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原子晶體
鎖定
- 中文名
- 原子晶體
- 外文名
- covalent crystal
- 別 名
- 共價晶體
- 應用學科
- 化學
原子晶體理化性質
原子晶體,在這類晶體中,不存在獨立的小分子,而只能把整個晶體看成一個大分子。由於原子之間相互結合的共價鍵非常強,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,沸點和硬度,在通常情況下不導電,也是熱的不良導體。熔化時也不導電,但半導體硅等可有條件的導電。
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由中性原子構成的晶體。原子間以共價鍵相聯繫。由於結合較牢,所以原子晶體的硬度較大,熔點較高。例如金剛石是由碳原子構成的原子晶體。石墨是由碳原子構成的但它不是原子晶體,它的每一層碳原子之間結合較牢,但層與層之間為分子間力,結合較弱,因此容易沿層間滑移。硅、硼等單質以及碳化硅、氮化硅等許多化合物晶體都是原子晶體。
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原子晶體不導電、不易溶於任何溶劑,化學性質十分穩定。例如金剛石,由於碳原子半徑較小,共價鍵的強度很大,要破壞4個共價鍵或扭歪鍵角都需要很大能量,所以金剛石的硬度最大,熔點達3570℃,是所有單質中最高的。又如立方BN的硬度近於金剛石。
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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鍵,共價鍵結合牢固,原子晶體的熔、沸點高,硬度大,不溶於一般的溶劑,多數原子晶體為絕緣體,有些如硅、鍺等是優良的半導體材料。原子晶體中不存在分子,用化學式表示物質的組成,單質的化學式直接用元素符號表示,兩種以上元素組成的原子晶體,按各原子數目的最簡比寫化學式。常見的原子晶體是週期系第ⅣA族元素的一些單質和某些化合物,例如金剛石、硅晶體、SiO2、SiC等。(但碳元素的另一單質石墨不是原子晶體,石墨晶體是層狀結構,以一個碳原子為中心,通過共價鍵連接3個碳原子,形成網狀六邊形,屬過渡型晶體。)
規律:原子晶體熔沸點的高低與共價鍵的強弱有關。一般來説,半徑越小形成共價鍵的鍵長越短,鍵能就越大,晶體的熔沸點也就越高。例如:金剛石(C-C)>二氧化硅(Si-O)>碳化硅(Si-C)晶體硅(Si-Si)。
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2.一般説來:結構相似的分子,其共價鍵的鍵長越短,共價鍵的鍵能越大,分子越穩定。
3.一般情況下,成鍵電子數越多,鍵長越短,形成的共價鍵越牢固,鍵能越大。在成鍵電子數相同,鍵長相近時,鍵的極性越大,鍵能越大,形成時釋放的能量就越多,反之破壞它消耗的能量也就越多,付出的代價也就越大。
原子晶體晶體特點
在這類晶體中,不存在獨立的小分子,而只能把整個晶體看成一個大分子。由於原子之間相互結合的共價鍵非常強,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,沸點和硬度,在通常情況下不導電,也是熱的不良導體,熔化時也不導電,但半導體硅等可有條件的導電。
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原子間不再以緊密的堆積為特徵,它們之間是通過具有方向性和飽和性的共價鍵相聯接,特別是通過成鍵能力很強的雜化軌道重疊成鍵,使它的鍵能接近400KJ·mol-1。原子晶體中配位數比離子晶體少。
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原子晶體晶體結構
原子晶體的結構特點:
在原子晶體的晶格結點上排列着中性原子,原子間以堅強的共價鍵相結合,如單質硅(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BN(立方)等。以典型原子晶體二氧化硅晶體(SiO2方石英)為例,每一個硅原子位於正四面體的中心,氧原子位於正四面體的頂點,每一個氧原子和兩硅原子相連。如果這種連接向整個空間延伸,就形成了三維網狀結構的巨型“分子”。
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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)的結構與金剛石相似,只是C骨架結構中有將與C相連的4個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)結構中Si和O以共價鍵相結合,每一個Si原子周圍有4個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。
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原子晶體晶體類型
某些非金屬化合物:氮化硼(BN)晶體、碳化硅、二氧化硅等。
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原子晶體應用領域
原子晶體在工業上多被用作耐磨、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,是工業上的貴重材料;SiC、BN(立方)、Si3N4等是性能良好的高温結構材料。
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- 參考資料
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- 1. 原子晶體 .華南師範大學[引用日期2013-06-15]
- 2. 李新義,徐奇智,吳茂乾,儲松苗著. 結構化學[M]. 合肥:中國科學技術大學出版社, 2018.04.94頁
- 3. 原子晶體 .西安交通大學[引用日期2013-06-15]
- 4. 原子晶體;atomic crystal .ChemYQ[引用日期2013-06-15]
- 5. 物質熔沸點高低的比較及應用(同屬原子晶體) .人民教育出版社[引用日期2013-10-17]
- 6. 原子晶體(共價晶體) .廈門大學化學化工學院[引用日期2013-09-06]
- 7. 原子晶體 .中國科學技術大學精品課程[引用日期2013-10-02]
- 8. 原子晶體 .黃岡中學英才教育網(( 湖北省黃岡中學)[引用日期2013-10-02]
- 9. 深到原子,學原子晶體 .四川省三台縣觀橋中學[引用日期2013-10-02]
- 10. 二維原子晶體:從六角結構向四角結構的進展 .機械結構力學及控制國家重點實驗室[引用日期2013-10-17]
- 11. 怎麼判斷是原子晶體還是分子晶體? .北京四中網校[引用日期2013-09-27]
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