晶體的缺陷美

馬春燕

摘要： 缺陷本是不足，是遺憾，但正是由于缺陷的存在，才有了能導(dǎo)電的固體電解質(zhì)、半導(dǎo)體材料和優(yōu)良性能的合金材料。本文通過晶體缺陷美的展示，讓學(xué)生體會(huì)化學(xué)的美，從而激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

關(guān)鍵詞： 晶體缺陷固體電解質(zhì)半導(dǎo)體材料摻雜合金

美，讓人感覺賞心悅目，美，讓人感覺興趣盎然。美的事物總是讓人更易去接受，更愿去接近?；瘜W(xué)中的美無處不在，化學(xué)史的美，化學(xué)儀器的美，形形色色物質(zhì)的結(jié)構(gòu)美……

興趣是最好的老師，因此，在化學(xué)教學(xué)中，老師如何更多地去發(fā)現(xiàn)美，如何引導(dǎo)學(xué)生更好地去感受美，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)興趣的培養(yǎng)有著重要的意義。在晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)中，教師更多的是讓學(xué)生感受晶體的完美，完美的晶體確實(shí)讓人心儀，但實(shí)際的物質(zhì)在結(jié)成晶體時(shí)往往都有美中不足的地方，實(shí)際的晶體總是存在著這樣或那樣的缺陷。那么，晶體的缺陷是如何形成的呢？缺陷就是不完美，又如何去挖掘晶體的缺陷美呢？

一、晶體的缺陷

晶體的缺陷有點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷，點(diǎn)缺陷有填隙缺陷、雜質(zhì)原子、空位等情況。例如：

試題1：已知一種鐵的氧化物FeO（富氧體）為氯化鈉型晶體。由于晶體存在缺陷，x＜1，測(cè)得其密度為5.71g?cm，測(cè)得其晶胞邊長(zhǎng)為4.28×10m。

（1）FeO晶體中x＝（保留2位有效數(shù)字）。

（2）FeO中Fe和Fe個(gè)數(shù)比為。

試題點(diǎn)評(píng)：對(duì)于氯化鈉型的FeO晶體，F(xiàn)e與O的個(gè)數(shù)之比為1∶1，當(dāng)晶體中的部分Fe因氧化而生成Fe時(shí)，造成正電荷的增多，在保證負(fù)電荷總數(shù)不變的情況下，根據(jù)電荷守恒，晶體中鐵離子的總數(shù)將減少，使得化學(xué)式FeO中的x＜1。根據(jù)晶體的密度和晶胞邊長(zhǎng)，可列示：

5.71g?cm=，得M＝67.38g?mol，所以，x＝（67.38–16）/55.84＝0.92。

根據(jù)電荷守恒，當(dāng)晶體中每2個(gè)Fe被氧化生成Fe時(shí)，晶體中將產(chǎn)生一個(gè)空位，因此，晶體中Fe與空位數(shù)之比為2∶1，在1mol FeO晶體中，空位的物質(zhì)的量為（1－0.92）mol＝0.08mol，F(xiàn)e數(shù)為0.08mol×2＝0.16mol，F(xiàn)e數(shù)為0.92mol－0.16mol＝0.76mol，晶體中Fe和Fe的個(gè)數(shù)之比為0.76∶0.16＝19∶4。

二、晶體的缺陷美

晶體有缺陷，但若能善加利用，缺陷的晶體就能散發(fā)它的缺陷美。如能導(dǎo)電的固體電解質(zhì)、半導(dǎo)體材料和特殊性能合金等，都是晶體缺陷的具體應(yīng)用。

1.能導(dǎo)電的固體電解質(zhì)

由于晶體中空位缺陷的存在，對(duì)不同晶體的導(dǎo)電率產(chǎn)生了各異的影響。因在電場(chǎng)的作用下，離子會(huì)通過空位而移動(dòng)，從而提高了離子晶體的電導(dǎo)率。例如：

試題2：設(shè)計(jì)出燃料電池使汽油氧化直接產(chǎn)生電流是世紀(jì)富有挑戰(zhàn)性的課題之一。最近有人制造了一種燃料電池，一個(gè)電極通入空氣，另一電極通入汽油蒸氣，電池的電解質(zhì)是摻雜了YO的ZrO晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)O離子。以丁烷代表汽油，這個(gè)電池放電時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：2CH＋13O=8CO＋10HO?；卮鹑缦聠栴}。

