7-7非化学计量化合物

化合物必须具有固定的组成(整比化合物),这是19世纪化学的基本概念之一。在整比化合物中,正负离子的数目恰好同化学式指明的比数相一致。但事实上,任何固相都具有一个组成范围,通常这个范围较小,但在某些情况下则很大。

在固体中有三种方式,可以伴随产生化学计量的不平衡情况:

1.替代掺合产生在合金中,由一种组分的原子替代了另一组分的原子,例如,A6B6A7B5

2.间隙掺合呈现在间隙位置上含有额外的原子或离子的化合物中,它实际上是不平衡的弗伦开尔缺陷(图7-40

一个熟知的例子为氧化锌,它加热时变为黄色是由于失去某些氧原子,在晶格中留下的Zn原子就转移到间隙的位置上。在这种情况下,与化学计量的偏差是小的;在1100K时,Zn超过O的量仅为7×10-3 %纯净CaF2为白色,天然CaF2由于有F色心的存在而显紫色,其中在有些位置电子取代了F-离子(图7-41

3.减掺合发生在这些化合物中,其中一种组分具有完整的晶格,而另一种缺少的组分则具有空的晶格格点,实际上是不平衡的斯考特库缺陷(图7-42

一个例子是氧化亚铁,它在9001300K的温度范围中具有几乎不变的组成Fe0..95O。必须注意,化学式这样写是表示子晶格是有缺陷的。这意味着必须有某些Fe2+离子失去电子变成Fe3+才能达到电中性。

在离子晶体中,与理想化学计量的偏差暗示着某些离子(通常为阳离子)有电荷数的变化。偏差通常是朝着有关金属的另一个稳定氧化态的方向产生,例如,氧化铜(I)中易发生金属缺少,因为可以掺合Cu2+离子以平衡空的阳离子格点。另一方面,氧化铁(III)则倾向于金属过量,也即是趋向于Fe3O4,它除Fe3+以外还含有Fe2+离子。化合物在一个组成范围内稳定有三个条件:

(1)产生缺陷所需的能量必须低;

(2)不同氧化态之间的能量差必须小;

(3)较高的和较低的氧化态的离子必须在大小上没有很大的差别。否则,当一种离子得到或失去一个电子时晶格将发生大的畸变。

在催化剂和半导体中,非化学计量的化合物具有特别的重要性,(图7-43

 

思考题1

思考题2

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