Question

1963年在格陵兰Ika峡湾发现一种水合碳酸钙矿物ikaite。它形成于冷的海水中，温度达到8^oC即分解为方解石和水。1994年的文献指出：该矿物晶体中的Ca²⁺ 离子被氧原子包围，其中2个氧原子来自同一个碳酸根离子，其余6个氧原子来自6个水分子。它的单斜晶胞的参数为：a = 887 pm, b = 823 pm, c = 1102 pm, β = 110.2°，密度d = 1.83 g cm^-3，Z = 4。

⑴ 通过计算得出这种晶体的化学式。                                    

⑵ 研究了这种晶体在加压下受热膨胀体积增大的情形，并与冰及钙离子配位数也是8的二水合石膏晶体(gypsum)作了对比，结果如下图所示（纵坐标为相对体积）：

为什么选取冰和二水合石膏作对比？实验结果说明什么？ 

⑶ 这种晶体属于哪种类型的晶体？简述理由。

Answer 1

⑴ikaite晶胞体积：

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

设晶胞中含有n个水分子，晶胞的质量：m = 4 ?? (100 + 18 n) / N_A  (g)

晶体密度：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

该晶体的化学式为 CaCO₃ × 6H₂O

⑵Ikaite在冷水中形成，而且含有大量结晶水，分解温度又接近冰的熔点，可能与冰的结构有相似性，故选取冰作参比物；

石膏是带结晶水的钙的含氧酸盐，而且钙的配位数也是8，可能与ikaite结构相似，故选取石膏作参比物。

实验结果说明ikaite的结构跟冰相似。

⑶分子晶体。

晶体分解温度接近冰的熔点，体积随温度的变化趋势也接近冰，可认为晶体中的化学微粒是CaCO₃ × 6H₂O，它们以分子间作用力（氢键和范德华力）构成晶体。

解析:

⑴根据题意，设ikaite的化学式为CaCO₃·nH₂O，利用公式（其中，ρ=abcsinβ），求得摩尔质量M，进而求得n。

⑵题中之所以选择这两种物质作类比，是想了解ikaite的结构，因此组成、性质等相似性是类比的基础。从图象上看，由于冰与ikaite体积－温度变化曲线最接近，所以冰与ikaite结构最相似。

⑶从⑵问中可知，该晶体与冰晶体结构最接近，所以晶体类型相同，即同为分子晶体。