Kui mitut tüüpi kristallstruktuure eristatakse. Kristallstruktuuride tüübid. Kristallstruktuuride peamised tüübid
Artikli sisu
KRISTALNE- ained, milles väikseimad osakesed (aatomid, ioonid või molekulid) on "pakitud" kindlas järjekorras. Selle tulemusena tekivad kristallide kasvu ajal nende pinnale spontaanselt lamedad näod ja kristallid ise võtavad mitmesuguseid geomeetrilisi kujundeid. Kõik, kes on külastanud mineraloogiamuuseumi või mineraalide näitust, ei saanud jätta imetlemata "elutute" ainete vormide graatsilisust ja ilu.
Ja kes poleks imetlenud lumehelbeid, mille mitmekesisus on tõeliselt lõputu! Veel 17. sajandil. kuulus astronoom Johannes Kepler kirjutas traktaadi Kuusnurksetest lumehelvestest ja kolm sajandit hiljem avaldati albumid, mis sisaldasid tuhandete lumehelveste suurendatud fotode kogusid ja ükski neist ei korda teist.
Sõna "kristall" päritolu on huvitav (see kõlab peaaegu ühtemoodi kõigis Euroopa keeltes). Palju sajandeid tagasi leidsid nad Alpide igavese lume hulgast tänapäeva Šveitsi territooriumilt väga ilusaid, täiesti värvituid kristalle, mis meenutasid väga puhast jääd. Vanad loodusteadlased nimetasid neid nii - "crystallos", kreeka keeles - jää; See sõna pärineb kreeka sõnast "krios" - külm, pakane. Usuti, et jää, olles pikka aega mägedes, tugevas pakases, kivistub ja kaotab sulamisvõime. Üks autoriteetsemaid antiikfilosoofe Aristoteles kirjutas, et "kristallid sünnivad veest, kui see täielikult soojust kaotab". Rooma poeet Claudianus kirjeldas 390. aastal sama värsis:
Karmil alpitalvel muutub jää kiviks.
Päike ei suuda sellist kivi sulatada.
Sarnane järeldus tehti iidsetel aegadel Hiinas ja Jaapanis – jääd ja mäekristalli tähistati seal sama sõnaga. Ja isegi 19. sajandil. luuletajad kombineerisid neid pilte sageli omavahel:
Vaevalt läbipaistev jää, mis tuhmub üle järve,
Ta kattis liikumatud joad kristalliga.
A.S. Puškin. Ovidiuse juurde
Erilise koha kristallide seas on vääriskivid, mis on iidsetest aegadest inimeste tähelepanu köitnud. Inimesed on õppinud, kuidas kunstlikult hankida palju vääriskive. Näiteks käekellade ja muude täppisinstrumentide laagreid on juba ammu valmistatud tehisrubiinidest. Samuti toodavad nad kunstlikult ilusaid kristalle, mida looduses üldse ei eksisteeri. Näiteks kuuptsirkoonid – nende nimi pärineb lühendist FIAN – Teaduste Akadeemia füüsikainstituut, kust need esmakordselt saadi. Cubic Zirconia ZrO 2 kristallid on kuuptsirkooniumoksiidkristallid, mis näevad välja väga sarnased teemantidega.
Kristallide struktuur.
Sõltuvalt struktuurist jaotatakse kristallid ioonseteks, kovalentseteks, molekulaarseteks ja metallilisteks. Ioonkristallid on ehitatud vahelduvatest katioonidest ja anioonidest, mida elektrostaatilised külgetõmbe- ja tõukejõud hoiavad kindlas järjekorras. Elektrostaatilised jõud on mittesuunalised: iga ioon võib enda ümber hoida nii palju vastupidise märgiga ioone, kui mahub. Kuid samal ajal peavad tõmbe- ja tõukejõud olema tasakaalus ning säilima kristalli üldine elektriline neutraalsus. Kõik see, võttes arvesse ioonide suurust, viib erinevate kristallstruktuurideni. Niisiis, kui Na + ioonid (nende raadius on 0,1 nm) ja Cl - (raadius 0,18 nm) interakteeruvad, toimub oktaeedriline koordinatsioon: igas ioonis on kuus vastasmärgiga iooni, mis asuvad oktaeedri tippudes. Sel juhul moodustavad kõik katioonid ja anioonid kõige lihtsama kuubikujulise kristallvõre, milles kuubi tipud on vaheldumisi hõivatud Na + ja Cl - ioonidega. KCl, BaO, CaO ja paljude teiste ainete kristallid on sarnaselt paigutatud.
Cs + ioonid (raadius 0,165 nm) on suuruselt lähedased Cl - ioonidele ja toimub kuubiline koordinatsioon: iga iooni ümbritseb kaheksa vastupidise märgiga iooni, mis asuvad kuubi tippudes. Sel juhul moodustub kehakeskne kristallvõre: iga kaheksast katioonist moodustatud kuubi keskel paikneb üks anioon ja vastupidi. (Huvitav on see, et 445° C juures muutub CsCl lihtsaks NaCl tüüpi kuupvõreks.) CaF 2 (fluoriidi) ja paljude teiste ioonsete ühendite kristallvõred on keerulisemad. Mõnes ioonkristallis võivad komplekssed polüaatomilised anioonid liita ahelateks, kihtideks või moodustada kolmemõõtmelise karkassi, mille õõnsustes paiknevad katioonid. Nii on näiteks paigutatud silikaadid. Ioonkristallid moodustavad enamiku anorgaaniliste ja orgaaniliste hapete sooladest, oksiididest, hüdroksiididest, sooladest. Ioonkristallides on ioonidevahelised sidemed tugevad, seetõttu on sellistel kristallidel kõrge sulamistemperatuur (801 ° C NaCl, 2627 ° C CaO).
Kovalentsetes kristallides (neid nimetatakse ka aatomiteks) on kristallvõre sõlmedes identsed või erinevad aatomid, mis on omavahel ühendatud kovalentsete sidemetega. Need ühendused on tugevad ja alla suunatud teatud nurgad. Tüüpiline näide on teemant; tema kristallis on iga süsinikuaatom seotud nelja teise aatomiga, mis asuvad tetraeedri tippudes. Kovalentsed kristallid moodustavad boori, räni, germaaniumi, arseeni, ZnS, SiO 2, ReO 3, TiO 2, CuNCS. Kuna polaarsete kovalentsete ja ioonsete sidemete vahel pole teravat piiri, kehtib sama ka ioonsete ja kovalentsete kristallide kohta. Seega ei ole Al 2 O 3 alumiiniumi aatomi laeng +3, vaid ainult +0,4, mis näitab kovalentse struktuuri suurt panust. Samal ajal suureneb koobaltaluminaadis CoAl 2 O 4 alumiiniumi aatomite laeng +2,8-ni, mis tähendab ioonjõudude ülekaalu. Kovalentsed kristallid on tavaliselt kõvad ja tulekindlad.
Molekulaarkristallid on ehitatud isoleeritud molekulidest, mille vahel toimivad suhteliselt nõrgad külgetõmbejõud. Seetõttu on sellistel kristallidel palju madalam sulamis- ja keemistemperatuur ning nende kõvadus on madal. Niisiis sulavad väärisgaaside kristallid (need on ehitatud isoleeritud aatomitest) isegi väga madalatel temperatuuridel. Anorgaanilistest ühenditest moodustavad molekulaarsed kristallid palju mittemetalle (väärisgaasid, vesinik, lämmastik, valge fosfor, hapnik, väävel, halogeenid), ühendeid, mille molekulid moodustuvad ainult kovalentsete sidemetega (H 2 O, HCl, NH 3, CO 2 jne) . Seda tüüpi kristallid on iseloomulikud ka peaaegu kõigile orgaanilistele ühenditele. Molekulaarsete kristallide tugevus sõltub molekulide suurusest ja keerukusest. Nii sulavad heeliumikristallid (aatomi raadius 0,12 nm) temperatuuril –271,4 °C (rõhul 30 atm) ja ksenoonikristallid (raadius 0,22 nm) –111,8 °C juures; fluori kristallid sulavad temperatuuril –219,6 °C ja jood temperatuuril +113,6 °C; metaan CH 4 - temperatuuril -182,5 ° C ja triakontaan C 30 H 62 - temperatuuril + 65,8 ° C.
