20548-54-3 / 硫化鈣的晶體結構

概述^[1]

硫化鈣與硫化鈉等堿金屬硫化物一樣，都可以視作為強堿弱酸鹽，在水溶液中水解的只有S^{2 -}。通常情況下的飽和溶液中，水解的Na2S很少，而CaS的水解度卻很大，絕大部分CaS都要發生水解。飽和溶液中溶質的濃度愈大，水解的程度愈小。因此我們可以認為CaS遇水即要分解，化學反應方程式為：2CaS+2H20= Ca (OH)2 +Ca (HS)2。

綜上所述，CaS遇水發生分解的原因一方面是S2 -的水解能力較強，另一方面是因為CaS的溶解度很小（介于可溶與難溶之間），致使飽和溶液中的水解度很大。

CaS 的晶體結構^[2]

CaS 晶體結構與 NaCl 晶體結構一樣，屬面心立方結構，空間群為 Fm －3m，國際群號為 225． 通過材料模擬計算軟件 MS5． 0 中的量子力學計算軟件包 CASTEP模塊，在零壓強下對硫化鈣晶體結構進行幾何優化得到原胞的晶格常數 a = 4． 029，α = β = γ = 60°，與實驗值4． 022  非常接近，誤差僅為 0． 17%，結構如圖 1所示． 說明選用的參數適合該晶體的計算，后面的計算結果是可信的． 在優化結構的基礎上我們還計算了零壓下 CaS 晶體的能帶結構，計算結果得到帶隙為 2．390eV，并且價帶的最高點在 G 點，而導帶的最低點在X 點，不在同一位置，表明它為間接半導體，所以在光功能材料方面有重要應用．

不同壓強下的能帶結構^[2]

在不同壓強下先對硫化鈣晶體的結構進行幾何優化，然后計算 CaS 的能帶結構，結果如圖 2 所示．從圖 2 可以看出，硫化鈣的能帶主要有 4 條價帶與一條導帶，價帶較窄，導帶較寬，起伏較大． 隨著壓強的增加，波函數重疊增多，相互作用增大，能帶逐漸展寬，當壓強增大到 150GPa 時，最高價帶與導帶在費米面上發生重疊． 而帶隙隨著壓強的增加，逐漸減小，最后帶隙減小為零，帶隙隨壓強的具體變化關系如圖 3 所示． 在低壓區域，帶隙隨壓強的變化非常明顯，零壓時帶隙為2． 390eV，壓強為 50GPa 時帶隙減小為 0． 936eV;當壓強為 150GPa 時，帶隙減小到零，意味著在此壓強下晶體變為導體． 計算結果表明在 0 ～ 150GPa 范圍內，CaS 晶體是半導體，隨著壓強的增加帶隙逐漸減小，當壓強大于 150GPa 時，帶隙減小為零，CaS 晶體變為導體，說明150GPa 是 CaS 晶體從半導體轉化為導體的臨界壓強．

參考文獻

[1]徐冬梅主編,化學世界之謎,北方婦女兒童出版社,2013.07,第122頁

[2]張淑華,柳福提,程曉洪.高壓下硫化鈣的電子結構與光學性質[J].宜賓學院學報,2012,12(12):50-52.