Ile rodzajów struktur krystalicznych wyróżnia się. Rodzaje struktur krystalicznych. Główne typy struktur krystalicznych
Treść artykułu
KRYSZTAŁY- substancje, w których najmniejsze cząstki (atomy, jony lub cząsteczki) są „upakowane” w określonej kolejności. W rezultacie podczas wzrostu kryształów na ich powierzchni spontanicznie pojawiają się płaskie ściany, a same kryształy przyjmują różnorodne kształty geometryczne. Każdy, kto odwiedził muzeum mineralogii lub wystawę minerałów, nie mógł powstrzymać się od zachwytu nad wdziękiem i pięknem form, jakie przybierają „nieożywione” substancje.
A kto nie podziwiał płatków śniegu, których różnorodność jest naprawdę nieskończona! Już w XVII wieku. słynny astronom Johannes Kepler napisał traktat O sześciokątnych płatkach śniegu a trzy wieki później wydano albumy zawierające zbiory powiększonych fotografii tysięcy płatków śniegu i żaden z nich nie powtarza się.
Ciekawe jest pochodzenie słowa „kryształ” (we wszystkich językach europejskich brzmi ono prawie tak samo). Wiele wieków temu, wśród wiecznych śniegów w Alpach, na terenie współczesnej Szwajcarii, odnaleziono bardzo piękne, całkowicie bezbarwne kryształy, bardzo przypominające czysty lód. Starożytni przyrodnicy nazywali je tak – „crystallos”, po grecku – lód; Słowo to pochodzi od greckiego „krios” – zimno, mróz. Uważano, że lód przebywający przez długi czas w górach, przy silnym mrozie, petryfikuje i traci zdolność topienia. Jeden z najbardziej autorytatywnych starożytnych filozofów, Arystoteles, napisał, że „kryształy powstają z wody, gdy całkowicie traci ona ciepło”. Rzymski poeta Klaudian w 390 roku opisał to samo w wersecie:
Podczas ostrej alpejskiej zimy lód zamienia się w kamień.
Słońce nie jest w stanie stopić takiego kamienia.
Do podobnego wniosku dochodziło już w starożytności w Chinach i Japonii – tam tym samym słowem określano lód i kryształ górski. A nawet w XIX w. poeci często łączyli te obrazy razem:
Ledwo przezroczysty lód, blaknący nad jeziorem,
Pokrył nieruchome strumienie kryształem.
A.S. Puszkin. Do Owidiusza
Szczególne miejsce wśród kryształów zajmują kamienie szlachetne, które od czasów starożytnych przyciągały uwagę człowieka. Ludzie nauczyli się sztucznie pozyskiwać wiele kamieni szlachetnych. Na przykład łożyska do zegarków i innych precyzyjnych instrumentów od dawna są wykonane ze sztucznych rubinów. Sztucznie wytwarzają także piękne kryształy, które w ogóle nie istnieją w naturze. Na przykład cyrkonie - ich nazwa pochodzi od skrótu FIAN - Instytut Fizyczny Akademii Nauk, gdzie zostały po raz pierwszy uzyskane. Kryształy cyrkonu ZrO 2 to kryształy cyrkonu sześciennego, które wyglądają bardzo podobnie do diamentów.
Struktura kryształów.
W zależności od budowy kryształy dzielą się na jonowe, kowalencyjne, molekularne i metaliczne. Kryształy jonowe zbudowane są z naprzemiennych kationów i anionów, które są utrzymywane w określonej kolejności dzięki elektrostatycznym siłom przyciągania i odpychania. Siły elektrostatyczne są bezkierunkowe: każdy jon może utrzymać wokół siebie tyle jonów o przeciwnym znaku, ile mu pasuje. Ale jednocześnie siły przyciągania i odpychania muszą być zrównoważone i musi zostać zachowana ogólna neutralność elektryczna kryształu. Wszystko to, biorąc pod uwagę wielkość jonów, prowadzi do różnych struktur krystalicznych. Tak więc, gdy jony Na + (ich promień wynosi 0,1 nm) i Cl - (promień 0,18 nm) oddziałują, następuje koordynacja oktaedryczna: każdy jon zawiera sześć jonów o przeciwnym znaku znajdujących się na wierzchołkach oktaedru. W tym przypadku wszystkie kationy i aniony tworzą najprostszą sześcienną sieć krystaliczną, w której wierzchołki sześcianu zajmują na przemian jony Na + i Cl -. Kryształy KCl, BaO, CaO i szeregu innych substancji są ułożone podobnie.