Metallkristallid moodustavad puhtaid metalle ja nende sulameid. Selliseid kristalle võib näha metallide purunemisel, aga ka tsingitud lehe pinnal. Metallide kristallvõre moodustavad katioonid, mida ühendavad liikuvad elektronid ("elektrongaas"). See struktuur määrab kristallide elektrijuhtivuse, vormitavuse, suure peegelduvuse (sära). Metallkristallide struktuur tekib aatomite-pallide erineva pakkimise tulemusena. Leelismetallid, kroom, molübdeen, volfram jne moodustavad kehakeskse kuupvõre; vask, hõbe, kuld, alumiinium, nikkel jne - näokeskne kuupvõre (lisaks 8 aatomile kuubi tippudes asuvad tahkude keskel veel 6 aatomit); berüllium, magneesium, kaltsium, tsink jne - nn kuusnurkne tihe võre (selles on 12 aatomit, mis asuvad ristkülikukujulise kuusnurkse prisma tippudes, 2 aatomit - prisma kahe aluse keskel ja veel 3 aatomit - kolmnurga tippudes prisma keskel).
Kõik kristalsed ühendid võib jagada mono- ja polükristallilisteks. Monokristall on monoliit, millel on üks häirimatu kristallvõre. Suured looduslikud monokristallid on väga haruldased. Enamik kristallkehasid on polükristallilised, see tähendab, et nad koosnevad paljudest väikestest kristallidest, mis on mõnikord nähtavad ainult suure suurendusega.
Kristallide kasv.
Paljud silmapaistvad teadlased, kes andsid suure panuse keemia, mineraloogia ja teiste teaduste arengusse, alustasid oma esimesi katseid just kristallide kasvatamisega. Lisaks puhtalt välistele mõjudele panevad need katsed mõtlema sellele, kuidas kristallid asetsevad ja kuidas need tekivad, miks erinevad ained kristalle moodustavad. erinevad kujud, ja mõned ei moodusta üldse kristalle, mida tuleb teha, et kristallid oleksid suured ja ilusad.
Siin on lihtne mudel, mis selgitab kristalliseerumise olemust. Kujutage ette, et suurde saali pannakse parkett. Kõige lihtsam on töötada ruudukujuliste plaatidega - ükskõik, kuidas sellist plaati keerate, mahub see ikkagi oma kohale ja töö läheb kiiresti. Seetõttu kristalliseeruvad kergesti aatomitest (metallid, väärisgaasid) või väikestest sümmeetrilistest molekulidest koosnevad ühendid. Sellised ühendid reeglina ei moodusta mittekristallilisi (amorfseid) aineid.
Ristkülikukujulistest laudadest on parkett raskem panna, eriti kui nende külgedel on sooned ja väljaulatuvad osad - siis saab iga plaadi oma kohale asetada ühel viisil. Eriti keeruline on keerulise kujuga plankudest parketimustrit välja panna.
Kui parkettpõrandal on kiire, siis jõuavad plaadid paigalduskohta liiga kiiresti. On selge, et õige muster nüüd ei tööta: kui plaat on vähemalt ühes kohas kõveraks keeratud, siis läheb kõik kõveraks, tekivad tühimikud (nagu vanas Tetrise arvutimängus, kus “klaas” on täidetud üksikasjad liiga kiiresti). Sellest ei tule midagi head välja ka siis, kui suurde saali hakkab korraga parkett panema kümmekond meistrimeest, igaüks oma kohalt. Isegi kui need töötavad aeglaselt, on äärmiselt kaheldav, et külgnevad sektsioonid on hästi ühendatud ja üldiselt on ruumi vaade väga inetu: erinevates kohtades asuvad plaadid eri suundades ja augud haigutavad. ühtlase parketi eraldi sektsioonide vahel.
Ligikaudu samad protsessid toimuvad ka kristallide kasvamisel, ainult raskus seisneb siin ka selles, et osakesed peavad mahtuma mitte tasapinnale, vaid ruumalale. Kuid lõppude lõpuks pole siin "parkettpõrandat" - kes paneb aineosakesed oma kohale? Selgub, et need sobivad ise, sest teevad pidevalt soojusliigutusi ja “otsivad” endale sobivaima koha, kus neil kõige “mugavam” on. Sel juhul tähendab "mugavus" ka energeetiliselt kõige soodsamat asukohta. Kasvava kristalli pinnale sattudes võib aineosake sinna jääda ja mõne aja pärast olla juba kristalli sees, uute kogunenud ainekihtide all. Kuid võimalik on ka teine asi - osake lahkub pinnalt uuesti lahusesse ja hakkab uuesti “otsima”, kus tal on mugavam settida.
Igal kristallilisel ainel on teatud väline kristallivorm, mis on talle omane. Näiteks naatriumkloriidi puhul on see kujund kuubik, kaaliummaarja puhul oktaeedr. Ja isegi kui algul oli selline kristall ebakorrapärase kujuga, muutub see siiski varem või hiljem kuubiks või oktaeedriks. Veelgi enam, kui õige kujuga kristalli tahtlikult rikutakse, näiteks lüüakse selle tipud ära, vigastatakse servad ja küljed, siis edasise kasvuga hakkab selline kristall oma kahjustusi ise "ravima". See juhtub seetõttu, et “õiged” kristallpinnad kasvavad kiiremini, “valed” aeglasemalt. Selle kontrollimiseks viidi läbi järgmine katse: soolakristallist nikerdati pall ja seejärel asetati see küllastunud NaCl lahusesse; mõne aja pärast muutus pall ise tasapisi kuubiks! Riis. 6 Mõnede mineraalide kristallvormid
Kui kristalliseerumisprotsess ei ole liiga kiire ja osakesed on virnastamiseks mugava kujuga ja suure liikuvusega, leiavad nad kergesti oma koha. Kui aga madala sümmeetriaga osakeste liikuvus väheneb järsult, siis need "külmuvad" juhuslikult, moodustades klaasiga sarnase läbipaistva massi. Seda aine olekut nimetatakse klaasjaks olekuks. Näiteks tavaline aknaklaas. Kui klaasi hoitakse pikka aega väga kuumas, siis kui selles olevad osakesed on piisavalt liikuvad, hakkavad selles vohama silikaatkristallid. Selline klaas kaotab oma läbipaistvuse. Mitte ainult silikaadid võivad olla klaasjad. Niisiis kristalliseerub see etüülalkoholi aeglasel jahutamisel temperatuuril -113,3 ° C, moodustades valge lumetaolise massi. Kuid kui jahutamine toimub väga kiiresti (laskke õhuke ampull alkoholiga vedelasse lämmastikku temperatuuril -196 ° C), tahkub alkohol nii kiiresti, et selle molekulidel pole aega tavalist kristalli ehitada. Tulemuseks on läbipaistev klaas. Sama juhtub ka silikaatklaasiga (näiteks aknaklaasiga). Väga kiire jahutamisega (miljoneid kraade sekundis) saab isegi metalle mittekristallilises klaasjas olekus.
"Ebamugava" molekulivormiga aineid on raske kristalliseerida. Selliste ainete hulka kuuluvad näiteks valgud ja muud biopolümeerid. Kuid tavaline glütseriin, mille sulamistemperatuur on + 18 ° C, jahtub jahutamisel kergesti üle, tahkudes järk-järgult klaasjaks massiks. Fakt on see, et juba toatemperatuuril on glütseriin väga viskoosne ja jahutades muutub see üsna paksuks. Samas on asümmeetrilistel glütseroolimolekulidel väga raske ranges järjekorras reastuda ja kristallvõre moodustada.
Kristallide kasvatamise meetodid.
Kristalliseerimist saab teha erinevatel viisidel. Üks neist on küllastunud kuuma lahuse jahutamine. Igal temperatuuril ei saa teatud koguses lahustis (näiteks vees) lahustuda rohkem kui teatud kogus ainet. Näiteks võib 200 g kaaliummaarjat lahustuda 100 g vees 90°C juures. Sellist lahust nimetatakse küllastunud. Nüüd jahutame lahendust. Temperatuuri langedes väheneb enamiku ainete lahustuvus. Seega ei saa 80 ° C juures 100 g vees lahustada rohkem kui 130 g maarjast. Kuhu ülejäänud 70 g läheb? Kui jahutamine toimub kiiresti, sadestub liigne aine lihtsalt välja. Kui seda sadet kuivatada ja tugeva suurendusklaasiga uurida, siis on näha palju väikeseid kristalle.
Lahuse jahutamisel kleepuvad omavahel kokku aineosakesed (molekulid, ioonid), mis ei saa enam lahustunud olekus olla, moodustades pisikesi embrüonaalseid kristalle. Tuumade moodustumist soodustavad lahuses olevad lisandid, nagu tolm, anuma seinte väikseimad ebatasasused (mõnikord hõõruvad keemikud spetsiaalselt klaasi siseseintele klaaspulka, mis aitab aine kristalliseeruda). Kui lahust aeglaselt jahutada, moodustub vähe tuumasid ja igast küljest järk-järgult üle kasvades muutuvad need õige kujuga kauniteks kristallideks. Kiire jahutamisega moodustub palju tuumasid ja lahusest pärit osakesed "valavad" kasvavate kristallide pinnale, nagu herned rebenenud kotist; õigeid kristalle sel juhul muidugi ei saa, sest lahuses olevad osakesed ei pruugi lihtsalt jõuda oma kohale kristalli pinnale “sättida”. Lisaks segavad paljud kiiresti kasvavad kristallid üksteist täpselt nagu mitu ühes ruumis töötavat parkettpõrandat. Võõrad tahked lisandid lahuses võivad samuti mängida kristallisatsioonitsentrite rolli, seega mida puhtam on lahus, seda suurem on tõenäosus, et kristallisatsioonitsentreid on vähe.
