原子晶體應(yīng)用領(lǐng)域

原子晶體在工業(yè)上多被用作耐磨、耐熔或耐火材料。金剛石、金剛砂都是極重要的磨料；SiO₂是應(yīng)用極廣的耐火材料；石英和它的變體，如水晶、紫晶、燧石和瑪瑙等，是工業(yè)上的貴重材料；SiC、BN（立方）、Si₃N₄等是性能良好的高溫結(jié)構(gòu)材料。

某些金屬單質(zhì)：晶體鍺（Ge）等。

某些非金屬化合物：氮化硼（BN）晶體、碳化硅、二氧化硅等。

非金屬單質(zhì)：金剛石、晶體硅、晶體硼等。

結(jié)構(gòu)特征：空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（如金剛石、晶體硅、二氧化硅等）。

原子晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

①由原子直接構(gòu)成晶體，所有原子間只靠共價(jià)鍵連接成一個(gè)整體。

②由基本結(jié)構(gòu)單元向空間伸展形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

③破壞共價(jià)鍵需要較高的能量。

在原子晶體的晶格結(jié)點(diǎn)上排列著中性原子，原子間以堅(jiān)強(qiáng)的共價(jià)鍵相結(jié)合，如單質(zhì)硅（Si）、金剛石（C）、二氧化硅（SiO₂）、碳化硅（SiC）金剛砂、金剛石（C）和氮化硼B(yǎng)N（立方）等。以典型原子晶體二氧化硅晶體（SiO₂方石英）為例，每一個(gè)硅原子位于正四面體的中心，氧原子位于正四面體的頂點(diǎn)，每一個(gè)氧原子和兩硅原子相連。如果這種連接向整個(gè)空間延伸，就形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的巨型“分子”。

圖片“比較金剛石和石英的晶體和晶胞”為金剛石面心立方晶胞。金剛砂（SiC）的結(jié)構(gòu)與金剛石相似，只是C骨架結(jié)構(gòu)中有將與C相連的4個(gè)C原子換為Si，再以Si為中心形成頂角為C的正四面體，形成C－Si交替的空間骨架。石英（SiO₂）結(jié)構(gòu)中Si和O以共價(jià)鍵相結(jié)合，每一個(gè)Si原子周圍有4個(gè)O原子排列成以Si為中心的正四面體，許許多多的Si－O四面體通過O原子相互聯(lián)接而形成巨大分子。圖片“比較金剛石和石英的晶體和晶胞”（b′）為面心立方晶胞。

在這類晶體中，不存在獨(dú)立的小分子，而只能把整個(gè)晶體看成一個(gè)大分子。由于原子之間相互結(jié)合的共價(jià)鍵非常強(qiáng)，要打斷這些鍵而使晶體熔化必須消耗大量能量，所以原子晶體一般具有較高的熔點(diǎn)，沸點(diǎn)和硬度，在通常情況下不導(dǎo)電，也是熱的不良導(dǎo)體，熔化時(shí)也不導(dǎo)電，但半導(dǎo)體硅等可有條件的導(dǎo)電。

原子間不再以緊密的堆積為特征，它們之間是通過具有方向性和飽和性的共價(jià)鍵相聯(lián)接，特別是通過成鍵能力很強(qiáng)的雜化軌道重疊成鍵，使它的鍵能接近400KJ·mol^-1。原子晶體中配位數(shù)比離子晶體少。

原子晶體，在這類晶體中，不存在獨(dú)立的小分子，而只能把整個(gè)晶體看成一個(gè)大分子。由于原子之間相互結(jié)合的共價(jià)鍵非常強(qiáng)，要打斷這些鍵而使晶體熔化必須消耗大量能量，所以原子晶體一般具有較高的熔點(diǎn)，沸點(diǎn)和硬度，在通常情況下不導(dǎo)電，也是熱的不良導(dǎo)體。熔化時(shí)也不導(dǎo)電，但半導(dǎo)體硅等可有條件的導(dǎo)電。

