第三章 晶体结构与性质
第二节 分子晶体和共价晶体
一、共价晶体概述
在微观世界里，有一种晶体的结构非常独特，它们并非由分子构成，而是由原子直接通过共价键结合形成三维空间结构。这种晶体被称为共价晶体，也可以看作是“原子晶体”的一种。
共价晶体中的基本构成粒子是原子。例如，我们熟知的金刚石，其构成元素仅为碳原子。
这些原子之间通过强大的共价键相连，形成稳固的骨架结构。但需要注意的是，并非所有由原子构成的晶体都是共价晶体，如石墨，其层与层之间是通过范德华力相连的，因此不属于共价晶体。
二、常见的共价晶体
共价晶体主要存在于ⅢA、ⅣA族的元素单质或化合物中。
三、共价晶体的物理性质
1. 熔点和沸点非常高，硬度极大。这是因为原子间的共价键非常强大，需要消耗大量能量才能。
2. 对于结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高，硬度越大。例如，金刚石的C—C键长很短，键能巨大，使其拥有已知晶体中最大的硬度和极高的熔点。
四、共价晶体的结构
1. 金刚石结构
金刚石中的碳原子采用杂化，每个碳原子与四个相邻的碳原子形成四个共价键。这些键构成了一个正四面体结构，进一步形成了共价键的三维骨架。每个碳原子形成的C—C键数目为四个，且每个C—C键为两个碳原子共有。晶胞是一个立方体，其中包含八个碳原子在顶点，六个在面心，以及四个在体心。金刚石的密度和晶体中两个最近的碳原子之间的距离可以通过晶胞参数进行计算。如果将金刚石中的碳原子替换为硅原子，就可以得到单晶硅的晶体结构。
2. 二氧化硅的结构
每个硅原子与四个氧原子形成硅氧四面体结构。最小环由六个硅原子和六个氧原子组成，是一个十二元环。二氧化硅有多种结构形式，其中低温石英是最常见的一种。它在制造压电材料、水泥、玻璃等方面有广泛应用。二氧化硅也是制造单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的重要原料。关于二氧化硅的用途和如何从原子结构的角度理解金刚石、硅和锗的熔点、硬度的变化等，值得进一步深入探讨和思考。关于如何区分共价晶体和其他类型的晶体等问题将在后续内容中详细阐述。在此我们小结一下：共价晶体是由原子通过共价键形成的三维空间结构；常见的共价晶体主要是ⅢA、ⅣA族的一些元素的单质和化合物；它们的熔点、沸点高且硬度大；金刚石和二氧化硅是常见的共价晶体结构代表。希望这些内容能对您有所启发和帮助！
