Koliko se tipova kristalnih struktura razlikuje. Vrste kristalnih struktura. Glavne vrste kristalnih struktura
Sadržaj članka
KRISTALI- tvari u koje su najsitnije čestice (atomi, joni ili molekuli) "spakovane" određenim redoslijedom. Kao rezultat toga, tokom rasta kristala, na njihovoj površini se spontano pojavljuju ravna lica, a sami kristali poprimaju različite geometrijske oblike. Svi koji su posjetili muzej mineralogije ili izložbu minerala, nisu mogli a da se ne dive gracioznosti i ljepoti oblika koje poprimaju "nežive" tvari.
A ko se nije divio pahuljama, čija je raznolikost zaista beskrajna! Još u 17. veku. poznati astronom Johanes Kepler napisao je raspravu O heksagonalnim pahuljama a tri veka kasnije objavljeni su albumi koji sadrže zbirke uvećanih fotografija hiljada pahuljica i nijedna od njih ne ponavlja drugu.
Zanimljivo je porijeklo riječi "kristal" (zvuči gotovo isto na svim evropskim jezicima). Pre mnogo vekova, među večnim snegovima u Alpima, na teritoriji savremene Švajcarske, pronašli su veoma lepe, potpuno bezbojne kristale, koji veoma podsećaju na čisti led. Drevni prirodnjaci su ih tako zvali - "crystallos", na grčkom - led; Ova riječ dolazi od grčkog "krios" - hladnoća, mraz. Vjerovalo se da se led, dugo vremena u planinama, na jakom mrazu, skameni i gubi sposobnost topljenja. Jedan od najautoritativnijih antičkih filozofa, Aristotel, napisao je da se "crystallos rađa iz vode kada potpuno izgubi toplinu". Rimski pjesnik Klaudijan je 390. godine opisao istu stvar u stihovima:
U žestokoj alpskoj zimi led se pretvara u kamen.
Sunce nije u stanju da otopi takav kamen.
Sličan zaključak donesen je u davna vremena u Kini i Japanu - led i gorski kristal su tamo označavani istom riječju. Pa čak i u 19. veku. pjesnici su često kombinirali ove slike zajedno:
Jedva proziran led, bledi nad jezerom,
Pokrio je nepomične mlaznice kristalom.
A.S. Puškin. Za Ovidija
Posebno mjesto među kristalima zauzima drago kamenje koje je od davnina privlačilo ljudsku pažnju. Ljudi su naučili kako umjetno dobiti mnogo dragog kamenja. Na primjer, ležajevi za satove i druge precizne instrumente odavno se prave od umjetnih rubina. Oni također umjetno proizvode prekrasne kristale koji uopće ne postoje u prirodi. Na primjer, kubni cirkonij - njihovo ime dolazi od skraćenice FIAN - Fizički institut Akademije nauka, gdje su prvi put dobijeni. Kristali kubičnog cirkonija ZrO 2 su kristali kubičnog cirkonija koji izgledaju vrlo slični dijamantima.
Struktura kristala.
Ovisno o strukturi, kristali se dijele na jonske, kovalentne, molekularne i metalne. Jonski kristali su građeni od naizmjeničnih kationa i aniona, koji se drže u određenom redoslijedu silama elektrostatičkog privlačenja i odbijanja. Elektrostatičke sile su neusmjerene: svaki ion može držati oko sebe onoliko jona suprotnog predznaka koliko stane. Ali u isto vrijeme, sile privlačenja i odbijanja moraju biti izbalansirane i cjelokupna električna neutralnost kristala mora biti očuvana. Sve to, uzimajući u obzir veličinu iona, dovodi do različitih kristalnih struktura. Dakle, kada ioni Na + (njihov radijus je 0,1 nm) i Cl - (radijus 0,18 nm) interaguju, dolazi do oktaedarske koordinacije: svaki ion drži šest jona suprotnog predznaka koji se nalaze na vrhovima oktaedra. U ovom slučaju svi kationi i anioni formiraju najjednostavniju kubičnu kristalnu rešetku, u kojoj su vrhovi kocke naizmjenično okupirani Na + i Cl - ionima. Slično su raspoređeni i kristali KCl, BaO, CaO i niza drugih supstanci.
Cs + joni (radijus 0,165 nm) su po veličini bliski Cl - jonima, a dolazi do kubične koordinacije: svaki ion je okružen sa osam jona suprotnog predznaka, koji se nalaze na vrhovima kocke. U tom slučaju se formira kristalna rešetka usredsređena na tijelo: u središtu svake kocke formirane od osam kationa nalazi se jedan anjon i obrnuto. (Zanimljivo je da se na 445°C CsCl pretvara u jednostavnu kubičnu rešetku tipa NaCl.) Kristalne rešetke CaF 2 (fluorita) i mnogih drugih jonskih jedinjenja su složenije. U nekim ionskim kristalima, složeni poliatomski anjoni mogu se kombinirati u lance, slojeve ili formirati trodimenzionalni okvir, u čijim se šupljinama nalaze kationi. Tako su, na primjer, raspoređeni silikati. Jonski kristali tvore većinu soli neorganskih i organskih kiselina, oksida, hidroksida, soli. U ionskim kristalima, veze između jona su jake, stoga takvi kristali imaju visoke tačke topljenja (801 °C za NaCl, 2627 °C za CaO).
U kovalentnim kristalima (oni se nazivaju i atomskim) na čvorovima kristalne rešetke nalaze se atomi, identični ili različiti, koji su povezani kovalentnim vezama. Ove veze su jake i usmjerene ispod određenim uglovima. Tipičan primjer je dijamant; u njegovom kristalu, svaki atom ugljika je vezan za četiri druga atoma smještena na vrhovima tetraedra. Kovalentni kristali formiraju bor, silicijum, germanijum, arsen, ZnS, SiO 2 , ReO 3 , TiO 2 , CuNCS. Budući da ne postoji oštra granica između polarnih kovalentnih i ionskih veza, isto vrijedi i za ionske i kovalentne kristale. Dakle, naelektrisanje na atomu aluminijuma u Al 2 O 3 nije +3, već samo +0,4, što ukazuje na veliki doprinos kovalentne strukture. Istovremeno, u kobalt aluminatu CoAl 2 O 4 naelektrisanje na atomima aluminijuma raste na +2,8, što znači dominaciju jonskih sila. Kovalentni kristali su općenito tvrdi i vatrostalni.
Molekularni kristali su građeni od izoliranih molekula između kojih djeluju relativno slabe privlačne sile. Kao rezultat, takvi kristali imaju mnogo niže tačke topljenja i ključanja, a njihova tvrdoća je niska. Dakle, kristali plemenitih gasova (izgrađeni su od izolovanih atoma) tope se već na veoma niskim temperaturama. Od anorganskih jedinjenja molekularni kristali formiraju mnoge nemetale (plemeniti gasovi, vodonik, azot, beli fosfor, kiseonik, sumpor, halogeni), jedinjenja čije molekule nastaju samo kovalentnim vezama (H 2 O, HCl, NH 3, CO 2 itd.). Ova vrsta kristala je takođe karakteristična za skoro sva organska jedinjenja. Snaga molekularnih kristala ovisi o veličini i složenosti molekula. Tako se kristali helijuma (atomski radijus 0,12 nm) tope na –271,4°C (pod pritiskom od 30 atm), a kristali ksenona (radijus 0,22 nm) tope se na –111,8°C; kristali fluora se tope na –219,6°C, a jod na +113,6°C; metan CH 4 - na -182,5 °C, i triakontan C 30 H 62 - na + 65,8 °C.
Metalni kristali formiraju čiste metale i njihove legure. Takvi kristali se mogu vidjeti na lomu metala, kao i na površini pocinčanog lima. Kristalnu rešetku metala formiraju kationi, koji su povezani pokretnim elektronima („elektronski plin“). Ova struktura određuje električnu provodljivost, savitljivost, visoku refleksivnost (sjaj) kristala. Struktura metalnih kristala nastaje kao rezultat različitog pakovanja atoma-loptica. Alkalni metali, hrom, molibden, volfram, itd. formiraju kubičnu rešetku usredsređenu na telo; bakar, srebro, zlato, aluminijum, nikl, itd. - kubična rešetka centrirana na lice (pored 8 atoma na vrhovima kocke, još 6 se nalazi u centru lica); berilij, magnezij, kalcij, cink, itd. - takozvana heksagonalna gusta rešetka (ima 12 atoma smještenih na vrhovima pravokutne heksagonalne prizme, 2 atoma - u središtu dvije baze prizme i još 3 atoma - na vrhovima trougla u centru prizme).