Jahutades 90°C juures küllastunud maarja lahuse toatemperatuurini, on meil settes juba 190g, sest 20°C juures lahustub 100g vees vaid 10g maarjast. Kas tulemuseks on üks suur õige kujuga kristall, mis kaalub 190 g? Kahjuks mitte: isegi väga puhtas lahuses ei hakka üksikkristall tõenäoliselt kasvama: jahutuslahuse pinnale, kus temperatuur on veidi madalam kui mahus, võib tekkida kristallide mass, samuti laeva seinad ja põhi.
Kristallide kasvatamise meetod küllastunud lahuse järkjärgulise jahutamise teel ei ole rakendatav ainete puhul, mille lahustuvus sõltub vähe temperatuurist. Selliste ainete hulka kuuluvad näiteks naatrium- ja alumiiniumkloriidid, kaltsiumatsetaat.
Teine meetod kristallide saamiseks on vee järkjärguline eemaldamine küllastunud lahusest. "Ekstra" aine kristalliseerub. Ja sel juhul, mida aeglasemalt vesi aurustub, seda paremini saadakse kristalle.
Kolmas meetod on kristallide kasvatamine sulaainetest vedelikku aeglaselt jahutades. Kõikide meetodite kasutamisel saab parima tulemuse, kui kasutatakse seemet – õige kujuga väikest kristalli, mis asetatakse lahusesse või sulatisse. Sel viisil saadakse näiteks rubiinkristalle. Vääriskivide kristallide kasvatamine toimub väga aeglaselt, mõnikord aastaid. Kui aga kristalliseerumist kiirendada, siis ühe kristalli asemel tekib mass väikeseid.
Kristallid võivad kasvada ka aurude kondenseerumisel – nii saadakse lumehelbed ja mustrid külmal klaasil. Kui metallid eemaldatakse nende soolade lahustest aktiivsemate metallide abil, tekivad ka kristallid. Näiteks kui raudnael langetatakse vasksulfaadi lahusesse, kaetakse see punase vasekihiga. Kuid tekkivad vasekristallid on nii väikesed, et neid saab näha ainult mikroskoobi all. Küünte pinnal vabaneb vask väga kiiresti ja seetõttu on selle kristallid liiga väikesed. Kuid kui protsessi aeglustada, muutuvad kristallid suurteks. Selleks tuleks vasksulfaat katta paksu lauasoola kihiga, panna sellele ring filterpaberist ja peale - veidi väiksema läbimõõduga raudplaat. Jääb üle anumasse valada lauasoola küllastunud lahus. sinine vitriool lahustub aeglaselt soolvees (lahustuvus selles on väiksem kui puhtas vees). Vase ioonid (kompleksanioonide kujul CuCl 4 2– roheline) hajuvad väga aeglaselt, paljude päevade jooksul ülespoole; protsessi saab jälgida värvilise äärise liikumise järgi.
Raudplaadile jõudes redutseeritakse vase ioonid neutraalseteks aatomiteks. Kuid kuna see protsess on väga aeglane, reastuvad vase aatomid kaunites läikivates metallilise vase kristallides. Mõnikord moodustavad need kristallid oksi - dendriite. Muutes katse tingimusi (temperatuur, vitrioolikristallide suurus, soolakihi paksus jne) on võimalik muuta vase kristalliseerumise tingimusi.
ülejahutatud lahused.
Mõnikord ei kristalliseeru küllastunud lahus jahutamisel. Sellist lahust, mis sisaldab teatud koguses lahustis rohkem lahustunud ainet, kui antud temperatuuril "arvatakse", nimetatakse üleküllastunud lahuseks. Üleküllastunud lahust ei saa isegi kristallide väga pikal lahustiga segamisel, seda saab moodustada ainult kuuma küllastunud lahuse jahutamisel. Seetõttu nimetatakse selliseid lahendusi ka ülejahutatud. Midagi neis segab kristalliseerumise algust, näiteks on lahus liiga viskoosne või on kristallide kasvamiseks vaja suuri tuumasid, mida lahuses ei ole.
Naatriumtiosulfaadi Na 2 S 2 O 3 lahused on kergesti ülejahutavad. 5H 2 O. Kui soojendate selle aine kristalle ettevaatlikult umbes 56 ° C-ni, siis need "sulavad". Tegelikult pole see sulamine, vaid naatriumtiosulfaadi lahustumine "oma" kristallisatsioonivees. Temperatuuri tõustes suureneb naatriumtiosulfaadi, nagu enamiku teiste ainete, lahustuvus ja 56 ° C juures on selle kristallisatsioonivesi piisav kogu olemasoleva soola lahustamiseks. Kui nüüd ettevaatlikult, vältides teravaid lööke, anumat jahutada, siis kristalle ei teki ja aine jääb vedelaks. Kuid kui ülejahutatud lahusesse sisestatakse valmis embrüo, sama aine väike kristall, algab kiire kristalliseerumine. Huvitav on see, et selle põhjustab ainult selle aine kristall ja kõrvalseisjale võib lahendus olla täiesti ükskõikne. Seetõttu, kui puudutate väikest tiosulfaadi kristalli lahuse pinnale, juhtub tõeline ime: kristallist jookseb kristallisatsioonifront, mis jõuab kiiresti anuma põhja. Nii et mõne sekundi pärast vedelik "kõveneb". Anuma saab isegi tagurpidi keerata – sellest ei valgu välja ainsatki tilka! Tahke tiosulfaadi saab tagasi sulatada kuum vesi ja korrake kõike uuesti.
Kui katseklaas koos ülejahutatud tiosulfaadi lahusega asetada jäävette, kasvavad kristallid aeglasemalt ja nad ise on suuremad. Üleküllastunud lahuse kristalliseerumisega kaasneb selle kuumutamine - see on kristallilise hüdraadi sulamise ajal saadud soojusenergia vabanemine.
Naatriumtiosulfaat ei ole ainus aine, mis moodustab ülejahutatud lahuse, milles saab esile kutsuda kiire kristalliseerumise. Näiteks naatriumatsetaadil CH 3 COONa on sarnane omadus (seda on lihtne saada äädikhappe toimel soodale). Naatriumatsetaadiga demonstreerivad kogenud õppejõud sellist "imet": nad valavad selle soola üleküllastunud lahuse aeglaselt alustassis olevale väikesele atsetaadiklaasile, mis kristallidega kokkupuutel koheselt kristalliseerub, moodustades tahke soola kolonni!
Kristalle kasutatakse laialdaselt teaduses ja tehnoloogias: pooljuhid, prismad ja optiliste seadmete läätsed, tahkislaserid, piesoelektrikud, ferroelektrikud, optilised ja elektrooptilised kristallid, ferromagnetid ja ferriidid, kõrge puhtusastmega metallide monokristallid...
Kristallide röntgendifraktsiooniuuringud võimaldasid tuvastada paljude molekulide, sealhulgas bioloogiliselt aktiivsete - valkude, nukleiinhapete - struktuuri.
Ehetena kasutatakse vääriskivide lihvitud kristalle, sealhulgas kunstlikult kasvatatud kristalle.
Ilja Leenson
Kristallstruktuuride klassifikatsioon nendes lokaliseeritud keemiliste sidemete tüüpide alusel.Kui side kõigi aatomite vahel kristallis on ühesugune, siis nimetatakse selliseid struktuure homodesmilisteks (kreeka keelest Homo - sama, desmos - side) Kui mitut tüüpi keemilistest sidemetest realiseeruvad kristallis, selliseid struktuure nimetatakse heterodesmilisteks (kreeka keelest hetero - erinevad) Põhineb materjaliosakeste paigutusel kristallides, geomeetriliselt viis. erinevad tüübid struktuurid - struktuursed motiivid: koordinatsioon, saar, kett, kihiline ja raam.
