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在中学教材中,乃至许多大学教材中,经常可以看到“晶格结点”这一术语。这些教材说,离子晶体、分子晶体、原子晶体的区别在于:它们的“晶格结点”分别是离子、分子和原子;它们的晶格结点之间的作用力分别是离子键、分子间力(包括氢键)和共价键。例如,氯化钠晶体的“晶格结点”是二氧化碳分子,它们以范德华力相互作用,构成分子晶体;金刚石的“晶格结点”是碳原子,它们之间以共价键相互作用,构成原子晶体。
通过以上例子,我们可以领会到,这些教材中的“晶格结点”的内涵不是别的,只是“晶体微观空间中的化学微粒——离子、分子或原子”。可是,这些教材却并不直接了当地叫它们离子、分子或原子或者概括为“化学微粒”,非要叫它们“晶格结点”,这是为什么呢?难道“晶格结点”是一个晶体学概念吗?我要严正指出,在晶体学中并没有这种内涵的概念。
让我们刨根问底,我国教科书里的“晶格结点”一词是从哪里来的?我记得,最早是在50年代出版的前苏联教科书的中译本里学到的这个词的。例如格林卡《普通化学》曾经是50年代我国师范院校的主要教科书,在它的中译本里就有这个词,其内涵正如上述。那么,在俄文里,它是什么词呢?我找出一本格林卡《普通化学》的英译本查一查,发现这个词的英译词竟是lattice point!“lattice point”是什么?是一个晶体学术语,它的汉译应是“点阵点”!“点阵点”是什么?是晶体微观结构基元的抽象!晶体的微观结构基元又是什么?是晶体微观空间中发生平移的最小原子集合。关于这些概念,晶体学的书里都写得清清楚楚。每一种晶体,它的点阵点是几个原子的抽象,或者说它的结构基元是哪些原子的集合,是由它的原子在微观空间里的排列方式决定的,是客观的事实,不能随意组合(如表1所示)。
表1
某些晶体的一个点阵点所代表的化学内容(有多种结构的晶体只指其中某一种
晶体 一个阵点的晶体
一个阵点的
化学内容 化学内容
铜 1Cu 石墨
4C
钨 1W
冰(常见结构)4H[,2]O
镁 2Mg 干冰
4CO[,2]
金刚石 2C
氧(一种晶体) 8O[,2]
砷(一种晶体) 6As 单斜硫 6S[,8]
硒(一种晶体) 3Se 正交硫(斜方硫)
4S[,8]
镓 4Ga 食盐
INa[+]+1Cl[-]
锰(一种晶体) 29Mn 白磷(一种结构)
28P[,4]
如果我们取蛋白质晶体作为例子,它的一个点阵点将是成百上千个原子的抽象!
我相信你也许已经明白了——前苏联的许多教科书作者的latticepoint的概念是错误的,不是晶体学的点阵点的概念。问题在于,这种错误概念在我国被广泛流传,以讹传讹,一直没有被认真批判过。如果你仍然不明白,请读一读下面的引文:
在我国高中物理教科书里仍然可以看到这种错误的概念:“组成晶体的物质微粒(分子、原子和离子)依照一定的规律在空间排成整齐的行列,构成所谓空间点阵。如果沿着这些物质微粒的行列画出直线来,可以得到若干组平行线,物质微粒在这些平行线的交点上,这些交点叫做空间点阵的结点。”《高中物理》(甲种本)第二册,人民教育出版社,第74页。
很清楚,这个引文中的“点阵点”不是晶体在微观空间中作平移的最小原子集合抽象而得的(几何学意义的)点,而是具体的物质微粒——分子、原子和离子;所谓的“点阵”,也不是抽象的点阵点排列成的阵列,而是具体的物质微粒的行列。这个引文的表述就是从50年代开始从前苏联的教科书引进我国的所谓“晶格结点”或者“点阵(结)点”。凡是引入这一概念的教科书,表述大同小异,上述引文是最典型的表述。
晶体微观空间中的具体原子能不能用直线连起来?当然可以,如果你愿意,有什么不可以的呢?可是,它是否总是有价值的呢?不一定。
如果一个结构基元只有一个原子,把原子用直线连起来,是不是晶体学中的晶格呢?不一定。例如,金属钠的结构基元是一个钠原子,钠原子在空间的排布如图1,你可以用不同的直线把它们连接起来, 其中之一得到的单位格子如图2,就是我们通常见到的金属钠的“晶胞”, 把图中的直线向上下左右前后延伸,就得到金属钠的“晶格”。请注意,在这张图中,用直线连接的钠原子只占50%,按上述引文的定义,似乎只有50%钠原子是“晶格结点”,另外50%钠原子不是“晶格结点”。可是,被连在直线上的50%钠原子和没有被连在直线上的50%钠原子有什么区别呢?一点区别也没有!既然如此,你只把连在直线上的钠原子叫“晶格结点”,有什么意义?毫无意义!
图1 金属钠中的钠原子
图2 金属钠的习用晶胞
为描述金属钠的晶体,你完全可以直截了当地说:在上述金属钠晶胞中有2个钠原子(仅说“钠原子”就足够了), 分别处于晶胞的原点和体心;金属钠晶体中,钠原子之间以金属键相互作用,因此,它属于金属晶体,等等。有什么必要引入上述引文所谓的“晶格结点”呢?
