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实验起因
当工作和生活无法分开的时候，我们的职业都在潜移默化地影响着孩子的兴趣。对于从事晶体学工作的我们，孩子们也最早接触了晶体。当儿子告诉他的小伙伴，他的玩具枪带X射线的时候，在哑然失笑的同时，我不禁思考是不是要跟他解释下什么是X射线，想想还是算了...
不过相对于X射线这么枯燥的东西，小朋友对五颜六色，各种形状的晶体表现出更浓厚的兴趣。当在博物馆看到水晶生长的玩具后，便央求要买一个做实验。而我好奇的是“水晶”不应该是SiO2吗？这个晶体如何生长？而且还有各种颜色。翻遍了包装盒，也没有找到任何原料的信息。那么要解开这个谜题，就只能带着小朋友来做实验了。（注：实验用品来自淘宝“同款”，非下图进口产品）
▲图1 Growing Crystal Kit
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实验进行中
这个晶体生长的Kit里，原料看来就是一包绿色的粉末。实验过程就不再详细介绍了，无外乎是溶解后，过饱和溶液的析出。有意思的在于刚开始的“种晶”，让我想起来学生时代用猫胡子做的“seeding”。实验进行的很顺利，在两个星期后长出了泛着淡绿色的“水晶”，当然买家秀和卖家秀还是差了不少。然而可以肯定的是，这就是一种“盐”，绝对不会是SiO2。所以这里的“水晶”，其实意思是水里长的晶体。
▲图2 DIY“水晶”
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实验分析
有了晶体之后，后面的事情就简单了。像往常一样，我们快速用D8 VENTURE采集了数据去解析它的结构。即便我们对它一无所知，但这难不倒我们强大的科学助手。经过鉴定这个样品实际上是磷酸二氢铵（NH4H2PO4），也就是常见的一种“化肥”。而所谓的颜色只不过是加了一点染料而已。所以它完全不是大家心心念的硫酸铜。
不过结果不重要，重要的是过程。这个晶体实际上是个非常有意思的教学的材料。
首先是晶系的判定。在开始定晶胞的时候我们会发现这个晶体的对称性非常高，程序自动给出的是Cubic I。然而后续的数据还原，APEX3软件会告诉我们各种不正常。积分Rsym 过高，Scale校正模型不好。而我们将对称性降为Tetragonal I 后，所有的参数都变得很好。所以这个晶体只是因为a，b，c的大小非常接近，从而造成了Cubic I的假象。这就是我们书上看到的“晶胞参数是所属晶系的必要非充分条件”。
▲图3 真正的晶系
另外这个结构的解析也非常有意思。单纯地认为这个无趣的盐，就低估了这个晶体的魅力。由于四次轴的存在，不对称单位中只是完整分子的1/4。两个Q峰的位置无疑应当是H（图4-A）。然而在将它们指认为H后，有意思的事情出现了。由于对称性的存在，PO4周围出现了四个H，且占有率为50%。这很显然是晶体结构中的统计分布造成的（图4-B）。但是O1-H2的键长有1.25A，且位于两个氧原子的正中央，这就有些不对了（ICSD数据库中的结构也是如此）。究其原因这应该是两边的H原子的电子云的平均位置造成的假象，而且专业的老师告诉我这里存在H原子在两个氧原子之间动态的交换，组成连续的H键网络。所以个人觉得合理的结构应当是按照无序处理后的图4-C.
▲图4 磷酸二氢铵的结构解析
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实验结论
总结而言，染色的“水晶”很漂亮，小朋友们很喜欢。磷酸二氢铵晶体虽然组成简单，却包含了对晶系的判定以及无序的理解。
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