(5分)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8oC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。
(1) 通过计算得出这种晶体的化学式。
(2) 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?
(3) 这种晶体属于哪种类型的晶体?简述理由。
(1) ikaite晶胞体积:
V = abc sinβ = (8.87 ´ 8.23 ´ 11.02 ´ 10-24 cm3) ´ sin110.2° = 7.55 ´ 10-22 cm3 (0.5分)
设晶胞中含有n个水分子,晶胞的质量:m = 4 ´ (100 + 18 n) / NA (g) (0.5分)
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 (0.5分)
该晶体的化学式为 CaCO3 × 6H2O (0.5分)
算出6个水分子,未写化学式,得1.5分。
(2) Ikaite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; (0.5分)
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。 (0.5分)
实验结果说明ikaite的结构跟冰相似。 (1分)
实验结果,说明含水的摩尔分数越大膨胀越大, 可以得0.5分。
(3) 分子晶体。 (0.5分)
答混合型晶体不得分。
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。(0.5分)
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