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盐——不为人知的晶体美


  撰文/甘晓

  晶体结构——盐的DNA

  当看到化学实验室中形态各异、色彩艳丽的盐——一颗颗晶莹如红宝石的赤血盐、像盛开的蓝蓬花般的胆矾、粒粒如针的紫色的高锰酸钾……你也许会产生这样的疑问:为什么同样是自然形成的盐,它们却与氯化钠的普通外表有如此巨大的差异?这是由它们内部的晶体结构差异所决定的。晶体结构就是组成盐类的各种离子的排列方式,它就像盐的DNA一样,任何一点细微的差异都会导致盐类颜色和形态截然不同。

  氯化钠不为人知的内部结构

  用我们最熟悉的食盐——氯化钠举例:也许你很难想象组成氯化钠的最小单位竟然是一个正方体。这些正方体的尺寸极其微小,因此我们在吃盐的时候并不会感觉到它们的存在。如果可以像剥柑橘瓤一样单独剥出一个氯化钠正方体,我们就能看到,这个正方体中有13个钠离子,分别占据正方体的体心和12条棱;还有14个氯离子,分别占据正方体的8个顶点和6个面心。然而,由于无数这样的正方体延伸组合才能构成氯化钠的晶体结构,每个正方体中钠离子和氯离子都会与相邻的正方体共用,最后,真正属于一个单独正方体的钠、氯离子各有4个。事实上,这些正方体的“棱”和“面”并不是真实存在的,而是科学家们根据钠离子和氯离子的位置对晶体结构进行的抽象。盐类本身的结构都是自然之力精致的作品,如果没有遭到外力破坏,它们便会朝着规则的几何体生长。否则,它们的美好体态就将受到影响。晶体结构的七大类别

  正方体只是晶体结构中最简单的一种。如果把正方体中的长、宽、高按照不同长度配比,并进行不同角度倾斜,将会得到数以万计的晶体结构。大自然用上亿年的锤炼完成了这项伟大的工程。目前,我们已知的晶体形态超过了4万种,它们都归属于结晶学上所称的七大晶系——立方、六方、三方、四方、斜方、单斜、三斜晶系。

  以氯化钠为代表的立方晶系的晶体结构从不同的角度看形态都差不多,大多呈正方体、八面体、四面体、菱形十二面体等形态,这类晶体的对称性是所有晶体中最高的。

  三方晶系和六方晶系有许多相似之处,区别只在于它们的截面是三角形还是六角形。这种晶体的外形看上去是三棱柱、六棱柱的形状。天然碳酸钙中最常见的矿物方解石属于三方晶系,而祖母绿则是六方晶系的代表。

  四方晶系的晶体大多是四棱的柱体,晶体横截面为正方形。最具代表性的四方晶系晶体是钼铅矿的主要成分铅钼酸盐,这是提取钼元素的主要来源。

  在四方晶系的基础上变化可以得到斜方晶系的晶体,这种晶体大多是菱形长柱或长方形柱体。重晶石就是一种斜方晶系的盐类晶体,它的主要成分是人们熟悉的硫酸钡,就是医学上通常使用的放射造影剂。同属四方晶系的黄玉是一种含氟硅铝酸盐矿物,通常由火成岩在结晶过程中排出的蒸气形成,拥有完美外形的黄玉也是一种名贵的宝石。

  常见的单斜晶系矿物有以硫酸钙为主要成分的石膏和以不可溶的钾盐为主要成分的正长石。以碱式碳酸铜为主要成分的蓝铜矿也属此列,它的晶体则呈柱状或厚板状。

  在七大晶系中,三斜晶系的晶体形态最不规整,常常会给人“歪、斜”的印象,但是这并不影响它们的美观程度。蓝色的胆砜——五水合硫酸铜就是典型的三斜晶系晶体,除去漂亮的颜色和外形,它的变色特性也非常有趣:在加热过程中,随着温度的升高,胆矾会从蓝色晶体渐渐变成白色粉末。

  盐类的变色——晶体结构破坏后的突变

  我们知道,白光是由赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种不同波长和频率光线组成的复合光。复合光照射在物体表面,物体吸收了白光中某种波长的光线,而反射出白光所剩下的颜色。简言之,颜色的本质是光,而这光的本质实际上是不同频率的能量。那么,同一种盐呈现不同的颜色其实就是盐吸收复合光后反射的光,起决定作用的是盐中金属离子的外围电子。盐类的金属离子、阴离子以及它们的组成方式都会影响电子释放能量的大小,共同决定这种盐的颜色。

  就胆矾而言,当硫酸铜的铜离子遇到晶体中结合的水分子时,活泼的水分子会给锕离子补充外围电子。这时电子变得异常活跃,进而释放出蓝光所对应的能量。而在加热过程中,胆矾的晶体结构被破坏了,5个水分子随着温度的升高依次脱离了硫酸钢的吸引,胆矾晶体从五水合硫酸铜变成无水硫酸铜,就相当于DNA被破坏后产生的突变,铜离子失去了从水分子中补充来的外围电子,无奈地脱下了蓝色的外衣,变回自己的本来面目,就是我们看到的白色粉末了。

  其实,水分子扮演“着色剂”角色的现象在盐类世界中并不罕见。单是氯化亚钴这一种盐就会因结合水分子数量的不同而有多种颜色的“变异体”:六水合氯化亚钴呈玫瑰红色,二水合氯化亚钴呈紫红色,无水的氯化亚钴则是蓝色。对水分子的敏感让氯化亚钴可以用作化学试剂中缉拿水分子的“特工”,也能制成神秘的隐显墨水。这个神奇的“变脸”游戏就是由于金属钴的外围电子受到不同数量水分子的影响而释放出不同频率的能量形成的。

  当然,在奇妙的化学世界中,盐的变色只是雕虫小技,盐类家族中还隐藏着更多秘密等待我们去研究。盐,它为我们提供了生命不可或缺的保障,也给我们发展科技和工业以巨大的原料支持,但最关键的,它是一把重要的钥匙,为我们打开探索神秘自然的大门。

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