范文一:A.原子数B.分子数
A(原子数 B(分子数 C(质量 D(密度
10(用pH=2的盐酸完全中和pH=2的下列溶液各100mL,需盐酸的体积最大的是 ( )
A(NaOH B(NH3?H2O C(KOH D(Ba(OH)2
11(下列反应的离子方程式书写正确的是 ( )
A(铝跟氢氧化钠溶液反应:AL+2OH-=+H2?
B(硫酸铜溶液跟氢氧化钡溶液反应:?
C(硫酸铅溶于醋酸:PbSO4+2CH3COOH=(CH3COO)2Pb+2H++SO42-
D(在加热条件下,铜片与浓硫酸反应:Cu+4H++SO42- ? SO2?+Cu2++2H2O
12(下列化学反应中,无论两种反应物的滴加顺序如何,发生的反应一定相同的是( )
A(Na2CO3溶液与稀盐酸 B(新制氯水与溴化亚铁溶液
C(ALCL3溶液与NaOH溶液 D(NaOH溶液与盐酸
13(由于工业的发展,水资源污染日趋严重,水的净化处理一直是受到高度重视的研究课题。
某些含AL3+、Fe3+的化学试剂可用于净水,如聚合硫酸铁,其化学式为
[Fe2(OH)m(SO4)]n,式中m不可能为
A(6 B(4 C(3 D(2
14(恒温、恒压下,1molA和nmolB在一个容积可变的容器中发生如下反应:
A(g)+2B(g)====2C(g)
一段时间后达到平衡,生成amolC。则下列说法中正确的是 ( )
A(物质A、B的转化率之比1:2
B(起始时刻和达平衡后容器中的压强比为(1+n):(1+n-)
C(若起始时放入3molA和3nmolB,则达平衡时生成3amolC
D(当u正(A)=2u逆(C)时,可断定反应应达平衡
15(有A、B、C三种短周期元素,已知A元素的原子最外层电子数等于其电子层数,B
元素的原子最外层电子数是其电子层数的2倍,C元素的原子最外层电子数是其电子层
数的3倍。由这三种元素组成的化合物的化学式不可能是 ( )
A(A3BC4 B(A2(BC4)3 C(A2BC3 D(ABC4
16(在冬季,剩有半瓶热水的暖水瓶经过一个夜晚后,第二天拔瓶口的软木塞时感觉很紧,
不易拔出来,这主要是因为 ( )
A(软木塞受潮膨胀
B(瓶口因温度降低而收缩变小
C(白天气温升高,大气压强变大
D(瓶内气体因温度降低而压强减小
17(如图所示,A、B为某一点电荷Q产生的电场中的一条电场线上的两点,一电子在沿电
场线由A运动到B的过程中,电热能增加,则以下判断正确的是 ( )
A(电场线方向由B指向A
B(场强大小EA>EB
C(若Q为负电荷,则Q在B点右侧
D(Q一定是负电荷
18(物体做平抛运动的规律可以概括为两点:(1)在水平方向做匀速直线运动;(2)在竖直
方向做自由落体运动。如图所示,一种用于研究物体做平抛运动规律的实验装置,其中
A、B为两个大的小球,C为与弹性钢片E相连的小平台,D为固定支架,两小球等高。
用小锤击打弹性钢片E,可使A球沿水平方向飞出,同时B球被松开,做自由落体运动。
在不同的高度多次做上述实验发现两球总是同时落地,这样的实验结果 ( )
A(只能说明上述规律中的第(1)条
B(只能说明上述规律中的第(2)条
C(能同时说明上述两条规律
D(不能说明上述两条规律中的任意一条
范文二:原子数随时间的变化MATLAB代码
数1402 20143291 王文鹏
MATLAB 程序代码
function F = zuoye2(nuclei,tc,dt) s=zeros(2,100);
t(1)=0;
nuclei(1)=nuclei;
for i=1:1:100
a(1,i)=t(i);
nuclei(i+1)=nuclei(i)-(nuclei(i)/tc)*dt; a(2,i)=nuclei(i);
t(i+1)=t(i)+dt;
end
plot(a(1,:),a(2,:))
title(' 原子数随时间变化曲线' )
>> zuoye2(100,1,0.05)
画出的曲线图如下图:
原子量随时间变化曲线
N u m b e r o f N u c l e i 00.511.522.53
time (s )3.544.55
范文三:纳米级高岭石晶胞数_原子数和晶面原子数的计算与研究
岩 石 矿 物 学 杂 志 第 22 卷 第 3 期 Vol. 22 , No. 3 2003 年 9 月 ACTA PETROLO GICA ET MINERALO GICA Sep. , 2003
() 文章编号 :1000 6524 200303 0293 04
纳米级高岭石晶胞数 、原子数和晶面原子数
的计算与研究
韩 炜 , 陈敬中
()中国地质大学 材料科学与化学工程学院 , 湖北 武汉 430074
() 摘 要 : 以矿物晶体结构 、晶体化学理论为基础 ,通过对纳米级高岭石颗粒的晶胞数 、原子数以及平行 001面的表 面原
子数的计算 ,讨论了它们与纳米级高岭石颗粒尺度大小的相关规律 ,并结合纳米微粒的特性对其进行了简要分
析 。
关键词 : 高岭土 ;高岭石 ;纳米 ;晶胞 ;原子
中图分类号 : P578. 964 ; P573 文献标识码 :A
The calculation of crystal cell , atomicity and crystal plane
atomicity of nano- kaol inite
HAN Wei and CHEN Jing-zhong
( )Faculty of Material Science and Chemical Engineering ,China University of Geosciences ,Wuhan 430074 ,China
Abstract : Based on crystal structure and crystal chemistry theory , this paper puts forward the minimum dimension of the nano- kaolin2
() ite corpuscle. Through calculating the crystal cell number , atomicity and the external atomicity on the 001crystal plane of kaolinite
grains of different granularities , the paper also describes their characteristics , and analyzes their relationship with the specificities of the nano- kaolinite corpuscle.
