一、分子晶体
分子晶体 molecular crystal
只含分子的晶体称为分子晶体。例如，图3-11的碘晶体只含I2，属于分子晶体。在分子晶体中，相邻分子靠分子间作用力相互吸引。分子晶体有低熔点的特性。另外，你也不难理解分子晶体的硬度很小了。
哪些晶体属于分子晶体呢？较典型的分子晶体有：（1）所有非金属氢化物，如水、硫化氢、氨、氯化氢、甲烷等；（2）部分非金属单质，如卤素（X2）（如图 3-11 的碘）、氧 气（O2）、 硫（S8）、 氮 气（N2）、 白 磷（P4）、 碳 60（C60）（如图3-17）等；（3）部分非金属氧化物，如CO2、P4O6、P4O10、SO2等；（4）稀有气体；（5）几乎所有的酸；（6）绝大多数有机物。
大多数分子晶体的结构有如下特征：如果分子间作用力只是范德华力，若以一个分子为中心，其周围最多可以有12个紧邻的分子，分子晶体的这一特征称为分子密堆积，如图3-17的碳60。然而，我们最熟悉的冰，水分子之间的主要作用力是氢键（当然也存在范德华力），从图3-18可见，在冰的晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。尽管氢键比共价键弱得多，不属于化学键，却跟共价键一样具有方向性，即氢键的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引。这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙，其密度比液态水的小。当冰刚刚融化为液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子间的空隙减小，密度反而增大，超过4℃时，才由于热运动加剧，分子间距离加大，密度渐渐减小。
干冰的外观很像冰，硬度也跟冰相似，而熔点却比冰的低得多，在常压下极易升华。而且，由于干冰中的CO2之间只存在范德华力，一个分子周围有12 个紧邻分子（如图3-19），密度比冰的高。干冰在工业上广泛用作制冷剂。
思考与讨论
硫化氢和水分子结构相似，但硫化氢晶体中，一个硫化氢分子周围有12个紧邻分子，而冰中一个水分子周围只有4个紧邻分子，这是为什么？
资料卡片
取两块大小相同的干冰，在一块干冰中央挖一个小穴，撒入一些镁粉，用红热的铁棒把镁点燃，将另一块干冰盖上，你会看到镁粉在干冰内继续燃烧，像冰灯中装进一个电灯泡一样，发出耀眼的白光。（切勿用手接触干冰，以免冻伤！）
这个实验不但证明了金属镁可以跟二氧化碳反应（2Mg + CO2点燃=2MgO + C），而且也说明了干冰易升华的特性。
科学·技术·社会
许多气体可以与水形成水合物晶体。最早发现这类水合物晶体的是19世纪初的英国化学家戴维，他发现氯可形成化学式为Cl2·8H2O的水合物晶体。20世纪末，科学家发现海底和大陆冰川或永久冻土底部存在大量天然气水合物晶体。这种晶体的主要气体成分是甲烷，因而又称甲烷水合物。它的外形像冰，而且在常温常压下会迅速分解释放出可燃的甲烷，因而又称“可燃冰”。
在天然气水合物晶体中，有甲烷、乙烷、氮气、氧气、二氧化碳、硫化氢、稀有气体等，它们在水合物晶体里是装在以氢键相连的几个水分子构成的笼内，因而又称笼状化合物（如图3-20上）。天然气水合物晶体中的水分子笼是多种多样的（如图3-20下）。
假设天然气水合物的水笼穴里装的都是甲烷，甲烷水合物的化学式可表示为8CH4·46H2O，相当于CH4和H2O的物质的量比为1∶5.75。把甲烷水合物从海底提升到海平面，1 m3固体可释放164 m3（标准状况）甲烷气体。海底天然气水合物的密度与冰的十分接近，为0.92~0.93 g/cm3，用这个数据进行理论推算可知，甲烷分子并没有完全占据可被占据的笼穴，只占据了70％~90％的笼穴。
估计全球的海底和冰川底部藏在天然气水合物中的天然气，总量超过煤、石油和天然气等化石燃料的总和的两倍，是巨大的潜在能源。
据报道，在2017年5月18日，我国南海神狐海域天然气水合物试采实现连续超过7天的稳定产气。
二、共价晶体
共价晶体 covalent crystal
金刚石 diamond
有的晶体的微观空间里没有分子，共价晶体就是其中之一。
金刚石是典型的共价晶体。天然的金刚石经常呈现规则多面体的外形，从这种外形（如图3-21）就可以想象，在金刚石晶体中，每个碳原子以4个共价单键对称地与相邻的4个碳原子结合，C—C—C夹角为109°28′，即金刚石中的碳采取sp3杂化轨道形成共价键三维骨架结构。
金刚石里的C—C共价键的键长（154 pm）很短，键能（347.7 kJ/mol）很大，这一结构使金刚石在所有已知晶体中硬度最大，而且熔点（＞3 500 ℃）也很高。高硬度、高熔点是许多有共价键三维骨架结构的共价晶体的特性。
SiO2是另一种共价晶体。它是自然界含量最高的固态二元氧化物，熔点1 713 ℃，有多种结构，最常见的是低温石英。遍布海滩河岸的黄沙、带状的石英矿脉、花岗石里的白色晶体以及透明的水晶都是低温石英。在低温石英的结构中，顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链（如图3-22），这一结构决定了它具有手性（左、右型）（如图3-23），被广泛用作压电材料，如制作石英手表。
