2013年7月25日 星期四

金屬結構與化學鍵(二)

化學原理啟迪406
John Lawrence Sullivan Men Spring/Summer 2014 
1.     【例題】銀晶體的結構是立方最密堆積。銀原子的半徑是1.44Å(144pm)。計算銀固體的密度。
2.     【解題】密度的定義是每單位體積的質量。因此我們必須知道每單位銀晶格的體積與晶格內有多少顆原子。銀晶體的構造是立方最密堆積,每單位晶格為面心立方體。
3.     在立方最密堆積結構,原子沿著晶格的每一面的對角線排列,而非沿著晶格邊線排列。因此,對角線的長度是r+2r+r,或4r;r代表銀原子的半徑。
4.     接著,我們要用畢氏定理找出立方晶格的邊長e:
e+e=(4r)2
2e2=16 r2
e2=8r2
e=√8 r2=r√8
因為銀原子的半徑r=1.44 Å,所以晶格邊長e是
e=(1.44 Å)( √8)=4.07 Å
單位晶格的體積是e3,(4.07 Å) 3或67.4 Å3;將單位Å轉換成立方公分
67.4 Å 3×(1.00×10-8cm/ Å) 3=6.74×10-23 cm3
因為面心立方體的每單位晶格有4個原子,也就是說,在6.74×10-23cm3的體積裡,有4個銀原子
密度Density=質量mass/體積volume
=(4 atoms)(107.9g/mol)(1mol/6.022×1023atoms)/6.74×10-23cm3
=10.6g/cm3
5.     最密堆積是同類原子最有效利用空間的排列方式,這些球型原子佔晶格體積的比例,計算方式如下:
fv=(volume occupied by spheres in the unit cell)÷(volum of the unit cell)
原子們的體積佔晶格總體積的比例=每單位晶格內球型原子的體積÷每單位晶格的體積
6.     在立方最密堆積,每單位晶格的構造是面心立方晶格,每個晶格內共有4顆原子,所以每單位晶格的原子體積是:
4×4/3πr3
7.     在上述的例題,銀晶體的單位晶格邊長e與銀原子半徑r的比例是:
e=r√8
8.     單位晶格的體積是e3:
e3=(r√8)3
9.     原子們的體積佔據單位晶格的比例是:
fv={4×(4/3πr3)}÷(r√8)3=0.740
10. 計算出來的結果是,立方最密堆積固體有74.0%的空間為原子所佔據,另外26.0%是開放空間。這個結果同樣適用於六方緊密堆積結構。相較之下,簡單立方堆積的原子密度較低,只佔晶格52.4%的空間。
注:簡單立方堆積結構,每一層的每個原子,都剛好在另一層的每個原子的頂端。
翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》;圖片來源/Oocities.org

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