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为什么金刚石原子级结构是正四面体而晶体是正

发布日期:2021-02-19 09:05 作者:泛亚电竞

  天然金刚石确实容易长成八面体形状。实际上,很多立方晶系的宝石都容易长成八面体形状:

  这种特性与宝石的晶体结构有关。很多宝石和金刚石在原子尺度的排列方式都是类似的,如下图所示:

  这种面心立方的晶胞内确实包含许多正四面体。并且,这些四面体的表面都是原子堆积最紧密的面,也称密排面。一般来说,同样面积的表面,密排面具有最低的能量,因此在晶体形核和生长过程中,密排面往往最容易形成。

  金刚石晶体中存在四个等价但不同方向的密排面,所以,直觉上,天然形成的金刚石应该会是个正四面体形状:

  然而这样的四面体由四个非常尖锐的顶角。对同样体积的材料而言,顶角越尖锐,表面积越大,表面能就越高,就越不稳定。

  所以,相比于长出四个尖锐的顶角,金刚石更愿意长的“圆润”一些。把四个顶角沿着密排面切掉,剩下的表面依然是能量最低的密排面,但同样体积材料的表面积却减小了很多,自然也就更稳定,更容易形成。

  切掉四个顶角后,正四面体就变成了更“圆润”的正八面体,也就是我们常看见的天然金刚石形状:

  上面这个八心八箭八面体原子模型可是我费了老大劲才切出来的,大家好意思不点赞就走么。

  不请自来。在固态化学里一个材料的基本单位是晶胞而不是分子。因此即便很多材料原子之间以共价键相连,我们也不太在意它们的分子几何。大多数固态材料的排布方法是层层排列,金刚石属于两层原子紧密排列,可以参考堆橘子。每三个橘子堆成紧密的三角形然后中间的空穴上就可以再堆一个橘子。每两层都这么排布的原子每个碳原子都是它周围四个碳原子的四面体中心。金刚石碳原子属于面心立方晶胞,每个碳原子都占据晶胞中的四面体中心,因此从分子的角度看碳原子是四面体结构。而从晶胞角度来看金刚石多是八面体的晶体。

  顺便建议把这个问题加一个无机化学的tag,大多数大学的无机化学课都会讲材料的堆积和结构之类的问题。

  因为在金刚石的晶胞中存在4/1螺旋轴吧,然后这些螺旋轴在宏观晶体中退化为4重旋转轴,在Td点群的基础上增加4重旋转轴,就会得到Oh点群,然后正八面体是Oh点群的一个代表性的形状

  即使是单晶金刚石也不一定是八面体吧…晶体是什么形状会受很多因素影响的啊…

  说金刚石的原子结构是四面体应该是高中说法,但是这种说法没法完全地体现出金刚石结构的对称性,一般取晶胞还是类似面心立方的那种,不过结构名字就叫金刚石结构。


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