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多元化的晶狀固體


化學(xué)家 / 2018-06-07

    大多數(shù)固體物質(zhì)在本質(zhì)上是晶狀的。雖然某些固體有如糖和食鹽是由單晶組成,它們的形狀我們是熟悉的,但我們?nèi)粘=佑|到的大多數(shù)晶狀固體是許多交錯(cuò)在一起的小晶體的聚集體。后者的常見例子是冰塊和金屬制品。晶體可以定義為具有天然多面體外形的均相物體。晶體是由晶面包起來的三維固體。對(duì)一種給定的物質(zhì)來說晶面的交角總是不變的,并且是該物質(zhì)的特征。圖11-7介紹了氯化鈉、金屬銅和方解石( Caco3)單晶的外形。

    對(duì)晶體的x一射線衍射線研究發(fā)現(xiàn)每種晶體都是由原子、分子或離子以三維圖形的的排列組成,這種三維圖形在整個(gè)晶體中有規(guī)律地一再重復(fù)出現(xiàn)。各種物質(zhì)的晶體都是按照一定幾何何圖形建造起來的,這種幾何圖形叫做晶格。晶格中含有晶體結(jié)構(gòu)中具有代表性的最小部分叫做單元晶胞。單元晶胞在三維空間里無限重復(fù)就呈現(xiàn)成晶體。因此,固體的性質(zhì)就由單元晶胞的大小、形狀和內(nèi)容所決定的。單元晶胞是一種平行多邊體,它的大小和形狀由三根軸的長(zhǎng)度(a、b、c)和軸間夾角(a、B、7)所確定(圖11-8)。

    已知晶體的單元晶胞可以分為七類:

    立方晶系a=b=c  a=B=y(tǒng)=90°       巖鹽(NaC1)

    四方晶系a=b≠c  a=B=y(tǒng)=90°       白錫

    正交晶系ab≠C  a=B=y(tǒng)=90°       氯化汞(Ⅱ)

    單斜晶系≠b≠c   a=y(tǒng)=90° B÷90°  氯酸鉀

    三斜晶系a≠b≠c  a≠B≠y≠90°       重鉻酸鉀

    六方晶系a=b≠c  a=B=90° y=120° 硅石(SiO2)

    三方晶系a=b=c  a=B=y(tǒng)≠90°       方解解石(CaCo3)

   七類單元晶胞發(fā)生變異產(chǎn)生十四種晶格有如圖11-9所示。這

些晶格中前三種晶格的結(jié)構(gòu)單元堆積形式繪示在圖11-10中。如果一種晶胞在它的中心上含有與在角頂上為同種類的原子,則這種晶胞叫做體心晶格。如果單元晶胞在棱面的中點(diǎn)上含有與角頂上為同種類的原子,這種晶胞叫做面心晶格。

    晶格的結(jié)構(gòu)是由許多種因素決定的。其中包括結(jié)構(gòu)單元的相對(duì)數(shù)目和結(jié)構(gòu)單元的大小以及晶體中把結(jié)構(gòu)單元結(jié)合起來的價(jià)鍵類型。結(jié)構(gòu)單元可以是原子、離子或分子。在銅中的結(jié)構(gòu)單元是銅原子,它們以有規(guī)律的圖形(面心立方)堆積在一起,并以銅原子占據(jù)在晶格點(diǎn)上。固體二氧化碳(干冰)是由分子晶體組成的,在其中CO2分子是單元質(zhì)點(diǎn);它們占據(jù)在面心立方晶格的位置上。化鈉形成為離子型晶體,在其中鈉離子和氯離子是結(jié)構(gòu)單元(圖11-11)。硝酸銨晶體以NH4+和NO3占據(jù)在晶格位置上。

    NaF、KCl、RbBr、MgO和CdS等晶體都具有與NaCl相同的晶體結(jié)構(gòu);SrCl2、CdF2、PbF2、ZrO和ThO2都結(jié)晶成CaF2的

結(jié)構(gòu)(見圖11-12)。不同的化合物結(jié)晶成相同的晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象微類質(zhì)同晶。

    當(dāng)碳酸鈣(CaCO3)在低溫下結(jié)晶時(shí),它采取三方晶系的晶格,叫做方解石,但在高溫結(jié)晶時(shí)卻得到正交晶系的晶格,這種物質(zhì)叫做文石。同一種物質(zhì)采取兩種或多種晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象叫做同質(zhì)多晶現(xiàn)象。方解石和文石都是由鈣離子和碳酸根離子組成的,但是在這兩種晶體中這些離子是以不同方式而排列的。

 


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