Sva kristalna jedinjenja mogu se podijeliti na mono- i polikristalna. Monokristal je monolit sa jednom neporemećenom kristalnom rešetkom. Veliki prirodni monokristali su vrlo rijetki. Većina kristalnih tijela je polikristalna, odnosno sastoje se od mnogo malih kristala, ponekad vidljivih samo pod velikim uvećanjem.
Rast kristala.
Mnogi istaknuti naučnici koji su dali veliki doprinos razvoju hemije, mineralogije i drugih nauka započeli su svoje prve eksperimente upravo rastom kristala. Pored čisto vanjskih efekata, ovi eksperimenti nas navode na razmišljanje o tome kako su kristali raspoređeni i kako se formiraju, zašto različite tvari formiraju kristale. različitih oblika, a neki uopće ne formiraju kristale, šta treba učiniti da kristali budu veliki i lijepi.
Evo jednostavnog modela koji objašnjava suštinu kristalizacije. Zamislite da se u velikoj sali postavlja parket. Najlakše je raditi s pločicama kvadratnog oblika - kako god okrenete takvu pločicu, ona će i dalje stati na svoje mjesto, a posao će ići brzo. Zato spojevi koji se sastoje od atoma (metala, plemenitih plinova) ili malih simetričnih molekula lako kristaliziraju. Takva jedinjenja, u pravilu, ne stvaraju nekristalne (amorfne) tvari.
Teže je postaviti parket od pravokutnih dasaka, pogotovo ako imaju utore i izbočine sa strane - tada se svaka ploča može postaviti na svoje mjesto na jedan način. Posebno je teško postaviti uzorak parketa od dasaka složenog oblika.
Ako se parket žuri, pločice će prebrzo stići na mjesto postavljanja. Jasno je da ispravan obrazac sada neće funkcionirati: ako je pločica iskrivljena barem na jednom mjestu, onda će sve biti krivo, pojavit će se praznine (kao u staroj kompjuterskoj igrici Tetris, u kojoj je "čaša" ispunjena detalji prebrzo). Ništa dobro od toga neće biti čak ni ako desetak majstora odjednom počne da postavlja parket u velikoj hali, svaki iz svog mjesta. Čak i ako rade sporo, krajnje je sumnjivo da će susjedni dijelovi biti dobro spojeni, a općenito će se pogled na prostoriju pokazati vrlo ružnim: na različitim mjestima pločice se nalaze u različitim smjerovima, a rupe zjape između odvojenih delova ravnog parketa.
Približno isti procesi se dešavaju i tokom rasta kristala, samo što je poteškoća ovdje i u činjenici da čestice ne moraju stati u ravninu, već u volumen. Ali na kraju krajeva, ovdje nema "parketa" - ko stavlja čestice materije na njihovo mjesto? Ispostavilo se da se uklapaju sami, jer kontinuirano vrše termičke pokrete i "traže" sebi najpogodnije mjesto, gdje će im biti "najzgodnije". U ovom slučaju, "pogodnost" podrazumijeva i energetski najpovoljniju lokaciju. Jednom na takvom mjestu na površini rastućeg kristala, čestica materije može tamo ostati i nakon nekog vremena biti već unutar kristala, ispod novih nagomilanih slojeva materije. Ali moguća je i druga stvar - čestica će ponovo napustiti površinu u otopini i ponovo početi "tražiti" gdje joj je zgodnije da se smjesti.
Svaka kristalna supstanca ima određeni spoljašnji oblik kristala koji joj je svojstven. Na primjer, za natrijum hlorid ovaj oblik je kocka, za kalijum alum je oktaedar. Čak i ako je isprva takav kristal imao nepravilan oblik, ipak će se prije ili kasnije pretvoriti u kocku ili oktaedar. Štoviše, ako je kristal ispravnog oblika namjerno pokvaren, na primjer, njegovi vrhovi su otkucani, rubovi i lica oštećeni, tada će s daljnjim rastom takav kristal početi sam "liječiti" svoje oštećenje. To se događa zato što "ispravna" kristalna lica rastu brže, "pogrešna" sporije rastu. Da bi se to potvrdilo, izveden je sljedeći eksperiment: lopta je isklesana iz kristala soli, a zatim je stavljena u zasićeni rastvor NaCl; nakon nekog vremena, sama lopta se postepeno pretvorila u kocku! Rice. 6 Kristalni oblici nekih minerala
Ako proces kristalizacije nije prebrz, a čestice imaju pogodan oblik za slaganje i veliku pokretljivost, lako pronalaze svoje mjesto. Ako je, međutim, pokretljivost čestica niske simetrije naglo smanjena, tada se nasumično "zamrzavaju", tvoreći prozirnu masu sličnu staklu. Ovo stanje materije naziva se staklasto stanje. Primjer je obično prozorsko staklo. Ako se staklo dugo drži jako vrućim, kada su čestice u njemu dovoljno pokretne, u njemu će početi rasti kristali silikata. Takvo staklo gubi svoju transparentnost. Ne samo da silikati mogu biti staklasti. Dakle, uz polagano hlađenje etil alkohola, kristalizira na temperaturi od -113,3 ° C, formirajući bijelu masu nalik snijegu. Ali ako se hlađenje izvrši vrlo brzo (spustite tanku ampulu s alkoholom u tekući dušik na temperaturi od -196 ° C), alkohol će se tako brzo stvrdnuti da njegovi molekuli neće imati vremena za izgradnju pravilnog kristala. Rezultat je prozirno staklo. Isto se događa i sa silikatnim staklom (na primjer, prozorskim staklom). Uz vrlo brzo hlađenje (milioni stepeni u sekundi), čak se i metali mogu dobiti u nekristalnom staklastom stanju.
Teško je kristalizirati supstance s "neudobnim" oblikom molekula. Takve tvari uključuju, na primjer, proteine i druge biopolimere. Ali obični glicerin, koji ima tačku topljenja od + 18 ° C, lako se hladi kada se ohladi, postupno se skrući u staklastu masu. Činjenica je da je već na sobnoj temperaturi glicerin vrlo viskozan, a kada se ohladi postaje prilično gust. U isto vrijeme, asimetričnim molekulima glicerola je vrlo teško da se poredaju u strogom redu i formiraju kristalnu rešetku.
Metode uzgoja kristala.
Može se izvršiti kristalizacija Različiti putevi. Jedan od njih je hlađenje zasićene vruće otopine. Na svakoj temperaturi ne može se otopiti više od određene količine tvari u određenoj količini rastvarača (na primjer, u vodi). Na primjer, 200 g kalijevog aluma može se otopiti u 100 g vode na 90°C. Takvo rješenje naziva se zasićeno. Sada ćemo ohladiti rastvor. Sa smanjenjem temperature, rastvorljivost većine supstanci opada. Dakle, na 80 ° C ne može se otopiti više od 130 g stipse u 100 g vode. Gdje će otići preostalih 70 g? Ako se hlađenje izvrši brzo, višak tvari će se jednostavno istaložiti. Ako se ovaj talog osuši i ispita jakim povećalom, tada se može vidjeti mnogo malih kristala.
Kada se otopina ohladi, čestice tvari (molekula, jona), koje više ne mogu biti u otopljenom stanju, lijepe se jedna za drugu, formirajući sitne embrionalne kristale. Formiranje jezgri olakšavaju nečistoće u otopini, poput prašine, najmanjih nepravilnosti na zidovima posude (hemičari ponekad posebno trljaju staklenu šipku o unutrašnje stijenke stakla kako bi se supstanca kristalizirala). Ako se otopina polako hladi, formira se nekoliko jezgara, koje postepeno rastu sa svih strana, pretvaraju se u prekrasne kristale pravilnog oblika. Brzim hlađenjem nastaju mnoge jezgre, a čestice iz otopine će se "izliti" na površinu rastućih kristala, poput graška iz poderane vrećice; naravno, u ovom slučaju se neće dobiti ispravni kristali, jer čestice u rastvoru možda jednostavno neće imati vremena da se „talože“ na površinu kristala na svom mestu. Osim toga, mnogi brzo rastući kristali ometaju jedni druge baš kao i nekoliko parketa koji rade u istoj prostoriji. Strane čvrste nečistoće u rastvoru takođe mogu igrati ulogu kristalizacionih centara, pa što je rastvor čistiji, veća je verovatnoća da će centara kristalizacije biti malo.
