实验二 螺旋位错生长过程观察.doc

实验二 螺旋位错生长过程观察一、实验目的1. 了解水溶液中的溶解度与结晶原理；2. 认识枝晶生长的基本过程；3. 观察晶体生长的螺旋位错，计算台阶横向生长速率及其与驱动力的关系。4. 观察手性晶体。二、实验设备及材料1、带CCD的显微镜；2、载玻片；3、盖玻片；4、偏光片； 5、加热装置； 6、碘化镉；7、氯酸钠；8、有机晶体（Phenyl salicylate,对羟基苯甲酸苯酯，HOC6H4COOC6H5， 熔点：42-44oC）；9、去离子水；10、药勺；11、烧杯；12、玻璃棒； 13、滴管； 14、培养皿；15、量筒；16、投影仪。三、实验原理（1）溶解度一定的温度下，在一定量的水中，所能溶解的溶质量是有限的，常用溶解度来表示。溶解度指的是，在一定温度下，某固态物质在100g水中达到饱和状态时所溶解的质量。图一和图二分别是碘化镉和氯酸钠的溶解度曲线（数据见表一和表二）。大多数固体物质的溶解度随温度的升高而增大。因此利用较高温度配置溶液达到饱和后，再降低温度，水溶液在高温中溶解度较高，一旦降温后，溶解度也降低，但溶质的量不减，因此，水溶液的浓度大于最大溶解度，此时的溶液成为“过饱和溶液”。过饱和溶液是一种不稳定状态，过量的溶质会结晶析出而成为饱和溶液。常利用此种方法进行结晶提纯。另外随着溶剂水分的蒸发，饱和溶液浓度逐渐变浓而达到饱和，继而也会开始结晶。降温和溶剂蒸发是晶体结晶的两种最主要的方式。表一 不同温度下碘化镉的溶解度物质化学式0C20C30C40C60C80C100C碘化镉CdI278.784.787.992.1100111125表二 不同温度下氯酸钠的溶解度物质化学式0C10C20C30C40C60C80C90C100C氯酸钠NaClO379.687.695.9105115137167184204图一 碘化镉的溶解度曲线图二 氯酸钠的溶解度曲线（2）晶体生长过程图三 晶体的生长机制与驱动力的关系一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：1、介质达到过饱和、过冷却阶段；2、成核阶段；3、生长阶段。晶体的外形以及表面形态与晶体生长过程中的驱动力有关，当驱动力很小时，晶体的生长模式为缺陷生长，形成多面体外形，表面呈现以生长源为中心的凸起；当驱动力增加到一定的程度，可以克服表面势垒时，就会出现形核生长，此时生成的晶体也大多成多面体，但表面往往出现中间凹陷的特征；进一步增大驱动力，晶体会从平滑的横向生长模式向垂直生长模式转化，因此晶体呈现枝晶等形状（见图三）。在单位时间内，单位体积中所形成的核的数目称成核速度。它决定于物质的过饱和度或过冷却度。过饱和度和过冷却度越高，成核速度越大。成核速度还与介质的粘度有关，粘度大会阻碍物质的扩散，降低成核速度。晶核形成后，将进一步成长，其生长速度与驱动力直接相关。（3）枝晶的生长过程熔点较低的室温下为固体的有机晶体加热到熔点以上时，则会熔融成液体。在载玻片上放上少量的有机晶体，将其放在加热套上加热，使有机晶体熔融，盖上盖玻片，在盖玻片的边缘放上一点有机晶体粉末，将其放在显微镜下观察。随着温度的降低，有机晶体很快就开始异质结晶。我们可观察到其结晶过程大致是：晶体首先开始于放有有机晶体粉末的边缘，因该处有异质核，故产生大量晶核而先形成一圈细小的等轴晶，接着形成较粗大的柱状晶。位向利于生长的等轴晶得以继续长大，形成伸向中心的柱状晶。然后形成杂乱的树枝状晶，且枝晶间有许多空隙。这是因液滴已越来越薄，晶核亦易形成，然而由于已无充足的熔体补充，结晶出的晶体填不满枝晶间的空隙，从而能观察到明显的枝晶。（4）螺旋生长理论Frank等人（1949、1951）研究了气相中晶体生长的情况，估计二维层生长所需的过饱和度不小于2550%。然而实际中却发现在过饱和度小于1%的气相中晶体也能生长。这种现象并不是层生长模型所能解释的。他们根据实际晶体结构的各种缺陷中最常见的位错现象，提出了晶体螺旋生长模型，即在晶体生长界面上，螺旋位错露头点所出现的凹角及其衍射所形成的二面凹角（图四）可以作为晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。这样就解释了晶体在很低的过饱和度下能够生长的实际现象。印度结晶学家Verma1951年对SIC晶体表面的生长螺旋纹（图五）及其他大量螺旋纹的观察，证实了这个模型在晶体生长中的重要。图四 晶体的位错 图五 SiC晶体表面的生长螺旋位错的出现，在晶体的界面上提供了一个永不消失的台阶源。随着生长的进行，台阶将会以位错处为中心呈螺旋状分布。螺旋式的台阶并不随着原子面网一层层生长而消失，从而使螺旋式生长持续下去。螺旋状生长与层状生长不同的是台阶并不直线式地等速前进扫过晶面，而是围绕着螺旋位错的轴线螺旋状前进（图六）。随着晶体的不断长大，最终表现在晶面上形成能提供生长条件信息的各种各样的螺旋纹。 图六 螺旋生长理论模型在螺旋生长中，晶体中的螺旋位错露头点是晶体生长的台阶源。 