Key words : kaolin ; kaolinite ;nanometer ;crystal cell ;atom
随着纳米科技的发展 ,纳米物质所表现出来的一些新异 μμ( 0. 2 , 5 m , 厚度 0. 05 , 2 m 王濮等 , 鳞片大小通常为
特性深深地吸引了人们 ,如表面效应 、小尺寸效应 、量子尺寸 ) () 1984。高岭石的化学组成为 Al[ SiO] OH,常有少量的 4 4 10 8 1 效应以及宏观量子隧道效应等 。这些新异特性的产生与纳米 Mg 、Fe 、Cr 等代替 Al 。高岭石属于三斜晶系 , 空间群 Ci 材料的晶体结构 、晶体化学性质密不可分 。高岭土的纳米化 P1 ,晶胞参数为 a= 0. 514 nm , b= 0. 893 nm , c= 0. 737 0 0 0 是指使高岭土粉体颗粒或复合材料中的高岭土颗粒粒径达 nm βγ= 91. 8?, = 104. 5?,= 90?, Z = 1 。高岭石是由 1 个硅 α,
到 100 nm 以下的工艺过程 。本文拟从纳米级高岭石晶胞数 、 () 氧四面体层同 1 个“氢氧铝石”八面体 铝氧八面体层靠氢键 原子数和晶面原子数的计算入手 ,欲为高岭土最佳纳米尺度 () 连结而成 ,称为高岭石层 ,结构属于 TO 型 王濮等 ,1984。 的确定提供一定的理论基础 。
高岭土中的主要矿物是高岭土类矿物 ,尤以高岭石最常 1 高岭石纳米结构参数中研究对象的确定 见 ,珍珠石 、迪开石少见 ,其他伴生矿物常见的有 :水铝英石 、 () 三水铝石 、硬水铝石等 戴长禄等 ,1983。从晶体结构 、晶体 在晶体中晶胞被认为是最基本的单位 ,晶胞的性质与整 化学研究的角度出发 ,高岭石是研究的重点 。高岭石多为隐 个晶体的性质有着密切的联系 。另外 ,纳米颗粒的表面效应
() 晶质致密块状或土状集合体 001,扫描电镜下颗粒呈平行于 (及小尺寸效应所产生的特性 如高活性 、高相容性 、强的光吸 面的假六方片状 、半自形或他形片状晶体 ,为鳞片状集合体 , ) 收性等与其内部原子及表面原子有着直接的关系 ,所以把
收稿日期 : 2002 10 31 ; 修订日期 : 2003 05 26
() 作者简介 : 韩 炜1976 , 男 , 在读博士 , 研究方向为纳米矿物及纳米技术。
22 卷岩 石 矿 物 学 杂 志 第 294
纳米颗粒的晶胞数 、原子数以及表面原子数等参数作为研究 ,其结合力较层内共价键的结合 高岭石层间以氢键相连
() 对象 。高岭石结构单元层中平行 001面之间的氢键在外界 力弱 ,层与层之间容易裂开 。因此 ,从 c 轴方向上来看 ,1 层
( 的作用下易被破坏 Michal Kováet al . ,2002 ; Kelleher et al . , 高岭石层应该最为稳定 。参考高岭石的晶胞参数 ,1 层高岭
) 2002 ;刘岚等 , 2002, 同时在自然条件下 , 高岭石颗粒平行 石层的厚度约为 0. 737 nm ,那么在 c 轴上的尺度最小应为
() () () 001面上的原子数要多于平行 100、010面上的原子数 , 0. 737 nm 。在 a 、b 轴方向上 ,由于单个晶胞角顶的原子由与
() 在实际应用中 ,平行 001面具有大量的氢键断键可以与其他 其相邻的 8 个晶胞共用 ,每个角顶的原子由与其相邻的 3 个
( 物质发生反应 ,是其具有活性的主要因素 Frost et al . ,2002 , 晶胞共用 ,所以每个角顶只能算 1/ 3 个原子 。对于 1 个独立
) 2003。因此 ,为了抓住主要特征及便于计算 ,本文着重研究 的晶胞来讲 ,其角顶原子的不完整性必然会影响晶胞的稳定
() 高岭石颗粒平行 001面上的表面原子数 。 性 。因此 ,在 a 、b 轴方向上单个晶胞虽然尺度最小 ,但不能
(由高岭石的化学式 、晶胞参数及其体积计算公式 陈敬 算是稳定的 ,为了得到稳定的最小尺度 ,把 1 个晶胞周围的 8
) 中 ,2001: 个晶胞也算进来 ,这样该晶胞角顶的原子就具有一定的完整
2221/ 2性 ,晶胞也就相对稳定 ,所以在 a 、b 轴方向上 ,由 8 个晶胞组 αβγαβγV = abc[ 1 - cos- cos- cos+ 2cos cos cos]
成的平面应该具有一定的稳定性 , 其面积为 a×b×9 = 0 0 分析计算 ,可以得到一系列有关高岭石晶胞及其原子的基本 2 2 0. 514 ×0. 893 ×9 = 4. 131 nm。综上所述 , 可以把面积为 () 数据 :高岭石单晶胞平行 001面的面积为 0. 459 nm; 高岭 2 3 4. 131 nm、厚度为 0. 737 nm 的高岭石颗粒假定为稳定状态 石单晶胞体积为 0. 327 nm;高岭石单晶胞所含原子总数为 3 下最小颗粒 ,其体积为 4. 131 ×0. 737 = 3. 045 nm。按照公 34 ,其中 Al 原子 4 个 ,Si 原子 4 个 ,O 原子 18 个 , H 原子 8 个
() 式径厚比 = 长径值/ 厚度值 = 0. 893 ×3/ 0. 737 ,得到径厚比 () () ( 由化学式与 Z 值而得;高岭石单晶胞平行 001面 c 轴投
约为 3. 635?1 。 ) 影面上有 6 个 O 原子 、6 个羟基即 6 个 O 原子与 6 个 H 原
子 ,共 18 个原子 。
4 高岭石纳米结构参数的计算
2 高岭石颗粒基本形状的确定
根据上述最小颗粒的假定 ,分别选取长度值为 500 nm、
300 nm 、100 nm 、50 nm 、10 nm ,径厚比为 3. 635?1 的高岭石 颗粒高岭石颗粒尺度不同 ,其所含晶胞数 、原子数不同 。同尺
来计算其参数 ,旨在找出高岭石从微米级到纳米级各项 参数的度颗粒的形状不同 ,晶胞的排列方式不同 ,与晶胞 、原子相关
变化规律 。 的基本数据也不同 。为了定量的进行分析比较 ,必须确定高
为了便于计算 ,根据单颗粒总晶胞数 = 单颗粒的体积 ? 岭石纳米颗粒的形状 。
