18_晶体相关知识

• 自然界中绝大多数物质是固体。随着化学的发展，人工合成的固体越来越多，广泛应用于能源、环境、材料、生命科学等领域。
• 固体分晶体和非晶体两大类。
  • 晶体具有周期性的微观结构。你若能想象，二维的印花布图案是由原子、离子或分子等构成的，再把这种图案推演到三维空间里去，就如同晶体的微观结构了。
  • 晶体的微观基本单元称为晶胞，就好比蜂巢里的蜂室。
  • 晶体可简单地分为分子晶体、共价晶体、金属晶体和离子晶体四种类型。
  • 另外，还存在许多过渡晶体和混合型晶体。
  • 晶体的结构决定了晶体的性质。晶体的熔点、密度、硬度、延展性、溶解性、热分解性、化学反应性、生物活性……都与晶体结构密切相关。
• 固体有晶体和非晶体之分。绝大多数常见的固体是晶体，只有如玻璃、炭黑之类的物质属于非晶体（玻璃又称玻璃体，炭黑又称无定形体）。
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  • 晶体的自范性即晶体能自发地呈现多面体外形的性质。所谓自发过程，即自动发生的过程。不过，自发过程的实现，仍需要一定的条件。例如，水能自发地从高处流向低处，但不打开拦截水流的闸门，水库里的水就不能下泻。晶体呈现自范性的条件之一是晶体生长的速率适当。熔融态物质冷却凝固，有时得到晶体，但凝固速率过快，常常只得到肉眼看不到多面体外形的粉末或没有规则外形的块状物，甚至形成的只是非晶态（玻璃态）。最有趣的例子是天然的水晶球。水晶球是岩浆里熔融态的SiO2侵入地壳内的空洞冷却形成的。剖开水晶球，它的外层是看不到晶体外形的玛瑙，内层才是呈现晶体外形的水晶（如图3-4）。不同的是，玛瑙是熔融态SiO2快速冷却形成的，而水晶则是熔融态SiO2缓慢冷却形成的
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  • 得到晶体一般有三条途径：（1）熔融态物质凝固；（2）气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华）；（3）溶质从溶液中析出。如图3-5所示是三个典型例子：
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  • 许多固体粉末用肉眼看不到晶体外形，但在光学显微镜或电子显微镜下可观察到规则的晶体外形。这充分证明固体粉末仍是晶体，只因晶粒太小，肉眼看不到而已。
  • 本质上，晶体的自范性是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列的宏观表象。相反，非晶体中粒子的排列则相对无序，因而无自范性（如图 3-6）。
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  • 晶体的特点并不仅限于外形和内部质点排列的高 度有序性，它们的许多物理性质，如强度、导热性、 光学性质等，常常会表现出各向异性。例如，在水晶 柱面上滴一滴熔化的石蜡，用一根红热的铁针刺中凝 固的石蜡，你会发现石蜡在不同方向熔化的快慢不同。 这是由于水晶导热性的各向异性造成的。所以，晶体 的某些物理性质的各向异性同样反映了晶体内部质点 排列的有序性，而且通过这些性质可以了解晶体的内 部排列与结构的一些信息。而非晶体则不具有物理性 质各向异性的特点。
  • 考察固体的某些性质，如熔点，可以间接地确定 某一固体是否是晶体，因为晶体的熔点较固定，而非 晶体则没有固定的熔点，熔化过程温度会发生变化。 然而，区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是对固体 进行 X 射线衍射实验。

分子晶体

只含分子的晶体称为分子晶体。例如，碘晶体只含I2，属于分子晶体。在分子晶体中，相邻分子靠分子间作用力相互吸引。分子晶体有低熔点的特性。另外，你也不难理解分子晶体的硬度很小了。

哪些晶体属于分子晶体呢？较典型的分子晶体有：（1）所有非金属氢化物，如水、硫化氢、氨、氯化氢、甲烷等； （2）部分非金属单质，如卤素（X2）（如图 3-11 的碘）、 氧 气（O2）、 硫（S8）、 氮 气（N2）、 白 磷（P4）、 碳 60 （C60）（如图3-17）、稀有气体等；（3）部分非金属氧化物， 如CO2、P4O6、P4O10、SO2等；（4）几乎所有的酸；（5）绝 大多数有机物。

TIP

是否可以可以认为气态分子经过冷却形成的固体就是分子晶体？

• 也就是说如果一个分子能气化成单个分子，那么它凝华形成的固体就是分子晶体。

感觉可以。 不准。