范文一:二氧化硅晶体结构
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二氧化硅晶体结构示意图(见图3)。
二氧化硅晶体结构
湖南衡阳县一中(421200) 陈吉秋
一、二氧化硅晶体平面
示意图
高级中学课本化学第二册P6有二氧化硅晶体平面示意图(见图1)。该图说明二氧化硅不是由单个“SiO2”的
分子所组成的分子晶体,而是一种原子晶体。一个Si原子跟4个O原子形成4个共价
键。同时,一个氧原子又跟两个Si原子形成两个共价键。但该图也有两处不足:①该图并没有反映出二氧化硅真实的三维空间结构。②该图中最小环上是4个Si原子与4个O原子交替连结,而实际上二氧化硅晶体中,
最小环上是6个Si原子与6个O原子交替连接。
二、二氧化硅晶体空间结构1.硅晶体结构
硅晶体结构与金刚石结构相似(见图2),在硅晶体中,每个硅原子都被相邻的4个硅原子包围,处于4个硅原子的中心,以共价键跟这4个硅原子结合,成为正四面体结构,这些正四面体结构向空间发展,构成一种坚实的,彼此联结的空间网状晶体。
2.二氧化硅晶体结构
如果在硅的晶体结构示意图中,将所有的Si-Si键断裂,再在Si原子与Si原子之间连一个原子(每个O原子形成的两个Si-O键的键角不是180°)就可得到 (2)乙酸与醇反应生成乙酸酯,若产物为
(CH3 nR,变式为(CH2CO)n·R(OH)n,从式子
和酸的碳骨架。醇与它自身氧化成的羧酸酯化反应生
成的酯,酯键两侧碳数相同,碳骨架也相同。
六、从酯的特殊性看
O
甲酸酯中仍有醛基H
R所以甲酸酯
因此,在二氧化硅晶体中,每个硅原子被相邻的4个氧原子包围,处于4个O原子中心,
以共价键跟这4
个氧原子结合,成为正四面体结构(见图4)。
每个O原子为两个四面体所共有(见图5)。
这样,许许多多四面体又通过顶点O原子连成一个整体(见图6),在二氧化硅晶体中最小环上有6个O原子和6个未画出的Si原子以Si-O键交替
相连(见图6)。由图3与图7也可得出这个结论。
可看出,生成的酯比相应的醇的分子量增加42n,若为一元醇则增加42。
五、从反应前后碳链结构看
在下列一系列变化中,分子中的碳链结构不变化:醇所以酯中酯键两侧的碳骨架仍保持着醇的碳骨架
能够发生银镜反应,等等,表现出醛的一些性质,同时它有酯的通性。另外,甲酸酯
水解生成甲酸或甲酸盐,所以其产物仍能发生银镜反应。
范文二:二氧化硅晶体结构
二氧化硅是硅原子跟四个氧原子形成的四面体结构的原子晶体,原子晶体中不含有单个分子。整个晶体又可以看作是一个巨大分子,SiO2是最简式,并不表示单个分子。
二氧化硅晶体结构中,每个硅原子结合4个氧原子,同时每个氧原子结合2个硅原子。这样很好地解释了为什么二氧化硅的化学式是SiO2。
在二氧化硅晶体中每个硅原子与周围的四个氧原子的成键情况与金刚石晶体中的碳原子与周围的其它碳原子连接的情况是相同的。即每个硅原子与周围的四个氧原子构成一个正四面体。只是每个氧原子又处在由另一个硅原子为中心的一个正四面体上。即每个氧原子为两个硅氧四面体共用。一个硅原子与两个氧原子间的夹角?O-Si-O=109?28′。
晶体结构模型-二氧化硅晶体结构(SiO2)-三层
在SiO2晶体中,1个硅原子和4个氧原子形成4个共价键,每个硅原子周围结合4个氧原子;同时,每个氧原子跟2个硅原子相结合。实际上,SiO2晶体是由硅原子和氧原子按1:2的比例所组成的立体网状的晶体。
(1)二氧化硅晶体中最小环为12元环。
SiO2晶体中Si原子的排列方式和金刚石晶体中碳原子的排列方式是相同的。在金刚石晶体中,每个最小环上有6个碳原子,因此SiO2晶体中每个最小环上有6个Si原子,另外六边形的每条边上都夹入了一个氧原子,所以最小环为12元环。
(2)每个硅原子被12个最小环共有。
如图可以看出,每个硅原子周围有四条边,而每条边又被6个环所共有,同时由于每个环上
有两条边是同一个硅原子周围的,因此还要除以2以剔除重复。所以最终计算式为(4*6)/2=12
(3)每个最小环平均拥有1个氧原子。
由于每个硅原子被12个环共有,因此每个环只占有该硅原子的1/12,又因为每个最小环上有6个硅原子,所以每个最小环平均拥有的硅原子数为:6*(1/12)=0.5个。又因为SiO2晶体是由硅原子和氧原子按1:2的比例所组成,因此氧原子的数目为0.5*2=1个。
金刚石
金刚石的化学式C----N个C,金刚石是原子晶体,一块金刚石是一个巨分子,N个C的聚合体。只能用它的元素符号加注释来表示[C(金刚石)].
