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金刚石是单质吗(浅谈金刚石的结构)

100人浏览   2024-08-25 10:32:32

你知道钻石的成分吗?其内部结构又是怎样的呢?今天我们就谈谈这个问题。



一、钻石的成分其实是碳元素。它是碳元素的一种单质,在化学上叫金刚石,它是碳原子依共价键相结合而成的。因其内部全是原子,作用力全是共价键,所以在化学把类似这样的晶体称为原子晶体,现在教材上又称为共价晶体。

二、金刚石内部全是碳原子。碳原子最外层有4个电子,形成金刚石时每个碳原子都利用1条2s和3条2p轨道采用sp3杂化,〈形成形状、能量、完全相同,且彼此间夹角为109度28分的4条轨道,空间分布呈正四面体形。这4条杂化轨道分别都与碳原子相结合,形成正四面体形小单元,这种结构不断地向空间(上下、左右、前后)发展,就形成了空间网状结构的晶体。

三、碳原子数与键数关系。在金刚石中1个碳原子周围结合着4个碳原子,而每个碳原子都被4个碳原子共用着,所以1个碳原子实际占有4x1/4=1个碳原子。每个碳周围有4个C一C键,而每个键被2个碳原子共用,所以1个碳原子实际占有4x1/2=2个C一C键。(C原子数:C一C键=1:2)

四、最小环及原子共面问题。金刚石中最小环全是椅式的碳碳六元环,只是有的横着,有的竖着,这个六元环上有4个碳原子处于同一平面内。

五、碳原子与环数的关系。因为1个碳周围有4个键而每两个键之间可以形成2个六元环(1个横向1个竖向),若把键编号,则1号键与2号键形成2个、1号键与3号键形成2个、1号键与4号键形成2个,2号键与3号键形成2个、2号键与4号键形成2个,3号键与4号键形成2个,这样就一共形成了12个六元环;所以1个碳原子周围有12个六元环。

六、碳碳键与环数的关系。由上面五中分析可知,每个C一C键是为6个六元环共用着。

(1个六元环实占6x1/6=1个C一C键,1个六元环实占6x1/12=1/2个C原子)。

七、晶胞问题。金刚石晶胞是个平行六面体,具体为正方体。从表面看碳原子位于8个顶点,6个面心,体内有4个分别位于4个互不相邻的小立方体的体心。1个晶胞中实有8x1/8十6x1/2十4=8个碳原子。彼此间每个碳原子与周围4个碳原子依C一C键结合成正四面体小单元。因为体内有4个碳原子,所以1个晶胞中有4个正四面体小单元。

八、有关金刚石的计算时,注意其晶胞体对角线的长度为8倍的碳原子的半径;因为其体对角线上实有两个顶点碳与1个小立方体内的碳共3个碳原子,但体心和另一个空着的小立方体内,恰好能虚拟填充两个碳原子;所以体对角线上可以看作是5个碳原子紧紧相切排布着;但其长度应该是4个碳原子的直径即8倍的半径。因为顶角处的碳原子是与别的晶胞共用着。