() () 单位晶胞的体积 ,单颗粒平行 001面的晶面 晶胞数 = 单颗 自然界高岭石颗粒通常以假六方片状晶形为主 ,也有少
() () 粒平行 001面的面积 ?单位晶胞平行 001面的面积 ,单颗 () 量呈半自形或他形晶形 。这主要是由于高岭石平行于 001
粒总原子数 = 单位晶胞内原子数 ×单颗粒总晶胞数 ,单颗粒 面方向即 a 、b 轴方向上的原子之间多以共价键 、离子键结
() () 平行 001面总原子数 = 单位晶胞平行 001面原子数 ×单颗 () () 合 ,其键力较强 ,在平行 100或 010面方向即 c 轴方向上以 3 () () 粒平行 001面的晶面 晶胞数 ,表 1 列出了体积为 1 nm的 氢键结合 ,其键力较弱而呈片状 。同时 ,实际应用中通常也需
( ) 高岭石颗粒内所含晶胞数 、原子数和平行 001面的面积为 (要高岭石颗粒保持较好的片状晶形 周国平 ,1991 ;吴志强等 , 2 1nm的高岭石颗粒内所含晶胞数 、原子数 ,表 2 列出了不同 ) 1995 ;宋宝祥 ,1997。因此 ,在研究中可以近似地把高岭石纳 () 尺度的高岭石颗粒平行 001面所含的晶胞数及原子数 。在 米颗粒看作 a 、b 轴发育 、c 轴较短的板状长方体 。由于颗粒
表 1 、2 的基础上 ,表 3 显示了不同尺度高岭石颗粒的各项参 是由晶胞排列组成 ,那么长方体的长和宽的比例应与晶胞 a 、 数 。 b 轴的比例相同 。
5 结果讨论 3 高岭石颗粒最小纳米化尺度探讨
由表 3 分析可知 ,颗粒尺度不同 ,其所含晶胞数 、原子数 无论从晶体化学还是从应用的角度考虑 ,纳米级高岭石
( ) 以及平行 001面所含原子数占总原子数的比例不同 。图 颗粒在 1,100 nm 左右的范围内应有一个最小值 ,低于这个
() 1a 、1b 分别是同一径厚比 3. 635 : 1的高岭石颗粒的长度值 最小值 ,颗粒很可能就不具有高岭石及纳米颗粒的特性 。根
与所含晶胞数 、原子数的关系图 。可以看出 ,随着长度值的增 (据高岭石的晶体结构和纳米粒子所具有的特点 张志 等 ,
大 ,颗粒所含的晶胞数和原子数显著增长 ,并且增长的趋势随 ) 2000 ;张立德等 ,2001,纳米级高岭石颗粒的最小尺度应建立 着长度值的增大而愈加显著 。 () 在其结构不遭到破坏 保持其物理 、化学方面的稳定性的基
图1 c是同一径厚比 、不 同长 度 值 的 高 岭 石 颗 粒 平 行 础上 ,只有这样颗粒才会兼具高岭石以及纳米颗粒的特性 。
第 3 期 韩 炜等 : 纳米级高岭石晶胞数 、原子数和晶面原子数的计算与研究 295
图 1 高岭石颗粒长度值与晶胞数 、原子数及原子数比例的关系图解
Fig. 1 Relationship between granularity of kaolinite and crystal cell number , atomicity and atomicity proportion
表 1 单位体积和平行( 001) 面单位面积的高岭石颗粒内晶胞以及原子数表
Table 1 Crystal cell number and atomicity of unit volume and ( 001) crystal plane area of kaolinite
所含晶胞数/ 个 所含原子数/ 个
3()3. 058 103 . 976 单位体积1nm 2() ()平行001面单位面积1nm 2. 179 74. 074
表 2 不同尺度高岭石颗粒平行( 001) 面的各项参数
Table 2 ( 001) crystal plane parameters of kaolinite corpuscles of different granularities
2() () 长度值/ nm 宽度值/ nm () 平行001面所含晶胞数/ 个 平行001面所含原子数/ 个 平行001面的面积/ nm
500 287. 794 143 897 . 000 313 501 . 089 5 643 019 . 608 300 172. 676 51 802 . 800 112 860 . 131 2 031 482 . 353 100 57. 559 5 755 . 900 12 540 . 087 225 721 . 569 50 28. 779 1 438 . 950 3 134 . 967 56 429 . 412 10 5 . 756 57 . 560 125 . 403 2 257 . 255
表 3 不同尺度高岭石颗粒的各项参数
Table 3 Parameters of kaolinite corpuscles of different granularities () 所含晶胞 所含总 平行001面所含原子数占 长度值 宽度值 厚度值 3体积/ nm 数/ 个 原子数/ 个 总原子数的比例/ % / nm / nm / nm 19 793 259 . 972 500 287. 794 137. 552 60 527 788 . 996 2 058 023 998 . 900 0. 274
4 275 334 . 250 300 172. 676 82. 531 13 073 972 . 138 444 532 154 . 014 0. 457
158 346 . 630 100 57. 559 27. 510 484 223 . 994 16 464 249 . 199 1. 371
19 792 . 985 50 28. 779 13. 755 60 526 . 948 2 057 995 . 395 2. 742
158 . 349 10 5 . 756 2 . 751 484. 232 16 464 . 535 13 . 710
() 001面所含原子数占总原子数的比例关系图 。从图 1c 可 其外部特性相联系 ,如何确定高岭石的最佳纳米化颗粒 ,还需 知 ,对于同一径厚比的高岭石颗粒来说 , 其颗粒越小 , 平行 根据具体情况进行深入的研究 。 () 001面所含原子数占总原子数的比例越大 ,并且有愈加显著