（1）這個(gè)電池的正極反應(yīng)是，負(fù)極反應(yīng)是，固體電解質(zhì)里的O離子的移動(dòng)方向是。

（2）人們追求燃料電池氧化汽油而不在內(nèi)燃機(jī)里燃燒汽油產(chǎn)生動(dòng)力的主要原因是：。

（3）汽油燃料電池最大的障礙是氧化反應(yīng)不完全產(chǎn)生堵塞電極的氣體通道，有人估計(jì)，完全避免這種副反應(yīng)至少還需10年時(shí)間，正是新一代化學(xué)家的歷史使命。

試題點(diǎn)評(píng)：由于ZrO晶體中部分＋4價(jià)Zr被＋3價(jià)Y替換，根據(jù)電荷守恒，O離子將產(chǎn)生缺位，在電場(chǎng)的作用下，O離子會(huì)通過空位而移動(dòng)，從而導(dǎo)致了晶體的導(dǎo)電性。

由于晶體的導(dǎo)電是O離子的定向移動(dòng)造成的，因此該電池的正極反應(yīng)為：13O＋52e=26O，負(fù)極反應(yīng)為：2CH＋26O－52e=8CO＋10HO。電池正極產(chǎn)生O，負(fù)極消耗O離子，故電解質(zhì)里的O離子應(yīng)向負(fù)極移動(dòng)。

由于汽油在內(nèi)燃機(jī)里燃燒時(shí)能量利用率低，利用率只有10%左右，而當(dāng)設(shè)計(jì)成燃料電池后，能量的利用率大致在30%左右，可大大提高汽油氧化時(shí)的能量利用率。但由于汽油不完全燃燒將產(chǎn)生碳，能堵塞電極的氣體通道，這是汽油燃料電池的最大障礙。

2.摻雜制半導(dǎo)體材料

雜質(zhì)對(duì)于晶體，特別是半導(dǎo)體材料電學(xué)性質(zhì)的影響是十分顯著的。如10億個(gè)正常粒子中有6個(gè)雜質(zhì)粒子存在就足以使半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著的變化。因此，許多半導(dǎo)體原料（如硅、鍺等，本身由于自由移動(dòng)的電子很少，幾乎不導(dǎo)電）在制成器件前都要摻雜，控制摻雜元素的種類和濃度，即可得到不同類型的、電阻率氛圍各異的半導(dǎo)體材料。例如：

試題3：在鍺（或硅）材料的一端摻入少量某主族元素的單質(zhì)，就變?yōu)镻型（缺電子型或空穴型）半導(dǎo)體，另一端摻入少量另一主族元素的單質(zhì)，就變成N型（電子型）半導(dǎo)體。在P型和N型半導(dǎo)體的交界面就形成PN結(jié)，在外接電場(chǎng)的作用下，電子就會(huì)產(chǎn)生定向的移動(dòng)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件（如二極管、三極管等）的基礎(chǔ)。試回答下列問題：

（1）P型半導(dǎo)體摻入的是族元素的單質(zhì)，N型半導(dǎo)體摻入的是族元素的單質(zhì)。

（2）PN結(jié)具的特性，這也是由其構(gòu)成的半導(dǎo)體器件的主要工作機(jī)理。

試題點(diǎn)評(píng)：鍺（或硅）是ⅣA族元素的單質(zhì)，當(dāng)摻入ⅢA族元素的單質(zhì)成鍵后，得到物質(zhì)還缺少一個(gè)電子（成為8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)），產(chǎn)生缺電子的空穴，即為P型半導(dǎo)體；當(dāng)摻入ⅤA族元素的單質(zhì)成鍵后，得到物質(zhì)就多出一個(gè)電子，產(chǎn)生多電子的電子型半導(dǎo)體，即為N型半導(dǎo)體。

在外接電場(chǎng)的作用下，N型半導(dǎo)體中的電子就會(huì)流向P型半導(dǎo)體，填充該半導(dǎo)體中的空穴，因此，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，電子?yīng)從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體，即電流從P型半導(dǎo)體到N型半導(dǎo)體應(yīng)為導(dǎo)通。