Nakon hlađenja rastvora stipse zasićene na 90°C na sobnu temperaturu, imaćemo već 190 g u sedimentu, jer se na 20°C samo 10 g stipse rastvara u 100 g vode. Hoće li to rezultirati jednim velikim kristalom ispravnog oblika težine 190 g? Nažalost, ne: čak i u vrlo čistoj otopini, malo je vjerovatno da će jedan kristal početi rasti: masa kristala može se formirati na površini rashladne otopine, gdje je temperatura nešto niža nego u zapremini, kao i na stijenke i dno posude.
Metoda uzgoja kristala postupnim hlađenjem zasićenog rastvora nije primenljiva na supstance čija rastvorljivost malo zavisi od temperature. Takve tvari uključuju, na primjer, natrijum i aluminij kloride, kalcijum acetat.
Druga metoda za dobivanje kristala je postepeno uklanjanje vode iz zasićene otopine. Kristalizira se "dodatna" supstanca. I u ovom slučaju, što sporije isparava voda, to se dobijaju bolji kristali.
Treći metod je rast kristala iz rastopljenih supstanci polaganim hlađenjem tečnosti. Kada se koriste sve metode, najbolji rezultati se postižu ako se koristi sjeme - mali kristal pravilnog oblika, koji se stavlja u otopinu ili rastopi. Na taj način se, na primjer, dobijaju kristali rubina. Rast kristala dragog kamenja odvija se vrlo sporo, ponekad godinama. Ako se, međutim, ubrza kristalizacija, tada će se umjesto jednog kristala ispostaviti masa malih.
Kristali mogu rasti i kada se pare kondenzuju - tako se dobijaju pahulje i šare na hladnom staklu. Kada se metali istiskuju iz otopina njihovih soli uz pomoć aktivnijih metala, također nastaju kristali. Na primjer, ako se željezni čavao spusti u otopinu bakrenog sulfata, bit će prekriven crvenim slojem bakra. Ali nastali kristali bakra su toliko mali da se mogu vidjeti samo pod mikroskopom. Na površini nokta bakar se vrlo brzo oslobađa, pa su njegovi kristali premali. Ali ako se proces uspori, kristali će se pokazati velikim. Da biste to učinili, bakreni sulfat treba prekriti debelim slojem kuhinjske soli, na njega staviti krug filter papira, a na vrhu - željeznu ploču nešto manjeg promjera. Ostaje sipati zasićenu otopinu kuhinjske soli u posudu. plavi vitriolće se polako otapati u salamuri (rastvorljivost u njoj je manja nego u čistoj vodi). Joni bakra (u obliku kompleksnih anjona CuCl 4 2– zeleni) će vrlo sporo, tokom mnogo dana, difundirati prema gore; proces se može posmatrati pomicanjem obojene granice.
Došavši do željezne ploče, ioni bakra reduciraju se na neutralne atome. Ali pošto je ovaj proces veoma spor, atomi bakra se nižu u prelepe sjajne kristale metalnog bakra. Ponekad ovi kristali formiraju grane - dendrite. Promjenom uslova eksperimenta (temperatura, veličina kristala vitriola, debljina sloja soli i sl.) moguće je promijeniti uslove za kristalizaciju bakra.
prehlađena rješenja.
Ponekad zasićeni rastvor ne kristališe pri hlađenju. Takva otopina, koja u određenoj količini rastvarača sadrži više otopljene tvari nego što se "pretpostavlja" na datoj temperaturi, naziva se prezasićenom otopinom. Prezasićena otopina se ne može dobiti čak ni dugim miješanjem kristala s rastvaračem, već se može formirati samo hlađenjem vruće zasićene otopine. Stoga se takva rješenja nazivaju i prehlađena. Nešto u njima ometa početak kristalizacije, na primjer, otopina je previše viskozna ili su potrebne velike jezgre za rast kristala, kojih nema u otopini.
Rastvori natrijum tiosulfata Na 2 S 2 O 3 lako se prehlađeni. 5H 2 O. Ako pažljivo zagrijete kristale ove supstance na oko 56°C, oni će se "otopiti". U stvari, to nije topljenje, već otapanje natrijum tiosulfata u „vlastitoj“ kristalizacionoj vodi. S povećanjem temperature, rastvorljivost natrijevog tiosulfata, kao i većine drugih supstanci, raste, a na 56 ° C njegova kristalna voda je dovoljna da otopi svu prisutnu sol. Ako sada pažljivo, izbjegavajući oštre udarce, ohladite posudu, kristali se neće formirati i supstanca će ostati tečna. Ali ako se gotov embrij, mali kristal iste supstance, unese u prehlađenu otopinu, tada će početi brza kristalizacija. Zanimljivo je da ga uzrokuje kristal samo ove tvari, a rješenje može biti potpuno ravnodušno za autsajdera. Stoga, ako dodirnete mali kristal tiosulfata na površinu otopine, dogodit će se pravo čudo: iz kristala će krenuti front kristalizacije, koji će brzo doći do dna posude. Tako će nakon nekoliko sekundi tečnost potpuno „stvrdnuti“. Posuda se može čak i okrenuti naopačke - ni jedna kap neće proliti iz nje! Čvrsti tiosulfat se može ponovo rastopiti vruća voda i ponovite sve iznova.
Ako se epruveta sa prehlađenom otopinom tiosulfata stavi u ledenu vodu, kristali će rasti sporije, a sami će biti veći. Kristalizacija prezasićene otopine praćena je njenim zagrijavanjem - to je oslobađanje toplinske energije dobivene kristalnim hidratom tijekom njegovog topljenja.
Natrijum tiosulfat nije jedina supstanca koja formira prehlađenu otopinu u kojoj se može izazvati brza kristalizacija. Na primjer, natrijum acetat CH 3 COONa ima slično svojstvo (lako ga je dobiti djelovanjem octene kiseline na sodu). Sa natrijum acetatom, iskusni predavači demonstriraju takvo "čudo": polako sipaju prezasićenu otopinu ove soli na malo staklo acetata u tanjuriću, koji u dodiru s kristalima odmah kristalizira, formirajući stupac čvrste soli!
Kristali se široko koriste u nauci i tehnologiji: poluprovodnici, prizme i sočiva za optičke uređaje, čvrsti laseri, piezoelektrici, feroelektrici, optički i elektrooptički kristali, feromagneti i ferit, monokristali metala visoke čistoće...
Studije rendgenske difrakcije kristala omogućile su utvrđivanje strukture mnogih molekula, uključujući i biološki aktivne - proteine, nukleinske kiseline.
Fasetirani kristali dragog kamenja, uključujući i umjetno uzgojeno, koriste se kao nakit.
Ilya Leenson
Klasifikacija kristalnih struktura na osnovu tipova hemijskih veza lokalizovanih u njima.Ako je veza između svih atoma u kristalu ista, onda se takve strukture nazivaju homodezmičkim (od grčkog Homo - isti, desmos - veza) Ako je više vrsta hemijskih veza koje se realizuju u kristalu, takve strukture se nazivaju heterodezmičke (od grčkog hetero - različit) Na osnovu rasporeda materijalnih čestica u kristalima, pet geometrijski različite vrste strukture - strukturni motivi: koordinacijski, otočni, lančani, slojeviti i okvirni.
