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碘晶体的晶胞为什么是长方体?

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。换句话说,分子在无方向性的分子间作用力的作用下堆积时,尽可能利用空间紧密地堆积在一起,这一点与金属晶体相似。

稀有气体分子是单原子分子,可以看作质点。其晶胞或是面心立方最密堆积,或是六方最密堆积。

对于非极性分子来说,分子间只有色散力。由于色散力没有方向,分子就是密堆积,如碳六十就是面心立方最密堆积。

碘晶体的晶胞为什么是长方体?

碘分子是双原子分子。如果碘分子可以看作质点的话,其晶胞应该是面心立方晶胞。

碘晶体的晶胞为什么是长方体?

答案是两种。

实际上,碘晶体的晶胞是一个长方体,除了长方体的每个顶点处有一个碘分子外,每个面上还有一个碘分子。每个晶胞包含4个I₂分子。属于底心正交,也叫C心正交。

碘晶体的晶胞为什么是长方体?

碘(I₂)晶胞的示意图

底心晶胞是在平行六面体的三个面心位置中只有一个面心有与顶角相同的质点。底心晶胞和面心晶胞的区别在于,底心晶胞只能在一个面上进行面心平移,而面心晶胞可以在三个平面上进行面心平移。

碘单质晶胞是B底心。A为前后面心与顶角一致;B为左右面心与顶角一致;C为上下面心与顶角一致。

碘晶体的晶胞为什么是长方体?

氯单质、溴单质的晶体结构与碘晶体的结构非常类似,只是晶胞的大小不同。

碘晶体的晶胞为什么是长方体?

相较于气态,固体中碘分子排列紧密,相邻碘分子间可能形成弱的‌卤键‌(I···I 相互作用),部分电子离域到 I-I 反键轨道,导致键长增加: I-I 键从‌267 pm伸长至 ‌272 pm‌,增长了 ‌5 pm。

卤键是一种具有高度方向性的非共价相互作用,IUPAC对它的定义是指分子实体中卤素原子的亲电区域与另一个或同一个分子实体中的亲核区域之间存在的净吸引相互作用。它与氢键非常相似,其作用形式可表示为 R-X•••Z(其中 X 为卤原子,Z 为电子给体)。

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碘晶体的晶胞为什么是长方体?

金属键、离子键、共价键、配位键等都是化学键的典型模型,但是,原子之间形成的化学键往往是介于典型模型之间的过渡状态。可以想象,由于微粒间的作用存在键型过渡,即使组成简单的晶体,也可能是居于金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体之间的过渡状态,形成过渡晶体。一言以蔽之:四类晶体都有过渡型。

碳六十是纯粹的分子晶体(分子间作用力无方向性)。冰就是属于过渡型的分子晶体(因为氢键具有方向性),这里的碘晶体也是属于过渡型的分子晶体。注意区分过渡型晶体与混合型晶体。

(责任编辑:化学自习室)
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