固體

原子堆積、離子堆積、網狀固體、液晶

晶格能

晶格能 (Lattice enthalpy)
國立臺灣師範大學化學系 趙崇瀚

陰離子與陽離子之間存在庫倫作用力彼此吸引,由於此種異性電荷之間的作用力非常強,比一般的凡德瓦力大得很多,故離子化合物大多是以離子晶體的形式存在。因此當陰陽離子結合形成特定晶體時,其焓值改變量決定了晶體的穩定性
,故可以定義晶格能(\(\Delta H_L\))為:一特定離子晶體分解成其組成的氣態陰陽離子的焓值改變量(式一)。在此定義下,晶格能之值恆為正值,即代表破壞晶格所需的能量大小。

完美的聚合物晶體

完美的聚合物晶體
國立臺灣大學化學系名譽教授蔡蘊明

聚合物是人生存必需的一種分子,大家熟知的核酸是由核苷酸單元所組成的聚合物,乃基因的主要結構。蛋白質是由胺基酸的單元所組成的聚合物,扮演生命化學裡重要的催化劑角色。由單醣組成的聚合物,包括澱粉、纖維等,亦是重要的生命化學物質。但是在日常生活中,人工合成的聚合物業已成為不可或缺的材料,舉凡食、衣、住、行、育、樂、和醫療都必須仰賴具有特定功能的聚合物素材。

要在實驗室製備具有單一分子量的聚合物不是一件容易的事,那需要非常精準的控制。從這個困難來看,生命體系裡面的許多聚合物是具有單一結構的分子,例如許多的蛋白質,以及重要的核酸,因此我們不能不佩服大自然精巧的設計。當然生命體所製造的許多聚合物,也可以是各種不同聚合程度的集合體,例如澱粉或纖維,只能用平均的分子量或分子量範圍來描述。大自然為何具有如此的多樣性呢?這是因為各種材料的存在是為了符合其使用的需求和環境。以心臟為例,它是由許多蛋白質所組合而成的肌肉,所構成的一個複雜裝置,在人的一生中必須跳動約25億次,讓氧氣透過約144,000公里路徑輸送到全身各處,有些位置的血管只有頭髮粗細(管徑愈細需要的壓力愈大),每天運送約8000升的血液而甚少出現血管壁的損壞。與大自然的設計,以及製造這些材料的精準度和耐用性來比較,人類科學家的能力還是非常的基礎!

單一元素準晶的突破性進展

單一元素準晶的突破性進展
國立臺灣大學科學教育發展中心陳藹然博士

日本中央大學新聞2013年12月3日訊

還記得2011年諾貝爾化學獎的得獎研究嗎?以色列化學家丹尼‧謝西曼 (Daniel Shechtman)以準晶體(quasicrystal)的發現,改變了世人對晶體的傳統定義,原來只要原子遵守某種規律排列形成的固體就是晶體,不論是不是有週期性的重複。但是在謝西曼教授的研究中,以合金、高分子或奈米粒子為主,並沒有觀察到單一元素構成的準晶。

準晶和一般晶體不同之處在於,準晶具有5邊形或10邊形的原子排列結構,其結構排列內含黃金比例與費式數列,顯現出另一種「沒有重複的規律性」的美。此外,由於準晶結構的特殊性,加上准晶內化學組成的複雜性,晶體穩定度和特殊物質性質等,依舊迷霧重重。因此,科學家希望回到最簡單的狀態,如果能得到由單一元素組成的準晶,也許就能更加清楚瞭解準晶。

Zn-Mg-HoDiffraction

(圖片來源:維基百科)

立方晶體

立方晶體 (Cubic Crystal)
國立臺灣大學化學系學士生黎哲豪/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

立方晶體(Cubic Crystal)是一種最基本的單位晶格(Unit cell):晶格形狀為一立方 體,為一常見之礦物晶體結構,又可區分為體心立方堆積(Body-centered cubic  packing, BCC)、面心立方(Face-centered cubic packing, FCC)和簡單立方(Simple cubic packing, SC)三種。因為在立方體在三維空間中各個方向都等價,因此就光學性質、電磁性、折射率來說各個方向皆相同,具各向同性(Isotropic)。

圖一、立方晶體:(由左至右)簡單立方堆積、體心立方堆積、面心立方堆積。(圖片來源:http://en.wikipedia.org/wiki/Cubic_crystal_system)

體心立方以及面心立方都是金屬常見的堆積形式,例如堆積為體心立方的有:鐵(Iron)、鉻(Chromium)、鎢(Tungsten)、鉭 (Tantalum)等,面心立方的有鎳(Nickel)、銅(Copper)、銀、金等,簡單立方堆積的金屬比較少見例如鉍(bismuth),面心立方堆積的固體具有較大的密度。

熔點 (Melting Point)

熔點 (Melting Point)
國立台灣大學化學系陳光彥/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

固體的熔點是其從固態轉變成液態時的小範圍改變之溫度,一般約在1-2度間,固體和液體會在達到熔點時共存;反之,當液體從液態轉變成固態時的溫度稱為凝固點(freezing point)。熔點是純物質的物質特性之一。晶體又因類型不同而熔點也不同,一般來說晶體熔點從高到低為,原子晶體>離子晶體>金屬晶體>分子晶體。

對大部分的物質來說,熔點等於凝固點,例如水銀的熔點及凝固點都是234.32K (-38.83℃) ;但有些物質,其固液態互相轉換的溫度並不相同。舉例來說洋菜(agar)的熔點為85℃,卻在31℃~40℃之間凝固成固體。