金刚石仅产出于金伯利岩筒中。金伯利岩是它们的原生地岩石,其他地方的金刚石都是被河流、冰川等搬运过去的。金刚石一般为粒状。如果将金刚石加热到1000?时,它会缓慢地变成石墨。
金刚石矿物晶体构造属等轴晶系同极键四面体型构造。碳原子位于四面体的角顶及中心,具有高度的对称性。单位晶胞中碳原子间以同极键相连结,距离为1.54?(10-10m)。常见晶形有八面体、菱形十二面体、立方体、四面体和六八面体等。
金刚石的硬度是刚玉的4倍,石英的8倍。详细绝对硬度如下:金刚石10000-2500刚玉2500-2100石英1550-1200。
矿物性脆,贝壳状或参差状断口,在不大的冲击力下会沿晶体解理面裂开,具有平行八面体的中等或完全解理,平行十二面体的不完全解理。矿物质纯,密度一般为3 470-3 560kg/m3。
金刚石化学性质稳定,具有耐酸性和耐碱性,高温下不与浓HF、HCl、HNO3作用,只在Na2CO3、NaNO3、KNO3的熔融体中,或与K2Cr2O7和H2SO4的混合物一起煮沸时,表面会稍有氧化;在O、CO、CO2、H、Cl、H2O、
CH4的高温气体中腐蚀。
在钻石晶体中,碳原子按四面体成键方式互相
连接,组成无限的三维骨架,是典型的原子晶体。
每个碳 原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子
形成共价键,构成正四面体。由于钻石中的C-C键
很强,所以所有的价电子都参与了共价键的形成,
没有自由电子,所以钻石不仅硬度大,熔点极高,
而且不导电。在工业上,钻石主要用于制造钻探用
的探头和磨削工具,形状完整的还用于制造手饰等
高档装饰品,其价格十分昂贵。
如前面所介绍的,伯纳特兄弟于1870年发现了金伯利金刚石矿。正是这一发现,使人们知道了在哪种岩石中有可能含有金刚石。
原来,那是一种在远古时代的岩浆冷却以后所形成的火山岩。接着,研究者又发现,在这种火山岩中除了金刚石,还含有被称为石榴石和橄榄石的两种矿物。因此,在那些出产石榴石和橄榄石的地点,找到金刚石矿的可能性就相对大。于是,石榴石和橄榄石就成为寻找金刚石的“指示矿物”。
目前在世界各地都发现了金刚石矿。其中,澳大利亚、刚果、俄罗斯、博茨瓦纳和南非是著名的五大金刚石产地。
美国马萨诸塞大学的地球物理学家史蒂文?哈格蒂博士在1999年研究了世界各地含有金刚石的熔岩的年代,结果发现,这些含有金刚石的熔岩至少是在过去7个不同的时期在各地喷出的岩浆所形成的,其中最古老的熔岩则是在大约10亿年前形成的。在这7个岩浆喷发时期中,以在非洲各地和巴西等地区于1.2亿年前至8000万年前喷出的岩浆中所含有的金刚石为最多。那时正值恐龙时代极盛期的中生代白垩纪。含有金刚石的熔岩,最晚的,是在2200万年以前喷出的岩浆形成的。至于在那以后形成的熔岩中是否含有金刚石,则还无法肯定。
分布
1971年以来的二十年中,在中国陆续发现了几颗50克拉以上和100克拉以上的金刚石,按发现时间的先后排列如下:
1(1971年9月25日,在江苏省宿迁公路旁发现一颗重52(71克拉的金刚石。
2(1977年12月21日,在山东省临沭县常林大队,女社员魏振芳发现1颗重158.786克拉的优质巨钻,全透明,色淡黄,可称金刚石的“中国之最”。被命名为“常林钻石”
3(1981年8月15日,在山东郯城陈埠发现一颗124(27克拉的巨粒金刚石。被命名为“陈埠一号”。
4(1982年9月,在山东郯城陈埠发现一颗96(94克拉的金刚石。
5(1983年5月,在山东郯城陈埠发现一颗92(86克拉的金刚石。
6(1983年11月14日,在山东蒙阴发现一颗119(01克拉的巨粒金刚石,被命名为“蒙山一号”。
