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晶體結構的復雜性
第3章 不同聚集狀態的物質與性質
以石墨為例認識晶體的復雜性，借助過渡晶體及混合型晶體模型，解釋其具有的獨特性質。
同是碳單質的晶體，金剛石和石墨的性質存在哪些異同？是什么造成了這種差異？
金剛石部分物理性質 熔點 莫氏硬度 電導率/（s·m-1)
3550℃ 10 2.11*10-13
石墨部分物理性質 熔點 莫氏硬度 電導率/（s·m-1)
3850℃ 1 2.5*103
一、混合型晶體
實驗測定，石墨的熔點高達 3850 ℃，這說明石墨晶體具有共價晶體的特點。但是，石墨很軟并且能導電，是非常好的潤滑劑，這說明它又不同于共價晶體。那么，石墨究競屬于哪種類型的晶體呢
石墨性質特征
熔點高、 質軟、 能導電
共價晶體特征
金屬晶體特征
石墨結構特征
混合型晶體
層狀結構
分子晶體特征
石墨晶體既存在共價鍵又存在范德華力，同時還存在類似金屬鍵的作用力，我們將這類晶體稱為混合型晶體
石墨晶體是層狀結構，層內的碳原子的核間距為142 pm，層間距離為335 pm。
109°28′
碳原子雜化方式：
347kJ·mol-1
鍵角：
鍵長：
鍵能：
0.154nm
sp2
石墨的層狀結構
⑴石墨的晶體具有層狀結構,同一層中的每個碳原子與鄰近的3個碳原子以共價鍵相結合,形成無限的六邊形平面網狀結構。每個碳原子還有1個與碳環平面垂直的未參與雜化的2p軌道,并含有1個未成對電子,能形成遍及整個平面的大π鍵
⑵碳原子采取sp2雜化,C—C鍵之間的夾角為120°。
⑶層與層之間以范德華力結合。
⑷石墨晶體既含有共價鍵,又有范德華力,同時還存在類似金屬鍵的作用力,這類晶體稱為混合型晶體。石墨熔點高、質軟、能導電。
事實上，純粹的典型晶體是不多的，大多數離子晶體中的化學鍵具有一定的共價鍵成分。
金屬晶體、離子晶體、共價晶體、分子晶體等模型都是典型的晶體結構模型，大多數實際晶體結構要復雜得多
O2-
Ba2+
Ti4+
例如：BaTiO3含有一種陰離子O2-和多種陽離子Ti4+、Ba2+
二、過渡晶體
如，Na2SiO3 與 Na2CO3 組成看似相似，但結構明顯不同。
在Na2SiO3固體中并不存在單個的簡單SiO32－，Si通過共價鍵與4個O原子相連，形成硅氧四面體。硅氧四面體通過共用頂角O原子而連成較大的鏈狀硅酸鹽{SiO32－}∞單元(如圖所示)，帶負電的鏈狀硅酸鹽{SiO32－}∞單元與金屬陽離子以離子鍵相互作用。
從表格中可知：上述晶體中的化學鍵既不是純粹的離子鍵，也不是純粹的共價鍵，這些晶體既不是純粹的離子晶體也不是純粹的共價晶體，只是離子晶體與共價晶體之間的過渡晶體
幾種氧化物的化學鍵中離子鍵成分的百分數 氧化物 Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 Cl2O7
離子鍵的 百分數/% 62 50 41 33 離子鍵的百分數更小
離子
晶體
共價
晶體
分子
晶體
幾種氧化物的化學鍵中離子鍵成分的百分數 氧化物 Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 Cl2O7
離子鍵的 百分數/% 62 50 41 33 離子鍵的百分數更小 離子晶體和共價晶體的過渡標準是化學鍵中離子鍵成分的百分數。離子鍵成分的百分數大，作為離子晶體處理，離子鍵成分的百分數小，作為共價晶體處理。
三、四種晶體類型比較
類型項目 金屬晶體 共價晶體 分子晶體 離子晶體
構成晶體的微粒 金屬陽離子和“自由電子” 原子 分子 陰、陽
離子微粒間作用 金屬鍵 共價鍵 分子間作用力(范德華力或氫鍵) 離子鍵
作用力強弱(一般地) 一般較強，有的較弱 很強 弱 較強
確定作用力強弱的一般判斷方法 離子半徑、價電子數 鍵長(原子半徑) 組成結構相似時比較相對分子質量 離子所帶
電荷、半徑熔、沸點 差別較大(汞常溫下為液態，鎢熔點為3 410 ℃) 高 低 較高
硬度 差別較大 大 較小 略硬而脆
導熱和導電性 良導體 不良導體 不良導體(部分溶于水發生電離后導電) 不良導體(熔化后或溶于水導電)
溶解性(水) 一般不溶于水，少數與水反應 一般不溶 相似相溶 多數易溶
組成微粒堆積方式 等徑圓球緊密堆積 不服從緊密堆積原理 緊密堆積(與分子形狀有關且分子間不存在氫鍵) 非等徑圓球緊密堆積
各類晶體的熔點大小比較
1、根據物質狀態判斷
即物質沸點高低按常溫下的狀態：固體＞液體＞氣體。
如：NaCl＞H2O＞CO2。
2、根據物質不同結構特點判斷
解題程序：①首先確定晶體類型。
②分析影響熔點的因素--晶體中微粒間的作用：金屬鍵、晶格能、離子鍵、共價鍵、分子間作用力(范德華力、氫鍵)等。
③分析影響微粒間作用大小的因素：原子半徑、價電子數、離子半徑、電荷數、鍵長、鍵能、相對分子質量等。
④回答問題：按順序①—→③—→②—→結論
1.石墨晶體是層狀結構，在每一層內，每一個碳原子都與其他三個碳原子相結合。如圖是其晶體結構的俯視圖，則圖中7個六元環完全占有的碳原子數是( )
A.10 B.18 C.24 D.14
D
2.石墨晶體中，層內C—C的鍵長為142 pm，而金剛石中C—C的鍵長為154 pm，回答下列問題。
(1)熔點：石墨_____(填“＞”“＜”或“＝”)金剛石。
(2)石墨中C—C的鍵長小于金剛石中C—C鍵長的原因：
__________________________________________________________________________________________________________________。
＞
金剛石中只存在C—C間的σ鍵，而石墨中層內的C—C間不僅存在σ鍵，還存在π鍵，電子層重疊程度大，所以C—C間的鍵長短
3.碳元素的單質有多種形式，下圖依次是C60、石墨和金剛石的結構圖：
回答下列問題：
(1)金剛石、石墨、C60、碳納米管等都是碳元素的單質形式，它們互為____________。
同素異形體
(2)金剛石、石墨烯(指單層石墨)中碳原子的雜化形式分別為_____、_______。
sp2
sp3
(3)C60屬于________晶體，石墨屬于________晶體。
分子
混合型
4.下列表述不正確的是(　　)
A、熔點：CF4B、硬度：金剛石>碳化硅>晶體硅
C、晶格能：NaF>NaCl>NaBr>NaI
D、熔點：Na>Mg>Al
D

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