硫化钙的晶体结构

概述^[1]

硫化钙与硫化钠等碱金属硫化物一样，都可以视作为强碱弱酸盐，在水溶液中水解的只有S^{2 -}。通常情况下的饱和溶液中，水解的Na2S很少，而CaS的水解度却很大，绝大部分CaS都要发生水解。饱和溶液中溶质的浓度愈大，水解的程度愈小。因此我们可以认为CaS遇水即要分解，化学反应方程式为：2CaS+2H20= Ca (OH)2 +Ca (HS)2。

综上所述，CaS遇水发生分解的原因一方面是S2 -的水解能力较强，另一方面是因为CaS的溶解度很小（介于可溶与难溶之间），致使饱和溶液中的水解度很大。

CaS 的晶体结构^[2]

CaS 晶体结构与 NaCl 晶体结构一样，属面心立方结构，空间群为 Fm －3m，国际群号为 225． 通过材料模拟计算软件 MS5． 0 中的量子力学计算软件包 CASTEP模块，在零压强下对硫化钙晶体结构进行几何优化得到原胞的晶格常数 a = 4． 029，α = β = γ = 60°，与实验值4． 022  非常接近，误差仅为 0． 17%，结构如图 1所示． 说明选用的参数适合该晶体的计算，后面的计算结果是可信的． 在优化结构的基础上我们还计算了零压下 CaS 晶体的能带结构，计算结果得到带隙为 2．390eV，并且价带的最高点在 G 点，而导带的最低点在X 点，不在同一位置，表明它为间接半导体，所以在光功能材料方面有重要应用．

不同压强下的能带结构^[2]

在不同压强下先对硫化钙晶体的结构进行几何优化，然后计算 CaS 的能带结构，结果如图 2 所示．从图 2 可以看出，硫化钙的能带主要有 4 条价带与一条导带，价带较窄，导带较宽，起伏较大． 随着压强的增加，波函数重叠增多，相互作用增大，能带逐渐展宽，当压强增大到 150GPa 时，最高价带与导带在费米面上发生重叠． 而带隙随着压强的增加，逐渐减小，最后带隙减小为零，带隙随压强的具体变化关系如图 3 所示． 在低压区域，带隙随压强的变化非常明显，零压时带隙为2． 390eV，压强为 50GPa 时带隙减小为 0． 936eV;当压强为 150GPa 时，带隙减小到零，意味着在此压强下晶体变为导体． 计算结果表明在 0 ～ 150GPa 范围内，CaS 晶体是半导体，随着压强的增加带隙逐渐减小，当压强大于 150GPa 时，带隙减小为零，CaS 晶体变为导体，说明150GPa 是 CaS 晶体从半导体转化为导体的临界压强．

参考文献

[1]徐冬梅主编,化学世界之谜,北方妇女儿童出版社,2013.07,第122页

[2]张淑华,柳福提,程晓洪.高压下硫化钙的电子结构与光学性质[J].宜宾学院学报,2012,12(12):50-52.