化学键与物质结构概述

化学键（chemical bond）讨论的是分子或晶体中相邻原子或离子之间的结合方式。根据分子或晶体中电子的运动方式不同，化学键分为离子键（ionic bond）、共价键（covalent bond）和金属键（metal bond）。

通过不同类型的化学键结合形成的物质结构不同，所表现出的各自特征和性质也不相同。物质是由分子组成的，分子是保持物质性质的最小微粒，也是物质参与化学反应的基本单元。因此，研究物质性质及其变化的根本原因，必须进一步研究物质的微观结构，研究物质的微观结构就是研究物质的分子结构。分子的结构通常包含以下几个方面：

①分子中直接相邻的原子或离子间的强相互作用力，即化学键；

②分子中的原子或离子在空间的排列，即空间构型（geometry configuration），也称几何构型（geometric configuration）；

③分子之间的弱相互作用力，包括范德华力（Vander Waals force）和氢键（hydrogen bond）的作用力；

④分子的结构与物质性质的联系。

本章将在原子结构的基础上，讨论上述4个方面所涉及的基本理论和基础知识，这对于掌握物质性质及其变化规律具有十分重要的意义。为了更好地理解物质结构，在这里，需要先介绍一些晶体的基本规律和知识。

物质通常有气、液、固三种聚集状态。其中固体物质可分为晶体（crystal）和非晶体（non-crystal）。晶体是指物质的内部质点（分子、原子或离子）在空间按一定规律周期性重复排列所构成的固态物质，如氯化钠、石英等。晶体又可分为单晶（single crystal）和多晶（polycrystal）：单晶是指整个晶体内部都按一定的规律排列；多晶是许多单晶的集合体（或聚集体）。非晶体又称为无定形体（amorphous solid），其内部质点的排列没有规律，如玻璃、松香、石蜡、沥青等均属非晶体。

与非晶体相比，晶体具有以下三个特征。

（1）有一定的几何外形

晶体在生长过程中，将自发地形成晶面。晶面相交形成晶棱，晶棱相会形成晶角，从而使形成的晶体一般都有一定的几何外形。非晶体，如玻璃、石蜡等没有一定的几何外形，称为无定形体。由极微小晶体组成的物质称为微晶体（micro crystal）。如炭墨和化学反应刚析出的沉淀等，从外观看不具有整齐的外形，但仍属晶体的范畴。

（2）有固定的熔点

在一定的压力下，将晶体加热，当达到某一温度（熔点）时，晶体开始熔化。在晶体没有完全熔化前，即使继续加热，晶体本身的温度也不会上升，而是保持恒定；只有当晶体完全熔化后，系统的温度才会重新上升。非晶体没有固定的熔点，只有一段软化的温度范围，如松香在50℃～70℃之间软化。

（3）各向异性(www.xing528.com)

晶体的某些性质，如光学性质、力学性质、导热导电性、溶解性等，从晶体的不同方向测定时，常常是不同的。晶体的这种性质称为各向异性（anisotropy）。造成晶体各向异性的原因是晶体内部微粒排列是有次序和有规律的，并按某些确定的规律重复地排列。

非晶体是各向同性的。因为非晶体内部微粒的排列是无次序的、不规律的。晶体的宏观性质是由其微观结构决定的，要了解晶体的性质，就必须了解它的微观结构。

晶体中规则排列的微粒，抽象为几何学中的点，称为结点（crunode），这些结点的总和称为空间点阵（lattice）。沿着一定的方向按某种规则把结点连接起来，得到的描述各种晶体内部结构的几何图像，称为晶格（crystal lattice）。晶格中，表现其结构一切特征的最小部分，称为晶胞（unit cell）。晶胞的大小和形状可用六面体中经过同一顶点的三个棱长a、b、c和通过同一顶点的三个棱的夹角α、β、γ6个常数（参数）来描述，称为晶胞参数。晶胞参数可由X射线衍射法测得。晶胞在三维空间的无限重复就形成了晶格。

根据晶胞形状及晶胞参数的不同，可将晶体归结为7个晶系。表3－1列出了7个晶系的特征。7个晶系按照带心形式分类，可分为14种布拉维（Bravais）晶格，如图3－1和图3－2所示。

表3－1　7个晶系的特征

图3－1　7种晶系的结构

图3－1　7种晶系的结构（续）

图3－2　14种布拉维晶格

按照晶格结点上粒子种类及粒子之间结合力的不同，晶体可分为离子晶体（ionic crystal）、共价晶体（covalent crystal）、分子晶体（molecular crystal）和金属晶体（metallic crystal）。