5. 典型共价晶体的结构分析

(1)金刚石

金刚石的晶体结构，从其共价键三维骨架结构中截取一个立方体就是金刚石的晶胞

属于金刚石晶胞的碳原子数，顶点:8×1/8=1,面心:6×1/2=3，体内:4，共八个。



每个碳原子都采取sp3杂化，被相邻的四个碳原子包围，以共价键对称地与相邻的四个碳原子结合，形成正四面体结构，被包围的碳原子处于正四面体的中心，正四面体向空间发展，彼此连接形成共价三维骨架结构。



晶体中的最小碳环由六个碳原子组成，且不在同一平面内

晶体中每个碳原子都参与了四条C-C的形成，在每条键中的贡献只有一半，故晶体中碳原子数目与C-C数目之比为1:2。



二氧化硅晶体

二氧化硅晶体可看成是在晶体硅(结构类似于金刚石)的每个Si-Si中插入一个氧原子而形成的，每个硅原子和四个氧原子相结合形成四个共价键，同时每个氧原子与两个硅原子相结合形成两个共价键。



每个硅原子与相邻的四个氧原子以共价键相结合构成正四面体结构，硅原子在正四面体的中心，四个氧原子在正四面体的四个顶角，则每个正四面体占有一个完整的硅原子、两个氧原子。因此，二氧化硅晶体中硅原子和氧原子的个数比为1:(4×1/2)=1:2，其化学式为SiO2。

SiO2是自然界含量最高的固态二元氧化物，结构多样，最常见的是低温石英，低温石英包括遍布海滩河岸的黄沙、带状的石英矿脉、花岗岩里的白色晶体以及透明的水晶

低温石英的结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋向上的长链，而没有封闭的环状结构，这一结构决定它具有手性。



晶体硅、碳化硅晶体的结构与金刚石相似，晶体硅可看作是硅原子取代金刚石中碳原子的位置得到的，碳化硅晶体可看作是碳、硅交替排列形成的(存在以碳为中心，硅为顶点或以硅为中心，碳为顶点的正四面体结构)。



在二氧化硅晶体中，每个最小的环实际拥有的硅原子数为6×1/12=1/2，氧原子数为6×1/6=1。



在金刚石、晶体硅、碳化硅中，碳、硅均采取sp3杂化，最小的环均为六元环

要全面掌握金刚石晶体结构和性质，以金刚石为原型，可迁移分析晶体硅、碳化硅以及石英、氮化铝(AlN，晶体中每个铝原子与四个氮原子结合形成四个共价键)等晶体的结构特征和物理性质。