3.摻雜制合金

合金分為金屬固溶體和金屬化合物兩種。金屬固溶體有置換式和填隙式兩種類型。置換式固溶體是溶劑金屬中的部分位置被另一種金屬原子所置換而形成的。置換式固溶體要求兩種金屬都具有相同的晶體結(jié)構(gòu)類型，它們的價(jià)數(shù)也要相近，或在周期表中處于鄰近的位置。例如：

試題4：金屬鈉的重要用途之一是制Na、K合金。Na和K的合金（K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%—80%）在室溫下呈態(tài)（填“固”、“液”或“氣”），常用作的導(dǎo)熱劑。

試題點(diǎn)評(píng)：金屬Na和金屬K具有相同的晶體類型，Na、K可形成合金。在金屬Na中摻入金屬K時(shí)，可以看作是K部分置換了Na的位置，晶體類型不變，但由于K半徑大于Na半徑，使形成的金屬鍵減弱，熔點(diǎn)降低，Na、K合金常溫下呈液態(tài)，常用作原子反應(yīng)堆的導(dǎo)熱劑。

填隙式固溶體一般是由H、B、C、N等原子半徑較小的非金屬元素的原子滲入過渡金屬晶體結(jié)構(gòu)的間隙而形成的。其組成可在一定范圍內(nèi)變動(dòng)。鋼鐵就是最典型最常見的填隙式固溶體。填隙式固溶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，較小的非金屬原子填入金屬晶體的間隙中，基本不改變金屬晶體的結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)，金屬原子在相互形成金屬鍵的基礎(chǔ)上，還可以與非金屬原子形成部分共價(jià)性的鍵。因此，填隙式固溶體一般既具有導(dǎo)電性和金屬光澤等金屬特性，又具有與純金屬比較硬度大、熔點(diǎn)高等特性。因此，一些填隙式固溶體在火箭材料、高級(jí)磨料和高速切割等方面有重要的應(yīng)用。例如：

試題5：2001年美國(guó)東部時(shí)間9月11日8點(diǎn)48分，一架飛機(jī)撞到了紐約世界貿(mào)易中心大樓，飛機(jī)“撕開”了大廈，在大約距地面20層造成滾滾濃煙。18分鐘后，又有一架飛機(jī)撞上了世貿(mào)大樓。這架飛機(jī)是從大樓的一側(cè)撞入，由另一側(cè)穿出，并引起巨大爆炸。爆炸后的大火使大樓建筑鋼筋變軟，導(dǎo)致大樓坍塌。建筑鋼筋通常采用碳素鋼，與熟鐵相比，碳素鋼的硬度（填“較大”、“較小”或“相同”）、熔點(diǎn)（填“較高”、“較低”或“相同”）。

試題點(diǎn)評(píng)：碳素鋼中Fe原子在相互形成金屬鍵的基礎(chǔ)上，還可以與C原子形成部分共價(jià)性的鍵。因此，碳素鋼與熟鐵相比，硬度較大，熔點(diǎn)較高。

試題6：下列有關(guān)純鐵的描述正確的是（）

A．熔點(diǎn)比生鐵的低

B．與相同濃度的鹽酸反應(yīng)生成氫氣的速率比生鐵的快

C．在潮濕空氣中比生鐵容易被腐蝕

D．在冷的濃硫酸中可鈍化

試題點(diǎn)評(píng)：金屬原子在相互形成金屬鍵的基礎(chǔ)上，還可以與非金屬原子形成部分共價(jià)性的鍵。因此，填隙式固溶體表現(xiàn)為硬度較大，熔點(diǎn)較高。但隨著非金屬原子的增多，在一定程度上減弱了金屬原子之間的作用力，使合金熔點(diǎn)降低，故生鐵（含碳量高）熔點(diǎn)比純鐵低；由于生鐵中Fe、C和鹽酸構(gòu)成原電池，可加速Fe的腐蝕，故與相同濃度的鹽酸反應(yīng)生成H2的速率生鐵比純鐵快；在潮濕的空氣中生鐵表現(xiàn)為比純鐵更容易被腐蝕。

完美是相對(duì)的，缺陷才是絕對(duì)的。在學(xué)生感受實(shí)際晶體的缺陷及晶體缺陷所散發(fā)的美時(shí)，一方面，可大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，另一方面，讓學(xué)生明白，缺陷并不都代表失敗，只要我們善于分析缺陷，善加利用缺陷，缺陷也能散發(fā)出金子般的光芒。