由中性原子構(gòu)成的晶體。原子間以共價(jià)鍵相聯(lián)系。由于結(jié)合較牢，所以原子晶體的硬度較大，熔點(diǎn)較高。例如金剛石是由碳原子構(gòu)成的原子晶體。石墨是由碳原子構(gòu)成的但它不是原子晶體，它的每一層碳原子之間結(jié)合較牢，但層與層之間為分子間力，結(jié)合較弱，因此容易沿層間滑移。硅、硼等單質(zhì)以及碳化硅、氮化硅等許多化合物晶體都是原子晶體。

原子晶體不導(dǎo)電、不易溶于任何溶劑，化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定。例如金剛石，由于碳原子半徑較小，共價(jià)鍵的強(qiáng)度很大，要破壞4個(gè)共價(jià)鍵或扭歪鍵角都需要很大能量，所以金剛石的硬度最大，熔點(diǎn)達(dá)3570℃，是所有單質(zhì)中最高的。又如立方BN的硬度近于金剛石。

原子晶體中，組成晶體的微粒是原子，原子間的相互作用是共價(jià)鍵，共價(jià)鍵結(jié)合牢固，原子晶體的熔、沸點(diǎn)高，硬度大，不溶于一般的溶劑，多數(shù)原子晶體為絕緣體，有些如硅、鍺等是優(yōu)良的半導(dǎo)體材料。原子晶體中不存在分子，用化學(xué)式表示物質(zhì)的組成，單質(zhì)的化學(xué)式直接用元素符號(hào)表示，兩種以上元素組成的原子晶體，按各原子數(shù)目的最簡(jiǎn)比寫化學(xué)式。常見的原子晶體是周期系第ⅣA族元素的一些單質(zhì)和某些化合物，例如金剛石、硅晶體、SiO₂、SiC等。（但碳元素的另一單質(zhì)石墨不是原子晶體，石墨晶體是層狀結(jié)構(gòu)，以一個(gè)碳原子為中心，通過共價(jià)鍵連接3個(gè)碳原子，形成網(wǎng)狀六邊形，屬過渡型晶體。）

規(guī)律：原子晶體熔沸點(diǎn)的高低與共價(jià)鍵的強(qiáng)弱有關(guān)。一般來說，半徑越小形成共價(jià)鍵的鍵長越短，鍵能就越大，晶體的熔沸點(diǎn)也就越高。例如：金剛石（C－C）>二氧化硅（Si－O）>碳化硅（Si－C）晶體硅（Si－Si）。

1.原子間形成共價(jià)鍵，原子軌道發(fā)生重疊。原子軌道重疊程度越大，共價(jià)鍵的鍵能越大，兩原子核的平均間距—鍵長越短。

2.一般說來：結(jié)構(gòu)相似的分子，其共價(jià)鍵的鍵長越短，共價(jià)鍵的鍵能越大，分子越穩(wěn)定。

3.一般情況下，成鍵電子數(shù)越多，鍵長越短，形成的共價(jià)鍵越牢固，鍵能越大。在成鍵電子數(shù)相同，鍵長相近時(shí)，鍵的極性越大，鍵能越大，形成時(shí)釋放的能量就越多，反之破壞它消耗的能量也就越多，付出的代價(jià)也就越大。

相同條件不同狀態(tài)物質(zhì)

一、在相同條件下，不同狀態(tài)的物質(zhì)的熔、沸點(diǎn)的高低是不同的，一般有：固體>液體>氣體。例如：NaBr（固）>Br2>HBr（氣）。

二、不同類型晶體的比較規(guī)律

一般來說，不同類型晶體的熔、沸點(diǎn)的高低順序?yàn)椋涸泳w>離子晶體>分子晶體，而金屬晶體的熔、沸點(diǎn)有高有低。這是由于不同類型晶體的微粒間作用不同，其熔、沸點(diǎn)也不相同。原子晶體間靠共價(jià)鍵結(jié)合，一般熔、沸點(diǎn)最高；離子晶體陰、陽離子間靠離子鍵結(jié)合，一般熔、沸點(diǎn)較高；分子晶體分子間靠范德華力結(jié)合，一般熔、沸點(diǎn)較低；金屬晶體中金屬鍵的鍵能有大有小，因而金屬晶體熔、沸點(diǎn)有高有低。