() 的趋势 。表 3 中长度在 10 nm 的高岭石颗粒 ,其平行 001面 References 所含原子数所占的比例最大 ,为13. 710 % ,这与纳米颗粒的 表 面效应原理相一致 。因此 ,对于同一径厚比的纳米级高Chen Jingzhong. 2001 . Modern Crystal Chemistry —Theories and Tech2 岭石 来说 ,其颗粒越小 ,颗粒的表面能就越高 ,表面活性越(nique [ M ] . Beijing : Higher Education Press , 595,596 in Chi2 大 。 ) nese. 通过以上分析计算 ,对纳米级高岭石颗粒的一些表征参 Dai Changlu , Zhong Hongxiang , Pan Jiewen , et al . 1983 . Kaolin [ M ] . 数做了简单的讨论 。如何把高岭石内部结构所包含的信息与
22 卷岩 石 矿 物 学 杂 志 第 296
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附中文参考文献 2 859 . Kelleher B P Sutton D and O’Dwyer T F. 2002 . The effect of kaolinite 陈敬中. 2001 . 现代晶体化学理论与方法[ M ] . 北京 : 高等教育出版 intercalation on the structural arrangements of N- Methylformamide 社 , 595,596 . and 1- Methyl- 2-pyrrolidone [ J ] . Journal of Colloid and Interface 戴长禄 , 钟洪祥 , 潘节文 , 等. 1983 . 高岭土[ M ] . 北京 : 中国建筑工 Science , 255 : 219,224 . 业出版社 , 3,4 . Liu Lan , Luo Yuanfang , Jia Demin. 2002 . Recent advance in polymer/ 刘 岚 , 罗远芳 , 贾德民. 2002 . 聚合物/ 高岭石嵌入纳米复合材料 kaolinite intercalated nanocomposite [ J ] . China Synthetic Rubber () 研究进展[J ] . 合成橡胶工业 , 25 2:190,193 . () () Industry , 25 2: 190,193 in Chinese. 宋宝祥. 1997 . 高岭土在造纸工业中的开发应用及前景[J ] . 非金属 Michal KováA , Tunega D and Nagy L T. 2002 . Theoretical study of in2 矿 , 115 : 13,19 . teractions of dickite and kaolinite with small organic molecules [J ] . () 王 濮 , 潘兆橹 , 翁玲宝 , 等. 1984 . 系统矿物学中册[ M ] . 北京 : ( ) Journal of Molecular Structure Theochem, 581 : 37,49 . 地质出版社 , 380,388 .
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范文四:纳米级堇青石晶胞参数、原子数和晶面原子数计算与研究
江苏陶瓷JiangsuCermics第38卷第4期2005年月VOI.NO.4August2005收稿日期Z2005-06-l前言随着经济的快速增长对材料高性能的要求与日俱增O而纳米材料作为一种新的材料其优越的性能深深地吸引了人们如表面效应小尺寸效应量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等从而使纳米粒子出现了许多不同于常规固体的新异特性而这些新异特性的产生与纳米材料的晶体结构晶体化学性质密不可分lO堇青石由于具有线膨胀系数低抗日鹦院媒榈绯, 徒榈缢鸷男〉刃阅艹,魑 己每谷日鸺暗缱釉 牧媳还惴河τ?如汽车尾气净化装置催化剂载体耐热涂层等O而且当其为纳米结构的时候使这些性能更加优化O本文拟从纳米级堇青石晶胞数原子数和晶面原子数的计算入手欲为堇青石最佳纳米尺度的确定提供一定的理论依据O堇青石的基本性质1.1堇青石的化学组分Mgfe2AI3AISi5l成分中Mg和fe可做完全类质同像代替由于镁能优先进入堇青石晶体结构中故主要是富镁的O铝的含量在堇青石中稍有变化在四面体六方环中代替Si的AI通常AIZSi近似于lZ5O1.2堇青石的晶体结构斜方晶系晶胞参数0l.7ll.707nmb00.900.97nmc00.950.929nmO在堇青石晶体中以硅氧四面体组
O为了补偿在六方环中出现的成的六方环为基本的构造单位环间以AI和Mg连结之
AI代替Si的现象从而对称降低斜方晶系O同时在自然条件下堇青石颗粒平行0l0面上的原子数要多于平行l0000l面上的原子数所以在实际应用中平行0l0面具有易断裂的键而可以与其他物质发生反应这是其具有活性的主要因素O因此为了抓住主要特征及便于计算本文着重研究堇青石颗粒平行0l0面上的表面原子数O1.3堇青石的形态斜方双锥晶类O晶体不常出现有时可见呈假六方的晶体或在岩石中呈似圆形的横断面或呈不规则粒状O1.4堇青石的物理性质3无色透明至半透明玻璃光泽断口呈油脂光泽O解理0l0中等00ll00不完全贝壳状断口O性脆硬度77.5O相对密度2.532.7g/cmO堇青石纳米结构基本参数的计算与分析根据陈敬中教授提出的纳米物质数学参数计算原则和计算方法从计算堇青石纳米结构的一些基本参数入手经过分析比较则找出其规律性O为确定堇青石颗粒的最佳纳米尺度提供了一定的理论依据O2.1堇青石纳米结构参数中研究对象的确定在晶体中晶胞是最基本的单位它包含了整个晶体结构的基本要素O一个晶体可以看成是由无数个晶胞堆砌而成晶胞的性质又与整个晶体的性质有着密切的联系O另外纳米颗粒的表面效应小尺寸效应所