Jony Cs + (promień 0,165 nm) mają wielkość zbliżoną do jonów Cl - i zachodzi koordynacja sześcienna: każdy jon jest otoczony przez osiem jonów o przeciwnym znaku, znajdujących się na wierzchołkach sześcianu. W tym przypadku powstaje skupiona na ciele sieć krystaliczna: w środku każdego sześcianu utworzonego przez osiem kationów znajduje się jeden anion i odwrotnie. (Co ciekawe, w temperaturze 445°C CsCl przekształca się w prostą sześcienną sieć typu NaCl.) Sieci krystaliczne CaF 2 (fluoryt) i wielu innych związków jonowych są bardziej złożone. W niektórych kryształach jonowych złożone aniony wieloatomowe można łączyć w łańcuchy, warstwy lub tworzyć trójwymiarową strukturę, w której wnękach znajdują się kationy. Na przykład układane są krzemiany. Kryształy jonowe tworzą większość soli kwasów nieorganicznych i organicznych, tlenków, wodorotlenków, soli. W kryształach jonowych wiązania między jonami są mocne, dlatego takie kryształy mają wysokie temperatury topnienia (801°C dla NaCl, 2627°C dla CaO).
W kryształach kowalencyjnych (nazywanych również atomowymi) w węzłach sieci krystalicznej znajdują się atomy, identyczne lub różne, połączone wiązaniami kowalencyjnymi. Połączenia te są mocne i skierowane pod pewne kąty. Typowym przykładem jest diament; w jego krysztale każdy atom węgla jest związany z czterema innymi atomami znajdującymi się na wierzchołkach czworościanu. Kryształy kowalencyjne tworzą bor, krzem, german, arsen, ZnS, SiO 2 , ReO 3 , TiO 2 , CuNCS. Ponieważ nie ma ostrej granicy między polarnymi wiązaniami kowalencyjnymi i jonowymi, to samo dotyczy kryształów jonowych i kowalencyjnych. Zatem ładunek atomu glinu w Al 2 O 3 nie wynosi +3, ale tylko +0,4, co wskazuje na duży udział struktury kowalencyjnej. Jednocześnie w glinianie kobaltu CoAl 2 O 4 ładunek na atomach glinu wzrasta do +2,8, co oznacza przewagę sił jonowych. Kryształy kowalencyjne są na ogół twarde i ogniotrwałe.
Kryształy molekularne zbudowane są z izolowanych cząsteczek, pomiędzy którymi działają stosunkowo słabe siły przyciągające. W rezultacie takie kryształy mają znacznie niższą temperaturę topnienia i wrzenia, a ich twardość jest niska. Zatem kryształy gazów szlachetnych (zbudowane z izolowanych atomów) topią się już w bardzo niskich temperaturach. Ze związków nieorganicznych kryształy molekularne tworzą wiele niemetali (gazy szlachetne, wodór, azot, biały fosfor, tlen, siarka, halogeny), związki, których cząsteczki tworzą wyłącznie wiązania kowalencyjne (H 2 O, HCl, NH 3, CO 2 itp.) . Ten typ kryształów jest również charakterystyczny dla prawie wszystkich związków organicznych. Siła kryształów molekularnych zależy od wielkości i złożoności cząsteczek. Zatem kryształy helu (promień atomowy 0,12 nm) topią się w –271,4°C (pod ciśnieniem 30 atm), a kryształy ksenonu (promień 0,22 nm) topią się w –111,8°C; kryształy fluoru topią się w –219,6°C, a jodu w +113,6°C; metan CH 4 - w -182,5 ° C i triakontan C 30 H 62 - w + 65,8 ° C.
Kryształy metali tworzą czyste metale i ich stopy. Takie kryształy można zobaczyć na pękaniu metali, a także na powierzchni blachy ocynkowanej. Sieć krystaliczna metali zbudowana jest z kationów, które są połączone ruchomymi elektronami („gaz elektronowy”). Struktura ta determinuje przewodność elektryczną, plastyczność, wysoki współczynnik odbicia (blask) kryształów. Struktura kryształów metali powstaje w wyniku różnego upakowania atomów-kulek. Metale alkaliczne, chrom, molibden, wolfram itp. tworzą sześcienną siatkę skupioną wokół ciała; miedź, srebro, złoto, aluminium, nikiel itp. - siatka sześcienna skupiona na ścianie (oprócz 8 atomów na wierzchołkach sześcianu, w środku ścian znajduje się jeszcze 6); beryl, magnez, wapń, cynk itp. - tzw. sześciokątna gęsta sieć (ma 12 atomów znajdujących się na wierzchołkach prostokątnego sześciokątnego pryzmatu, 2 atomy - w środku dwóch podstaw pryzmatu i 3 kolejne atomy - w wierzchołkach trójkąta w środku pryzmatu).
