晶体的缺陷美

马春燕

摘要： 缺陷本是不足，是遗憾，但正是由于缺陷的存在，才有了能导电的固体电解质、半导体材料和优良性能的合金材料。本文通过晶体缺陷美的展示，让学生体会化学的美，从而激发学习化学的兴趣。

关键词： 晶体缺陷固体电解质半导体材料掺杂合金

美，让人感觉赏心悦目，美，让人感觉兴趣盎然。美的事物总是让人更易去接受，更愿去接近。化学中的美无处不在，化学史的美，化学仪器的美，形形色色物质的结构美……

兴趣是最好的老师，因此，在化学教学中，老师如何更多地去发现美，如何引导学生更好地去感受美，对学生学习化学兴趣的培养有着重要的意义。在晶体结构的教学中，教师更多的是让学生感受晶体的完美，完美的晶体确实让人心仪，但实际的物质在结成晶体时往往都有美中不足的地方，实际的晶体总是存在着这样或那样的缺陷。那么，晶体的缺陷是如何形成的呢？缺陷就是不完美，又如何去挖掘晶体的缺陷美呢？

一、晶体的缺陷

晶体的缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷，点缺陷有填隙缺陷、杂质原子、空位等情况。例如：

试题1：已知一种铁的氧化物FeO（富氧体）为氯化钠型晶体。由于晶体存在缺陷，x＜1，测得其密度为5.71g?cm，测得其晶胞边长为4.28×10m。

（1）FeO晶体中x＝（保留2位有效数字）。

（2）FeO中Fe和Fe个数比为。

试题点评：对于氯化钠型的FeO晶体，Fe与O的个数之比为1∶1，当晶体中的部分Fe因氧化而生成Fe时，造成正电荷的增多，在保证负电荷总数不变的情况下，根据电荷守恒，晶体中铁离子的总数将减少，使得化学式FeO中的x＜1。根据晶体的密度和晶胞边长，可列示：

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

根据电荷守恒，当晶体中每2个Fe被氧化生成Fe时，晶体中将产生一个空位，因此，晶体中Fe与空位数之比为2∶1，在1mol FeO晶体中，空位的物质的量为（1－0.92）mol＝0.08mol，Fe数为0.08mol×2＝0.16mol，Fe数为0.92mol－0.16mol＝0.76mol，晶体中Fe和Fe的个数之比为0.76∶0.16＝19∶4。

二、晶体的缺陷美

晶体有缺陷，但若能善加利用，缺陷的晶体就能散发它的缺陷美。如能导电的固体电解质、半导体材料和特殊性能合金等，都是晶体缺陷的具体应用。

1.能导电的固体电解质

由于晶体中空位缺陷的存在，对不同晶体的导电率产生了各异的影响。因在电场的作用下，离子会通过空位而移动，从而提高了离子晶体的电导率。例如：

试题2：设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是世纪富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一电极通入汽油蒸气，电池的电解质是掺杂了YO的ZrO晶体，它在高温下能传导O离子。以丁烷代表汽油，这个电池放电时发生的化学反应为：2CH＋13O=8CO＋10HO。回答如下问题。

（1）这个电池的正极反应是，负极反应是，固体电解质里的O离子的移动方向是。

（2）人们追求燃料电池氧化汽油而不在内燃机里燃烧汽油产生动力的主要原因是：。

（3）汽油燃料电池最大的障碍是氧化反应不完全产生堵塞电极的气体通道，有人估计，完全避免这种副反应至少还需10年时间，正是新一代化学家的历史使命。

试题点评：由于ZrO晶体中部分＋4价Zr被＋3价Y替换，根据电荷守恒，O离子将产生缺位，在电场的作用下，O离子会通过空位而移动，从而导致了晶体的导电性。

由于晶体的导电是O离子的定向移动造成的，因此该电池的正极反应为：13O＋52e=26O，负极反应为：2CH＋26O－52e=8CO＋10HO。电池正极产生O，负极消耗O离子，故电解质里的O离子应向负极移动。

由于汽油在内燃机里燃烧时能量利用率低，利用率只有10%左右，而当设计成燃料电池后，能量的利用率大致在30%左右，可大大提高汽油氧化时的能量利用率。但由于汽油不完全燃烧将产生碳，能堵塞电极的气体通道，这是汽油燃料电池的最大障碍。

2.掺杂制半导体材料

杂质对于晶体，特别是半导体材料电学性质的影响是十分显著的。如10亿个正常粒子中有6个杂质粒子存在就足以使半导体的电学性质发生显著的变化。因此，许多半导体原料（如硅、锗等，本身由于自由移动的电子很少，几乎不导电）在制成器件前都要掺杂，控制掺杂元素的种类和浓度，即可得到不同类型的、电阻率氛围各异的半导体材料。例如：