例如：金剛石>食鹽>干冰

三、同種類型晶體的比較規(guī)律

⒈原子晶體：熔、沸點(diǎn)的高低，取決于共價(jià)鍵的鍵長和鍵能，鍵長越短，鍵能越大，熔沸點(diǎn)越高。

例如：晶體硅、金剛石和碳化硅三種晶體中，因鍵長C—C碳化硅>晶體硅。

⒉離子晶體：熔、沸點(diǎn)的高低，取決于離子鍵的強(qiáng)弱。一般來說，離子半徑越小，離子所帶電荷越多，離子鍵就越強(qiáng)，熔、沸點(diǎn)就越高。

例如：MgO>CaO，NaF>NaCl>NaBr>NaI。

⒊分子晶體：熔、沸點(diǎn)的高低，取決于分子間作用力的大小。一般來說，組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，其分子量越大，分子間作用力越強(qiáng)，熔沸點(diǎn)就越高。

例如：F₂22;CCl₄44。

⒋金屬晶體：熔、沸點(diǎn)的高低，取決于金屬鍵的強(qiáng)弱。一般來說，金屬離子半徑越小，自由電子數(shù)目越多，其金屬鍵越強(qiáng)，金屬熔沸點(diǎn)就越高。

例如：NaNa>K。

晶體開始融化時(shí)的溫度叫做熔點(diǎn)。物質(zhì)有晶體和非晶體,晶體有固定熔點(diǎn),而非晶體則沒有固定熔點(diǎn)。晶體又因類型不同而熔點(diǎn)也不同。一般來說晶體熔點(diǎn)從高到低為,原子晶體>離子晶體>金屬晶體>分子晶體。在分子晶體中又有比較特殊的，如水、氨氣等。它們的分子間因?yàn)楹袣滏I而不符合“同主族元素的氫化物熔點(diǎn)規(guī)律性變化”的規(guī)律。

熔點(diǎn)是一種物質(zhì)的一個(gè)物理性質(zhì)。物質(zhì)的熔點(diǎn)并不是固定不變的，有兩個(gè)因素對(duì)熔點(diǎn)影響很大。

一是壓強(qiáng)，平時(shí)所說的物質(zhì)的熔點(diǎn)，通常是指一個(gè)大氣壓時(shí)的情況；如果壓強(qiáng)變化，熔點(diǎn)也要發(fā)生變化。熔點(diǎn)隨壓強(qiáng)的變化有兩種不同的情況。對(duì)于大多數(shù)物質(zhì)，熔化過程是體積變大的過程，當(dāng)壓強(qiáng)增大時(shí)，這些物質(zhì)的熔點(diǎn)要升高；對(duì)于像水這樣的物質(zhì)，與大多數(shù)物質(zhì)不同，冰熔化成水的過程體積要縮小（金屬鉍、銻等也是如此）當(dāng)壓強(qiáng)增大時(shí)冰的熔點(diǎn)要降低。

另一個(gè)就是物質(zhì)中的雜質(zhì)，我們平時(shí)所說的物質(zhì)的熔點(diǎn)，通常是指純凈的物質(zhì)。但在現(xiàn)實(shí)生活中，大部分的物質(zhì)都是含有其它的物質(zhì)的，比如在純凈的液態(tài)物質(zhì)中溶有少量其他物質(zhì)，或稱為雜質(zhì)，即使數(shù)量很少，物質(zhì)的熔點(diǎn)也會(huì)有很大的變化，例如水中溶有鹽，熔點(diǎn)就會(huì)明顯下降，海水就是溶有鹽的水，海水冬天結(jié)冰的溫度比河水低，就是這個(gè)原因。飽和食鹽水的熔點(diǎn)可下降到約-22℃，北方的城市在冬天下大雪時(shí)，常常往公路的積雪上撒鹽，只要這時(shí)的溫度高于-22℃，足夠的鹽總可以使冰雪熔化，這也是一個(gè)利用熔點(diǎn)在日常生活中的應(yīng)用。