Kõige tihedam osakeste pakkimine kristallides Molekulide aatomitest või ioonidest koosnev konstruktsioon peab olema minimaalse siseenergiaga.Ruumi täitmise meetodit sama raadiusega kuulidega, mille puhul osakeste tsentrite vaheline kaugus on minimaalne, nimetatakse kõige tihedamaks. pakkimine. Ühes kihis olevad sama raadiusega pallid saab võimalikult tihedalt kokku pakkida ainsal viisil: iga palli ümbritseb kihina kuus lähimat naabrit, tema ja naabrite vahel on kolmnurksed vahed (kiht A). Teise tihedalt pakitud kihi saab samuti ainulaadsel viisil: (kiht B), iga ülemise palli alumisel kihil on kolm identset naabrit ja vastupidi, iga alumine pall on kontaktis ülemise kolmega. Kuusnurkse pallide pakkimise korral kordab kolmas kiht täpselt esimest ja pakkimine osutub kahekihiliseks ja kirjutatakse kahe kihi A ja B vaheldumisena: AB AB AB. Kuulide kuuppakendis asuvad kolmanda kihi (kiht C) pallid esimese tühimike kohal, kogu pakend on kolmekihiline, motiivi kordumine toimub neljandas kihis, tähemärgises see kirjutatakse kui ABC ABC ....
Tihedalt pakitud ruumis saab eristada kahte tüüpi tühimikke. Ühte tüüpi tühimikud ümbritsevad neli kõrvuti asetsevat kuuli ja teist tüüpi tühimikud on ümbritsetud kuuega. Ühendades nelja kuuli raskuskeskmed, saame tetraeedri - tetraeedri tühjuse, teisel juhul saame oktaeedri kujul oleva tühimiku - oktaeedri tühjuse. Kogu lähimate tihendite põhjal ehitatud konstruktsioonide mitmekesisuse määravad peamiselt katioonsed motiivid, st hõivatud tühimike tüüp, arv ja asukoht. L. Paulingu poolt välja pakutud kristallstruktuuride modelleerimise meetodis vastavad lähima täidise moodustavad kerad alati anioonidele. Kui nende kuulide raskuskeskmed omavahel joontega ühendada, siis jaotub kogu tihedalt kokku pandud kristalne ruum ilma tühikuteta oktaeedriteks ja tetraeedriteks.
Oliviini (Mg, Fe)2 kristallstruktuuri projektsioon xy-tasandile Eristatakse koordinatsioonipolüeedreid – oktaeedreid – ümber Mg ja Fe aatomite (M 1 ja M 2) ning tetraeedreid Si aatomite ümber.
Koordinatsiooniarvud ja koordinatsioonipolühedra (polühedra) Kristallstruktuurides antud osakest ümbritsevate lähimate naabrite arvu nimetatakse koordinatsiooninumbriks. Tingimuslikku hulktahukat, mille keskmes on osake ja tippe esindab selle koordinatsioonikeskkond, nimetatakse koordinatsioonipolühedriks.
Saarte struktuurid koosnevad üksikutest terminaalsetest rühmitustest (sageli molekulidest). Individuaalsetest Cl-molekulidest koosneva kristalse kloori struktuuris vastab lühim vahemaa kahe Cl-aatomi vahel kovalentsele sidemele, samas kui minimaalne vahemaa klooriaatomite vahel erinevatest molekulidest peegeldab molekulidevahelist interaktsiooni, st van der Waalsi sidet.
Ahelstruktuurid võivad koosneda nii neutraalsetest kui valentsiga küllastunud ahelatest. Side seleeniaatomite vahel on kovalentne ja naabervan der Waalsi ahelate aatomite vahel. Struktuuris. Na. HCO 3, vesiniksidemed moodustavad karbonaatioone (HCO 3) - ahelates, mille vaheline ühendus toimub Na + ioonide kaudu
Saada oma head tööd teadmistebaasi on lihtne. Kasutage allolevat vormi
Üliõpilased, magistrandid, noored teadlased, kes kasutavad teadmistebaasi oma õpingutes ja töös, on teile väga tänulikud.
Kristallid (kreeka keelest kseufbllt, algselt - jää, hiljem - mäekristall, kristall) - tahked kehad, milles aatomid paiknevad korrapäraselt, moodustades kolmemõõtmeliselt perioodilise ruumilise paigutuse - kristallvõre.
Kristallid on tahked ained, millel on korrapärase sümmeetrilise hulktahuka loomulik väline kuju, mis põhineb nende sisemisel struktuuril, st ühel mitmest kindlast korrapärasest paigutusest, mis moodustavad osakeste (aatomite, molekulide, ioonide) aine.
Omadused:
Ühtsus. See omadus väljendub selles, et kaks identset, ruumis võrdselt orienteeritud, kuid selle aine erinevatest punktidest välja lõigatud kristalse aine elementaarmahtu on kõigis omadustes absoluutselt identsed: neil on sama värvus, erikaal, kõvadus. , soojusjuhtivus, elektrijuhtivus ja teised
Tuleb meeles pidada, et tõelised kristalsed ained sisaldavad väga sageli püsivaid lisandeid ja lisandeid, mis moonutavad nende kristallvõre. Seetõttu ei esine tõelistes kristallides sageli absoluutset homogeensust.
Kristallide anisotroopia
Paljudele kristallidele on omane anisotroopia omadus, st nende omaduste sõltuvus suunast, samas kui isotroopsetel ainetel (enamik gaase, vedelikke, amorfseid tahkeid aineid) või pseudoisotroopsetel (polükristallid) omadused ei sõltu juhised. Kristallide mitteelastse deformatsiooni protsess viiakse alati läbi täpselt määratletud libisemissüsteemides, see tähendab ainult teatud kristallograafilistes tasapindades ja ainult teatud kristallograafilises suunas. Kristallilise keskkonna erinevates osades toimuva deformatsiooni ebaühtlase ja ebaühtlase arengu tõttu toimub nende osade vahel intensiivne interaktsioon mikrostressiväljade evolutsiooni kaudu.
Samal ajal on kristalle, milles puudub anisotroopia.
Martensiitse mitteelastsuse füüsikas on kogunenud hulgaliselt eksperimentaalset materjali, eriti kujumälu mõjude ja transformatsiooni plastilisuse küsimustes. Eksperimentaalselt tõestas kristallfüüsika kõige olulisem seisukoht mitteelastsete deformatsioonide valdava arengu kohta peaaegu eranditult martensiitsete reaktsioonide kaudu. Kuid martensiitse mitteelastsuse füüsikalise teooria koostamise põhimõtted pole selged. Sarnane olukord tekib ka kristallide deformeerumisel mehaanilise mestimise teel.
Märkimisväärseid edusamme on tehtud metallide dislokatsiooniplastilisuse uurimisel. Siin ei mõisteta mitte ainult mitteelastsete deformatsiooniprotsesside rakendamise põhilisi struktuurseid ja füüsikalisi mehhanisme, vaid on loodud ka tõhusad meetodid nähtuste arvutamiseks.
Isedestilleerimise võime on kristallide omadus moodustada vaba kasvu ajal nägusid. kui pall, näiteks lauasool, mis on nikerdatud mõnest ainest, asetatakse selle üleküllastunud lahusesse, siis mõne aja pärast on see pall kuubiku kuju. Seevastu klaashelmes ei muuda oma kuju, kuna amorfne aine ei saa isedestilleerida.
pidev sulamistemperatuur. Kui kuumutate kristalset keha, tõuseb selle temperatuur teatud piirini, edasisel kuumutamisel hakkab aine sulama ja temperatuur püsib mõnda aega konstantsena, kuna kogu soojus läheb kristalli hävitamisele. võre. Temperatuuri, mille juures sulamine algab, nimetatakse sulamistemperatuuriks.
Kristallide süstemaatika
Kristalli struktuur
Kristallstruktuur, mis on iga aine puhul individuaalne, viitab selle aine põhilistele füüsikalistele ja keemilistele omadustele. Kristallstruktuur on selline aatomite kogum, milles kristallvõre iga punktiga on seotud teatud aatomite rühm, mida nimetatakse motiiviks, ning kõik sellised rühmad on oma koostiselt, struktuurilt ja orientatsioonilt võre suhtes ühesugused. Võime eeldada, et struktuur tekib võre ja motiiviüksuse sünteesi tulemusena, motiiviüksuse korrutamise tulemusena tõlkerühmaga.
Kõige lihtsamal juhul koosneb motiivüksus ühest aatomist, näiteks vase või raua kristallides. Sellise motiiviüksuse alusel tekkiv struktuur on geomeetriliselt väga sarnane võrega, kuid erineb sellegipoolest selle poolest, et see koosneb aatomitest, mitte punktidest. Sageli ei võeta seda asjaolu arvesse ning selliste kristallide puhul kasutatakse mõisteid "kristallvõre" ja "kristallstruktuur" sünonüümidena, mis ei ole rangelt väljendunud. Juhtudel, kui motiiviüksus on koostiselt keerukam, koosneb see kahest või rohkem aatomite puhul puudub võre ja struktuuri geomeetriline sarnasus ning nende mõistete nihkumine toob kaasa vigu. Nii et näiteks magneesiumi või teemandi struktuur ei kattu geomeetriliselt võrega: nendes struktuurides koosnevad motiiviüksused kahest aatomist.