据1987年资料,中国主要金刚石成矿区有:?辽东—吉南成矿区,有中生代和中古生代两期金伯利岩。?鲁西、苏北、皖北成矿区,下古生代可能有多期金伯利岩。?晋、豫、冀成矿区,已在太行山、嵩山、五台山等地发现金伯利岩。?湘、黔、鄂、川成矿区,已在湖南沅水流域发现了4个具工业价值的金刚石砂矿。
湖南金刚石,产于湖南省常德丁家港、桃源、黔阳等地。湖南金刚石以砂矿为主,主要分布在沅水流域,分布零散,品位低,但质量好,宝石级金刚石约占40%。相传在明朝年间,湖南沅江流域就有零星的金刚石发现,大规模的寻矿则始于二十世纪五十年代。沅江整个水域均有金刚石分布,但有开采价值的仅常德丁家港、桃源县车溪冲、溆浦县(黔阳)新庄垅、沅陵县窑头等4处。
湖南金刚石的颜色深浅不一,内外颜色差异明显,呈带状、斑状分布。其褐色系列金刚石,晶体呈黄褐色,内部洁净,表面有大量的褐色斑点,其褐斑的颜色有黄色、黄褐色、褐色、黑色等,主要分布在金刚石的溶蚀面上,褐色主要由自然界放射性粒子的辐照造成。
金刚石总体颗粒小,但质地较好,以单晶为主,约占总产量的98%;晶体比较完整,以八面体、十二面体、六八面体为多;绝大多数晶体浅色透明或呈黄、褐色等;粒重多小于28mg,一般为10.9,15mg;22%晶体中含包裹体;60%的晶体表面有裂纹,表面溶蚀不重。
原材料
金刚石的原材料是远古时代的浮游生物~,
碳是一种常见的元素。动植物的体内,甚至空气中,都含有大量的碳。我们的身体也不例外,其中也有大量的碳原子。人体内含有大约18%的碳。
然而,碳虽然是地面上常见的元素,在地球内部,数量却十分稀少。通过对太阳光谱和坠落到地球上的陨石所进行的分析,据推测,组成地球的化学元素,最多的是氧,接下来依次是硅、铝和铁。这4种元素占到了地球总质量的87%;若再加上钙、钠和钾3种元素,则总共占到了96%。剩下的4%,才是包括碳在内的其他所有的元素。
此外,组成地球的元素,质量越大的元素越倾向于聚集在地球的中心。碳是比较轻的元素,集中在地表附近,因而在地球深处基本上不会有碳。日本东京大学物性研究所专门研究地球深部结构的八木健彦教授说:“地球自46亿年前诞生以来,内部存在的碳都是极其稀少的,因此,地球内部不会有很多形成金刚石的原材料。”
另一方面,科学家通过同位素分析还知道,在构成金刚石的材料中,至少有一部分是属于有机物遗留下来的碳。这意味着,在几亿到几十亿年前沉积到海底的浮游生物(动物和植物)的遗骸,随着构造板块的运动,它们从沉积层被带到地球的内部,那里就有可能形成金刚石。
八木教授说:“总之,碳在地球内部属于微量元素,数量如此少,金刚石极其稀少也就不足为奇了。”
开采
原生金刚石是在地下深外处(130--180Km)高温(900--1300?)高压(45--60)&215;108Pa
下结晶而成的,它们储存在金伯利岩或榴辉岩中,其形成年代相当久远。南非金伯利矿,橄榄岩型钻石约形成于距今33亿年前,这个年龄几乎与地球同岁;而奥大利亚阿盖尔矿、博茨瓦纳奥拉伯矿,榴辉岩型的钻石虽说年轻,也分别已有15.8亿年和9.9亿年了。藏于如此大的地下深处达亿万年之久的钻石晶体要重见天日,得有助于火山喷发,熔岩流将含有钻石的岩浆带入至地球近地表处,或长途迁徒淀于河流沙土之中。前者形成的是原生管状矿,后者形成的则为冲积矿。这些矿体历经艰辛开采后,还需经过多道处理遴选,才可从中获怪毛坯金刚石。毛坯金刚石中仅有20%左右可作首饰用途的钻坯,而大部分只能用于切割、研磨及抛光等工业用途上。有人曾粗略地估算过,要得到1ct重的钻石,起码要开采处理250吨矿石,采获率是相当低的;如果想从成品钻中挑选出美钻,那两者的比率更是十分悬殊的了。
范文三:论二氧化硅 晶体结构
论二氧化硅 晶体结构
论二氧化硅晶体结构
所有的结晶体都是一种生命的运动形式。从本源上说,结晶体是造就一切生命的基本运动形态。从无机物演化成有机物,从有机物进化为具有思维意识的高等动物,这一切都是由物质所固有的结晶规律所控制的。