试题3：在锗（或硅）材料的一端掺入少量某主族元素的单质，就变为P型（缺电子型或空穴型）半导体，另一端掺入少量另一主族元素的单质，就变成N型（电子型）半导体。在P型和N型半导体的交界面就形成PN结，在外接电场的作用下，电子就会产生定向的移动。PN结是构成各种半导体器件（如二极管、三极管等）的基础。试回答下列问题：

（1）P型半导体掺入的是族元素的单质，N型半导体掺入的是族元素的单质。

（2）PN结具的特性，这也是由其构成的半导体器件的主要工作机理。

试题点评：锗（或硅）是ⅣA族元素的单质，当掺入ⅢA族元素的单质成键后，得到物质还缺少一个电子（成为8电子稳定结构），产生缺电子的空穴，即为P型半导体；当掺入ⅤA族元素的单质成键后，得到物质就多出一个电子，产生多电子的电子型半导体，即为N型半导体。

在外接电场的作用下，N型半导体中的电子就会流向P型半导体，填充该半导体中的空穴，因此，PN结具有单向导电性，电子应从N型半导体流向P型半导体，即电流从P型半导体到N型半导体应为导通。

3.掺杂制合金

合金分为金属固溶体和金属化合物两种。金属固溶体有置换式和填隙式两种类型。置换式固溶体是溶剂金属中的部分位置被另一种金属原子所置换而形成的。置换式固溶体要求两种金属都具有相同的晶体结构类型，它们的价数也要相近，或在周期表中处于邻近的位置。例如：

试题4：金属钠的重要用途之一是制Na、K合金。Na和K的合金（K的质量分数为50%—80%）在室温下呈态（填“固”、“液”或“气”），常用作的导热剂。

试题点评：金属Na和金属K具有相同的晶体类型，Na、K可形成合金。在金属Na中掺入金属K时，可以看作是K部分置换了Na的位置，晶体类型不变，但由于K半径大于Na半径，使形成的金属键减弱，熔点降低，Na、K合金常温下呈液态，常用作原子反应堆的导热剂。

填隙式固溶体一般是由H、B、C、N等原子半径较小的非金属元素的原子渗入过渡金属晶体结构的间隙而形成的。其组成可在一定范围内变动。钢铁就是最典型最常见的填隙式固溶体。填隙式固溶体的结构特点是，较小的非金属原子填入金属晶体的间隙中，基本不改变金属晶体的结构特征。同时，金属原子在相互形成金属键的基础上，还可以与非金属原子形成部分共价性的键。因此，填隙式固溶体一般既具有导电性和金属光泽等金属特性，又具有与纯金属比较硬度大、熔点高等特性。因此，一些填隙式固溶体在火箭材料、高级磨料和高速切割等方面有重要的应用。例如：

试题5：2001年美国东部时间9月11日8点48分，一架飞机撞到了纽约世界贸易中心大楼，飞机“撕开”了大厦，在大约距地面20层造成滚滚浓烟。18分钟后，又有一架飞机撞上了世贸大楼。这架飞机是从大楼的一侧撞入，由另一侧穿出，并引起巨大爆炸。爆炸后的大火使大楼建筑钢筋变软，导致大楼坍塌。建筑钢筋通常采用碳素钢，与熟铁相比，碳素钢的硬度（填“较大”、“较小”或“相同”）、熔点（填“较高”、“较低”或“相同”）。

试题点评：碳素钢中Fe原子在相互形成金属键的基础上，还可以与C原子形成部分共价性的键。因此，碳素钢与熟铁相比，硬度较大，熔点较高。

试题6：下列有关纯铁的描述正确的是（）

A．熔点比生铁的低

B．与相同浓度的盐酸反应生成氢气的速率比生铁的快

C．在潮湿空气中比生铁容易被腐蚀

D．在冷的浓硫酸中可钝化

试题点评：金属原子在相互形成金属键的基础上，还可以与非金属原子形成部分共价性的键。因此，填隙式固溶体表现为硬度较大，熔点较高。但随着非金属原子的增多，在一定程度上减弱了金属原子之间的作用力，使合金熔点降低，故生铁（含碳量高）熔点比纯铁低；由于生铁中Fe、C和盐酸构成原电池，可加速Fe的腐蚀，故与相同浓度的盐酸反应生成H2的速率生铁比纯铁快；在潮湿的空气中生铁表现为比纯铁更容易被腐蚀。

完美是相对的，缺陷才是绝对的。在学生感受实际晶体的缺陷及晶体缺陷所散发的美时，一方面，可大大提高学生学习化学的兴趣，另一方面，让学生明白，缺陷并不都代表失败，只要我们善于分析缺陷，善加利用缺陷，缺陷也能散发出金子般的光芒。