Peamised kristallstruktuuri iseloomustavad parameetrid, millest mõned on omavahel seotud, on järgmised:
§ kristallvõre tüüp (syringony, Bravais võre);
§ valemiühikute arv elementaarlahtri kohta;
§ ruumirühm;
§ ühiklahtri parameetrid (lineaarsed mõõtmed ja nurgad);
§ aatomite koordinaadid rakus;
§ kõikide aatomite koordinatsiooninumbrid.
Struktuurne tüüp
Kristallstruktuurid, millel on sama ruumirühm ja sama aatomite paigutus kristalli keemilistes positsioonides (orbiitidel), ühendatakse struktuuritüüpideks.
Tuntumad struktuuritüübid on vask, magneesium, b-raud, teemant (lihtained), naatriumkloriid, sfaleriit, wurtsiit, tseesiumkloriid, fluoriit (binaarühendid), perovskiit, spinell (kolmekomponentsed ühendid).
Kristallrakk
Osakesed, millest see tahke aine koosneb, moodustavad kristallvõre. Kui kristallvõred on stereomeetriliselt (ruumiliselt) ühesugused või sarnased (sama sümmeetriaga), siis nendevaheline geomeetriline erinevus seisneb eelkõige võre sõlmedes paiknevate osakeste erinevatel kaugustel. Osakeste endi vahelisi kaugusi nimetatakse võre parameetriteks. Võre parameetrid, aga ka geomeetriliste hulktahukate nurgad, määratakse struktuurianalüüsi füüsikaliste meetoditega, näiteks röntgenstruktuurianalüüsi meetoditega.
Majutatud aadressil http://www.allbest.ru/
Riis. Kristallrakk
Sageli moodustavad tahked ained (olenevalt tingimustest) rohkem kui ühe kristallvõre vormi; selliseid vorme nimetatakse polümorfseteks modifikatsioonideks. Näiteks on lihtainetest tuntud ortorombiline ja monokliiniline väävel, grafiit ja teemant, mis on süsiniku kuusnurksed ja kuubikujulised modifikatsioonid. komplekssed ained-- Kvarts, tridüümiit ja kristobaliit on ränidioksiidi mitmesugused modifikatsioonid.
Kristallide tüübid
On vaja eraldada ideaalne ja tõeline kristall.
Täiuslik kristall
Tegelikult on see matemaatiline objekt, millele on omane täielik sümmeetria, ideaalis siledad siledad servad.
tõeline kristall
See sisaldab alati erinevaid defekte võre sisemises struktuuris, moonutusi ja ebatasasusi esikülgedel ning sellel on spetsiifiliste kasvutingimuste, söötme ebahomogeensuse, kahjustuste ja deformatsioonide tõttu vähenenud hulktahuka sümmeetria. Päris kristallil ei pruugi olla kristallograafilisi servi ja korrapärast kuju, kuid see säilitab oma põhiomaduse – aatomite korrapärase asukoha kristallvõres.
Kristallvõre defektid (kristallide tegelik struktuur)
Päriskristallides on aatomite paigutuses alati kõrvalekaldeid ideaalsest järjestusest, mida nimetatakse ebatäiuslikkuseks või võre defektideks. Nende põhjustatud võrehäirete geomeetria järgi jaotatakse defektid punkt-, lineaar- ja pinnadefektideks.
Punkti defektid
Joonisel fig. 1.2.5 näitab erinevat tüüpi punktdefekte. Need on vabad töökohad – tühjad võrekohad, "omad" aatomid vahekohtades ja lisandiaatomid võrekohtades ja vahekohtades. Kahte esimest tüüpi defektide tekkimise peamiseks põhjuseks on aatomite liikumine, mille intensiivsus temperatuuri tõustes suureneb.
Riis. 1.2.5. Kristallvõre punktdefektide tüübid: 1 - vaba koht, 2 - aatom vaheruumides, 3 ja 4 - lisandi aatomid vastavalt kohas ja vahekohtades
Mis tahes punktidefekti ümber tekib lokaalne võre moonutus raadiusega R 1 ... 2 võreperioodi (vt joonis 1.2.6), seetõttu, kui selliseid defekte on palju, mõjutavad need aatomitevahelise sideme jaotuse olemust. jõud ja vastavalt ka kristallide omadused.
Riis. 1.2.6. Kristallvõre lokaalne moonutamine vakantsi (a) ja lisandi aatomi ümber võre kohas (b)
Liini defektid
Lineaarseid defekte nimetatakse dislokatsioonideks. Nende välimus on tingitud "ekstra" aatomi pooltasandite (ekstratasapindade) olemasolust kristalli eraldi osades. Need tekivad metallide kristalliseerumise käigus (aatomikihtide täitmise järjekorra rikkumise tõttu) või nende plastilise deformatsiooni tagajärjel, nagu on näidatud joonisel fig. 1.2.7.
Riis. 1.2.7. Serva dislokatsiooni () moodustumine kristalli ülemise osa osalise nihke tagajärjel jõu mõjul: ABCD - libisemistasand; EFGH - lisatasand; ET - serva dislokatsioonijoon
Näha on, et nihkejõu mõjul toimus kristalli ülemise osa osaline nihe mööda teatud libisemistasandit (“light shear”) ABCD. Selle tulemusena tekkis tasandiväline EFGH. Kuna see ei jätku allapoole, tekib selle serva EH ümber elastne võre moonutus raadiusega mitme aatomitevahelise kauguse raadiusega (st 10–7 cm – vt teemat 1.2.1), kuid selle moonutuse ulatus on kordades suurem (võib ulatuda 0,1 ... 1 cm).
Selline kristalli ebatäiuslikkus ekstratasapinna serva ümber on lineaarne võre defekt ja seda nimetatakse serva dislokatsiooniks.
Metallide olulisemad mehaanilised omadused - tugevus ja plastilisus (vt teema 1.1) - määratakse nihestuste olemasolu ja käitumisega keha koormamisel.
Vaatleme nihestuste nihkumise mehhanismi kahel tunnusel.
1. Dislokatsioonid võivad väga lihtsalt (väikse koormuse korral) liikuda mööda libisemistasandit ekstratasapinna "relee-ralli" liikumise abil. Joonisel fig. 1.2.8 on näidatud sellise liikumise algstaadium (kahemõõtmeline joonistus serva dislokatsioonijoonega risti).
Riis. 1.2.8. Serva dislokatsiooni () teatevõistluse liikumise esialgne etapp. A-A - libisemistasand, 1-1 lisatasand (lähteasend)
Jõu mõjul rebivad välistasandi aatomid (1-1) tasapinnalt (2-3) maha libisemistasandi kohal asuvad aatomid (2-2). Selle tulemusena moodustavad need aatomid uue ekstratasandi (2-2); "vana" ekstratasandi aatomid (1-1) hõivavad vabanenud kohad, täites tasandi (1-1-3). See tegu tähendab lisatasandiga (1-1) seotud "vana" dislokatsiooni kadumist ja lisatasandiga (2-2) seotud "uue" tekkimist või teisisõnu "relee taktikepi" ülekandmine - dislokatsioon ühele tasanditevahelisele kaugusele. Selline dislokatsiooni relee-ralli liikumine jätkub kuni kristalli servani, mis tähendab selle ülemise osa nihkumist ühe tasapinnalise vahemaa võrra (st plastilist deformatsiooni).
See mehhanism ei nõua palju pingutusi, sest. koosneb järjestikustest mikronihetest, mis mõjutavad ainult piiratud arvu ekstratasandit ümbritsevaid aatomeid.
2. On aga ilmne, et dislokatsioonide selline libisemise lihtsus ilmneb ainult siis, kui nende teel pole takistusi. Sellised takistused on kõik võre defektid (eriti lineaarsed ja pinnad!), aga ka muude faaside osakesed, kui need materjalis esinevad. Need takistused tekitavad võre moonutusi, mille ületamine nõuab täiendavaid väliseid jõupingutusi, seetõttu võivad nad blokeerida dislokatsioonide liikumist, s.t. muuta need liikumatuks.
Pinnadefektid
Kõik tööstuslikud metallid (sulamid) on polükristallilised materjalid, s.t. koosnevad tohutul hulgal väikestest (tavaliselt 10 -2 ... 10 -3 cm) juhuslikult orienteeritud kristallidest, mida nimetatakse teradeks. Ilmselgelt on sellise materjali puhul rikutud igale terale (üksikkristallile) omast võre perioodilisust, kuna terade kristallograafilised tasapinnad on pööratud üksteise suhtes nurga 6 võrra (vt joonis 1.2.9), mille väärtus on varieerub murdosast mitmekümne kraadini.
