固體化學

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固體化學是中國的一個科技名詞。

語言一發即逝，不留痕跡。當人類意識到需要把說出的話記下來時，就發明了文字。在世界範圍內，曾經獨立形成的古老文字除我們的漢字外，還有埃及的聖書字、兩河流域的楔形文字、古印度的印章文字以及中美洲的瑪雅文。後來，這些古老文字的命運各不相同，或因某種歷史原因而消亡，如瑪雅文；或因文字的根本變革而遭廢棄，如楔形文、聖書字，只漢字沿用至今，而且古今傳承的脈絡清晰可見，成了中華民族文化的良好載體。

目錄

名詞解釋

固體化學（solid chemistry）研究固體物質的製備、組成、結構和性質的化學分支學科。固體化學的研究始於20世紀20年代，到了60年代，由於科學技術的發展，對固體材料的需求更加迫切，同時也為固體材料的研究提供了必要的實驗手段，固體化學進入蓬勃發展的新階段。

學科作用

固體化學和固體物理、材料工程學等學科互相交叉滲透、互相補充配合，形成了現代固體科學和技術。固體化學着重研究實際固體物質的化學反應、合成方法、晶體生長、化學組成和結構，特別是固體中的缺陷及其對物質的物理及化學性質的影響，探索固體物質作為材料實際應用的可能性。

主要內容

固體化學的內容包括以下3個方面：

固體中的缺陷平衡

由等同的原子或原子集團，按照一定的點陣排列，構成規整的三維周期性的序列，就形成了完善的晶體。這種理想的完善的晶體具有理論模型的意義 ，但化學組成和結構偏離理想的、不完善的晶體，往往也具有重要的意義和實用價值。固體中的缺陷決定着物質的化學反應活性和物理性質，使它們成為具有特殊技術性能的材料 。缺陷主要是指固體中的點缺陷，包括點陣空位或雜質原子 、間隙原子、錯位原子和變價原子等。不同類型的缺陷賦予晶體以特定的光學、電學和磁學性質。晶體中各類點缺陷和空穴與電子處於一類化學平衡中，這些缺陷可能電離、複合 、互相締合，缺陷的平衡也受溫度、組分濃度或分壓、電中性平衡、同離子效應等因素的影響。

任何固體當處於一定溫度時，某些原子的振動能可能瞬間增大到可以克服其勢壘，離開其平衡位置而擠入間隙，形成一對空位和間隙原子對(夫倫克耳缺陷)；或者一對正、負離子同時離開其平衡位置而遷移到晶體表面上,在原來的位置形成一對正、負離子空位(肖特基缺陷)。當將微量的雜質元素摻入固體中時，可能形成雜質取代缺陷，例如硫化鋅中摻進約10-4原子百分的Ag+和Cl-離子，分別占據Zn2+和S2-的格位，形成雜質缺陷

(上角』表示缺陷電荷是－1，·表示電荷是+2）。

晶體中點缺陷的存在,破壞了點陣結構,使得缺陷周圍的電子能級不同於正常格位原子周圍的能級，因而在禁帶中造成各種局域能級。有的局域能級位於價帶頂的上邊,可吸引價帶中的電子,同時在價帶中形成空穴。有的局域能級位於導帶底的下邊，可給出電子預導帶。因此不同類型的缺陷賦予晶體以特定的光學、電學和磁學性質。

固體中的擴散

當固體中的雜質原子和空位分布不均勻時，它們會沿着晶格點陣流動，最後達到分布均勻，這就是固體中物質的擴散。擴散的推動力是固體中組分的濃度梯度、化學勢或電化學勢梯度、溫差、電勢場等。通常從宏觀和微觀兩個方面來認識固相中的擴散。一方面，對固體中物質流動和濃度變化進行實驗觀測和理論分析，得出擴散元素濃度隨擴散時間和距離變化的關係，以討論固相中各種物理和化學過程。另一方面，對擴散微觀機理進行研究，把擴散現象與晶體中缺陷運動聯繫起來，建立各種擴散機理的模型。

固相化學反應

在固相內和固相之間的化學反應中，物質、電荷和能量的遷移是通過晶格振動、缺陷運動和價態變化進行的。原子或離子的擴散是固相化學反應的關鍵步驟。由於固相反應類型較多、情況複雜，目前還沒有完全認識，也缺少統一的理論。

兩種固態反應物相作用，生成一種固態產物，它把反應物隔離開來。一種反應物中的組分不斷地穿過產物層，向另一反應物中擴散，固相反應速率受擴散的制約，固相反應中反應物的形態和結構，例如物質的粒度、孔隙度、接觸面積等，對於反應速率有很大的影響。將反應物磨細並混合均勻，或者預先壓製成團，能夠增大反應物互相接觸的面積，使擴散容易進行。當物質處於分解或相變過程時，或者當物質晶體粉碎時，都會具有較大的反應活性，因此工業上採用迴轉窯焙燒生產硅酸鹽水泥，入窯前須先粉碎，以強化反應過程。

固相中的電化學反應具有重要的科學和技術意義。通過電導率或電動勢的測量，可以了解固相內缺陷的性質和擴散的機理。利用一些固體電解質的電子擴散導電現象，可以製作出各種電化學傳感器及化學電池。例如具有層狀結構的硫化鈦TiS2，其夾層間可以容納大量的鋰原子,使硫化鈦的c軸(見晶面)由5.696埃膨脹到6.195埃，而晶體結構仍可保持不變。因此可以用硫化鈦TiS2的細粉壓製成多孔狀薄片，作正極，用金屬鋰製成薄片，作負極，用碘化鋰Lil溶於非質子溶劑碳酸-丙烯酯(PC)中，作電解質，這樣可以組成一個可充電的化學電池：

Li│LiI+PC│TiS2

其充放電反應可以表示如下：

這種電池可以做成微型紐扣電池，用於手錶和計算器中。

保持基質晶體結構基本不變，而在晶體上面進行局域規整反應或者在表面上進行外延接續生長反應，是集成電路製作中經常應用的固相化學反應。它是在基質晶體上某個指定區域和特定的晶面上，用一種氣相或液相反應物通過化學氣相澱積或擴散反應，與晶體發生作用，形成p-n結、絕緣層、導電膜或者發生定向刻蝕,最後在一個很小的硅晶體上，形成包含有數以百萬計電子元件的集成電路。