上面所示为螺旋生长的模拟，从中可以看到，随着晶体的不断生长，不断出现螺旋位错露头点，螺旋位错会不停地前进。如图六（d）所示，a表示台阶的高度，表示台阶宽度，v表示台阶横向扩展速率， Rsp表示晶体纵向生长速率。由于实验条件的限制，本实验要测的是台阶横向扩展速率v。用带有CCD的显微镜，拍摄速率采用1张/5s，录下螺旋状生长的碘化镉晶体的生长过程。在录下晶体生长的照片中，选取某一固定点，对比不同时间拍摄的照片，量取此点的横向生长距离，除上照片的放大倍数和时间，即可得到台阶的横向扩展速率。随着生长的继续，溶液中的溶质减少，溶剂不变，因此溶液过饱和度下降，生长的驱动力下降，此时台阶横向扩展速率也将减少。因此，可以测不同时间的台阶横向扩展速率，感受驱动力对台阶横向扩展速率的影响。由于实际晶体中经常存在着螺旋位错，使得晶格中出现凹角，从而质点优先在凹角处堆积。螺旋位错的晶格中台阶源永远不会因晶体的生长而消失，于是，在质点堆积过程中，随着晶体的生长，位错线不断螺旋上升，形成生长螺纹。有着很多螺旋位错生长的晶体，比如下面所示的碳化硅晶体和针状莫来石晶体，都可以看见螺位错生长的痕迹。 图七 碳化硅晶体的螺位错生长 图八 针状莫来石晶体的螺位错生长（5）晶体的手性 什么是“手性”？ 这种情形像是镜子里和镜子外的物体那样，看上去互为对应。由于是三维结构，它们不管怎样旋转都不会重合， 如果你注意观察过你的手，你会发现你的左手和右手看起来似乎一模一样，但无论你怎样放，它们在空间上却无法完全重合。如果你把你的左手放在镜子前面，你会发现你的右手才真正与你的左手在镜中的像是完全一样的，你的右手与左手在镜中的像可以完全重叠在一起。实际上，你的右手正是你的左手在镜中的像，反之亦然。在化学中，这种现象被称之为“手性”。几乎所有的生物大分子都是手性的。两种在分子结构上呈手性的物质，它们的化学性质完全相同，唯一的区别就是：在微观上它们的分子结构呈手性，在宏观上它们的结晶体也呈手性。作为生命的基本结构单元，氨基酸也有手性之分。也就是说，生命最基本的东西也有左右之分。组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸。研究已经发现的氨基酸有20多个种类，除了最简单的甘氨酸以外，其它氨基酸都有另一种手性对映体！检验手性的最好方法就是，让一束偏振光通过它，使偏振光发生左旋的是左旋氨基酸，反之则是右旋氨基酸。通过这种方法的检验，人们发现了一个令人震惊的事实，那就是除了少数动物或昆虫的特定器官内含有少量的右旋氨基酸之外，组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸！ 右旋分子是人体生命的克星! 因为人是由左旋氨基酸组成的生命体，它不能很好地代谢右旋分子，所以食用含有右旋分子的药物就会成为负担，甚至造成对生命体的损害。本实验用偏光片和显微镜，观察氯酸钠晶体的手性。旋转偏光片或是旋转氯酸钠晶体，则可以发现手性的晶体会出现某个角度较亮，某个角度较暗的情景。四、实验步骤1、用药勺和天平称取5.00g碘化镉于烧杯中，再用量筒量取5ml去离子水于烧杯中，加热到60C，用玻璃棒搅拌使碘化镉完全溶解，用滴管取碘化镉饱和溶液置于载玻片上。2、将载有碘化镉饱和溶液的载玻片置于显微镜下，采用透射光，调节物镜与载玻片的距离，使载玻片上晶体生长过程聚焦清楚。3、双击电脑桌面软件“”，采用CCD模式，录下螺旋生长的整个过程（录像频率1张/s）。4、在录下的照片上，选取晶体生长的某一固定点，对比不同时间拍摄的照片，量取此点的横向生长距离，除上照片的放大倍数和时间，即可得到台阶的横向扩展速率。5、随着生长的继续，溶液中的溶质减少，溶剂不变，因此溶液过饱和度下降，生长的驱动力下降，此时台阶横向扩展速率也将减少。因此，可以测不同时间的台阶横向扩展速率，感受驱动力对台阶横向扩展速率的影响。6、用药勺和天平称取6.65g氯酸钠于烧杯中，再用量筒量取5ml去离子水于烧杯中，加热到60C，用玻璃棒搅拌使氯酸钠完全溶解，用滴管取氯酸钠饱和溶液置于载玻片上，盖上盖玻片，在边缘位置放置少量的氯酸钠粉末，将其置于显微镜下，观察其晶体枝状生长的过程。7、用药勺和天平称取6.65g氯酸钠于烧杯中，再用量筒量取5ml去离子水于烧杯中，加热到60C，用玻璃棒搅拌使氯酸钠完全溶解，慢慢降温，使晶体析出（此过程需要较长时间，所以实验所用来观察的手性氯酸钠晶体在实验前已经由实验室制备）。用偏光片和显微镜，观察晶体的手性。五、注意事项(1） 实验时应注意试样的清洁，不要让异物落入烧杯内，不要让异物落入载玻片上的饱和溶液中，以免影响结晶过程的观察。(2） 显微镜是精密仪器，操作时应该特别注意动作要轻，切勿使药品接触镜头和镜台等。(3） 将载玻片放在载物台后，一定用压片夹夹住。六、实验报告要求1简述碘化镉螺旋生长过程（录制）；2简述氯酸钠枝状生长过程（录制）；3. 简述氯酸钠晶体的手性观察现象；4. 计算台阶横向生长速率并分析其与驱动力的关系。表1. 碘化镉螺旋生长过程速率与驱动力的关系不同观察时间编号1234速率