Riis. 1.2.9. Polükristallilise materjali terapiiride struktuuri skeem
Terade vaheline piir on kuni 10 aatomitevahelise kauguse laiune üleminekukiht, mis on tavaliselt aatomite korratu paigutusega. See on nihestuste, vabade töökohtade, lisandite aatomite kogunemise koht. Seetõttu on polükristallilise materjali põhiosa terapiirid kahemõõtmelised pinnadefektid.
Võre defektide mõju kristallide mehaanilistele omadustele. Metallide tugevuse suurendamise viisid.
Tugevus on materjali võime vastu pidada deformatsioonile ja hävimisele välise koormuse mõjul.
Kristallkehade tugevusena mõistetakse nende vastupanuvõimet rakendatavale koormusele, mis kipub liikuma või piiripealselt rebenema ühe kristalli osa teise suhtes.
Liikuvate dislokatsioonide esinemine metallides (juba kristalliseerumise käigus ilmneb kuni 10 6 ... 10 8 dislokatsiooni ristlõikes, mis on võrdne 1 cm 2 -ga) toob kaasa nende vähenenud vastupidavuse koormusele, s.o. kõrge elastsus ja madal tugevus.
Ilmselgelt kõige rohkem tõhus viis tugevuse suurendamine on nihestuste eemaldamine metallist. See viis pole aga tehnoloogiliselt arenenud, sest dislokatsioonivabu metalle saab ainult mitme mikroni läbimõõduga ja kuni 10 mikroni pikkusega õhukeste niitide (nn "vurrud") kujul.
Seetõttu põhinevad praktilised karastamismeetodid aeglustusel, liikuvate dislokatsioonide blokeerimisel võredefektide (peamiselt lineaarsete ja pinnadefektide!) arvu järsu suurenemisega, samuti mitmefaasiliste materjalide loomisel.
Sellised traditsioonilised meetodid metallide tugevuse suurendamine on:
- plastiline deformatsioon (töökõvenemise või -kõvenemise nähtus),
– termiline (ja keemilis-termiline) töötlemine,
- legeerimine (eriliste lisandite lisamine) ja kõige levinum lähenemisviis on sulamite loomine.
Kokkuvõttes tuleb märkida, et liikuvate dislokatsioonide blokeerimisel põhinev tugevuse suurenemine vähendab plastilisust ja löögitugevust ning vastavalt ka materjali töökindlust.
Seetõttu tuleb kõvenemisastme küsimust käsitleda individuaalselt, lähtudes toote eesmärgist ja kasutustingimustest.
Polümorfism selle sõna otseses tähenduses tähendab mitmekujulisust, s.t. nähtus, kui sama keemilise koostisega ained kristalliseeruvad erinevates struktuurides ja moodustavad erineva süngogia kristalle. Näiteks teemandil ja grafiidil on sama keemiline koostis, kuid erinev struktuur, mõlemad mineraalid erinevad järsult füüsikaliselt. omadused. Teine näide on kaltsiit ja aragoniit – neil on sama CaCO 3 koostis, kuid need esindavad erinevaid polümorfseid modifikatsioone.
Polümorfismi nähtus on seotud kristalsete ainete tekketingimustega ja on tingitud asjaolust, et ainult teatud struktuurid on erinevates termodünaamilistes tingimustes stabiilsed. Niisiis muutub metalliline tina (nn valge tina), kui temperatuur langeb alla -18 C 0, ebastabiilseks ja mureneb, moodustades teistsuguse struktuuriga “halli tina”.
Isomorfism. Metallisulamid on muutuva koostisega kristalsed struktuurid, milles ühe elemendi aatomid paiknevad teise elemendi kristallvõre vahedes. Need on teist tüüpi nn tahked lahendused.
Erinevalt teist tüüpi tahketest lahustest võib esimest tüüpi tahketes lahustes ühe kristalse aine aatomid või ioonid asendada teise aine aatomite või ioonidega. Viimased asuvad kristallvõre sõlmedes. Selliseid lahuseid nimetatakse isomorfseteks segudeks.
Isomorfismi avaldumiseks vajalikud tingimused:
1) Asendada saab ainult sama märgiga ioone, st katioon katiooniks ja anioon aniooniks
2) Asendada saab ainult sarnase suurusega aatomeid või ioone, s.t. ioonraadiuste erinevus ei tohiks ületada 15% täiusliku isomorfismi korral ja 25% ebatäiusliku isomorfismi korral (näiteks Ca 2+ kuni Mg 2+)
3) Asendada saab ainult ioone, mis on polarisatsiooniastmelt (st ioon-kovalentse sideme poolest) lähedased.
4) Asendada saab ainult elemente, millel on antud kristallstruktuuris sama koordinatsiooninumber
5) isomorfsed asendused peaksid toimuma sel viisil. Et kristallvõre elektrostaatiline tasakaal ei oleks häiritud.
6) isomorfsed asendused kulgevad võre energia juurdekasvu suunas.
Isomorfismi tüübid. Isomorfismi on 4 tüüpi:
1) isovalentset isomorfismi iseloomustab asjaolu, et sel juhul esinevad sama valentsiga ioonid ja ioonraadiuste suuruste erinevus ei tohiks olla suurem kui 15%.
2) heterovalentne isomorfism. Sel juhul toimub erineva valentsiga ioonide asendus. Sellise asendusega ei saa üht iooni teisega asendada ilma kristallvõre elektrostaatilist tasakaalu rikkumata, seetõttu ei asendata heterovalentse isomorfismi korral mitte iooni, nagu heterovalentse isomorfismi korral, vaid teatud valentsiga ioonide rühma teisega. ioonide rühma, säilitades samal ajal sama koguvalentsi.
Sel juhul tuleb alati meeles pidada, et ühe valentsiga iooni asendamine teise valentsiga on alati seotud valentsi kompenseerimisega. See kompensatsioon võib esineda nii ühendite katioonsetes kui ka anioonsetes osades. Sel juhul peavad olema täidetud järgmised tingimused:
A) asendatud ioonide valentside summa peab olema võrdne asendavate ioonide valentside summaga.
B) asendavate ioonide ioonraadiuste summa peaks olema lähedane asendavate ioonide ioonide raadiuste summale ja võib sellest erineda mitte rohkem kui 15% (täiusliku isomorfismi korral)
3) isostruktuurne. Toimub mitte ühe iooni asendamine teisega või ioonide rühmaga teise rühmaga, vaid ühe kristallvõre kogu "ploki" asendamine teise sama "plokiga". See saab juhtuda ainult siis, kui mineraalide struktuurid on sama tüüpi ja sarnase ühiku suurusega.
4) eriliiki isomorfism.
kristallvõre defekti dislokatsioon
Majutatud saidil Allbest.ru
Sarnased dokumendid
Piesoelektrilise efekti omadused. Mõju kristallstruktuuri uurimine: mudeli arvestamine, kristallide deformatsioonid. Piesoelektrilise pöördefekti füüsikaline mehhanism. Piesoelektriliste kristallide omadused. Efekti rakendamine.
kursusetöö, lisatud 12.09.2010
Teave kristallvõrede vibratsioonide, nende füüsikalisi suurusi kirjeldavate funktsioonide kohta. Kristallograafilised koordinaatsüsteemid. Aatomite interaktsioonienergia arvutamine kovalentsetes kristallides, baariumvolframaadi kristallvõre võnkespekter.
lõputöö, lisatud 01.09.2014
Voolu läbimine elektrolüütide kaudu. Elektrijuhtivuse füüsikaline olemus. Lisandite, kristallstruktuuri defektide mõju metallide eritakistusele. Õhukeste metallkilede vastupidavus. Kontaktnähtused ja termoelektromootorjõud.
abstraktne, lisatud 29.08.2010
Kristallide defektide mõiste ja klassifikatsioon: energia, elektroonika ja aatomi. Kristallide peamised puudused, punktdefektide teke, nende kontsentratsioon ja liikumise kiirus läbi kristalli. Osakeste difusioon vabade töökohtade liikumise tõttu.
abstraktne, lisatud 19.01.2011
Polümorfismi olemus, selle avastamise ajalugu. Füüsiline ja Keemilised omadused süsiniku polümorfsed modifikatsioonid: teemant ja grafiit, nende võrdlev analüüs. Vedelkristallide, tinadijodiidi õhukeste kilede, metallide ja sulamite polümorfsed muundumised.
kursusetöö, lisatud 12.04.2012
Tahkete ainete kristalsed ja amorfsed olekud, punkti- ja joondefektide põhjused. Kristallide päritolu ja kasv. Vääriskivide, tahkete lahuste ja vedelkristallide kunstlik tootmine. Kolesteeriliste vedelkristallide optilised omadused.
abstraktne, lisatud 26.04.2010
Vedelkristallide kontseptsiooni kujunemislugu. Vedelkristallid, nende liigid ja peamised omadused. Vedelkristallide optiline aktiivsus ja nende struktuursed omadused. Freedericksz efekt. LCD-ekraanil olevate seadmete füüsiline tööpõhimõte. Optiline mikrofon.