产生的特性如高活性高相容性强的光吸收性等与其内部原子表面原子和表面晶胞数目有着直接的关系有时还与其表面晶胞数目存在一定的关系O所以我们把纳米颗粒的表面晶胞数原子纳米级堇青石晶胞参数原子数和晶面原子数计算与研究朱华中国地质大学材料科学与化学工程学院武汉00摘要以矿物晶体结构晶体化学理论为基础a通过对纳米级堇青石颗粒的晶胞数原子数以及平行0l0面的表面原子数的计算a讨论了它们与纳米级堇青石颗粒尺度大小的相关规律a并结合纳米微粒的特性对其进行了简要分析O关键词堇青石9纳米9晶胞9原子9晶面原子数9计算l2数以及表面原子数作为研究的基本参数O在堇青石中由于其结构单元层中平行010面之间的分子键容易断裂同时在自然条件下堇青石颗粒平行010面上的原子数多于平行001100面上的原子并且随着颗粒的变化而发生明显的变化因此为了抓住主要特征便于计算我们主要研究堇青石颗粒平行010面上的表面晶胞数和表面原子数由堇青石的化学式晶胞参数及其体积计算式ZVabc分析计算可以得到一系列有关堇青石晶胞其原子的基本数据:1堇青石单个晶胞平行010面的面积Z1.602nm22堇青石单个晶胞体积各参数取最小值Z1.570nm33堇青石单个晶胞中所含原子个数Z原子总数为29Mg原子或Fe原子2个
MgFeAl原子4个si原子5个原子18个可由化学式得4堇青石单个晶胞平行010面上的原子数由化学式及结合图1可知单个晶胞平行010面有12个原子图1原子在010面上的投影52.2堇青石颗粒基本形状的确定堇青石纳米微粒的尺度不同其所含晶胞数原子数不同同尺度颗粒的形状不同晶胞的排列方式不同与晶胞原子相关的基本数据也不同为了定量地进行分析比较必须确定堇青石纳米颗粒的形状由于堇青石平行于010面方向即c轴方向上的原子之间多为以共价键离子键结合其键力较强难以破坏在平行001或100面方向即b轴方向上键力较弱容易被破坏同时实际应用中通常也需要堇青石最大限度地在分子聚合物中分散成纳米级薄片那么在研究中我们可以近似地把堇青石纳米颗粒看作c轴发育b轴较短长方体由于颗粒是由晶胞排列组成那么长方体的长和宽的比例应与晶胞ac轴的比例相同2.3堇青石颗粒最小纳米化尺度探讨根据堇青石的晶体结构和纳米粒子所具有的特点理论上堇青石具有一最小值纳米级的堇青石必须使其结构不遭到破坏这样颗粒才会兼具蒙脱石和纳米颗粒的特性因此纳米级的堇青石应有一个最小值如果低于这个最小值颗粒就不具有堇青石晶体结构和纳米颗粒的特性堇青石层间以分子键相连其结合力与层内的共价键比较就弱得多层与层之间容易断裂根据堇青石的晶胞参数从b轴方向看一层堇青石应为基本稳定值而一层的厚度约为0.9800.973nm那么在b轴上的最小尺度应为0.980nm在c轴方向上即b轴投影方向上由于单个晶胞角顶的原子与其相邻的八个晶胞共用每个角顶的原子与其相邻的三个晶胞共用所以每个角顶只能算是具有1/3个原子如图2对于一个独立的晶胞来讲其角顶原子的不完整性必然会影响晶胞的稳定性因此在c轴方向上单个晶胞虽然尺度最小但不能算是稳定的为了得到稳定的最小尺度要把一个晶胞周围的八个晶胞也算进来这样此晶胞角顶的原子就具有一定的完整性这个晶胞也就相对稳定所以在c轴方向上由九个晶胞组成的平面应该具有一定的稳定性其面积为0091.713nm0.935nm914.412nm2综上所述可以把面积为14.412nm2厚度为0.980nm的堇青石颗粒假定为稳定状态下的最小颗粒其体积为14.124nm3径厚比约为5.2Z1图2堇青石九个晶胞排列图2.4堇青石纳米结构参数的计算根据上述最小颗粒的假定分别选取长度值为1000nm500nm100nm80nm60nm40nm30nm20nm10nm径厚比为5.2Z1的堇青石颗粒来计算朱华:纳米级堇青石晶胞参数原子数和晶面原子数计算与研究学术研究13表3不同尺度堇青石颗粒的表征参数2.5结果讨论由表1表2和表3分析可知9颗粒尺度的不同9其所含的晶胞数原子数表面晶胞数占总晶胞数的比例和表面原子数占总原子数的比例会有所不同O图3图4分别是同一径厚比5.21的堇青石颗粒的长度值与所含晶胞数原子数的关系图由图中可以看出随着长度值的增大9颗粒所含的晶胞数和原子数显著增加9并且增加的趋势随着长度值的增大而愈加显著图5是同一径厚比521不同长度值的堇青石颗粒平行010面所含原子数所占总原子数的比例关系图由图5可知对于同一径厚比的堇青石颗粒来说9其颗粒越小9平行010面所含原子数所占的比例越大9并且有愈加显著的趋势表3中长度在10nm的堇青石颗粒9其平行010面所含原子数所占的比例最大9为14039这与纳米颗粒的表面效应原理相一致因此对于同一径厚比的纳米堇青石来讲9其颗粒越小9颗粒的表面能就越高9表面活性越大通过以上的分析计算9对堇青石以及纳米堇青石颗粒的一些表征参数做一简要介绍9如何把堇青石内部结构所含的信息与其外部特征相联系9如何确定堇青石的最佳纳米化颗粒9还需要在此基础上根据不同的情况进行更深入具体的研究其参数9旨在找出堇青石从微米级到纳米级各项参数的变化规律为了便于计算9根据单颗粒总
晶胞数单颗粒的体积单位晶胞的体积9单颗粒平行010面的晶面晶胞数单颗粒平行
010面的面积单位晶胞平行010面的面积9单颗粒总原子数单位晶胞内原子数单颗粒
总晶胞数9单颗粒平行001面总原子数单位晶胞平行010面原子数单颗粒平行010面的
晶面晶胞数9表1列出了体积为1nm3的堇青石颗粒内所含晶胞数原子数和平行010面
的面积为1nm2的堇青石颗粒内所含晶胞数原子数9表2列出了不同尺度的堇青石颗
粒平行010面所含的晶胞数及原子数在表1表2的基础上9表3显示了不同尺度堇青石
颗粒在不同厚度条件下的的表征参数表1单位体积和平行010面单位面积的堇青石颗
粒内晶胞以及原子数项目所含晶胞数个所含原子数个单位体积1nm306369184713单
位面积1nm20623149844长度值/nm宽度值/nm平行010面的面积/nm3平行010面所含
晶胞的个数个平行010面所含原子数个
