離子晶體有較高的熔點和較大的硬度。離子晶體中，由于離子不能自由移動，又沒有自由電子，故離子晶體在固態(tài)時是不能導電的，但在熔化(或溶解于水)時，由于離子能自由移動，因此具有導電性。離子晶體的延展性很小。絕大部分的鹽類和很多金屬氧化物的晶體都是離子晶體，例如NaCI、Na?PO?和BaO等。
在離子晶體中，每一個離子都被帶相反電荷的離子包圍著，圖4-10所示的是食鹽晶體。顯然，在晶體中并沒有氯化鈉單分子存在，整個晶體可以看成是一個巨大的氯化鈉分子;其中Na?與CI?數目之比是1:1。為了方便，把NaCl作為氯化鈉的分子式。
2.原子晶體。在原子晶體晶格的結點上排列著中性原子，它們之間以共價鍵相聯系。因此，原子晶體般具有很大的硬度、很高的熔點和很小的延展性。在一般條件下，其固志與被態(tài)都不導電。
周期系第Ⅳ類主族，碳(全剛石)、硅、結、錫(灰錫)等單質的品體為原子晶體。周期系第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類主族元素彼此組成的某些化合物，如康化硅(SiC)和碳化看(B?C)等，也是原子晶體。在金剛石品體中，每個碳原子四周對容地分布著四個碳原子組成正四面體，如圖4-11所示。碳化硅的品體與金剛石一樣，只是碳原子和硅原子相間地排列著。
對原子晶體來說，其中也沒有單分子存在，整個晶體可以看成是一個巨大的分子。
.jpg "金剛石的晶體結構 固體二氧化碳的結構")
3.分子晶體。在分子晶體中，晶格結點上排列著的是分子。雖然分子中的原子是以共價鍵相聯系的，但是分子與分子之間的作用力比較弱，因此分子晶體的硬度小、熔點低。由于分子晶體是由電中性的分子組成，所以在固態(tài)或液態(tài)時，一般都難導電。
大多數非金屬單質和它們之間的化合物，以及大部分有機化合物，在固態(tài)時都形成分子晶體，如冰、干冰(固體二氧化碳)、固態(tài)氮化氫等，固態(tài)二氧化碳的分子結構如圖4-12所示。
4.金屬晶體。除汞以外，金屬都具有晶體結構。在金屬晶體的晶格結點上，排列著金屬原子和由金屬原子脫落一部分或全部價電子而形成的金屬離子。在金屬晶體內的原子和離子不是固定不變的，而是在它們之間進行著不斷的交換。在這種交換過程 中，電子在某一瞬間不受某原子或離子的束縛， 而能在金屬晶體內自由地移動，因此稱為自由電子。這樣就把金屬離子和金屬 原子聯結起來組成金屬晶體，如圖4-13所示。 由于自由電子的存在引起晶體中粒子間的作用力，叫做金屬鍵。和原子晶體及離子晶體一樣，整個金屬晶體可以看成是一個巨大的分子。
自由電子理論可以說明金屬的共同物理性質，如導電性、導熱性以及延展性等。在通常情況下，金屬中自由電子的運動是不定向的。但當金屬 的兩端只要存在一定的電位差， 電子就會朝一個方向移動，這就是金屬能導電的原因。金屬的導電性一般隨溫度升高面降低，因為溫度升高時，晶格結點上粒子的振動速度加快、幅度加大，自由電子的運動所受到的阻力也增大，因此導電性就降低。
金屬中的雜質也會使金屬的導電性降低，這主要是由于雜質破壞了金屬原子的有規(guī)則排列，從而使電子的運動受到阻礙。故金屬的純度愈高，其導電性愈好。
金屬晶體不但有良好的導電性，而且也有良好的導熱性。當金屬一端受熱時，自由電子的運動加強,不斷地與晶格結點上的粒子相碰撞，從面引起它們之間的能量交換，使熱量從金屬一端傳至另一端，這就是金屬容易導熱的原因。
金屬具有良好的延展性，也可以從金屬晶體的結構來解釋。由于金屬鍵沒有方向性，當金屬受到外力作用后，金屬的正離子或原子容易作相對滑動，但仍能靠自由電子保持金屬鍵的結合力。因此金屬發(fā)生變形而不致斷裂。但原子晶體則不同，結點間聯系的力是靠共價鍵，而共價鍵是有方向性的，因此在外力作用下,各層間發(fā)生相對滑動時，由于共價鍵被破壞，層與層之間聯系就破壞，因而使晶體破裂。在離子晶體中，雖然離子晶體沒有方向性，但受到外力各層間發(fā)生相對滑動時，就使帶有相同電荷的離子相遇而發(fā)生排斥，;因而就破壞了各層間的聯系而引起晶體破裂。圖4-14表示不同類型的晶體受外力作用時的情況。
加工后的金屬，可塑性減退而硬度增加。但若將加工后的金屬加熱到一定溫度，然后慢慢冷卻(叫退火)，又可恢復其可塑性，因為這時金屬的正離子或原子又重新有規(guī)則的排列，恢復原來的晶格。
.jpg "金屬的晶體結構")
.jpg "不同類型的晶體受外力作用時的情況")
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