11.14: 固体的结构

原子，离子或分子以明确的重复模式排列的固体称为结晶固体。 金属和离子化合物通常形成有序的结晶固体。 结晶固体具有精确的熔化温度，因为每一个相同类型的原子或分子都使用相同的力或能量固定到位。 无定形固体或非结晶固体 (有时是玻璃杯) ，它们缺乏有序的内部结构并随机排列。 由大分子组成的物质或移动受限的分子的混合物通常形成非晶固体。 由于分子的结构不等效，非晶材料在温度范围内逐渐软化。 当非晶材料加热时，最弱的分子间吸引力首先破裂。 随着温度的进一步升高，越强的吸引力就会损坏。

单元格

结晶固体的结构最好用其最简单的重复单元 (称为单元格) 来描述。 单元格由代表原子或离子位置的晶格点组成。 然后，整个结构由三个维度重复的单元格组成，如图 1 所示。

图 1. 单元格和 水晶晶格，晶格点以红色表示。

通常，单元格由三个轴 (a ， b 和 c) 的长度以及它们之间的角度 (α ， β 和 γ) 定义，如图 2 所示。 轴被定义为 空间晶格中点之间的长度。

图 2. 单元格由其轴 (a ， b 和 c) 和角度 (α ， β ， 和 γ)

共有七种不同的晶格系统，其中一些具有多种类型的晶格，总共有十四种不同的单元格。

本文改编自Openstax, 化学 2e, 第10.6节：结晶固体中的晶格结构。

根据其三维内部结构，固体可分为无定形 或晶体。对于无定型固体（如熔融石英玻璃）其内部的组成颗粒未有序排列，而对于结晶固体（如石英）其组成颗粒在整个固体中 以重复的三维结构排列。结晶固体的结构 以晶胞表示，晶胞是晶体结构的最小重复单元，保留了结构的对称性。整个三维结构 称为晶格，由格点和格矢组成。格矢描绘了晶胞的边缘，格点可以位于晶胞的角、面 或中心。点阵系统是由晶胞尺寸 决定的。有 7 种类型的点阵系统：立方、四方、正交、菱形、单斜、三斜和六方。晶胞中原子的位置 不一定与格点的位置相同。晶胞或基元中原子的排列模式 通常是由原子相对于给定格点的位置 决定的。晶胞中的原子数 反映了固体的堆积效率，或反映了原子所占体积的大小，而不是原子之间的空间。晶胞中原子数越多，通常堆积效率越高。分配给某个晶胞的原子可能不完全包含 在该晶胞内。计数这些部分原子的一个方法 是把角上的每个原子 看作八分之一个原子，把面上的每个原子 看作二分之一个原子。或者，如果一个晶胞在每个角上都有一个原子，则将一个原子分配给该晶胞，而忽略其他七个原子。如果一个晶胞在两个面上各有一个原子，则将一个原子分配给该晶胞，而忽略另一个原子。