SiO2具有许多重要用途，是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
哪些晶体属于共价晶体呢？常见的共价晶体还有：（1） 某 些 单 质， 如 硼（B）、 硅（Si）、 锗（Ge）和灰锡（Sn）等；（2）某些非金属化合物，如碳化硅（SiC，俗称金刚砂）、Si3N4等。近年来以Si3N4为基础，用Al取代部分Si，用O取代部分N而获得结构多样化的陶瓷，用于制作LED发光材料。
思考与讨论
（1）怎样从原子结构的角度理解金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降？
（2）“具有共价键的晶体叫做共价晶体”，这种说法对吗？为什么？
资料卡片
硬度是衡量固体软硬程度的指标。硬度有不同的标度，最普通的硬度标度是画痕硬度，即摩氏硬度，以固体互相刻画时出现刻痕的固体的硬度较低。金刚石不能被任何天然矿物刻画出刻痕，因而是最硬的。以金刚石的硬度为10，以另9种天然矿物为代表，可将摩氏硬度分为十度，即：
应当指出，硬度大的物质不一定经得起锤击，如金刚石硬度最大，却很容易经锤击而破碎。物质经受锤击的性质属于延展性。由于共价晶体中的共价键具有方向性，当受到大的外力作用时会发生原子错位而断裂。你要是有粒钻石，切不要用锤子砸哟！
科学·技术·社会
1. 天然金刚石
人类把天然金刚石当作宝石珍藏已有三千余年的历史。经过琢磨的金刚石称为钻石，透光度高。纯净的金刚石无色透明，含杂质则呈蓝、黄、棕、绿、黑等色。
用同位素断代实验证实，所有的天然金刚石至少已有9.9亿岁了， 其中许多甚至已达32亿岁！天然金刚石是在离地表100~200 km深的地幔中形成的。在那里， 温度为 900~ 1 300 ℃，压力为 4.5×109~6.0×109 Pa。天然金刚石是火山爆发带到地表来的。火山爆发时形成的岩浆是传输金刚石的介质，它冷却形成的岩石即富含金刚石的金伯利岩。在地球表面，石墨比金刚石更稳定，但迅速上升到地表的火山岩浆急速冷却，使金刚石不能转化为石墨。图 3-25 是几幅软件模拟金伯利岩浆携带金刚石上升到地表的动画截图。
图3-25中金刚石的大小被大大夸张了，其实，金伯利岩中金刚石的量是极其稀少的。据统计，平均1 000 kg金伯利岩中只有5 g金刚石，而且其中80%只能用于工业（如制作钻头等），不能用于磨制钻石，而品质上乘的钻石就更少了。
2. 人工合成金刚石
（1）高压合成
人工合成金刚石的探索始于19世纪末，直到20世纪50年代，在理论上论证了合成金刚石需要的高压高温条件，才逐渐从实验探索发展成大规模的工业生产。高压合成金刚石的原料是廉价的石墨。用高压釜施加高温高压并加入金属镍等金属催化剂，石墨可转化为金刚石（如图3-26）。此外，也可借爆炸产生的高温高压合成，但后者得到的金刚石颗粒细小，只能用作磨料。然而，廉价而大量地合成宝石级的金刚石仍是一个人类尚未攻克的难题。
（2）低压合成
20世纪80年代，人们发现，甲烷等简单的碳氢化合物跟大量氢气混合，在微波炉里形成低温低压的等离子体在硅等基质上沉积，能得到颗粒微小的金刚石的薄膜。近年，已用这种方法获得了宝石级大钻石。此法的出现震惊世人，对人类科学思维取向有深刻的启示。
练习与应用
1. 下列说法中，错误的是（ ）。
A. 只含分子的晶体一定是分子晶体
B. 碘晶体升华时破坏了共价键
C. 几乎所有的酸都属于分子晶体
D. 稀有气体中只含原子，但稀有气体的晶体属于分子晶体
2. 下列说法中，正确的是（ ）。
A. 冰融化时，分子中H—O发生断裂
B. 共价晶体中，共价键越强，熔点越高
C. 分子晶体中，共价键键能越大，该分子晶体的熔、沸点一定越高
D. 分子晶体中，分子间作用力越大，对应的物质越稳定
3. 下列事实能说明刚玉(Al2O3)是共价晶体的是（ ）。
①Al2O3是两性氧化物；②硬度很大；③它的熔点为2 045 ℃ ；④自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石。
A. ①② B．②③ C. ①④ D．③④
4. 下列说法中，正确的是（ ）。
A. 分子晶体中一定存在分子间作用力和共价键
B. 分子晶体的熔点一般比共价晶体的熔点高
C. 稀有气体形成的晶体属于分子晶体
D. CO2晶体是分子晶体，可推测SiO2晶体也是分子晶体
5. 简要回答构成分子晶体、共价晶体的粒子各是什么。这些粒子通过什么键或作用力结合成晶体？
6. 有人说，冰属于共价晶体。这种说法为什么是错误的？
7. 以下晶体是共价晶体还是分子晶体？
金刚石 干冰 冰 可燃冰 硫黄 C60 碘 石英 白磷（P4）
苯甲酸 金刚砂（SiC） 稀有气体的晶体 氧气的晶体 氮气的晶体
8. 干冰晶体中，每个CO2周围等距且紧邻的CO2有________ 个。在冰的结构模型中，每个水分子最多与相邻的 ________个水分子相连接。同为分子晶体，但干冰中CO2的配位数（一个分子周围最邻近的分子的数目）大于冰中水分子的配位数，其原因是________ 。
9. 用黏土或橡皮泥和牙签等材料制作金刚石晶体模型。
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