Najgušće pakovanje čestica u kristalima Konstrukcija atoma ili jona molekula mora imati minimalnu unutrašnju energiju Metoda punjenja prostora kuglicama istog poluprečnika, pri čemu je rastojanje između centara čestica minimalno, naziva se najgušće pakovanje. Kuglice istog radijusa u jednom sloju mogu se spakovati što je moguće čvršće na jedini način: svaka kuglica je u sloju okružena sa šest najbližih susjeda, između nje i susjeda postoje trouglasti razmaci (sloj A). Drugi gusto zbijeni sloj se također može dobiti na jedinstven način: (sloj B), svaka gornja kugla će imati tri identična susjeda u donjem sloju i, obrnuto, svaka donja kuglica će biti u kontaktu sa gornje tri. U heksagonalnom pakovanju loptica, treći sloj tačno ponavlja prvi, a pakovanje se ispostavlja dvoslojnim i biće napisano kao alternacija dva sloja A i B: AB AB AB. U kubičnom pakovanju kuglica kuglice trećeg sloja (sloj C) nalaze se iznad praznina prvog, cijelo pakovanje je troslojno, ponavljanje motiva se javlja u četvrtom sloju, u slovnoj oznaci to biće napisano kao ABC ABC ....
U zbijenom prostoru mogu se razlikovati dvije vrste praznina. Praznine jedne vrste su okružene sa četiri susjedne lopte, a praznine druge vrste su okružene sa šest. Spajanjem težišta četiri kuglice dobijamo tetraedar - tetraedarska praznina, u drugom slučaju dobijamo prazninu u obliku oktaedra - oktaedarska praznina. Čitava raznolikost konstrukcija građenih na osnovu najbližih pakiranja uglavnom je određena kationskim motivima, odnosno vrstom, brojem i lokacijom zauzetih šupljina. U metodi modeliranja kristalnih struktura koju je predložio L. Pauling, sfere koje formiraju najbliže pakiranje uvijek odgovaraju anionima. Ako središta gravitacije ovih kuglica povežemo jedna s drugom linijama, tada se cijeli gusto zbijeni kristalni prostor dijeli na oktaedre i tetraedre bez praznina.
Projekcija na xy ravan kristalne strukture olivina (Mg, Fe)2 Razlikuju se koordinacijski poliedri – oktaedri – oko atoma Mg i Fe (M 1 i M 2) i tetraedri oko atoma Si
Koordinacioni brojevi i koordinacijski poliedri (poliedri) Broj najbližih susjeda koji okružuju datu česticu u kristalnim strukturama naziva se koordinacijskim brojem. Uslovni poliedar, u čijem središtu se nalazi čestica, a vrhovi su predstavljeni njegovim koordinacijskim okruženjem, naziva se koordinacijski poliedar.
Ostrvske strukture se sastoje od pojedinačnih terminalnih grupa (često molekula). U strukturi kristalnog hlora, izgrađenog od pojedinačnih molekula Cl, najkraća udaljenost između dva Cl atoma odgovara kovalentnoj vezi, dok minimalna udaljenost između atoma hlora iz različitih molekula odražava međumolekularnu interakciju, tj. Van der Waalsovu vezu.
Lančane strukture mogu se sastojati od neutralnih i zasićenih lanaca. Veza između atoma selena je kovalentna, a između atoma iz susjednih van der Waalsovih lanaca. U strukturi. N / A. HCO 3, vodonične veze grade karbonatne jone (HCO 3) - u lancima, veza između kojih se ostvaruje preko Na + jona
Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod
Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.
Kristali (od grčkog kseufbllt, izvorno - led, kasnije - gorski kristal, kristal) - čvrsta tijela u kojima su atomi pravilno raspoređeni, tvoreći trodimenzionalni periodični prostorni raspored - kristalnu rešetku.
Kristali su čvrsta tijela koja imaju prirodni vanjski oblik pravilnih simetričnih poliedara na osnovu svoje unutrašnje strukture, odnosno na jednom od nekoliko određenih pravilnih rasporeda koji čine supstancu čestica (atoma, molekula, jona).
Svojstva:
Uniformitet. Ovo svojstvo se očituje u činjenici da su dva identična elementarna volumena kristalne tvari, jednako orijentirana u prostoru, ali izrezana u različitim točkama ove tvari, apsolutno identična po svim svojim svojstvima: imaju istu boju, specifičnu težinu, tvrdoću , toplotnu provodljivost, električnu provodljivost i drugo
Mora se imati na umu da prave kristalne supstance vrlo često sadrže trajne nečistoće i inkluzije koje iskrivljuju njihove kristalne rešetke. Stoga se u stvarnim kristalima često ne događa apsolutna homogenost.
Anizotropija kristala
Mnogim kristalima je svojstvo anizotropije, odnosno ovisnost njihovih svojstava o smjeru, dok u izotropnim tvarima (većina plinova, tekućina, amorfnih čvrstih tijela) ili pseudo-izotropnim (polikristali) tijelima svojstva ne ovise o smjerovima. Proces neelastične deformacije kristala uvijek se odvija duž dobro definiranih sistema klizanja, odnosno samo duž određenih kristalografskih ravnina i samo u određenom kristalografskom pravcu. Zbog nehomogenog i nejednakog razvoja deformacija u različitim dijelovima kristalnog medija dolazi do intenzivne interakcije između ovih dijelova kroz evoluciju polja mikronaprezanja.
Istovremeno, postoje kristali u kojima nema anizotropije.
U fizici martenzitne neelastičnosti akumulirano je mnoštvo eksperimentalnog materijala, posebno o pitanjima efekata memorije oblika i plastičnosti transformacije. Eksperimentalno je dokazan najvažniji stav kristalne fizike o pretežnom razvoju neelastičnih deformacija gotovo isključivo putem martenzitnih reakcija. Ali principi konstruisanja fizičke teorije martenzitne neelastičnosti su nejasni. Slična situacija se dešava i u slučaju deformacije kristala mehaničkim dvojakom.
Značajan napredak postignut je u proučavanju dislokacijske plastičnosti metala. Ovdje se ne samo razumiju osnovni strukturni i fizički mehanizmi za implementaciju procesa neelastične deformacije, već su stvorene efikasne metode za proračun pojava.
Sposobnost samodestilacije je svojstvo kristala da formiraju lica tokom slobodnog rasta. ako se kuglica, na primjer kuhinjska sol, izrezana od neke tvari, stavi u njenu prezasićenu otopinu, tada će nakon nekog vremena ova kuglica poprimiti oblik kocke. Nasuprot tome, staklena perla neće promijeniti svoj oblik jer se amorfna tvar ne može samodestilirati.
konstantna tačka topljenja. Ako zagrijete kristalno tijelo, tada će njegova temperatura porasti do određene granice, uz daljnje zagrijavanje, tvar će se početi topiti, a temperatura će ostati konstantna neko vrijeme, jer će sva toplina otići na uništenje kristala rešetka. Temperatura na kojoj počinje topljenje naziva se tačka topljenja.
Sistematika kristala
Kristalna struktura
Kristalna struktura, koja je individualna za svaku supstancu, odnosi se na osnovna fizička i hemijska svojstva ove supstance. Kristalna struktura je takav skup atoma u kojem je određena grupa atoma, nazvana motivska jedinica, povezana sa svakom tačkom kristalne rešetke, a sve te grupe su iste po sastavu, strukturi i orijentaciji u odnosu na rešetku. Možemo pretpostaviti da struktura nastaje kao rezultat sinteze rešetke i motivske jedinice, kao rezultat množenja motivske jedinice sa prevodnom grupom.
U najjednostavnijem slučaju, motivska jedinica se sastoji od jednog atoma, na primjer, u kristalima bakra ili željeza. Struktura koja nastaje na temelju takve motivske jedinice geometrijski je vrlo slična rešetki, ali se ipak razlikuje po tome što je sastavljena od atoma, a ne tačaka. Često se ova okolnost ne uzima u obzir, a pojmovi "kristalna rešetka" i "kristalna struktura" za takve kristale se koriste kao sinonimi, što nije striktno. U slučajevima kada je motivska jedinica složenije kompozicije, sastoji se od dva ili više atoma, ne postoji geometrijska sličnost rešetke i strukture, a pomak ovih koncepata dovodi do grešaka. Tako se, na primjer, struktura magnezija ili dijamanta ne poklapa geometrijski sa rešetkom: u tim strukturama, motivske jedinice se sastoje od dva atoma.
Glavni parametri koji karakteriziraju kristalnu strukturu, od kojih su neki međusobno povezani, su sljedeći:
§ vrsta kristalne rešetke (siringonija, Bravaisova rešetka);
§ broj jedinica formule po osnovnoj ćeliji;
§ grupa prostora;
§ parametri jedinične ćelije (linearne dimenzije i uglovi);
§ koordinate atoma u ćeliji;
§ koordinacijski brojevi svih atoma.
