与几何晶体学相似,晶体化学的产生也与人们对矿物的探索有很大关系。1844年,美国矿物学家James Dwight Dana(1813—1895年)提出了矿物化学分类。该分类与第2章介绍的晶系、晶族理论一起标志着经典矿物学的成熟。19世纪中后期,矿物学产生了两个主要研究领域:一是以晶体几何形状为基础的晶体学;二是以矿物化学成分为主要内容的矿物化学。矿物大量存在于地球尤其是地壳中,科学家们研究地球上矿物的形成、分布及成分主要是想了解地球的形成和演变。根据这些研究,科学家们还可以将其推广到地外天体,以了解这些天体的形成和成分。
随着显微镜的完善、元素周期表的出现和X射线衍射的使用,科学家们开始对矿物的成分、成因有了一定的了解。当初,X射线进入矿物学是比较晚的。不仅如此,那时候晶体结构分析的科学新思想对化学家来说也比较艰难。在X射线的判决实验中,Bragg父子最早用X射线测定了NaCl的晶体结构。他们的这项工作使一些化学家感到不安。1927年,William Lawrence Bragg指出:NaCl晶体中并不存在以“NaCl”为代表的分子,而是等数量的Na、Cl原子占据在如同国际象棋棋盘一样的格子上。该观点受到了一位化学家的冷嘲热讽。该化学家要同行们看好化学,避免对假神的崇拜。(www.daowen.com)
与此同时,挪威学者、地球化学家Victor Moritz Goldschmidt(1888—1947年)也注意到了原子结构和X射线等新发现。1920年代左右,他将这些新发现和物理化学、Gibbs相律等理论引入到自己的研究中。Goldschmidt把化学、矿物学和地质学融合在一起,用他天才般的无机化学分析技巧研究了地球元素的分布状态,并使其系统化。在此过程中,他建立了地球化学的理论和方法。那时,Lawrence Bragg等正在研究SiO2、硅酸盐晶体结构。Bragg等的研究为晶体化学的形成奠定了一定的基础。Goldschmidt在这方面的主要工作完成于1923—1929年。他在开始分析矿物结构时,就意识到自己知识、仪器有限,不能像Bragg等那样去分析硅酸盐一类的复杂矿物。于是,Goldschmidt就研究化学式形如AX、AX2的矿物。这些矿物大多是岩石的组成成分,如CsCl、金红石(TiO2)、萤石(CaF2)、刚玉(Al2O3)等。用了几个月的时间,他就分析了75种元素构成的约200种晶体结构。Goldschmidt在其研究中还提出了离子半径和配位数等概念以及晶体化学第一定律,并发现了镧系收缩。他用离子尺寸解释了晶体结构的变化。随后,他还研究了金属、合金,并提出了金属原子半径的概念。由此,他被称为现代合金化学的奠基人。因此,Goldschmidt对晶体化学做出了关键性贡献。晶体化学可以说是由他创立的一门科学。不久之后,Goldschmidt的这些理论和想法与Bragg等建立起的理论一起由Linus Carl Pauling(1901—1994年)加以发展。1929年,Pauling提出了解释离子晶体结构的五个规则。这些理论和规则一并进入了晶体化学。
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