熔點(diǎn)實(shí)質(zhì)上是該物質(zhì)固、液兩相可以共存并處于平衡的溫度,以冰熔化成水為例,在一個(gè)大氣壓下冰的熔點(diǎn)是0℃,而溫度為0℃時(shí),冰和水可以共存,如果與外界沒有熱交換,冰和水共存的狀態(tài)可以長期保持穩(wěn)定。在各種晶體中粒子之間相互作用力不同,因而熔點(diǎn)各不相同。同一種晶體,熔點(diǎn)與壓強(qiáng)有關(guān),一般取在1大氣壓下物質(zhì)的熔點(diǎn)為正常熔點(diǎn)。在一定壓強(qiáng)下,晶體物質(zhì)的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)都相同。熔解時(shí)體積膨脹的物質(zhì),在壓強(qiáng)增加時(shí)熔點(diǎn)就要升高。

物理性質(zhì)

非金屬單質(zhì)大多是分子晶體，少部分為原子晶體和過渡型的層狀晶體。

單質(zhì)共價(jià)鍵數(shù)大部分符合8-N規(guī)則

稀有氣體：8-8=0（2-2=0），為單原子分子鹵素，氫：8-7=1（2-1=1），為雙原子分子VI A族的硫、硒、碲：8-6=2，為二配位的鏈形與環(huán)形分子V A族的磷、砷：8-5=3，為三配位的有限分子P4,As4，灰砷和黑磷為層狀分子IV A族的碳、硅：8-4=4，為四配位的金剛石型結(jié)構(gòu)。少數(shù)分子由于形成π鍵、大Π鍵或d軌道參與成鍵，鍵型發(fā)生變化，于是不遵守8-N規(guī)則。如N2、O2分子中的原子間的鍵不是單鍵；硼單質(zhì)和石墨結(jié)構(gòu)中，鍵的個(gè)數(shù)也不等于8-N個(gè)。

物理性質(zhì)可分為三類

稀有氣體及O2、N2、H2等：一般狀態(tài)下為氣體，固體為分子晶體，熔沸點(diǎn)很低多原子分子，S8、P4等：一般狀態(tài)下為固體，分子晶體，熔沸點(diǎn)低，但比第一類高大分子單質(zhì)，金剛石、晶態(tài)硅等：原子晶體，熔沸點(diǎn)高

化學(xué)性質(zhì)

活潑非金屬元素，如F2，Cl2，Br2，O2，P S等，能與金屬形成鹵化物、氧化物、硫化物，氫化物或含氧酸鹽等。非金屬元素之間也能形成鹵化物、氧化物、無氧酸、含氧酸等。

大部分單質(zhì)不與水反應(yīng)，僅鹵素與高溫下的碳能與水發(fā)生反應(yīng)。

非金屬一般不與非氧化性稀酸發(fā)生反應(yīng)，硼、碳、磷、硫、碘、砷等才能被濃硝酸、濃硫酸及王水氧化。

除碳、氮、氧外，一般可以和堿溶液發(fā)生反應(yīng)，對(duì)于有變價(jià)的主要發(fā)生歧化反應(yīng)；Si、B則是從堿溶液中置換出氫氣；濃堿時(shí)，F(xiàn)2能氧化出O2

成鍵方式

非金屬原子之間主要成共價(jià)鍵，而非金屬元素與金屬元素之間主要成離子鍵。

非金屬原子之間成共價(jià)鍵的原因是，兩種原子均有獲得電子的能力，都傾向于獲得對(duì)方的電子使自己達(dá)到穩(wěn)定的構(gòu)型，于是兩者就共用電子對(duì)以達(dá)此目的。

而金屬原子失去電子的能力較強(qiáng)，與非金屬相遇時(shí)就一者失電子、一者得電子，雙方均達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

多原子的共價(jià)分子常常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象是軌道雜化，這使得中心原子更易和多個(gè)原子成鍵。

非金屬原子之間形成的共價(jià)鍵中，除了一般的σ鍵和π鍵，還有一種大Π鍵。大Π鍵是離域的，可以增加共價(jià)分子或離子的穩(wěn)定性。