Strukturni tip
Kristalne strukture koje imaju istu prostornu grupu i isti raspored atoma u kristalno-hemijskim pozicijama (orbitama) se kombinuju u strukturne tipove.
Najpoznatiji strukturni tipovi su bakar, magnezijum, b-gvožđe, dijamant (jednostavne supstance), natrijum hlorid, sfalerit, vurcit, cezijum hlorid, fluorit (binarna jedinjenja), perovskit, spinel (ternarna jedinjenja).
Kristalna ćelija
Čestice koje čine ovu čvrstu materiju formiraju kristalnu rešetku. Ako su kristalne rešetke stereometrijski (prostorno) iste ili slične (imaju istu simetriju), tada geometrijska razlika između njih leži, posebno, u različitim udaljenostima između čestica koje zauzimaju čvorove rešetke. Udaljenosti između samih čestica nazivaju se parametri rešetke. Parametri rešetke, kao i uglovi geometrijskih poliedara, određuju se fizičkim metodama strukturne analize, na primjer, metodama rendgenske strukturne analize.
Hostirano na http://www.allbest.ru/
Rice. Kristalna ćelija
Često čvrste materije formiraju (u zavisnosti od uslova) više od jednog oblika kristalne rešetke; takvi oblici se nazivaju polimorfne modifikacije. Na primjer, među jednostavnim supstancama poznati su ortorombni i monoklinski sumpor, grafit i dijamant, koji su heksagonalne i kubične modifikacije ugljika, među složene supstance-- Kvarc, tridimit i kristobalit su različite modifikacije silicijum dioksida.
Vrste kristala
Potrebno je razdvojiti idealni i pravi kristal.
Perfect Crystal
To je, zapravo, matematički objekt koji ima potpunu simetriju svojstvenu njemu, idealno glatke ivice.
pravi kristal
Uvek sadrži razne defekte unutrašnje strukture rešetke, izobličenja i nepravilnosti na licu i ima smanjenu simetriju poliedra zbog specifičnih uslova rasta, nehomogenosti hranidbenog medija, oštećenja i deformacija. Pravi kristal ne mora nužno imati kristalografske rubove i pravilan oblik, ali zadržava svoje glavno svojstvo - pravilan položaj atoma u kristalnoj rešetki.
Defekti kristalne rešetke (prava struktura kristala)
U stvarnim kristalima uvijek postoje odstupanja od idealnog poretka u rasporedu atoma, koja se nazivaju nesavršenosti ili defekti rešetke. Prema geometriji nastalih poremećaja rešetke, defekti se dijele na točkaste, linearne i površinske.
Point Defects
Na sl. 1.2.5 prikazuje različite vrste točkastih defekata. To su prazna mjesta - prazna mjesta rešetke, "vlastiti" atomi u međuprostorima i atomi nečistoća u mjestima i međuprostorima rešetke. Glavni razlog za nastanak prve dvije vrste defekata je kretanje atoma čiji se intenzitet povećava s povećanjem temperature.
Rice. 1.2.5. Vrste točkastih defekata u kristalnoj rešetki: 1 - prazno mjesto, 2 - atom u međuprostoru, 3 i 4 - atomi nečistoće na mjestu i međuprostoru, respektivno
Oko bilo kojeg točkastog defekta javlja se lokalna distorzija rešetke s radijusom R od 1 ... 2 perioda rešetke (vidi sliku 1.2.6), stoga, ako ima mnogo takvih defekata, oni utiču na prirodu distribucije međuatomske veze sile i, shodno tome, svojstva kristala.
Rice. 1.2.6. Lokalno izobličenje kristalne rešetke oko slobodnog mjesta (a) i atoma nečistoće na mjestu rešetke (b)
Defekti linije
Linearni defekti se nazivaju dislokacije. Njihova pojava je uzrokovana prisustvom "ekstra" atomskih poluravnina (ekstra-ravnina) u odvojenim dijelovima kristala. Oni nastaju tokom kristalizacije metala (zbog kršenja redosleda punjenja atomskih slojeva) ili kao rezultat njihove plastične deformacije, kao što je prikazano na Sl. 1.2.7.
Rice. 1.2.7. Formiranje rubne dislokacije () kao rezultat djelomičnog pomaka gornjeg dijela kristala pod djelovanjem sile: ABCD - ravnina klizanja; EFGH - ekstra avion; EN - linija dislokacije ruba
Vidi se da je pod uticajem sile smicanja došlo do delimičnog pomeranja gornjeg dela kristala duž određene ravni klizanja („lakog smicanja“) ABCD. Kao rezultat, formiran je ekstraplanski EFGH. Budući da se ne nastavlja naniže, dolazi do elastične distorzije rešetke oko njenog ruba EH sa radijusom od nekoliko međuatomskih razmaka (tj. 10 -7 cm - vidi temu 1.2.1), ali je opseg ovog izobličenja višestruko veći (može dostići 0,1 ... 1 cm).
Takva nesavršenost kristala oko ruba ekstraravnine je linearni defekt rešetke i naziva se rubna dislokacija.
Najvažnija mehanička svojstva metala – čvrstoća i plastičnost (vidi temu 1.1) – određuju se prisustvom dislokacija i njihovim ponašanjem pri opterećenju tijela.
Zaustavimo se na dvije karakteristike mehanizma pomicanja dislokacija.
1. Dislokacije se mogu vrlo lako (pri malom opterećenju) kretati duž ravni klizanja pomoću "štafetnog" kretanja ekstraravnine. Na sl. 1.2.8 prikazuje početnu fazu takvog kretanja (dvodimenzionalni crtež u ravni okomitoj na liniju dislokacije ruba).
Rice. 1.2.8. Početna faza relejnog kretanja rubne dislokacije (). A-A - slip avion, 1-1 ekstra ravan (početna pozicija)
Pod dejstvom sile, atomi ekstra-ravnine (1-1) odvajaju od ravni (2-3) atome (2-2) koji se nalaze iznad ravni klizanja. Kao rezultat, ovi atomi formiraju novu ekstraravninu (2-2); atomi "stare" ekstraplane (1-1) zauzimaju ispražnjena mesta, upotpunjujući ravan (1-1-3). Ovaj čin znači nestanak "stare" dislokacije povezane sa ekstra ravninom (1-1), i nastanak "nove" povezane sa ekstra ravninom (2-2), ili, drugim riječima, prijenos "štafetne palice" - dislokacija na jednu međuplanarnu udaljenost. Takvo relejno kretanje dislokacije će se nastaviti sve dok ne dođe do ruba kristala, što će značiti pomak njegovog gornjeg dijela za jednu međuplanarnu udaljenost (tj. plastičnu deformaciju).
Ovaj mehanizam ne zahtijeva mnogo truda, jer. sastoji se od uzastopnih mikropomeranja koji utiču na samo ograničen broj atoma koji okružuju ekstraravninu.
2. Očigledno je, međutim, da će se takva lakoća klizanja dislokacija primijetiti samo kada na njihovom putu nema prepreka. Takve prepreke su svi defekti rešetke (posebno linearni i površinski!), kao i čestice drugih faza, ako ih ima u materijalu. Ove prepreke stvaraju izobličenja rešetke, za čije prevladavanje su potrebni dodatni vanjski napori, stoga mogu blokirati kretanje dislokacija, tj. učiniti ih nepokretnim.
Površinski defekti
Svi industrijski metali (legure) su polikristalni materijali, tj. sastoje se od ogromnog broja malih (obično 10 -2 ... 10 -3 cm), nasumično orijentiranih kristala, zvanih zrna. Očigledno, periodičnost rešetke svojstvena svakom zrnu (monokristalu) je narušena u takvom materijalu, budući da su kristalografske ravni zrna rotirane jedna u odnosu na drugu za ugao 6 (vidi sliku 1.2.9), čija je vrijednost varira od razlomaka do nekoliko desetina stepeni.