Wszystkie związki krystaliczne można podzielić na mono- i polikrystaliczne. Monokryształ to monolit z pojedynczą, niezakłóconą siecią krystaliczną. Duże naturalne monokryształy są bardzo rzadkie. Większość ciał krystalicznych jest polikrystaliczna, to znaczy składa się z wielu małych kryształów, czasami widocznych tylko przy dużym powiększeniu.
Wzrost kryształów.
Wielu wybitnych naukowców, którzy wnieśli wielki wkład w rozwój chemii, mineralogii i innych nauk, rozpoczęło swoje pierwsze eksperymenty właśnie ze wzrostem kryształów. Oprócz efektów czysto zewnętrznych, eksperymenty te skłaniają nas do zastanowienia się nad tym, jak rozmieszczone są kryształy i jak powstają, dlaczego różne substancje tworzą kryształy. różne kształty, a niektóre w ogóle nie tworzą kryształów, co należy zrobić, aby kryształy były duże i piękne.
Oto prosty model wyjaśniający istotę krystalizacji. Wyobraź sobie, że w dużej sali kładzie się parkiet. Najłatwiej jest pracować z płytkami w kształcie kwadratu - niezależnie od tego, jak taką płytkę obrócisz, nadal będzie pasować na swoje miejsce, a praca pójdzie szybko. Dlatego związki składające się z atomów (metale, gazy szlachetne) lub małych symetrycznych cząsteczek łatwo krystalizują. Takie związki z reguły nie tworzą substancji niekrystalicznych (amorficznych).
Trudniej jest ułożyć parkiet z desek prostokątnych, zwłaszcza jeśli mają one po bokach rowki i występy - wtedy każdą deskę można ułożyć na swoim miejscu w jeden sposób. Szczególnie trudno jest ułożyć wzór parkietu z desek o skomplikowanym kształcie.
Jeśli parkiet się spieszy, płytki dotrą na miejsce montażu zbyt szybko. Oczywiste jest, że teraz prawidłowy wzór nie zadziała: jeśli płytka zostanie wypaczona przynajmniej w jednym miejscu, wszystko się przekrzywi, pojawią się puste przestrzenie (jak w starej grze komputerowej Tetris, w której „szkło” jest wypełnione szczegóły zbyt szybko). Nic dobrego z tego nie wyniknie, nawet jeśli kilkunastu rzemieślników na raz zacznie układać parkiet w dużej hali, każdy ze swojego miejsca. Nawet jeśli działają powoli, bardzo wątpliwe jest, czy sąsiednie sekcje zostaną dobrze połączone i ogólnie widok pomieszczenia okaże się bardzo nieestetyczny: w różnych miejscach płytki są ułożone w różnych kierunkach, a dziury są rozwarte pomiędzy oddzielnymi fragmentami równego parkietu.
W przybliżeniu te same procesy zachodzą podczas wzrostu kryształów, tylko trudność polega również na tym, że cząstki muszą mieścić się nie w płaszczyźnie, ale w objętości. Ale przecież nie ma tu „parkietu” – kto układa cząstki materii na swoim miejscu? Okazuje się, że pasują do siebie, bo nieustannie wykonują ruchy termiczne i „szukają” dla siebie najodpowiedniejszego miejsca, w którym będzie im „najwygodniej”. W tym przypadku „wygoda” oznacza także najbardziej korzystną energetycznie lokalizację. Znajdując się w takim miejscu na powierzchni rosnącego kryształu, cząstka materii może tam pozostać i po chwili znaleźć się już wewnątrz kryształu, pod nowo narosłymi warstwami materii. Ale możliwa jest też inna rzecz - cząstka ponownie opuści powierzchnię do roztworu i ponownie zacznie „szukać” miejsca, w którym wygodniej będzie się osadzić.