10005458265458260362340104203227206152955002729131364565098502605079680153823710054582654582603623401042032272061529580436660834932866322176666901741193789603274956196497373122437513197942150614021833048733216579544166725435298447230163747849124343263060937828244855376520109165221833041451360416813108824611810545826545826036234010420322720615295表2不同尺度堇
/nm宽度值/nm厚度值/nm体积/nm3所含晶胞青石颗粒平行010面的各项参数长度值
数个所含总原子数个平行010面所含原子数占总原子数的比例
100054582601923076923010496654540668531927819388685500140319739500272913096153846151312081818835664909724235856880280639479100545826192307692310496654546685319278193886855140319739380436661153846153853742871263422883479927006978175399674160327496115384615422672773811444028964418795606923386623214021833076923076967178589074278604338124087587235079934823016374857692307728340967261805036205523494508646773246422010916538461538583973236345348255422155109484701598696410545826192307692104966545466853192781938868551403197393江苏陶瓷JiangsuCeramics2005年8月第38卷第4期14图3堇青石
颗粒长度与所含晶胞数的关系图4堇青石颗粒长度与所含原子数的关系2陈玉清吴皆
正王连星.堇青石的合成及应用.中国陶瓷Jl99205:38433潘兆橹.结晶学及矿物学下册.
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子数的比例关系
ThecalculationofcrystalcellparameteratomamountandAcrystal-planesatomauountinnano-cordieritemateriaIScienceandCheicaIEngineeringnstituteChinaGeoscienceUniversityWuhan430074AbstractBasedoncrystaIstructureandcrystaIcheistrytheorythispaperputsforwardtotheiniudiensionofthenano-cordieritecorpuscIe.ThroughcaIcuIatingthecrystaIceIInuberatoicityandtheexternaIatoicityonthe0l0crystaIpIaneofcordieritegrainsofdifferentgranuIaritiesthepaperaIsodescribestheircharacteristicsandanaIyzestheirreIationshipwiththespecificitiesofthenano-cordieritecorpuscIe.KeywordsCordieritenanoetercrystaIceIIatoexternaIatoicitycaIcuIation朱华:纳米级堇青石晶胞参数原子数和晶面原子数计算与研究学术研究l5
范文五:纳米级高岭石晶胞数_原子数和晶面原子数的计算与研究
第 22卷 第 3期 2003年 9月
岩 石 矿 物 学 杂 志
ACTA PETROLO GICA ET MIN ERALO GICA
Vol. 22, No. 3 Sep. , 2003
文章编号 :10006524(2003) 03029304
纳米级高岭石晶胞数 、 原子数和晶面原子数 的计算与研究
韩 炜 , 陈敬中
(中国地质大学 材料科学与化学工程学院 , 湖北 武汉 430074)
摘 要 :以矿物晶体结构 、 晶体化学理论为基础 , 通过对纳米级高岭石颗粒的晶胞数 、 原子数以及平行 (001) 面的表 面原子数的计算 , 讨论了它们与纳米级高岭石颗粒尺度大小的相关规律 , 并结合纳米微粒的特性对其进行了简要分 析 。
关键词 :高岭土 ; 高岭石 ; 纳米 ; 晶胞 ; 原子
中图分类号 :P578. 964; P573 文献标识码 :A
The calculation of crystal cell , atomicity and
atomicity of
HAN
(Faculty of Material Science and University of G eosciences ,Wuhan 430074,China )
Abstract :Based on theory , this paper puts forward the minimum dimension of the nano-kaolin 2 ite corpuscle. Through the cell number , atomicity and the external atomicity on the (001) crystal plane of kaolinite grains of different , the paper also describes their characteristics , and analyzes their relationship with the specificities of the nano-kaolinite corpuscle.