Rice. 1.2.9. Shema strukture granica zrna u polikristalnom materijalu
Granica između zrna je prijelazni sloj širok do 10 međuatomskih udaljenosti, obično s neuređenim rasporedom atoma. Ovo je mjesto nakupljanja dislokacija, praznina, atoma nečistoća. Stoga, u najvećem dijelu polikristalnog materijala, granice zrna su dvodimenzionalni, površinski defekti.
Utjecaj defekta rešetke na mehanička svojstva kristala. Načini povećanja čvrstoće metala.
Čvrstoća je sposobnost materijala da se odupre deformaciji i razaranju pod djelovanjem vanjskog opterećenja.
Čvrstoća kristalnih tijela podrazumijeva se kao njihova otpornost na primijenjeno opterećenje, koje teži da se pomjeri ili, u krajnjoj granici, otkine jedan dio kristala u odnosu na drugi.
Prisustvo mobilnih dislokacija u metalima (već u procesu kristalizacije pojavljuje se do 10 6 ... 10 8 dislokacija u poprečnom presjeku od 1 cm 2) dovodi do njihovog smanjenog otpora na opterećenje, tj. visoka duktilnost i niska čvrstoća.
Očigledno najviše efikasan način povećanje snage će biti uklanjanje dislokacija iz metala. Međutim, ovaj način nije tehnološki napredan, jer Metali bez dislokacija mogu se dobiti samo u obliku tankih niti (tzv. "brkovi") prečnika od nekoliko mikrona i dužine do 10 mikrona.
Stoga se praktične metode očvršćavanja temelje na usporavanju, blokiranju pokretnih dislokacija naglim povećanjem broja defekta rešetke (prvenstveno linearnih i površinskih!), kao i stvaranju višefaznih materijala
Takve tradicionalne metode povećanje čvrstoće metala su:
– plastična deformacija (fenomen otvrdnjavanja radom ili radnim otvrdnjavanjem),
– termički (i hemijsko-termički) tretman,
- legiranje (unošenje posebnih nečistoća) i, najčešći pristup, je stvaranje legura.
U zaključku, treba napomenuti da povećanje čvrstoće temeljeno na blokiranju pokretnih dislokacija dovodi do smanjenja duktilnosti i udarne čvrstoće i, shodno tome, operativne pouzdanosti materijala.
Stoga se pitanje stepena stvrdnjavanja mora rješavati pojedinačno, na osnovu namjene i uslova rada proizvoda.
Polimorfizam u doslovnom smislu riječi znači multiformnost, tj. pojava kada se supstance istog hemijskog sastava kristališu u različitim strukturama i formiraju kristale različite singogije. Na primjer, dijamant i grafit imaju isti hemijski sastav, ali različite strukture, oba minerala se oštro razlikuju fizički. svojstva. Drugi primjer su kalcit i aragonit - imaju isti sastav CaCO 3 ali predstavljaju različite polimorfne modifikacije.
Fenomen polimorfizma povezan je sa uslovima za nastanak kristalnih supstanci i nastaje zbog činjenice da su samo određene strukture stabilne u različitim termodinamičkim uslovima. Dakle, metalni lim (tzv. bijeli lim), kada temperatura padne ispod -18 C 0, postaje nestabilan i mrvi se, formirajući „sivi lim“ drugačije strukture.
Izomorfizam. Metalne legure su kristalne strukture promjenjivog sastava, u kojima se atomi jednog elementa nalaze u prazninama kristalne rešetke drugog. To su takozvana čvrsta rješenja druge vrste.
Za razliku od čvrstih rastvora druge vrste, u čvrstim rastvorima prve vrste atomi ili joni jedne kristalne supstance mogu biti zamenjeni atomima ili ionima druge. Potonji se nalaze na čvorovima kristalne rešetke. Ovakva rješenja nazivaju se izomorfne smjese.
Uslovi neophodni za ispoljavanje izomorfizma:
1) Mogu se zamijeniti samo joni istog predznaka, tj. kation za kation, a anion za anion
2) Samo atomi ili ioni slične veličine mogu se zamijeniti, tj. razlika u ionskim radijusima ne smije biti veća od 15% za savršeni izomorfizam i 25% za nesavršeni izomorfizam (na primjer, Ca 2+ do Mg 2+)
3) Samo ioni koji su bliski po stepenu polarizacije (tj. po stepenu jonsko-kovalentne veze) mogu se zameniti
4) Samo elementi koji imaju isti koordinacijski broj u datoj kristalnoj strukturi mogu se zamijeniti
5) izomorfne supstitucije treba da se dese na ovaj način. Tako da se ne poremeti elektrostatička ravnoteža kristalne rešetke.
6) izomorfne supstitucije idu u pravcu prirasta energije rešetke.
Vrste izomorfizma. Postoje 4 vrste izomorfizma:
1) izovalentni izomorfizam karakterizira činjenica da se u ovom slučaju javljaju joni iste valencije, a razlika u veličinama ionskih radijusa ne smije biti veća od 15%
2) heterovalentni izomorfizam. U ovom slučaju dolazi do supstitucije jona različite valencije. S takvom supstitucijom, jedan ion se ne može zamijeniti drugim, a da se ne naruši elektrostatička ravnoteža kristalne rešetke, stoga se kod heterovalentnog izomorfizma ne zamjenjuje ion, kao u heterovalentnom izomorfizmu, već grupa iona određene valencije s drugom grupa jona uz zadržavanje iste ukupne valencije.
U ovom slučaju potrebno je uvijek imati na umu da je zamjena jona jedne valencije jonom druge uvijek povezana s kompenzacijom valencije. Ova kompenzacija se može desiti i u kationskim i u anjonskim delovima jedinjenja. U tom slučaju moraju biti ispunjeni sljedeći uslovi:
A) zbir valencija supstituiranih jona mora biti jednak zbiru valencija supstituiranih jona.
B) zbir ionskih radijusa supstituirajućih iona trebao bi biti blizak zbiru ionskih radijusa zamjenskih iona i može se razlikovati od njega za najviše 15% (za savršen izomorfizam)
3) izostrukturni. Ne postoji zamjena jednog jona za drugi, ili grupe jona za drugu grupu, već zamjena cijelog "bloka" jedne kristalne rešetke drugim iz istog "bloka". To se može dogoditi samo ako su strukture minerala istog tipa i imaju slične veličine jediničnih ćelija.
4) izomorfizam posebne vrste.
dislokacija defekta kristalne rešetke
Hostirano na Allbest.ru
Slični dokumenti
Karakteristike piezoelektričnog efekta. Proučavanje kristalne strukture efekta: razmatranje modela, deformacije kristala. Fizički mehanizam inverznog piezoelektričnog efekta. Svojstva piezoelektričnih kristala. Primjena efekta.
seminarski rad, dodan 09.12.2010
Informacije o vibracijama kristalnih rešetki, funkcijama koje opisuju njihove fizičke veličine. Kristalografski koordinatni sistemi. Proračun energije interakcije atoma u kovalentnim kristalima, spektra vibracija kristalne rešetke barijevog volframata.
teze, dodato 09.01.2014
Prolazak struje kroz elektrolite. Fizička priroda električne provodljivosti. Utjecaj nečistoća, defekata kristalne strukture na otpornost metala. Otpornost tankih metalnih filmova. Kontaktne pojave i termoelektromotorna sila.
sažetak, dodan 29.08.2010
Pojam i klasifikacija defekata u kristalima: energetski, elektronski i atomski. Glavne nesavršenosti kristala, formiranje točkastih defekata, njihova koncentracija i brzina kretanja kroz kristal. Difuzija čestica zbog kretanja slobodnih mjesta.
sažetak, dodan 19.01.2011
Suština polimorfizma, istorija njegovog otkrića. Fizički i Hemijska svojstva polimorfne modifikacije ugljika: dijamant i grafit, njihova komparativna analiza. Polimorfne transformacije tečnih kristala, tankih filmova kalaj-dijodida, metala i legura.
seminarski rad, dodan 12.04.2012
Kristalna i amorfna stanja čvrstih tijela, uzroci točkastih i linijskih defekata. Postanak i rast kristala. Vještačka proizvodnja dragog kamenja, čvrstih rastvora i tečnih kristala. Optička svojstva holesteričnih tečnih kristala.
sažetak, dodan 26.04.2010
Istorija razvoja koncepta tečnih kristala. Tečni kristali, njihove vrste i glavna svojstva. Optička aktivnost tekućih kristala i njihova strukturna svojstva. Freedericksz efekat. Fizički princip rada uređaja na LCD-u. Optički mikrofon.
tutorial, dodano 14.12.2010
Kristalizacija kao proces prijelaza metala iz tekućeg u čvrsto stanje sa formiranjem kristalne strukture. Shema formiranja šava u elektrolučnom zavarivanju. Ključni faktori i uslovi neophodni za početak rasta kristala tečnih metala.
prezentacija, dodano 26.04.2015
Proučavanje strukture (formiranje od kristalita raspoređenih na haotičan način) i metoda dobijanja (hlađenje taline, raspršivanje iz gasne faze, bombardovanje kristala neuronima) stakla. Upoznavanje sa procesima kristalizacije i staklene tranzicije.
sažetak, dodan 18.05.2010
Defekti pravih kristala, princip rada bipolarnih tranzistora. Distorzija kristalne rešetke u međuprostornim i supstitucionim čvrstim rastvorima. Površinski fenomeni u poluprovodnicima. Parametri tranzistora i koeficijent prijenosa struje emitera.