Każda substancja krystaliczna ma pewną zewnętrzną formę kryształu, charakterystyczną dla niej. Na przykład dla chlorku sodu ten kształt jest sześcianem, dla ałunu potasowego jest to ośmiościan. I nawet jeśli początkowo taki kryształ miał nieregularny kształt, to i tak prędzej czy później zamieni się w sześcian lub ośmiościan. Co więcej, jeśli kryształ o prawidłowym kształcie zostanie celowo zepsuty, na przykład jego wierzchołki zostaną pobite, krawędzie i twarze uszkodzone, to przy dalszym wzroście taki kryształ zacznie sam „leczyć” swoje uszkodzenia. Dzieje się tak, ponieważ „prawidłowe” ściany kryształu rosną szybciej, a „złe” rosną wolniej. Aby to sprawdzić, przeprowadzono następujące doświadczenie: z kryształu soli wyrzeźbiono kulę, którą następnie umieszczono w nasyconym roztworze NaCl; po chwili sama kula stopniowo zamieniła się w sześcian! Ryż. 6 Formy krystaliczne niektórych minerałów
Jeżeli proces krystalizacji nie przebiega zbyt szybko, a cząstki mają dogodny do układania kształt i dużą mobilność, z łatwością odnajdują swoje miejsce. Jeśli jednak ruchliwość cząstek o niskiej symetrii zostanie gwałtownie zmniejszona, wówczas „zamarzają” losowo, tworząc przezroczystą masę przypominającą szkło. Ten stan materii nazywany jest stanem szklistym. Przykładem jest zwykłe szkło okienne. Jeśli szkło będzie bardzo gorące przez długi czas, a zawarte w nim cząsteczki będą wystarczająco ruchliwe, zaczną w nim rosnąć kryształy krzemianu. Takie szkło traci przezroczystość. Nie tylko krzemiany mogą być szkliste. Tak więc przy powolnym chłodzeniu alkoholu etylowego krystalizuje w temperaturze -113,3 ° C, tworząc białą masę przypominającą śnieg. Ale jeśli chłodzenie zostanie przeprowadzone bardzo szybko (opuść cienką ampułkę z alkoholem do ciekłego azotu w temperaturze -196 ° C), alkohol zestali się tak szybko, że jego cząsteczki nie będą miały czasu na zbudowanie zwykłego kryształu. Rezultatem jest przezroczyste szkło. To samo dzieje się ze szkłem silikatowym (na przykład szkłem okiennym). Przy bardzo szybkim chłodzeniu (miliony stopni na sekundę) można uzyskać nawet metale w niekrystalicznym stanie szklistym.
Trudno jest krystalizować substancje o „niewygodnej” formie cząsteczek. Do takich substancji zaliczają się na przykład białka i inne biopolimery. Ale zwykła gliceryna, która ma temperaturę topnienia + 18 ° C, łatwo przechładza się po ochłodzeniu, stopniowo zestalając się w szklistą masę. Faktem jest, że już w temperaturze pokojowej gliceryna jest bardzo lepka, a po ochłodzeniu staje się dość gęsta. Jednocześnie asymetrycznym cząsteczkom glicerolu bardzo trudno jest ułożyć się w ścisłej kolejności i utworzyć sieć krystaliczną.
Metody hodowli kryształów.
Można przeprowadzić krystalizację różne sposoby. Jednym z nich jest chłodzenie nasyconego gorącego roztworu. W każdej temperaturze w danej ilości rozpuszczalnika (na przykład w wodzie) może rozpuścić się nie więcej niż pewna ilość substancji. Na przykład 200 g ałunu potasowego można rozpuścić w 100 g wody o temperaturze 90°C. Takie rozwiązanie nazywa się nasyconym. Teraz ochłodzimy roztwór. Wraz ze spadkiem temperatury rozpuszczalność większości substancji maleje. Tak więc w 80 ° C nie więcej niż 130 g ałunu można rozpuścić w 100 g wody. Gdzie trafi pozostałe 70 g? Jeśli chłodzenie zostanie przeprowadzone szybko, nadmiar substancji po prostu się wytrąci. Jeśli osad ten wysuszy się i zbada za pomocą silnego szkła powiększającego, można zobaczyć wiele małych kryształów.