K ey w ords :kaolin ;kaolinite ;nanometer ;crystal cell ;atom
随着纳米科技的发展 , 纳米物质所表现出来的一些新异 特性深深地吸引了人们 , 如表面效应 、 小尺寸效应 、 量子尺寸 效应以及宏观量子隧道效应等 。 这些新异特性的产生与纳米 材料的晶体结构 、 晶体化学性质密不可分 。高岭土的纳米化 是指使高岭土粉体颗粒或复合材料中的高岭土颗粒粒径达 到 100nm 以下的工艺过程 。 本文拟从纳米级高岭石晶胞数 、 原子数和晶面原子数的计算入手 , 欲为高岭土最佳纳米尺度 的确定提供一定的理论基础 。
高岭土中的主要矿物是高岭土类矿物 , 尤以高岭石最常 见 , 珍珠石 、 迪开石少见 , 其他伴生矿物常见的有 :水铝英石 、 三水铝石 、 硬水铝石等 (戴长禄等 ,1983) 。从晶体结构 、 晶体 化学研究的角度出发 , 高岭石是研究的重点 。高岭石多为隐 晶质致密块状或土状集合体 , 扫描电镜下颗粒呈平行于 (001) 面的假六方片状 、 半自形或他形片状晶体 , 为鳞片状集合体 , 鳞片大小通常为 0. 2~5μm , 厚度 0. 05~2μm (王濮等 , 1984) 。 高岭石的化学组成为 Al 4[Si 4O 10](OH ) 8, 常有少量的 Mg 、 Fe 、 Cr 等代替 Al 。高岭石属于三斜晶系 , 空间群 C 1i P 1, 晶胞参数为 a 0=0. 514nm , b 0=0. 893nm , c 0=0. 737 nm , α=91. 8°, β=104. 5°, γ=90°, Z =1。高岭石是由 1个硅 氧四面体层同 1个 “ 氢氧铝石” 八面体 (铝氧八面体 ) 层靠氢键 连结而成 , 称为高岭石层 , 结构属于 TO 型 (王濮等 ,1984) 。
1 高岭石纳米结构参数中研究对象的确定
在晶体中晶胞被认为是最基本的单位 , 晶胞的性质与整 个晶体的性质有着密切的联系
。另外 , 纳米颗粒的表面效应 及小尺寸效应所产生的特性 (如高活性 、 高相容性 、 强的光吸 收性等 ) 与其内部原子及表面原子有着直接的关系 , 所以把
收稿日期 :20021031; 修订日期 :20030526
作者简介 :韩 炜 (1976) , 男 , 在读博士 , 研究方向为纳米矿物及纳米技术。
纳米颗粒的晶胞数 、 原子数以及表面原子数等参数作为研究 对象 。 高岭石结构单元层中平行 (001) 面之间的氢键在外界 的作用下易被破坏 (Michal K ov áet al . ,2002; K elleher et al . , 2002; 刘岚等 ,2002) , 同时在自然条件下 , 高岭石颗粒平行 (001) 面上的原子数要多于平行 (100) 、 (010) 面上的原子数 , 在实际应用中 , 平行 (001) 面具有大量的氢键断键可以与其他 物质发生反应 , 是其具有活性的主要因素 (Frost et al . ,2002, 2003) 。 因此 , 为了抓住主要特征及便于计算 , 本文着重研究 高岭石颗粒平行 (001) 面上的表面原子数 。
由高岭石的化学式 、 晶胞参数及其体积计算公式 (陈敬 中 ,2001) :
V =abc [1-cos 2α-cos 2β-cos 2γ+2cos αcos βcos γ]1/2
分析计算 , 可以得到一系列有关高岭石晶胞及其原子的基本 数据 :高岭石单晶胞平行 (001) 面的面积为 0. 459nm 2; 高岭 石单晶胞体积为 0. 327nm 3; 高岭石单晶胞所含原子总数为 34, 其中 Al 原子 4个 ,Si 原子 4个 ,O 原子 18个 , H 原子 8个 (由化学式与 Z 值而得 ) ; 高岭石单晶胞平行 (001) 面 (c 轴投 影面 ) 上有 6个 O 原子 、 6个羟基即 6个 O 原子与 6个 H 原 子 , 共 18个原子 。
2 高岭石颗粒基本形状的确定
高岭石颗粒尺度不同 ,
度颗粒的形状不同 , , 原子相关 的基本数据也不同 。 , 必须确定高 岭石纳米颗粒的形状 。
自然界高岭石颗粒通常以假六方片状晶形为主 , 也有少 量呈半自形或他形晶形 。 这主要是由于高岭石平行于 (001) 面方向即 a 、 b 轴方向上的原子之间多以共价键 、 离子键结 合 , 其键力较强 , 在平行 (100) 或 (010) 面方向即 c 轴方向上以 氢键结合 , 其键力较弱而呈片状 。 同时 , 实际应用中通常也需 要高岭石颗粒保持较好的片状晶形 (周国平 ,1991; 吴志强等 , 1995; 宋宝祥 ,1997) 。 因此 , 在研究中可以近似地把高岭石纳 米颗粒看作 a 、 b 轴发育 、 c 轴较短的板状长方体 。由于颗粒 是由晶胞排列组成 , 那么长方体的长和宽的比例应与晶胞 a 、 b 轴的比例相同 。
3 高岭石颗粒最小纳米化尺度探讨
无论从晶体化学还是从应用的角度考虑 , 纳米级高岭石 颗粒在 1~100nm 左右的范围内应有一个最小值 , 低于这个 最小值 , 颗粒很可能就不具有高岭石及纳米颗粒的特性 。根 据高岭石的晶体结构和纳米粒子所具有的特点 (张志 等 , 2000; 张立德等 ,2001) , 纳米级高岭石颗粒的最小尺度应建立 在其结构不遭到破坏 (保持其物理 、 化学方面的稳定性 ) 的基 础上 , 只有这样颗粒才会兼具高岭石以及纳米颗粒的特性 。
高岭石层间以氢键相连 , 其结合力较层内共价键的结合 力弱 , 层与层之间容易裂开 。因此 , 从 c 轴方向上来看 ,1层 高岭石层应该最为稳定 。参考高岭石的晶胞参数 ,1层高岭 石层的厚度约为 0. 737nm , 那么在 c 轴上的尺度最小应为 0. 737nm 。 在 a 、 b 轴方向上 , 由于单个晶胞角顶的原子由与 其相邻的 8个晶胞共用 , 每个角顶的原子由与其相邻的 3个 晶胞共用 , 所以每个角顶只能算 1/3个原子 。对于 1个独立 的晶胞来讲 , 其角顶原子的不完整性必然会影响晶胞的稳定 性 。 因此 , 在 a 、 b 轴方向上单个晶胞虽然尺度最小 , 但不能 算是稳定的 , 为了得到稳定的最小尺度 , 把 1个晶胞周围的 8个晶胞也算进来 , 这样该晶胞角顶的原子就具有一定的完整 性 , 晶胞也就相对稳定 , 所以在 a 、 b 轴方向上 , 由 8个晶胞组 成的平面应该具有一定的稳定性 , 其面积为 a 0×b 0×9= 0. 514×0. 893×9=4. 131nm 2。综上所述 , 可以把面积为 4. 131nm 2、 厚度为 0. 737nm 的高岭石颗粒假定为稳定状态 下最小颗粒 , 其体积为 4. 131×0. 737=3. 045nm 3。按照公 式径厚比 =长径值 /厚度值 =(0. 893×3) /0. 737, 得到径厚比 约为 3. 635∶ 1。
