摘要：近两年一般高考全国卷I化学对金刚石晶体结构可以进行直接和直接考察，体现出金刚石作为原子晶体典型代表的重要性。本文将对金刚石、二氧化硅和石墨这三种典型晶体的结构和性质进行剖析

  《晶体结构与化学性质》是人教版《选修3》的第三章内容，在高考中以选做题的方法出现。在近几年的新课标全国卷高考考试阐明中对晶体知道有如下要求：

  3．了解原子晶体的特征，能描绘金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的联系。

  4．了解分子晶体与原子晶体、离子晶体、金属晶体的结构微粒、微粒间作用力的差异。

  因而对晶体结构有一个比较详尽的知道，是十分必要的。可是经过教育发现，学生在晶体学习中表现出较弱的微粒观，学生难以从微观粒子（原子、离子）去知道晶体的微观结构和其微观结构对晶体微观性质的影响。一方面原因是学生本身的微观幻想才能的短缺，另一方面可能是教师在教育进程对晶体结构的剖析不行微观化。

  为协助学生更好的从微观的视点去知道晶体结构，本文将结合图形解析的方法对高考常考的原子晶体中两种典型代表：金刚石晶体和二氧化硅晶体，混合型晶体石墨晶体来剖析其结构特色及结构对晶体某些性质的影响。

  金刚石晶体是全由碳原子经过共价键结合构成的晶体，是一种原子晶体，其结构为三维的共价键网状结构，故金刚石晶体也称共价晶体。在高考中，金刚石晶体的晶胞结构常被直接拿来考察或直接考察与金刚石具有相似晶胞结构的晶体。

  在价键理论中，碳（C）四价安稳。如图1-1所示，在金刚石晶体中，每个碳原子则都采纳sp3杂化方法与周围的4个碳原子构成4个共价单键，这5个碳原子在空间的相对方位就好像甲烷的5个原子（1个碳原子、4个氢原子）在空间的相对方位，为正四面体结构，碳碳键键角为109°28′。这种小的正四面体结构在空间的延伸则构成金刚石的三维空间网状结构。

  正是因为金刚石晶体是碳原子之间经过共价键结合而成，而碳碳键（C—C）的键长很短（154pm），键能很大（347.7kJ/mol），然后使得金刚石晶体的熔点很高（3500℃），硬度很大。原子晶体都是经过共价键构成的晶体，因而也都有着相似金刚石的高硬度、高熔点的物理特性。

  金刚石晶体结构中，结合图1-1可以精确的看出，碳原子之间构成了许多的环状结构。依据成环的碳原子数目可大致分为六元环（6个碳原子构成的环，下同），十元环等等。其中最简略的也就属六元环，六元环也即金刚石晶体结构中最小的环。2015年高考全国卷中从前考察过金刚石中每个碳原子被多少个六元环所共用。不少学生对每个碳原子被12个六元环所共用表明很难了解。下面本文将结合图形，使用数学常识阐明每个碳原子被12个六元环所共用。

  如图1-1所示，恣意选取一碳原子为A原子，则A原子别离与周围的B、C、D、E原子构成了4个共价键。剖析AB、AC共价键，AB键和AC键一起只被两个六元环（六元环ABJKIC和六元环ABFHGC）。换成AB、AE或AE、AD，其成果都是这两个共价键被两个六元环所共用。换而言之，A原子所构成的四个共价键中，恣意取两个共价键，这两个共价键都将被两个六元环所共用。在A所构成的4个共价键中恣意选取两个共价键，有6种选法，每一种选法中A碳原子被两个六元环共用，则在6种选法中，A共被12个六元环所共用，也便是12个六元环。

  在上述剖析中，碳原子A是恣意选取的，所以金刚石中每个碳原子均被12个六元环所共用。

  每个最小六元环中，虽然由6个碳原子构成，但因为每个碳原子被12个六元环所共用，因而每个碳原子独立归于这个六元环的成分为1/12，也即每个六元环独立占有的碳原子数目为6*1/12 = 1/2个碳原子。

  金刚石是碳原子经过共价键构成的原子晶体，每个碳原子都构成4个共价键，那12g金刚石中是否就含有4NA个共价键呢？这类问题也是高考考察中的一个重要方面。

  金刚石晶体中，虽然每个碳原子是构成了4个共价键，可是每个共价键是被两个碳原子所共有，因而核算12g金刚石中C—C键数目，不能简略认为是碳原子数目的4倍。

  AB键是由A原子和B原子一起构成的，可是Ａ原子和Ｂ原子都各自构成了４个共价键，那么Ａ原子和Ｂ原子对AB键的奉献都是1/4，则有N(c)/N(C-C) = （1/4 +1/4）/1 =1/2，也即在金刚石中碳原子数与碳碳键数之比为n(C):n(C—C)=1:2，1mol金刚石中碳碳键（C—C）的物质的量为：2mol。

  A原子与周围的B、C、D、E原子构成4个共价键，但每一个共价键都是AB、AC、AD、AE一起具有，也即，4个共价键中，每一个共价键只要一半是归于A原子，4个共价键的另一半别离归于B、C、D、E原子。换言之，A原子独立具有的共价键为4 * 1/2 = 2。一个碳原子独立占有的C—C键为2，也便是金刚石中碳原子数与碳碳键数之比为n(C):n(C—C)=1:2，1mol金刚石中碳碳键（C—C）的物质的量为：2mol。

  小结：金刚石晶体中，每个碳为sp3杂化，碳碳键键角为109°28′，最小环为六元环，每个碳原子被12个六元环所共有，每个最小环独立占有1/2个碳原子，独立占有碳碳键1个，碳原子 (C) 数与碳碳键(C—C) 数之比为n(C):n(C—C)=1:2。

  金刚石晶胞中，共有8个碳原子。如图1-2，4个上色符号的球在晶胞体内，八个顶角共有8 * 1/2 =1个碳原子，六个面共有 6 * 1/2 =3个碳原子，总共为8个碳原子。

  晶胞密度核算和空间使用率核算是常考的一个点。对常见根本的晶胞结构晶胞密度和空间使用率核算的把握是处理其他晶体相关核算的根底。

  试题剖析：2015年高考全国卷I直接考察金刚石晶体和石墨晶体，2016年全国卷I和卷III仅仅将元素进行了替换，晶体结构仍旧仍是金刚石晶体结构特色。从上述所选的2道高考题可以精确的看出，原子晶体的考察根本以金刚石晶体为雏形，仅仅相应的将碳原子换成其他原子罢了，学生把握金刚石晶体结构和石墨晶体结构对知道了解这一类型的晶体结构有十分大的协助。因而教育中，协助学生树立模型是十分有必要的。

  总结：知道晶体的结构，要充沛树立微粒观，从微观视点去知道晶体的构成以及其结构特色，再从其晶体的微观结构去知道晶体的微观性质，对把握晶体的相关常识也就简单许多。学生从微观知道金刚石晶体的结构，知道金刚石是碳原子经过共价键构成的晶体，就不难了解金刚石硬度大，熔点高的特色，知道石墨晶体中的碳原子是sp2杂化，有一个未杂化的p轨迹构成金属键，它就不难了解石墨的导电原理，知道金刚石晶胞结构微观特色，对其密度和空间使用率的核算了解上也就比较简单。

  晶体的学习，要求学生在化学的根底上巧用数学技巧来学习，因而要多开发学生的数学思想、空间幻想才能，培养学生的微观思想。

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