图1二氧化硅单晶面结晶过程图
例如,在图1中表示了一个二氧化硅共价键晶体的单晶面。当环境的温度降低时,在某种杂质的作用下,3个二氧化硅分子在小黄道面上互相靠近,结合成共价键的"晶核"。在"晶核"中,1个氧原子被卡在2个与它自旋相反的硅原子中央。1个硅原子在小黄道面上使氧原子向左转动,另一个硅原子则让它向右转动,于是"晶核"便处于显著的振动态。这时,围绕着"晶核",二氧化硅分子便开始以"三端左旋螺线"绕转延伸的方式,按时空顺序结晶成单晶面。在单晶面上下两层中,硅原子在上层,氧原子在下层,以共价键密集堆积。由于氧原子旋转的单向性,使图中的"结晶螺旋线"只能向左旋方向延伸。在单晶面按时空顺序结晶过程中,一些键被先来的原子填满,挡住了后来原子而成为"空穴"。如果其中一条结晶线因分子的热运动将"空穴"填满时,则该螺旋结晶线便停止延伸。
只要按图1的"螺旋结晶线"去画,我们就可以找出严格定位的"空穴"的时空坐标。而整个二氧化硅单晶体就是在这个单晶面上下叠合密集堆积而成的。在晶体的光轴方向,"空穴"上下连通为"空穴通道",构成了生命最原始的"消化道""呼吸道"或"神经通道"。
以沿二氧化硅晶片光轴的逆光方向看,比如,图1中左旋水晶片在晶片表面最上层,右旋硅原子的键处于开放状态,而使晶片上"空穴"通道入口处形成左旋的旋涡物质流。当有一个光量子从"空穴"通道入口处垂直进入通道时,受一瞬时右旋转动反冲力矩。在"晶体空穴通道"中的高真空条件下,光量子的偏振面继续向右以惯性转动。当光量子在晶片"空穴通道"出口处时,必然受到左旋氧原子开放键的右旋物质旋涡的向左反冲力矩作用,使光量子的偏振面停止
转动。所以,通过晶片"空穴通道",这一部分光量子的偏振面(E平面)转动的旋光角θ与光通过晶片的厚度成正比。将上面的左旋水晶片的光轴转动180?,底层的左旋氧原子相对入射光的反方向又变成右旋的氧原子(假定入射光线方向不变),所以,晶片的旋光方向并不改变。
自然界中各种物质的结晶过程都是按上述原子密集堆积的原则进行的。不管是离子键晶体,还是共价键晶体,它们结晶的原则是基本相同的。比如,水分子的单晶体也类似二氧化硅单晶体,也是单晶面角等于120?的六边形。由于氧原子与氢原子的共价键结合能较小,使单晶面上外围的"空穴"区发生脱落,而形成沿六边形骨架延伸的雪花晶形。
通过具体的观察发现,晶体的成长过程并不是简单在晶体表面一层层地添上去,而是绕着一个晶轴的中心按一圈圈环绕螺旋长大的。利用光学的新技术可以在晶面上看到这些螺旋线。例如,佛梅用比相式显微镜照出了金刚砂晶体表面上成长时的几个螺旋线,它们的层间距离约为15A@(见图2)。达森和万特从电子显微镜中观察到石蜡晶面上的螺旋线。格里芬和福尔提等人从生长的铍、铬、镁晶体表面都拍摄到了金属晶体的螺旋线。
图2金刚砂晶面的螺旋生长
弗兰克尔认为,这些成长的旋转中心是一个螺旋位错,垂直于成长晶体的表面。但是,在这些方面目前还没有做足够的研究和分析工作,因此,对固体结构等许多细节问题尚待深入研究。
组成晶体的原子或分子是靠怎样的相互作用维系在一起的?晶体生长形态学有两个重要问题--形态的稳定性和对称性。自然界中每一种晶体的结晶过程都有它特有的"遗传基因",这正是物质世界生存繁衍的基础。
图3杂环化合物
例如,在图3中画出的是作为蛋白质合成的核酸物质。不论是DNA,还是RNA,它们都是由脱氧核酸或核糖、磷酸和4种碱基(腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶)组成的。组成这类杂环化合物的环,除了碳原子外,还有氧、氮原子。而结合在环外的其他分子大基团全部是在离环较远的平伏键上呈立体排列。