õpetus, lisatud 14.12.2010
Kristallisatsioon kui metalli ülemineku protsess vedelast olekust tahkesse olekusse koos kristalse struktuuri moodustumisega. Õmbluse moodustamise skeem kaarkeevitamisel. Vedelmetallikristallide kasvu alustamiseks vajalikud võtmetegurid ja tingimused.
esitlus, lisatud 26.04.2015
Klaaside struktuuri uurimine (kaootiliselt paigutatud kristalliitide moodustumine) ja saamise meetodid (sulajahutus, pihustamine gaasifaasist, kristallide pommitamine neuronite poolt). Tutvumine kristalliseerumise ja klaasistumisprotsessidega.
abstraktne, lisatud 18.05.2010
Päriskristallide defektid, bipolaarsete transistoride tööpõhimõte. Kristallvõre moonutused interstitsiaalsetes ja asenduslahustes. Pinnanähtused pooljuhtides. Transistori parameetrid ja emitteri voolu ülekandetegur.
Aatomi kirjeldamise ja kujutamise meetodid
Kristallstruktuurid
kristallid
Struktuuri perioodilisus on kristallide kõige iseloomulikum omadus. Perioodilises võres saab alati eristada elementaarrakk, edastades, mida kosmoses on lihtne saada aimu kogu kristalli struktuurist. Teatud ruumilise võre moodustumine mis tahes elemendi või ühendi poolt sõltub peamiselt aatomite suurusest ja nende väliskesta elektroonilisest konfiguratsioonist.
Vene teadlane E. S. Fedorov arvutas peaaegu 40 aastat enne röntgendifraktsioonianalüüsi meetodite leidmist välja osakeste võimaliku paigutuse kristallvõredes erinevaid aineid ja pakkus välja 230 ruumirühma. Geomeetriliselt on võimalikud ainult 14 erinevat ruumilist võret, mida nimetatakse Bravais' võreks ja mis on tabelis näidatud kuue kristallisüsteemi aluseks. 2.1 ja joonisel fig. 2.1. Mõnikord peavad nad romboeedrilist või trigonaalset süsteemi (a \u003d b \u003d Koos; α = β = γ ≠ 90°) iseseisva seitsmenda süsteemina.
Kui aatomid paiknevad ainult ühikraku tippudes, siis nimetatakse võret primitiivne või lihtne. Kui raku külgedel või mahus on aatomeid, siis on võre kompleksne (näiteks aluse-, keha- ja näokeskne).
Kristallilised kehad võivad olla eraldiseisvate suurte kristallide – üksikkristallide kujul või koosneda suure hulga väikeste kristallide (terade) agregaadist.
Tabel 2.1
Kristallsüsteemide ruumilised võred
| Kristallsüsteem | Ruumiline võre | Telgnurkade ja telgühikute vaheline seos | |
| 1. Trikliinik | Mina - lihtne | a ≠ b ≠ c; α ≠ β ≠ γ ≠90° | |
| 2. Monokliinik | II - lihtne III - alusekeskne | a ≠ b ≠ c; α = γ = 90°; β ≠90° | |
| 3. Rombiline või ortorombiline | IV - lihtne V - põhi keskel VI - keha keskel VII - näo keskel | a ≠ b ≠ c; α = β = γ = 90° | |
| 4. Kuusnurkne | VIII - lihtne IX - romboeedriline | a = b ≠ c; α = β = 90°; γ = 120° | |
| 5. Nelinurkne | X – lihtne XI – kehakeskne | a = b ≠ c; α = β = γ = 90° | |
| 6. Kuubik | XII - lihtne XIII - kehakeskne XIV - näokeskne | a = b = c; α = β = γ = 90° |
Riis. 2.1. Võred Vaprad
Polükristalli puhul asetsevad iga tera sees aatomid perioodiliselt, kuid liidestel ühelt teralt teisele üleminekul on osakeste korrapärane paigutus häiritud.
Üksikkristalle iseloomustab omaduste anisotroopsus. Polükristallilistes kehades anisotroopiat enamikul juhtudel ei täheldata, kuid spetsiaalse töötlemise abil saab kristallide orienteeritud paigutusega tekstureeritud materjale.
Kuna üksikkristallid on anisotroopsed, on elektriliste, mehaaniliste ja muude omaduste määramisel vajalik näidata kristallograafiliste tasandite ja suundade asukohta kristallides. Selleks kasutatakse Milleri indekseid.
Milleri indeksid
Lase tasapinnal lõigata koordinaattelgedel (võreperioodi ühikutes) lõigud OA, OB ja OS. Arvutame nende pöördarvud H = 1/OA, K = 1/OB, L = 1/OC ja defineerime väikseimad täisarvud sama suhtega kui H: K: L = h: k: l. Täisarve (hkl) nimetatakse tasandi Milleri indeksiteks.
Kuupkristallides viitavad indeksid (100) Y- ja Z-teljega paralleelsele tasapinnale; indeksid (010) - teljega X ja Z paralleelsele tasapinnale ning (001) - teljega X ja Y paralleelsele tasapinnale. Risttelgedega kristallides on need tasandid ka vastavalt risti telgedega X, Y ja Z.
Kristalli suundade tähistamiseks kasutatakse indekseid väikseimate üksteisega seotud täisarvude kujul antud suunaga paralleelse vektori komponentidena. Erinevalt tasapindade tähistusest kirjutatakse need nurksulgudesse. Kuupkristallides on need suunad samade indeksitega tasapinnaga risti. X-telje positiivne suund tähistab , Y-telje positiivne suund - , Z-telje negatiivne suund - , kuubi diagonaal - ja nii edasi. Kristallograafiliste tasandite ja suundade tähistused on toodud joonisel fig. 2.2.
Tasapinnad, mis lõikavad ära võrdsed segmendid, kuid asuvad teistes oktantides, on kristallograafiliselt ja füüsikalis-keemiliselt samaväärsed. Need moodustavad ekvivalentsete tasandite hulga - (hkl) ehk tasandite süsteemi, millesse h, k, l võib kirjutada suvalises järjekorras ja suvalise arvu miinustega indeksite ette. Miinus on kirjutatud indeksi kohale.
Suuna asukohta ruumivõres saab hõlpsasti määrata koordinaatide alguspunktile lähima ja antud suunas paikneva aatomi koordinaatide järgi.
Tähistatakse samaväärsete suundade kogumit või suundade süsteemi
Riis. 2.2. Näited kristallograafilisest tähistusest
tasapinnad ja suunad kuupkristallides
Milleri indekseid kasutades
Näited probleemide lahendamisest
Näide 1. Määrake võre telgedel lõigud A = 1, B = 2, C = - 4 ära lõikava tasandi indeksid.
Segmentide pöördarvude suhted on 1/A: 1/B: 1/C = 1/1: 1/2: 1/(-4). Toome selle suhte kolme täisarvu suhtega, korrutades ühise nimetajaga 4, lisategurid on 4 ja 2. 1 / A: 1 / B: 1 / C \u003d 4: 2: (- 1). See on vajalik h, k, l. Tasapinnalised indeksid (42 ).
Näide 2. Määrake lõigud, mida tasapind (023) võre telgedel ära lõikab.
Kirjutame üles väärtused pöördvõrdeliselt tasapinna indeksitega: 1/0, 1/2, 1/3. Korrutame ühise nimetajaga, mis on võrdne 6-ga (toome segmendid täisarvudeni). Tasapinna poolt telgedel lõigatud segmendid on võrdsed A \u003d, B \u003d 3, C \u003d 2. See tasapind on paralleelne x-teljega, kuna A \u003d.
Polümorfism
Mõnedel tahketel ainetel on võime moodustada mitte ühte, vaid kahte või enamat kristallstruktuuri, mis on erinevatel temperatuuridel ja rõhkudel stabiilsed. Seda materjalide omadust nimetatakse polümorfism, ja vastavaid kristallstruktuure nimetatakse polümorfseteks vormideks või allotroopne aine modifikatsioonid.
Tavalisel ja madalamal temperatuuril stabiilne modifikatsioon on tavaliselt tähistatud tähega α ; kõrgematel temperatuuridel stabiilsed modifikatsioonid on tähistatud vastavalt tähtedega. β , γ jne.
