分子晶体与共价晶体

引入

为什么干冰在常温下就能升华，而金刚石的熔点高达 $3550°C$？为什么冰能浮在水面上，而石英密度远大于水？

分子晶体和共价晶体都是由原子通过共价键连接形成的，但它们的结构和性质差异巨大。理解这两类晶体的区别，是理解物质性质的关键。

分子晶体

定义

分子晶体是由分子通过分子间作用力（范德华力或氢键）聚集形成的晶体。

结构特点

1. 构成粒子：分子
2. 粒子间作用力：分子间作用力（范德华力、氢键）
3. 化学键：分子内存在共价键，但晶体的形成不依赖共价键

性质特点

性质	特点	原因
熔沸点	低	分子间作用力弱
硬度	小	分子间作用力弱
导电性	不导电	无自由移动的电荷
溶解性	相似相溶	取决于分子极性和氢键

常见分子晶体

物质	分子间作用力	熔点 / $°C$	沸点 / $°C$
$\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	氢键	0	100
$\mathrm{HF}$	氢键	-83	19.5
$\mathrm{NH}{}_3$	氢键	-78	-33
$\mathrm{CO}{}_2$	范德华力	-57（升华）	-78（升华）
$\mathrm{I}{}_2$	范德华力	114	184
干冰	范德华力	-78（升华）	-

分子晶体的熔沸点规律

1. 氢键影响：有氢键的分子晶体熔沸点高于无氢键的。

   • $\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$ > $\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$
   • $\mathrm{HF}$ > $\mathrm{HCl}$

2. 分子量影响：分子量越大，范德华力越强，熔沸点越高。

   • 卤素单质：$\mathrm{F}{}_2$ < $\mathrm{Cl}{}_2$ < $\mathrm{Br}{}_2$ < $\mathrm{I}{}_2$
   • 烷烃：$\mathrm{CH}{}_4$ < $\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_6$ < $\mathrm{C}{}_3\mathrm{H}{}_8$

3. 分子构型影响：分子构型越对称，堆积越紧密，但接触面积可能减小。

冰的结构

冰是典型的分子晶体，每个水分子通过氢键与周围 4 个水分子连接，形成空间网状结构。

冰的密度小于水的原因：冰中氢键使水分子排列疏松，留下较大空隙。

共价晶体

定义

共价晶体是由原子通过共价键形成的空间网状结构的晶体。

结构特点

1. 构成粒子：原子
2. 粒子间作用力：共价键
3. 结构：原子通过共价键连接成空间网状结构，整个晶体可以看作一个巨大的分子

性质特点

性质	特点	原因
熔沸点	很高	共价键强，需要大量能量断裂
硬度	很大	共价键强，结构稳定
导电性	一般不导电	无自由移动的电荷（石墨例外）
溶解性	难溶于一般溶剂	共价键难以断裂

常见共价晶体

物质	结构	配位数	熔点 / $°C$	硬度	特点
金刚石	C 原子形成正四面体网状结构	4	3550	最硬	每个 C 与 4 个 C 成键
$\mathrm{SiO}{}_2$	Si-O 四面体网状结构	Si: 4, O: 2	1723	很大	最简式 $\mathrm{SiO}{}_2$
$\mathrm{SiC}$	类似金刚石	4	2700	很大	硬度仅次于金刚石
$\mathrm{Si}$	类似金刚石	4	1410	较大	半导体

金刚石的结构

金刚石中每个碳原子与周围 4 个碳原子形成共价键，构成正四面体网状结构。

• 配位数：4
• C-C 键角：$109.5°$
• 最小环：六元环
• 硬度最大：共价键强，结构稳定

石墨的结构（层状结构）

石墨是碳的另一种同素异形体，虽然层内是共价键，但层间是范德华力，因此石墨不完全是共价晶体。

• 层内：每个碳原子与 3 个碳原子形成共价键，构成平面六边形网状结构
• 层间：范德华力
• 性质：质软，导电，润滑

分子晶体与共价晶体的比较

性质	分子晶体	共价晶体
构成粒子	分子	原子
粒子间作用力	分子间作用力（范德华力、氢键）	共价键
熔沸点	低	很高
硬度	小	很大
导电性	不导电	一般不导电
溶解性	相似相溶	难溶
例子	$\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$、$\mathrm{CO}{}_2$、$\mathrm{I}{}_2$	金刚石、$\mathrm{SiO}{}_2$、$\mathrm{SiC}$

引出

除了分子晶体和共价晶体，晶体还有金属晶体和离子晶体。

• 金属晶体为什么具有延展性和导电性？
• 离子晶体的熔点与什么因素有关？

这些问题将在金属晶体与离子晶体中讨论。