レッスン
理論 — 結晶の充填:金属の空間はどのくらい埋まっているのか
結晶は一つの単位格子を繰り返します。原子の数を数える際は、共有されている部分を考慮します。頂点の原子は八つの格子に属し、面の原子は二つに属します。充填率は、単位格子のうち原子が占める割合のことです。各原子が最近接原子とちょうど接する球であるとすると、φ = n · (4/3)πr³ / Vとなります。ここで、半径rは最近接原子間距離の半分です。同じ単位格子から密度も求まります。格子には既知の質量を持つn個の原子が含まれるため、ρ = nM / (NAV)となります。
各記号の意味
a- 格子定数:立方格子の1辺の長さ、または六方晶系の底面の1辺の長さ。X線回折や中性子回折によって測定される
n- 単位格子中の原子数。頂点の原子を⅛、面の原子を½として数える
r- 接する球の半径。二つの原子の中心間の最短距離の半分
φ- 充填率。単位格子の体積のうち、球の内部が占める割合
- 前提
- すべての原子を同じ半径の剛体球とし、格子内の最短距離に沿って接していると仮定しています。格子定数は、912 °Cの鉄と283 Kのポロニウムを除き、Wyckoffの1963年のデータ集から得た室温の値です。また、結晶は完璧であるとしています。原子の欠損や不純物はなく、単一の同位体混合物からなり、標準原子量を持ちます。このページで表示される密度はすべて、このような理想的な結晶のX線密度です。実際の試料にある細孔や空孔は、この値を下げる方向にしか働きません。
- 成り立たない場合
- 原子が剛体球ではない場合、この前提は崩れます。このページ自身もそれを二度示しています。鉄の半径は隣接原子の数によって2.52%変化しますし、亜鉛のc/aは層間と層内で結合が異なることを物語っています。また、二種類のイオンが異なる半径を持ち、別の規則で充填される化合物の場合も同様です。さらに、アボガドロ・プロジェクトが行ったように、空孔、不純物、同位体比をすべて測定しなければならない10億分の1の精度の世界でも、この前提は成り立ちません。
全プロセスの詳細解説
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シリコン球でアボガドロ数を数える 4 ステップ
2017年、国際アボガドロ・プロジェクトは、ケイ素28の割合を99.9985%まで高めた1 kgのシリコン球について報告しました。 そのモル質量は27.976942674 g/mol、格子定数は543.0996218 pm、密度は2320.068748 kg/m³でした。ケイ素はダイヤモンド構造を持ちます。1モルの中に原子はいくつあるでしょうか。
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ダイヤモンドの単位格子には八つの原子が含まれます。八つの頂点がそれぞれ⅛、六つの面がそれぞれ½、そして内部に四つあります。
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その体積はa³です。a = 5.430996218×10⁻⁸ cmとすると、1.6019114×10⁻²² cm³になります。
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質量は密度に体積をかけたものなので、2.320068748 g/cm³ × 1.6019114×10⁻²² cm³ = 3.7165447×10⁻²² gです。したがって、原子一つの重さはその八分の一の4.6456808×10⁻²³ gになります。
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これらの原子1モルの重さは27.976942674 gです。これを原子一つの質量で割れば、原子の数がわかります。
解答
NA = 1モルあたり6.022140516×10²³個。これは論文がこの球体について提示している10桁すべての数値と一致します。このページでは同じ計算を逆向きに行っています。ケイ素を押すと、天然ケイ素の5.4307 Å、八つの原子、28.085 g/molから2.329 g/cm³が導かれます。2019年以降、アボガドロ定数は定義により6.02214076×10²³に固定されました。そのため、現在では測定の向きが逆になり、数えられた原子から質量を求めるようになっています。これは、キログラムを現示する最も正確な二つの方法のうちの一つです。
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参考文献 (3)
- Every room-temperature lattice parameter on the page, entry by entry, from Wyckoff's compilation as the Crystallography Open Database transcribes it: R. W. G. Wyckoff, Crystal Structures, vol. 1, 2nd edition. Interscience, New York, 1963; entries 9008460-9008565 of the Crystallography Open Database (crystallography.net). Polonium: W. H. Beamer and C. R. Maxwell, J. Chem. Phys. 17, 1293 (1949), COD 1509138.
- Iron's two lattice parameters at 912 °C, from neutron diffraction in the furnace: M. Onink, C. M. Brakman, F. D. Tichelaar, E. J. Mittemeijer, S. van der Zwaag, J. H. Root and N. B. Konyer, "The lattice parameters of austenite and ferrite in Fe-C alloys as functions of carbon concentration and temperature." Scripta Metallurgica et Materialia 29(8), 1993, pp. 1011-1016. DOI 10.1016/0956-716X(93)90169-S
- The silicon-28 sphere of the worked problem, and the Avogadro constant it gave: G. Bartl, P. Becker, B. Beckhoff et al. (33 authors), "A new ²⁸Si single crystal: counting the atoms for the new kilogram definition." Metrologia 54(5), 2017, pp. 693-715. DOI 10.1088/1681-7575/aa7820