4
, 分别选取长度值为 500nm 、 300nm 、 100nm 、 50nm 、 10nm , 径厚比为 3. 635∶ 1的高岭石 颗粒来计算其参数 , 旨在找出高岭石从微米级到纳米级各项 参数的变化规律 。
为了便于计算 , 根据单颗粒总晶胞数 =单颗粒的体积 ÷单位晶胞的体积 , 单颗粒平行 (001) 面的晶面 (晶胞 ) 数 =单颗 粒平行 (001) 面的面积 ÷单位晶胞平行 (001) 面的面积 , 单颗 粒总原子数 =单位晶胞内原子数 ×单颗粒总晶胞数 , 单颗粒 平行 (001) 面总原子数 =单位晶胞平行 (001) 面原子数 ×单颗 粒平行 (001) 面的晶面 (晶胞 ) 数 , 表 1列出了体积为 1nm 3的 高岭石颗粒内所含晶胞数 、 原子数和平行 (001) 面的面积为 1nm 2的高岭石颗粒内所含晶胞数 、 原子数 , 表 2列出了不同 尺度的高岭石颗粒平行 (001) 面所含的晶胞数及原子数 。在 表 1、 2的基础上 , 表 3显示了不同尺度高岭石颗粒的各项参 数 。
5 结果讨论
由表 3分析可知 , 颗粒尺度不同 , 其所含晶胞数 、 原子数 以及平行 (001) 面所含原子数占总原子数的比例不同 。图 1a 、 1b 分别是同一径厚比 (3. 635:1) 的高岭石颗粒的长度值 与所含晶胞数 、 原子数的关系图 。 可以看出 , 随着长度值的增 大 , 颗粒所含的晶胞数和原子数显著增长 , 并且增长的趋势随 着长度值的增大而愈加显著 。
图 1c 是 同 一 径 厚 比 、 不 同 长 度 值 的 高 岭 石 颗 粒 平 行
492 岩 石 矿 物 学 杂 志 第 22
卷
图 1高岭石颗粒长度值与晶胞数 、 原子数及原子数比例的关系图解
Fig. 1 Relationship between granularity of kaolinite and crystal cell number , atomicity and atomicity proportion
表 1 单位体积和平行 (001) 面单位面积的高岭石颗粒内晶胞以及原子数表
T able 1 C rystal cell number and atomicity of unit volume and (001) crystal plane area of kaolinite
所含晶胞数 /个 所含原子数 /个
单位体积 (1nm 3) 3. 058103. 976
平行 (001) 面单位面积 (1nm 2) 2. 17974. 074
表 2 001)
T able 2 (001) crystal plane parameters of granularities
长度值 /nm 宽度值 /nm 平行 (001) /nm 2(001) 面所含晶胞数 /个 平行 (001) 面所含原子数 /个
500287. 794313501. 0895643019. 608
300172. 800112860. 1312031482. 353
10057. 5755. 90012540. 087225721. 569
5028. 1438. 9503134. 96756429. 412
105. 75657. 560125. 4032257. 255
表 3 不同尺度高岭石颗粒的各项参数
T able 3 P arameters of kaolinite corpuscles of different granularities
长度值 宽度值 厚度值
体积 /nm 3 所含晶胞
数 /个
所含总
原子数 /个
平行 (001) 面所含原子数占 总原子数的比例 /%
500287. 794137. 55219793259. 97260527788. 9962058023998. 9000. 274 300172. 67682. 5314275334. 25013073972. 138444532154. 0140. 457 10057. 55927. 510158346. 630484223. 99416464249. 1991. 371 5028. 77913. 75519792. 98560526. 9482057995. 3952. 742 105. 7562. 751158. 349484. 23216464. 53513. 710
(001) 面所含原子数占总原子数的比例关系图 。从图 1c 可 知 , 对于同一径厚比的高岭石颗粒来说 , 其颗粒越小 , 平行 (001) 面所含原子数占总原子数的比例越大 , 并且有愈加显著 的趋势 。 表 3中长度在 10nm 的高岭石颗粒 , 其平行 (001) 面 所含原子数所占的比例最大 , 为 13. 710%, 这与纳米颗粒的表 面效应原理相一致 。 因此 , 对于同一径厚比的纳米级高岭石 来说 , 其颗粒越小 , 颗粒的表面能就越高 , 表面活性越大 。 通过以上分析计算 , 对纳米级高岭石颗粒的一些表征参 数做了简单的讨论 。 如何把高岭石内部结构所包含的信息与
其外部特性相联系 , 如何确定高岭石的最佳纳米化颗粒 , 还需 根据具体情况进行深入的研究 。
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第 3期 韩 炜等 :纳米级高岭石晶胞数 、 原子数和晶面原子数的计算与研究
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692 岩 石 矿 物 学 杂 志 第 22
卷
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