晶胞是物质结构中的一大难点,学生们往往很难进行空间想象。有些学生问我,学习晶体的知识有什么技巧。我告诉他一个字——画。不管有没有绘画基础,将晶胞或者是其他结构特征画出来,便能更细致地理解这些微粒在空间上的位置关系。

晶胞(Crystal Unit cell)的这个术语来自于细胞(Cells)。cell 本身就是小房间的意思。后来引申为重复的单元。那么我们来看看晶胞和细胞的异同吧。

晶体结构格子的格点是什么(晶体结构的分割思想)(1)

细胞假想图

晶体结构格子的格点是什么(晶体结构的分割思想)(2)

无隙并置

晶体结构格子的格点是什么(晶体结构的分割思想)(3)

观察这两种结构,我们发现。细胞是由细胞膜圈起来的“小室”,并且无限重复,其内部有自己独立结构,每个细胞的结构是一样的。而晶胞没有膜将其包围,所以我们得人为的定义晶胞的轮廓大小。并且,晶胞是无明显边界的,外轮廓上的微粒是和其他晶胞所共有的。

在晶胞的体系中,我们称之为“无隙并置”。就像上图中两个晶胞之间实际是无界限的,侧面上的微粒既属于左边的晶胞,又属于右边的晶胞。

晶体结构格子的格点是什么(晶体结构的分割思想)(4)

所以,我们用均摊法来判断哪些微粒在晶胞中占有几分之一。所以如上图所示,白球有8×1/8 6×1/2=4,黑球有12×1/4 1×1=4。所以,这个晶胞占有4个黑球4个白球。

晶体结构格子的格点是什么(晶体结构的分割思想)(5)

均摊法

在高中教材中定义,晶胞都是平行六面体。如果遇到非平行六面体的晶胞我们就得具体地分析每一个微粒所在的位置。

晶体结构格子的格点是什么(晶体结构的分割思想)(6)

不同晶胞切割图

例如六方晶胞的顶点只能算作1/6。

接下来,我们谈一谈切割法。

例题:碳元素形成的单质具有平面层状结构,同一层中的原子构成许许多多的正六边形,此单质与熔触的钾相互作用,形成某种青铜色的物质(其中的元素钾用“●”表示),原子分布如图所示,该物质的化学式为___.

晶体结构格子的格点是什么(晶体结构的分割思想)(7)

此题只画出了平面结构,那么,碳原子和钾原子的比例为多少呢?

显然,均摊法对于此类非晶胞形态的题目失效了。那么我们来介绍切割法。切割法的思路来自于切蛋糕的“平均分”。

假设这是一个超级大蛋糕,现在我们要跟小朋友一起切分这个蛋糕。每个小朋友希望分到的小蛋糕要一模一样。那么我们会怎么切割呢?其实会有很多的切割方法

晶体结构格子的格点是什么(晶体结构的分割思想)(8)

如果我们将钾原子连接,便可以形成一个三角形的“蛋糕”。那么,钾原子在这个蛋糕中占有1/6,因为它被六块“蛋糕”所共有,总的钾原子有1/6×3=1/2。而碳原子,只需要数数留在“蛋糕”上的碳原子就可以了,因为它们没有被共用,有4个。因此C:K=8:1。所以此物质的化学式为KC8。

晶体结构格子的格点是什么(晶体结构的分割思想)(9)

二氧化硅

对于二氧化硅这种空间网状结构,我们可以采取切割法去分析硅原子与碳原子的比例关系。我们也可以采取比例法来研究硅氧比。

我们观察一个硅连接了4个氧,而一个氧连接了2个硅,所以硅氧比为2:4=1:2。

化学式即为SiO2就这么简单。

均摊法主要针对于平行六面体或者其他对称体型结构。通过观察和计算迅速判断在晶胞中各粒子的占用关系。

切割法对于非平行六面体非常有效,切蛋糕思维也非常简单,解题迅速。

比例法针对于不是很好判断的空间结构,比方说金刚石、二氧化硅等,特别有效。

其实三种方法的逻辑思维类似,在学习和练习的时候多归纳。希望你能参破禅机!

,