这些杂环化合物的环中央"空穴"都是旋光异构体。如果这些环是由电子搭桥的共价键互相连接的话,假定,在环上所有的原子都按"左旋"的自旋排列。由于结合的共价键外抛物质造成的反冲力,使环始终受一向右旋方向的扭力矩。因此,在细胞核内膜某点固定着床并开始结晶的DNA,就会形成像搓麻绳一样的
。其中盘节就是核小体。DNA被核苷酸连接,构成盘节或线节状的螺旋纤维DNA
了DNA的右旋双螺旋结构。
那么有没有左手螺旋DNA?它们在细胞核中生长,与地球的磁场与重力场方向有什么关系?结晶体的"头"和"尾"在地球势能场中怎样排列?这些问题都有待于从统一场论的理论角度作进一步探讨。
图4二氧化硅单晶面上一条螺旋结晶线量子数
在图4中的二氧化硅单晶面上,3条二氧化硅结晶螺旋线是完全对称的。二氧化硅分子在螺旋线上按时间顺序和空间坐标的分布是严格有序的。按图4所示去画单晶面的结晶过程是很有趣的。通过在大幅结晶图上实际计数发现,二氧化硅分子每绕晶面一周(2π),它在主数列A单晶面六边形各顶角上,按时间顺序所表示的分子个数的自然数序号分别是:
9,36,81,144,225,324,441,576,729,900,…
上面按时间顺序分布的分子个数自然序号可按下面公式准确算出
x=9m^2m=1,2,3,4,…?(1)
图4所示是二氧化硅单晶面的实际结晶过程计数,我们把结晶螺旋线上对应单晶面六边形各顶点上分子个数的自然序数写在下面的数列中。
图5二氧化硅单晶面数列上的量子数
C数列可写成(3m+1)^2,m=0,1,2,…E数列可写成(3m-1)^2,m=1,2,3,….
.A数列可写成(3m)^2,m=1,2,3,…把公式(1)表示的数列称为主数列A,按图1中顺时针方向旋转,对应单晶面六边形的6个顶点上分别有纵数列B、C、
D、E、F。各数列对应的自然数分别用A、B、C、D、E、F来表示。我们看到,在上面数列中,除1以外,全部是合数。数列B、F、D是偶数数列。A、E、C是奇偶数的相间数列,在这三个数列中分子个数自然序数A、E、C都是用自然数的平方表示的。在数列中,描述分子个数自然序数的排列是十分有趣的,因此,深入地研究自然数在结晶螺旋线上的分布规律是数学家今后的课题。在公式(1)中,称m是量子数。我们看到,图4的二氧化硅单晶面结晶螺旋线与电子绕氢原子做加速进动的涡旋轨道在时空性质上是相似的。因此,可以用公式(1)描述氢光谱的规律。当量子数m=1时,对应着氢分子在第一电离电位13.6V电离光谱的主振频率,共振辐射光波波长为
λ?c=9.1165868×10^-8m
即对应自然序数1的波数是:
R?1=9/9.1165868×10^-8=1/1.012954089×10^-8(m-1)
将氢分子电离光谱写成差频波数的表示式,便是氢电离光谱的波数:
1/λ=R?1(1/9n^2-1/9m^2)=R??(1/n^2-1/m^2)(2)
即有里德伯常数
R??=R?1/9=1/9.1165868×10^-8(m-1)=1.09737317710^7(m-1)
公式(2)中,n可以取整数1,2,3,4,…每一个n值对应着一个光谱系,在每一个线系中可以取m从n+1开始的各个数值。
根据量子力学计算,只要主量子数相同、总角动量相同,其能量就相同(称为并简),如氢原子能级2P1/2和2S1/2就并简。兰姆和雷瑟福用微波共振的方法,直接测量了这一能级的共振频率Δν=ΔE/h。他们测量的结果,对于2P1/2和2S1/2的移位频率Δν分别为(1057.930?0.01)MHz左右,这种与理论上的差值称为兰姆移位。对光波共振辐射的微观机理研究表明,氢原子捕获电子是以平均速度的算术平均值v/2来计算电子在涡旋轨道上的平均速度。在实际情况下,电子不是按线性加速的,所以,氢光谱巴尔末谱线Hα和Hβ对应的
差频可能出现偏差。显然,上述论证还有待于进一步研究。但是,我们在二氧
化硅单晶面上找到了描述氢光谱规律的相似规律。
范文四:二氧化硅光子晶体异质结构的制备与性质研究
第30卷