Metode za opisivanje i prikaz atoma
Kristalne strukture
kristali
Periodičnost strukture je najkarakterističnije svojstvo kristala. U periodičnoj rešetki se uvijek može razlikovati elementarna ćelija, emitirajući koje je u svemiru lako dobiti predstavu o strukturi cijelog kristala. Formiranje određene prostorne rešetke bilo kojim elementom ili spojem uglavnom ovisi o veličini atoma i elektronskoj konfiguraciji njihovih vanjskih omotača.
Ruski naučnik E. S. Fedorov, skoro 40 godina pre nego što su pronađene metode analize rendgenske difrakcije, izračunao je moguće rasporede čestica u kristalnim rešetkama razne supstance i predložio 230 prostornih grupa. Geometrijski gledano, moguće je samo 14 različitih prostornih rešetki, koje se nazivaju Bravaisove rešetke i predstavljaju osnovu šest kristalnih sistema prikazanih u tabeli. 2.1 i na sl. 2.1. Ponekad smatraju romboedarski ili trigonalni sistem (a \u003d b \u003d With; α = β = γ ≠ 90°) kao nezavisni sedmi sistem.
Ako se atomi nalaze samo na vrhovima jedinične ćelije, tada se rešetka naziva primitivno ili jednostavno. Ako postoje atomi na licima ili u volumenu ćelije, tada će rešetka biti složena (na primjer, bazirana, tijelo i lice).
Kristalna tijela mogu biti u obliku zasebnih velikih kristala - monokristala ili se sastoje od agregata velikog broja malih kristala (zrna).
Tabela 2.1
Prostorne rešetke kristalnih sistema
| Kristalni sistem | Prostorna rešetka | Odnos između aksijalnih uglova i aksijalnih jedinica | |
| 1. Triklinika | Ja - jednostavno | a ≠ b ≠ c; α ≠ β ≠ γ ≠90° | |
| 2. Monoklinika | II - jednostavan III - bazično centriran | a ≠ b ≠ c; α = γ = 90°; β ≠90° | |
| 3. Rombični ili ortorombni | IV - jednostavan V - centriran na bazi VI - centriran na tijelo VII - centriran na lice | a ≠ b ≠ c; α = β = γ = 90° | |
| 4. Heksagonalni | VIII - jednostavan IX - romboedarski | a = b ≠ c; α = β = 90°; γ = 120° | |
| 5. Tetragonalni | X - jednostavno XI - centrirano na tijelo | a = b ≠ c; α = β = γ = 90° | |
| 6. Cubic | XII - jednostavan XIII - usredsređen na telo XIV - centriran na lice | a = b = c; α = β = γ = 90° |
Rice. 2.1. Lattices Brave
U slučaju polikristala, unutar svakog zrna, atomi su raspoređeni periodično, ali pri prelasku iz jednog zrna u drugo na međusklopima, narušava se pravilan raspored čestica.
Monokristale karakteriše anizotropija svojstava. U polikristalnim tijelima anizotropija se u većini slučajeva ne opaža, međutim, uz pomoć posebne obrade mogu se dobiti teksturirani materijali s orijentiranim rasporedom kristala.
Budući da su monokristali anizotropni, pri određivanju električnih, mehaničkih i drugih svojstava potrebno je naznačiti položaj kristalografskih ravnina i smjerove u kristalima. Za to se koriste Millerovi indeksi.
Millerovi indeksi
Neka ravan odsiječe segmente OA, OB i OS na koordinatnim osa (u jedinicama perioda rešetke). Izračunajmo njihove recipročne vrednosti H = 1/OA, K = 1/OB, L = 1/OC i definišemo najmanje cele brojeve sa istim odnosom kao H: K: L = h: k: l. Cijeli brojevi (hkl) se nazivaju Millerovi indeksi ravni.
U kubičnim kristalima, indeksi (100) se odnose na ravan paralelnu Y i Z osi; indeksi (010) - na ravan paralelnu osama X i Z, i (001) - na ravan paralelnu osama X i Y. U kristalima sa ortogonalnim osama, ove ravni su takođe okomite, respektivno, na ose X, Y i Z.
Za označavanje pravaca u kristalu, koriste se indeksi u obliku najmanjih cijelih brojeva koji su međusobno povezani kao komponente vektora paralelnog datom smjeru. Za razliku od oznaka aviona, one se pišu u uglastim zagradama. U kubičnim kristalima ovi pravci su okomiti na ravan s istim indeksima. Pozitivan smjer X-ose označava , pozitivan smjer Y-ose - , negativan smjer Z-ose - , dijagonalu kocke - i tako dalje. Oznake kristalografskih ravni i pravaca date su na sl. 2.2.
Ravni koje seku jednake segmente, ali se nalaze u drugim oktantima, ekvivalentne su u kristalografskom i fizičko-hemijskom pogledu. Oni čine skup ekvivalentnih ravni - (hkl) ili sistem ravni, u kojima se h, k, l mogu pisati bilo kojim redom i sa bilo kojim brojem minusa ispred indeksa. Minus je napisan iznad indeksa.
Položaj pravca u prostornoj rešetki može se lako odrediti koordinatama atoma koji je najbliži početku koordinata i koji leži u datom pravcu.
Označava se skup ekvivalentnih pravaca ili sistem pravaca
Rice. 2.2. Primjeri kristalografske notacije
ravni i pravci u kubičnim kristalima
koristeći Millerove indekse
Primjeri rješavanja problema
Primjer 1. Odrediti indekse ravnine koja odsijeca segmente A = 1, B = 2, C = - 4 na osi rešetke.
Odnosi recipročnih segmenata su 1/A: 1/B: 1/C = 1/1: 1/2: 1/(-4). Ovaj omjer dovodimo do omjera tri cijela broja, množeći zajedničkim nazivnikom 4, dodatni faktori će biti 4 i 2. 1 / A: 1 / B: 1 / C \u003d 4: 2: (- 1). Ovo će biti traženi h, k, l. Indeksi ravni (42 ).
Primjer 2. Odrediti segmente koje ravan (023) odsijeca na osi rešetke.
Zapisujemo vrijednosti inverzne indeksima ravnine: 1/0, 1/2, 1/3. Množimo sa zajedničkim nazivnikom jednakim 6 (odsječke dovodimo do cijelih brojeva). Segmenti odsječeni ravninom na osi bit će jednaki A =, B = 3, C = 2. Ova će ravnina biti paralelna s osom x, jer A =.
Polimorfizam
Neke čvrste tvari imaju sposobnost formiranja ne jedne, već dvije ili više kristalnih struktura koje su stabilne na različitim temperaturama i pritiscima. Ovo svojstvo materijala naziva se polimorfizam, a odgovarajuće kristalne strukture nazivaju se polimorfnim oblicima ili alotropna modifikacije supstance.
Modifikacija koja je stabilna na normalnim i nižim temperaturama obično se označava slovom α ; modifikacije koje su stabilne na višim temperaturama označene su slovima, respektivno. β , γ, itd.
Polimorfizam je široko rasprostranjen među tehnički materijali i neophodan je za njihovu obradu i eksploataciju.
