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一、晶体中的化学键及晶格类型<原子和晶体的关系>

一、晶体中的化学键及晶格类型

晶体中的化学键也具有离子键、共价键、金属键、分子键之分。一般来说,一种晶体通常以一种化学键为主,其物理性质也是由这种占主导地位的化学键决定,因此,我们根据晶体内占主导地位的化学键类型来划分晶体的晶格类型。对应于离子键、共价键、金属键、分子键,就有离子晶格、原子晶格、金属晶格、分子晶格。

1、离子键--离子晶格:

离子键占主要地位的晶体结构为离子晶格。离子键的性质是:阴离子与阳离子都是一个带电子云的球体,它们靠静电吸引而成键。离子键没有方向性和饱和性,即在任何方向都可以成键,成键的数目不受原子的电子分布构型限制。

图2-1 两个离子的电子云重叠形成离子键示意图

由于离子键没有方向性和饱和性,离子与离子之间组成晶体结构时,往往可以达到最紧密的状态,因为越紧密,结构就越稳定。

图2-2 离子键形成晶体结构示意图

正是因为离子键晶体结构可以达到最紧密状态,所以,离子键晶体结构遵循“球体最紧密堆积原理”。这个原理我们将在下一小节中详细介绍。

离子键所形成的离子晶格类型的晶体,具有透明、不导电、硬度大的物理性质。

2、共价键--原子晶格:

共价键占主要地位的晶体结构为原子晶格。共价键的性质是:原子与原子之间的电子轨道发生重叠、共用一对电子而成键。共价键具有方向性和饱和性,即在什么方向成键、能够形成几个键,都要受各原子外层电子分布构型限制。

图2-3 C原子的sp2电子轨道重叠形成共价键示意图

由于共价键具有方向性和饱和性,原子与原子之间以共价键组成晶体结构时,不能够达到最紧密的状态。

图2-4 原子以共价键形成晶体结构示意图

共价键所形成的原子晶格类型的晶体,具有透明-半透明、不导电、硬度很大的物理性质。

3、金属键—金属晶格:

金属键占主要地位的晶体结构为金属晶格。金属键的性质是:金属原子之间借助于在整个晶格内运动着的“自由电子”而相互维系,各金属原子外层电子分布呈球形,原子之间的键力也没有方向性和饱和性,即在任何方向都可以成键,成键的数目不受原子的电子分布构型限制。这种特性与离子键相似,所以,金属原子形成晶体结构时,也可以达到最紧密状态,而且由于金属晶格一般都是由相同的金属原子组成的单质,不存在大小不同的阴离子、阳离子,金属键晶体结构遵循“等大球最紧密堆积原理”(详见下一小节)。

图2-5原子以金属键形成晶体结构示意图

金属键所形成的金属晶格类型的晶体,具有不透明、导电、硬度小的物理性质。

4、分子键—分子晶格:

分子键占主要地位的晶体结构为分子晶格。在分子晶格中,存在着“分子”,分子内部一般为键性很强的共价键,而分子外部则是很弱的所谓分子键。分子有自身的几何形态,不是球体,其几何形态决定于组成分子的各原子成键的构型;分子与分子之间堆积形成晶体结构时,可以尽可能地达到紧密状态,所以分子晶格遵循“非球体最紧密堆积”。

分子键所形成的分子晶格类型的晶体,具有透明、不导电、硬度很小的物理性质。

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