Question

1963年在格陵蘭Ika峽灣發(fā)現(xiàn)一種水合碳酸鈣礦物ikaite。它形成于冷的海水中，溫度達(dá)到8^oC即分解為方解石和水。1994年的文獻(xiàn)指出：該礦物晶體中的Ca²⁺ 離子被氧原子包圍，其中2個氧原子來自同一個碳酸根離子，其余6個氧原子來自6個水分子。它的單斜晶胞的參數(shù)為：a = 887 pm, b = 823 pm, c = 1102 pm, β = 110.2°，密度d = 1.83 g cm^-3，Z = 4。

⑴ 通過計算得出這種晶體的化學(xué)式。                                    

⑵ 研究了這種晶體在加壓下受熱膨脹體積增大的情形，并與冰及鈣離子配位數(shù)也是8的二水合石膏晶體(gypsum)作了對比，結(jié)果如下圖所示（縱坐標(biāo)為相對體積）：

為什么選取冰和二水合石膏作對比？實驗結(jié)果說明什么？ 

⑶ 這種晶體屬于哪種類型的晶體？簡述理由。

Answer 1

⑴ikaite晶胞體積：

V = abc sinβ = (8.87 ?? 8.23 ?? 11.02 ?? 10^-24 cm³) ?? sin110.2° = 7.55 ?? 10^-22 cm³

設(shè)晶胞中含有n個水分子，晶胞的質(zhì)量：m = 4 ?? (100 + 18 n) / N_A  (g)

晶體密度：d = m/V = 4 ?? (100 + 18 n) / ( 6.02 ?? 10²³ ?? 7.55 ?? 10^-22)（g cm^-3）= 1.83 g cm^-3

 100 + 18 n = 208     n = 6

該晶體的化學(xué)式為 CaCO₃ × 6H₂O

⑵Ikaite在冷水中形成，而且含有大量結(jié)晶水，分解溫度又接近冰的熔點，可能與冰的結(jié)構(gòu)有相似性，故選取冰作參比物；

石膏是帶結(jié)晶水的鈣的含氧酸鹽，而且鈣的配位數(shù)也是8，可能與ikaite結(jié)構(gòu)相似，故選取石膏作參比物。

實驗結(jié)果說明ikaite的結(jié)構(gòu)跟冰相似。

⑶分子晶體。

晶體分解溫度接近冰的熔點，體積隨溫度的變化趨勢也接近冰，可認(rèn)為晶體中的化學(xué)微粒是CaCO₃ × 6H₂O，它們以分子間作用力（氫鍵和范德華力）構(gòu)成晶體。

解析:

⑴根據(jù)題意，設(shè)ikaite的化學(xué)式為CaCO₃·nH₂O，利用公式（其中，ρ=abcsinβ），求得摩爾質(zhì)量M，進(jìn)而求得n。

⑵題中之所以選擇這兩種物質(zhì)作類比，是想了解ikaite的結(jié)構(gòu)，因此組成、性質(zhì)等相似性是類比的基礎(chǔ)。從圖象上看，由于冰與ikaite體積－溫度變化曲線最接近，所以冰與ikaite結(jié)構(gòu)最相似。

⑶從⑵問中可知，該晶體與冰晶體結(jié)構(gòu)最接近，所以晶體類型相同，即同為分子晶體。