或许你不同意我上述说法,问:为什么不能把所有金属钠用同一套格子连起来呢?当然可以,于是我们得到图3。
图3 只含一个钠原子的晶胞
图4 氯化铯的素晶胞
相比于图2的晶胞,图3的晶胞只有一个钠原子,是金属钠晶体的“素晶胞”,将图中的直线向上下左右前后延伸,便得到金属钠的“素晶格”。这时,所有的钠原子都在同一个格子的线上了。可惜,我们通常并不采用这种“素晶格”来描述金属钠的晶体结构。这当中当然不乏理由。简单地说,图2的晶胞能够更好地反映金属钠的微观对称性, 因此被认作“正当晶胞”。言归正题,图3的存在, 是否意味着我们总能够找到如上述引文所说的,所有的原子都成为所谓的“晶格结点”的图像呢?我们说:不!不要忘记,上述图3之所以能够出现, 是因为金属钠的结构基元只是一个钠原子!如果某晶体的结构基元不止一个原子,就根本不可能得出像图3那样所有的原子都是所谓的“晶格结点”了。 最简单的例子莫过于氯化铯,它的结构基元是1C[+][,S]+1Cl[-],这时,你若画出它的素晶胞,只能得到图4, 再想画出更小的晶胞是不可能的,或者说,你硬要画成图3的模样,就不再是一个晶胞了。为什么?因为晶胞必须能够在微观空间平移才行,为此,它最基本的条件是:8个顶角不能有区别!总之,只要晶体的结构基元不止一个原子,就不可能存在所有原子都处于所谓的“晶格结点”的图像,因此,这种所谓的“晶格结点”是毫无意义的概念。
回过头来说,晶体学中的“点阵点”只是结构基元被抽象成几何学上的点,晶体学上的“点阵”只是这些被抽象的点的阵列,这种图中,是根本看不见原子的,除非某晶体的一个结构基元只是一个原子。例如,图5中的氯化铯、钙钛矿(CaTiO[,3])、黄铁矿(FeS[,2])、 赤铜矿(Cu[,2]O)、干冰(CO[,2])的(正当)晶胞, 若被抽象成点阵结构,不考虑格子的尺寸,都是同一张图!
图5 晶胞是具体的、点阵单位是抽象的
(上排从左至右:氯化铯、钙钛矿、黄铁矿、赤铜矿、干冰)
对于这种晶体学上的点阵点,它所代表的化学内容在绝大多数情况下,不是一个原子、一个分子或一个离子,而是若干个原子、分子或离子的集合,你说点阵点之间以什么作用力相互作用也是毫无意义的事情。这就是说,即便我们把从50年代开始出现在我国教科书上的所谓“晶格结点”理解为晶体学上的点阵点,讨论它们在化学上是原子、分子还是离子,它们的作用力是离子键、共价键、金属键还是分子间作用力,也是毫无意义的。
最后要说明,你可能见过许多书上用格子套格子来描述晶体结构。这是不是晶体学上的点阵概念呢?不是。例如,图6 给出了几种格子套格子的图形。
图6 金属钠、氯化铯、赤铜矿的亚晶格
(sublattice)
金属钠的结构可看成两套格子套合在一起,这两套格子是毫无差别的,它的意义是:将其中一套格子的原点移至体心位置,将得到与它毫无差别的另一套格子,这种性质,在晶体学上称为体心平移,因此,金属钠的晶胞叫做“体心立方”晶胞。氯化铯的格子套格子似乎与金属钠完全相同,其实不然,这两套格子是有差别的,一套格子顶角原子是黑色的,另一套格子的顶角原子却是白色的,这就跟金属钠的情况不同了。这说明,氯化铯晶体是不存在体心平移特征的,因此,它只是素晶胞,不是体心晶胞。这种格子中的每一套格子,在晶体学上叫做亚晶格(sublattcie),不叫晶格(lattice)。应当指出,尽管这种概念在进行计算机计算时,是很有用的,但画出图形来,常常会使图形复杂化,意义不大了。以图6中的赤铜矿为例,可以看到, 白球(氧原子)的亚晶格是体心的,而黑原子(铜原子)的亚晶格则是面心的,因此,总起来,赤铜矿的点阵既不是体心的,也不是面心的,而是素单位。“亚晶格”(sublattice)是许多物理学家喜欢的晶体结构的表述方式。例如,氯化铯有两套亚晶格,一套是氯原子立方体晶格,另一套是铯原子立方体晶格。它们之间的互相变换只需作+1/2,1/2,1/2的坐标变换即可。这种亚晶格概念显然不是由点阵产生的晶格概念。亚晶格概念对描述晶胞中原子不多的结构不可谓不是一种描述方法,但对原子数目多的,就变成“烦琐哲学”了,绝不会使图像更清晰。因此,在结晶化学界,大家对它感兴趣。
结语:进入21世纪的我国教育界应当抛弃错误的“晶格结点”概念。在初等教育中,若不引入点阵概念,可以直接讨论具体的晶胞存在什么化学微粒——原子、分子还是离子,它们的相互作用力是什么类型,并用来把晶体分为离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。在高一级的教育中,若引入点阵概念,要分清具体的晶胞与抽象的点阵类型的区别,分清素单位和带心单位的区别,分清晶格(即点阵)与亚晶格的区别。