Klasičan primjer polimorfizma je niskotemperaturna transformacija bijelog kalaja ( β -Sn) u sivu ( α -Sn), poznat u struci kao "kalajna kuga".
Od praktičnog interesa je polimorfizam ugljika - njegovo postojanje u obliku dijamanta ili grafita. U normalnim uslovima, grafit je stabilnija modifikacija od dijamanta. Međutim, s povećanjem pritiska povećava se stabilnost dijamanta, dok se grafita smanjuje, a pri dovoljno visokim pritiscima dijamant postaje stabilniji. Ako se u isto vrijeme temperatura povisi kako bi se povećala pokretljivost atoma, tada se grafit može pretvoriti u dijamant. Proizvodnja umjetnih dijamanata temelji se na ovom principu. U Sovjetskom Savezu njihova industrijska proizvodnja je počela 1961. Sinteza se izvodi pod pritiskom od oko 10 10 Pa na temperaturi od 2000 °C. Ovako dobiveni umjetni dijamanti imaju veću čvrstoću i tvrdoću od prirodnih kristala.
2.1.5. izomorfizam
izomorfizam- ovo je svojstvo hemijski i geometrijski bliskih atoma i jona i njihovih kombinacija da se međusobno zamenjuju u kristalnoj rešetki, formirajući kristale promenljivog sastava.
Izomorfni kristali silicijuma i germanija formiraju kontinuirani niz supstitucijskih čvrstih rastvora. Obe ove supstance kristališu u strukturi dijamanta, period rešetke germanijuma a = 0,565 nm, silicijuma a = 0,542 nm, razlika u periodima je manja od 4%, pa je moguće formiranje supstitucijskih čvrstih rastvora neograničene rastvorljivosti , u kojem se atomi germanija i silicija nalaze na mjestima dijamantske mreže.
Gustina, period rešetke, tvrdoća u izomorfnom nizu miješanih Si-Ge kristala mijenjaju se linearno. Odabirom različitih izomorfnih sastava moguće je varirati opsege radnih temperatura i elektrofizičke parametre za ove i druge čvrste otopine poluvodičkih spojeva.
Slične informacije.
Najopsežnija grupa kristala su tijela izgrađena od molekula. Jonska jedinjenja također imaju dovoljno predstavnika. U ovim slučajevima, kao što smo već rekli, ideja o kristalu kao gusto zbijenim česticama je sasvim opravdana. Međutim, potrebno je fokusirati se na one strukture kod kojih su orijentacija veza između atoma, odstupanje elektronskog oblaka od sferne simetrije itd. uzrok nastanka struktura koje se više ne mogu tako jednostavno smatrati.
Takvi izuzeci uključuju strukture atoma povezanih zajedničkim elektronima.
Veliki broj metala pokazuje strukture sa kubičnom ćelijom usredsređenom na telo. U ovim kristalima svaki atom će imati osam susjeda, a ne dvanaest, kao u najbližem pakovanju sfera. Ovako se ponašaju, na primjer, atomi željeza (Sl. 257). Gvozdena rešetka je kubična; atomi gvožđa nalaze se na vrhovima i centrima kocke. Litijum, kalijum, cezijum i niz drugih supstanci imaju istu strukturu.
Na sl. 263 struktura kristalne žive se upoređuje s idealnim kubičnim bliskim pakiranjem. Lako je vidjeti da je priroda lokacije centara atoma ista, ali u strukturi
žive, razmaci između slojeva su se smanjivali, a rastojanja između atoma jednog sloja povećavala, kao da smo čvrsto zbijene blago spljoštene kuglice.
Primjera takvih, u većoj ili manjoj mjeri, "razmaženih" zavežljaja ima puno. Na primjer, u slučaju leda (Sl. 264), odnos sa sfernim pakiranjem je potpuno izgubljen. Vezu između svakog para atoma kiseonika vrši jedan atom vodika. U ove četiri veze, svaki atom vodika pada na dva atoma kiseonika - što je u suprotnosti sa hemijskom formulom vode prikazanom na Sl. 264 struktura, naravno, ne. Radi jasnoće, "vodikova" veza na slici je prikazana kao "istmus". Struktura leda je vrlo labava, na slici su uočljive velike "rupe". Ako mentalno nastavite strukturu iznad ravnine crteža, tada će se ove rupe pretvoriti u široke kanale koji prodiru u strukturu.
Struktura leda je važan izuzetak opšte pravilo. To ne znači da su rijetki slučajevi kada asimilacija kristala sa gustim pakiranjem čestica gubi smisao.
Kao što smo već rekli, analogija s gustim pakiranjem sfera potpuno se gubi u slučaju kristala izgrađenih od atoma povezanih zajedničkim elektronima.
Struktura cink sulfida prikazana iznad na sl. 257 je vrlo karakterističan. Strukture nekih elemenata izgledaju isto: ugljenik (dijamant), silicijum, germanijum, kalaj (belo).
Mogući su slučajevi kada homeopolarne veze formiraju slojeve i lance atoma.
Na sl. 265 prikazuje strukturu grafita. Atomi ugljika u grafitu formiraju slojevitu strukturu. Ali ovo nisu slojevi najgušćeg pakovanja. Nemoguće je izgraditi sloj grafita od susjednih sfera. Kod grafita su slojevi snažno vezanih atoma ravni. Arsen i fosfor takođe daju slojevite strukture u ovom smislu, ali atomi sloja nisu locirani u istoj ravni. Kao primjer
strukture koje se sastoje od lanaca jako povezanih atoma, možemo donijeti sivi selen. Svaki atom ove supstance je čvrsto povezan sa samo dva suseda. U sivom selenu atomi formiraju beskrajnu spiralu koja se vijuga na pravoj liniji. Udaljenosti između atoma susjednih spirala su mnogo veće od udaljenosti između najbližih atoma u istoj spirali.
Mat crni mekani grafit kojim pišemo i sjajni, prozirni, tvrdi, stakleni dijamant izgrađeni su od istih atoma - od atoma ugljika. Ovaj primjer s izuzetnom jasnoćom pokazuje koliko su oštro svojstva kristala određena međusobnim rasporedom atoma. Grafit se koristi za izradu vatrostalnih lonaca koji mogu izdržati temperature do 2000-3000 °C, a dijamant gori na temperaturama iznad 700 °C; specifična težina dijamanta je 3,5, a grafita 2,1; grafit provodi struju, dijamant ne, itd.
Ova karakteristika formiranja različitih kristala svojstvena je ne samo jednom ugljiku. Skoro svaki hemijski element u kristalnom stanju i svaka tvar postoji u nekoliko varijanti. Znamo šest vrsta leda, devet vrsta sumpora, četiri vrste gvožđa.
Na sobnoj temperaturi, atomi gvožđa formiraju kubičnu rešetku u kojoj atomi zauzimaju pozicije na vrhovima i u centru kocke; svaki atom ima osam susjeda. Na visokim temperaturama atomi gvožđa formiraju najbliže pakovanje: svaki atom ima dvanaest suseda. Gvožđe sa osam komšija je meko, gvožđe sa dvanaest komšija je tvrdo. Kaljenje čelika na sobnoj temperaturi fiksira najgušće kubično pakiranje, koje je stabilno na višim temperaturama.
Već iz primjera ugljika i željeza jasno je da se varijante kristala iste tvari potpuno razlikuju jedna od druge po strukturi. Isto važi i za druge supstance.
Na primjer, žuti sumpor formira valovite prstenove od osam atoma u kristalu. Drugim riječima, u kristalu je vidljiv molekul sumpora od osam atoma. Crveni sumpor se također sastoji od takvih prstenova, ali su okrenuti jedan prema drugom na potpuno drugačiji način.
Žuti fosfor daje kubičnu strukturu sa osam najbližih susjeda. Crni fosfor je slojevita struktura tipa grafita.
Sivi lim ima istu strukturu kao dijamant. Bijeli kalaj se može mentalno dobiti iz sivog ako je dijamantska struktura snažno stisnuta duž ose kocke. Kao rezultat ovog spljoštenja, broj najbližih susjeda atoma kalaja postaje šest umjesto četiri.
Organske supstance takođe često imaju kristalne varijante. Isti molekuli su različito raspoređeni jedan u odnosu na drugi.
