也谈石墨的晶体类型

石墨是一种结构比较复杂，有诸多特殊物理及化学性质，在生产和生活中有较多用途的物质。因而该物质在化学教学中占有比较重要的位置。

但也正是由于其结构的复杂性，关于其所属晶体类型的判断及名称，一直都是一个比较棘手的问题。

在上世纪的化学教材中，尽管较详细描绘出了石墨晶体的层状结构、并用以解释了石墨的诸多性质，但却回避了石墨到底属于哪类晶体、这个最为重要的问题。使教师和学生总是感觉有些不托底。

在本世纪初，中学教材就肯定它是“过渡型晶体或混合型晶体”了。一下子它就华丽转身，有了两个名称。

在现行教材中又叙述为，“石墨晶体中，既有共价键，又有金属键，还有范德华力，不能简单地归属于其中任何一种晶体，是一种混合晶体”。

其后的讨论就是，“混合型晶体”与“混合晶体”间有什么不同了^[1]。

一、表示晶体类型过渡情况的示意图

在以前的多数无机化学教材中都有一张反映晶体类型过渡情况的示意图（如下图一）。

用三角形的三个顶点代表三种典型的晶体类型，离子晶体（CsF）、分子晶体（F₂）与金属晶体（Sn）。各个边则表示键型的过渡，及相应晶体在类型上的过渡。

如该三角形的左边，从右上到左下表示的是典型离子晶体（CsF），随化合物中正价元素的非金属性逐渐增强，在经过BF₃、CF₄、NF₃、OF₂这个离子性减弱序列，键的极性也要逐渐减弱，晶体逐渐转变为分子晶体（F₂）这样的一个过程。

三角形的另外两条边也是这样。分别反映了金属晶体与离子晶体间、及金属晶体与分子晶体间，键型及晶体类型的过渡。

在现在的无机化学教材中，也可以找到讨论化学键键型过渡的图，并且还要更细致一些。即，考虑到了三种键型间的过渡（如下图二）^[2]。

该教材还就此图还解释为：离子键、共价键和金属键是三种典型的化学键。但是，在实际的化合物和晶体中，原子间相互作用的性质只有少数是这三种键型的极端情况，大多数则为三种键型的过渡。……图中除三角形顶点的化合物外，其余化合物的键型皆不纯粹，常处于混合的、逐渐过渡的情况。

首先要指出的是，这个图二与图一没有什么根本性的区别。也应该是从两个不同的层面来看待和理解它。一方面它描述的是键型的递变。另一方面，这也是晶体类型的递变。完全可以将上顶点看作是离子晶体，左下角是金属晶体，右下角是分子晶体。

第二点，这个图告诉我们多数的晶体都处于过渡或混合的状态。因为大多数物质中的键型都处于过渡的状态，它们的晶体类型自然也就不会是“纯粹”的了。

如，位于图二中的MgO晶体（有下划红线）。其中间靠上的位置表明，它是一个离子键成分居多，而共价键和金属键成分很少的晶体。而P₂O₅晶体（有下划绿线）则是一个共价键成分居多，离子键和金属键成分很少的晶体。

第三点，要描述这种键型的不纯粹，该教材选用了“混合”与“过渡”这样的两个词。这是由于在讨论问题时，其出发点可以是不相同的。

“混合”这个词强调的实际是“分”，是从各典型化学键型出发来讨论问题。

“过渡”这个词强调的更多成分是“合”，是多因素影响造成的一种中间状态。更便于人们综合地来看待这个物质。

过渡型晶体与混合型晶体这两个词间，应该没有什么本质方面的差别，在讨论晶体类型时应该可以通用。

二、石墨在晶体类型过渡情况示意图中的位置

对想准确确定石墨晶体类型的人来说，面对图一与图二，都难免会有一些失望，因为其中并没有石墨的位置。

但是，有些爱动脑筋的人就会想到，应该在图一这个三角形的正上方再加上一个代表原子晶体的点（原子晶体应该用金刚石来代表），使其成为一个正四面体（如下图三）。

这样这个正四面体的底面就是图一。

四面体的前面，就是同时有原子晶体、分子晶体、金属晶体，三种成分及属性的过渡晶体的存在区间了。石墨应该在这个平面上。

在四面体内部，当然就是那些同时拥有原子、分子、离子、金属晶体性质的物质所存在的范围。

在这个面朝前的三角形中，石墨的位置应该画在哪里呢？总不能就点在其中心的位置吧？

本人设想，该点似乎应在图中红点的位置附近。也就是说，其分子晶体的成分最多（距最右端点最近），原子晶体的成分较少（距上顶点较远），金属晶体的成分最少（距前下顶点最远）。

认为它最接近分子晶体是因为，共价键结合成层状巨分子是其最主要的结构特征，其间有范德华力是其与原子晶体的最显著区别。所以如果从原子晶体及分子晶体两方面来考虑的话，石墨应更接近分子晶体一些。

至于导电性，是由于层状分子中的大Π键造成的。与金属中的遍及整个金属晶体的电子气更是有显著的不同。金属晶体的成分自然也就是最少的了。

当然，在不是专门讨论石墨在图三中位置的情况下，对石墨这个过渡型晶体，是没有必要去区分其中三种晶体成分比例各是多少的。

因这个点最接近代表分子晶体的顶点，就认为石墨是分子晶体，则更是以偏概全。

把石墨定义为过渡型晶体或混合型晶体，应该是最正统的说法。

参考文献

[1] 吴孙富. 浅析石墨的晶体类型. 化学教学. 2011年第5期

[2] 北京师范大学等校. 无机化学（第三版）. 高等教育出版社. 1992年