上級 · 18分
結晶成長：格子の積み重ねと空孔
CsCl 型の単位格子を1つずつ積み上げ、次にイオンをランダムに抜いて、空孔が完全な周期性をどう崩すかを見る。
目的
共有を考慮して単位格子中のイオン数を数え、格子の積み重ねを実際の結晶成長に結びつけ、空孔濃度を成長条件と関係づける。
器具と試薬
明礬または硫酸銅(II)の飽和溶液、糸に吊るした種結晶、ビーカーとろ紙（緩慢な蒸発用）。シミュレーションで格子欠陥を調べる。
手順
- CsCl 型の単位格子1個から始め、体心のイオンと8つの隅のイオンを確認する。
- 「一辺あたりの格子数」を3に上げると、結晶は面に単位格子を積み増して成長する。
- 単位格子の辺を表示し、隅の共有を確認する。8隅 × 1/8 = Cl 1個に体心の Cs 1個が加わる。
- 空孔スライダーを徐々に上げ、穴が表面だけでなく内部全体に現れることに注意する。
観察すること
- 新しい単位格子は同じモチーフを保つ。結晶が大きくなっても周期性は保たれる。
- 空孔は孤立した欠けた球として見え、数%でもはっきり分かる。
- スライダーは欠陥を誇張する。室温での平衡空孔濃度は天文学的に小さい。
解説
実際の結晶はキンクや段差に原子・イオンが付着して成長する（Kossel–Stranski–TLK モデル）。点欠陥は熱力学に従い、Schottky 対では n/N ≈ exp(−ΔGf/2k_BT) なので平衡空孔は稀である。急速成長・急冷・不純物が実際の欠陥量を増やす。
実験の歴史
結晶化は最も古い精製技術の一つで、古代から蒸発による塩の結晶が採られ、中世の錬金術師も木版画の処方に従って明礬やヴィトリオールの大結晶を育てた。19世紀にはミッチャーリッヒの「同形性」研究やパストゥールが手分けした酒石酸塩結晶（1848）により、結晶育成は本格的な科学になった。今日でもこの実習のような種結晶・ゆっくり冷却による育成が、X線回折に必要なミリメートル級の単結晶を与える。
ゆかりの化学者
バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。