Polümorfism on laialt levinud tehnilised materjalid ning on nende töötlemiseks ja kasutamiseks hädavajalik.
Polümorfismi klassikaline näide on valge tina muundumine madalal temperatuuril ( β -Sn) kuni halliks ( α -Sn), tuntud kui "tinakatk".
Praktilist huvi pakub süsiniku polümorfism – selle olemasolu teemandi või grafiidi kujul. Tavatingimustes on grafiit stabiilsem modifikatsioon kui teemant. Rõhu suurenedes aga teemandi stabiilsus suureneb, grafiidi oma aga väheneb ning piisavalt kõrge rõhu korral muutub teemant stabiilsemaks. Kui samal ajal aatomite liikuvuse suurendamiseks temperatuuri tõsta, saab grafiidi muuta teemandiks. Kunstlike teemantide tootmine põhineb sellel põhimõttel. Nõukogude Liidus algas nende tööstuslik tootmine aastal 1961. Süntees viiakse läbi rõhu all umbes 10 10 Pa temperatuuril 2000 °C. Sel viisil saadud kunstlikel teemantidel on suurem tugevus ja kõvadus kui looduslikel kristallidel.
2.1.5. isomorfism
isomorfism- see on keemiliselt ja geomeetriliselt lähedaste aatomite ja ioonide ning nende kombinatsioonide omadus asendada üksteist kristallvõres, moodustades muutuva koostisega kristalle.
Isomorfsed räni ja germaaniumi kristallid moodustavad pideva seeria asendustahkeid lahuseid. Mõlemad ained kristalliseeruvad teemandi struktuuris, germaaniumi võreperiood a = 0,565 nm, räni a = 0,542 nm, perioodide erinevus on alla 4%, mistõttu on võimalik piiramatu lahustuvusega asendustahke lahuste teke. , milles germaaniumi ja räni aatomid asuvad teemantvõre kohtades.
Tihedus, võreperiood, kõvadus segatud Si-Ge kristallide isomorfsetes ridades muutuvad lineaarselt. Valides erinevaid isomorfseid koostisi, on võimalik muuta nende ja teiste pooljuhtühendite tahkete lahuste töötemperatuuri vahemikke ja elektrofüüsikalisi parameetreid.
Sarnane teave.
Kõige ulatuslikum kristallide rühm on molekulidest ehitatud kehad. Ioonühenditel on ka piisavalt esindajaid. Nendel juhtudel, nagu me juba ütlesime, on idee kristallist kui tihedalt pakitud osakestest üsna õigustatud. Peatuda tuleb aga nendel struktuuridel, kus aatomitevaheliste sidemete orientatsioon, elektronpilve kõrvalekalle sfäärilisest sümmeetriast jne on põhjuseks struktuuride tekkele, mida enam nii lihtsalt ei saa käsitleda.
Sellised erandid hõlmavad ühiste elektronidega ühendatud aatomite struktuure.
Paljudel metallidel on kehakeskse kuupelemendiga struktuur. Nendes kristallides on igal aatomil kaheksa naabrit, mitte kaksteist, nagu lähimas sfääripakendis. Nii käituvad näiteks rauaaatomid (joonis 257). Raudvõre on kuup; raua aatomid asuvad kuubikute tippudes ja keskpunktides. Liitiumil, kaaliumil, tseesiumil ja paljudel teistel ainetel on sama struktuur.
Joonisel fig. 263 kristallilise elavhõbeda struktuuri võrreldakse ideaalse kuupmeetrilise tihendiga. On lihtne näha, et aatomite tsentrite asukoha olemus on sama, kuid struktuuris
elavhõbe, kihtide vahelised kaugused vähenesid ja ühe kihi aatomite vahelised kaugused suurenesid, nagu oleksime tihedalt kokku pakitud veidi lapik pallid.
Näiteid sellistest suuremal või vähemal määral "rikutud" kimpudest on palju. Näiteks jää puhul (joon. 264) kaob suhe kerapakendiga täielikult. Side iga hapnikuaatomi paari vahel toimub ühe vesinikuaatomi kaudu. Nendes neljas sidemes langeb iga vesinikuaatom kahele hapnikuaatomile - see on vastuolus joonisel fig 1 näidatud vee keemilise valemiga. 264 struktuur muidugi mitte. Selguse huvides on joonisel kujutatud "vesinikside" kujutatud kui "maakinnisus". Jää struktuur on väga lõtv, joonisel on märgatavad suured “augud”. Kui jätkate vaimselt joonise tasapinna kohal asuvat struktuuri, muutuvad need augud laiadeks kanaliteks, mis tungivad konstruktsiooni.
Jää struktuur on oluline erand üldreegel. See ei tähenda, et on harvad juhud, kui kristalli assimilatsioon osakeste tihedasse pakimisse kaotab oma tähenduse.
Nagu me eespool ütlesime, on analoogia sfääride tiheda pakkimisega täiesti kadunud kristallide puhul, mis on ehitatud ühiste elektronidega ühendatud aatomitest.
Tsinksulfiidi struktuur, mis on näidatud ülalpool joonisel fig. 257 on väga iseloomulik. Mõne elemendi struktuurid näevad välja ühesugused: süsinik (teemant), räni, germaanium, tina (valge).
Võimalikud on juhud, kui homöopolaarsed sidemed moodustavad aatomite kihte ja ahelaid.
Joonisel fig. 265 näitab grafiidi struktuuri. Grafiidi süsinikuaatomid moodustavad kihilise struktuuri. Kuid need pole kõige tihedama pakkimise kihid. Piirnevatest sfääridest grafiidikihti on võimatu ehitada. Grafiidis on tugevalt seotud aatomite kihid lamedad. Arseen ja fosfor annavad ka selles mõttes kihilisi struktuure, kuid kihi aatomid ei asu samas tasapinnas. Näitena
tugevalt seotud aatomite ahelatest koosnevad struktuurid, saame tuua halli seleeni. Selle aine iga aatom on tihedalt seotud ainult kahe naabriga. Hallis seleenis moodustavad aatomid lõputu spiraali, mis keerleb sirgjooneliselt. Külgnevate spiraalide aatomite vahelised kaugused on palju suuremad kui sama spiraali lähimate aatomite vahelised kaugused.
Mattmust pehme grafiit, millega me kirjutame, ja läikiv, läbipaistev, kõva, klaasi lõikav teemant on ehitatud samadest aatomitest – süsinikuaatomitest. See näide näitab erakordse selgelt, kui järsult määrab kristallide omadused aatomite omavahelise asetusega. Grafiiti kasutatakse tulekindlate tiiglite valmistamiseks, mis taluvad temperatuuri kuni 2000-3000 ° C ja teemantpõletust temperatuuril üle 700 ° C; teemandi erikaal on 3,5 ja grafiidil 2,1; grafiit juhib elektrit, teemant mitte jne.
See erinevate kristallide moodustumise omadus ei ole omane ainult ühele süsinikule. Peaaegu iga keemiline element kristallilises olekus ja mis tahes ainet on mitut tüüpi. Me teame kuut sorti jääd, üheksat sorti väävlit, nelja sorti rauda.
Toatemperatuuril moodustavad raua aatomid kuupvõre, milles aatomid asuvad kuubikute tipus ja keskel; igal aatomil on kaheksa naabrit. Kõrgetel temperatuuridel moodustavad raua aatomid lähima ümbrise: igal aatomil on kaksteist naabrit. Kaheksa naabriga on raud pehme, kaheteistkümne naabriga on raud kõva. Terase karastamine fikseerib toatemperatuuril kõige tihedama kuuppakendi, mis on stabiilne kõrgematel temperatuuridel.
Juba süsiniku ja raua näidete põhjal on selge, et sama aine kristallide sordid on struktuurilt täiesti erinevad. Sama kehtib ka teiste ainete kohta.
Näiteks kollane väävel moodustab kristallis kaheksast aatomist koosnevad gofreeritud ringid. Teisisõnu, kristallis on näha kaheksast aatomist koosnev väävlimolekul. Punane väävel koosneb ka sellistest rõngastest, kuid need on üksteise poole pööratud täiesti erineval viisil.
Kollane fosfor annab kuupstruktuuri kaheksa lähima naabriga. Must fosfor on kihiline grafiidi tüüpi struktuur.
Hallil tina on sama struktuur kui teemandil. Valge tina saab hallist mõtteliselt kätte, kui teemantstruktuur on piki kuubi telge tugevalt kokku surutud. Selle lamendamise tulemusena muutub tinaaatomi lähimate naabrite arv nelja asemel kuueks.
Orgaanilistel ainetel on sageli ka kristalseid sorte. Samad molekulid paiknevad üksteise suhtes erinevalt.
