同质多象

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  同质多象汉语拼音:Tongzhiduoxiang;英语:Polymorphism),化学组成相同的物质,在不同的物理化学条件下,能结晶成两种或多种不同结构的晶体的现象。又称多晶型现象同质异象,旧称多形性。同质多象只限于结晶物质的范畴,不包括非晶质和液体气体中的异构现象。

  同质多象的形成与外界条件密切相关,因此同质多象的研究有助于确定晶体形成时的物理化学条件及所经历的变化。如SiO2等物质的同质多象,被广泛用作地质温度计地质压力计。根据具β-方石英的立方体副像的α-石英,可推知其形成时的温度在1,470℃以上;而斯石英在地表大陷坑中的出现,则可作为该地曾发生陨石超高压冲击陨落的有力证据。又如HgS的两种变体辰砂黑辰砂,分别形成于碱性和酸性介质中,它们的存在可说明成矿介质的酸碱性。在工业上,用石墨制备人造金刚石;运用淬火、退火等手段控制加工件的某些物性;通过先升温至573℃以上,然后在严格控制的条件下降温,借以消除水晶中对工业利用有害的道芬双晶等,都是利用了同质多象转变的特性。

同质多象变体

  同质多象变体,指化学成分相同而晶体结构不同的晶体。同种物质的每一种变体都是一个独立的相,在矿物学中就是独立的矿物种,可赋予不同的名称,如Al2SiO5的三种变体分别称为红柱石蓝晶石夕线石;也可在同一名称或化学式的基础上加希腊字母前缀或罗马数字后缀来加以区别,如α–石英和β–石英,冰Ⅰ、冰Ⅱ……α–ZnS和β–ZnS。一种物质的各个变体,按其数目的不同而可称为同质二象、同质三象等,或一般地泛称为同质多象。已知变体数目最多的物质是SiO2,达12种。

  同种物质的不同变体的化学组成虽然相同,但晶体结构不同,因而它们的晶形和物理性质,有时还有化学性质,也不相同。碳的两种同质多象变体——金刚石和石墨的上述差异,是最明显的一个实例。

同质多象转变

  由于物理化学条件的改变,一种同质多象变体在固态条件下改变内部结构而成为另一种变体的过程。同质多象有不同的转变方式和类型。

  1.转变方式。有些同质多象变体的形成和稳定的温压范围都是互不重叠的,其间的关系可用相图来表示。当环境的温度、压力超出某一变体的稳定范围时,即可能发生相应变体间的同质多象转变。

  另一些同质多象变体,对温度、压力条件不敏感,而对介质的酸碱度、杂质等次要因素却较为敏感,可在几乎相同的温度、压力下形成不同的变体。但其中只有一种是稳定的变体,其他变体实际上都是不稳定的,只是在常温常压下它们间的转变过程特别缓慢,以致不稳定变体实际上能以亚稳态长期存在;但当高于一定温度时,其转变迅速发生。如黄铁矿和白铁矿可在同样的温、压条件下分别形成于碱性和酸性的介质中,但白铁矿是不稳定变体,当温度高于350℃时便迅即转变为黄铁矿。因此,实际上存在着两种不同的同质多象转变方式:双变性转变,其转变过程迅速而且是可逆的。如α–石英与β–石英间的转变。单变性转变,其转变过程缓慢,而且只在升温过程中发生;在降温过程中并不发生相应的可逆转变,较高温下稳定的变体可在超出其稳定范围的较低温度下以亚稳态继续存留。如β–石英与β2鳞石英以及白铁矿黄铁矿之间的转变。

  2.转变类型按变体间的结构关系,同质多象转变主要有以下三种:

  • 移位型转变,从一种变体转变为另一变体时,仅是结构中质点的位置稍有移动,键角有所改变,相当于整个结构发生了一定的扭曲,但不涉及键的破裂和重建,因而也不改变配位的基本形式,只要很小的活化能便会迅速发生转变,因而它们间的转变都是双变性的。
  • 重建型转变,转变时结构内质点的位置有根本性的变动,需在原来的键破裂后再重建,只在相当高的活化能条件下,才能发生。
  • 有序–无序转变,这是同质多象转变的一种特殊类型。

  如果同质多象转变形成的变体,仍保持转变前变体的晶形,这种现象称为副像。它的存在是发生过同质多象转变的重要证据。