Po ochłodzeniu roztworu cząstki substancji (cząsteczki, jony), które nie mogą już znajdować się w stanie rozpuszczonym, sklejają się ze sobą, tworząc maleńkie kryształy embrionalne. Tworzenie się jąder ułatwiają zanieczyszczenia w roztworze, takie jak kurz, najmniejsze nierówności na ściankach naczynia (chemicy czasami specjalnie pocierają szklany pręt o wewnętrzne ścianki szkła, aby pomóc w krystalizacji substancji). Jeśli roztwór ochładza się powoli, tworzy się kilka jąder, które stopniowo zarastając ze wszystkich stron zamieniają się w piękne kryształy o odpowiednim kształcie. Przy szybkim chłodzeniu powstaje wiele jąder, a cząstki roztworu „wylewają się” na powierzchnię rosnących kryształów, jak groszek z rozdartej torby; oczywiście w tym przypadku nie otrzymamy prawidłowych kryształów, gdyż cząstki w roztworze mogą po prostu nie mieć czasu na „osiedlenie się” na powierzchni kryształu na swoim miejscu. Poza tym wiele szybko rosnących kryształów koliduje ze sobą niczym kilka parkietów pracujących w tym samym pomieszczeniu. Obce stałe zanieczyszczenia w roztworze mogą również pełnić rolę ośrodków krystalizacji, więc im czystszy roztwór, tym większe prawdopodobieństwo, że będzie ich niewiele.
Po ochłodzeniu nasyconego w temperaturze 90°C roztworu ałunu do temperatury pokojowej będziemy mieli już w osadzie 190 g, gdyż w temperaturze 20°C w 100 g wody rozpuszcza się tylko 10 g ałunu. Czy w rezultacie powstanie jeden duży kryształ o właściwym kształcie, ważący 190 g? Niestety nie: nawet w bardzo czystym roztworze jest mało prawdopodobne, że pojedynczy kryształ zacznie rosnąć: masa kryształów może utworzyć się na powierzchni roztworu chłodzącego, gdzie temperatura jest nieco niższa niż objętościowo, a także na ściany i dno naczynia.
Metoda hodowli kryształów poprzez stopniowe chłodzenie nasyconego roztworu nie ma zastosowania do substancji, których rozpuszczalność w niewielkim stopniu zależy od temperatury. Do takich substancji zaliczają się na przykład chlorki sodu i glinu, octan wapnia.
Inną metodą otrzymywania kryształów jest stopniowe usuwanie wody z nasyconego roztworu. „Dodatkowa” substancja krystalizuje. I w tym przypadku im wolniej woda odparowuje, tym lepsze są kryształy.
Trzecią metodą jest wzrost kryształów ze stopionych substancji poprzez powolne schładzanie cieczy. Przy stosowaniu wszystkich metod najlepsze rezultaty uzyskuje się stosując nasionko – mały kryształek o odpowiednim kształcie, który umieszcza się w roztworze lub stopieniu. W ten sposób uzyskuje się na przykład kryształy rubinu. Wzrost kryształów kamieni szlachetnych odbywa się bardzo powoli, czasem latami. Jeśli jednak przyspieszysz krystalizację, to zamiast jednego kryształu otrzymasz masę drobnych.
Kryształy mogą rosnąć także w wyniku kondensacji pary wodnej – w ten sposób powstają płatki śniegu i wzory na zimnym szkle. Kiedy metale są wypierane z roztworów ich soli za pomocą metali bardziej aktywnych, powstają również kryształy. Na przykład, jeśli żelazny gwóźdź zostanie zanurzony w roztworze siarczanu miedzi, zostanie pokryty czerwoną warstwą miedzi. Jednak powstałe kryształy miedzi są tak małe, że można je zobaczyć tylko pod mikroskopem. Na powierzchni paznokcia miedź uwalnia się bardzo szybko, przez co jej kryształki są zbyt małe. Ale jeśli proces zostanie spowolniony, kryształy okażą się duże. Aby to zrobić, siarczan miedzi należy pokryć grubą warstwą soli kuchennej, położyć na nim krąg bibuły filtracyjnej, a na wierzch - żelazną płytkę o nieco mniejszej średnicy. Pozostaje wlać do naczynia nasycony roztwór soli kuchennej. niebieski witriol będzie powoli rozpuszczał się w solance (rozpuszczalność w niej jest mniejsza niż w czystej wodzie). Jony miedzi (w postaci kompleksowych anionów CuCl 4 2– green) będą bardzo powoli, przez wiele dni, dyfundować w górę; proces ten można zaobserwować poprzez ruch kolorowej ramki.
Po dotarciu do żelaznej płyty jony miedzi są redukowane do atomów obojętnych. Ponieważ jednak proces ten jest bardzo powolny, atomy miedzi układają się w piękne, błyszczące kryształy metalicznej miedzi. Czasami te kryształy tworzą gałęzie - dendryty. Zmieniając warunki doświadczenia (temperaturę, wielkość kryształów witriolu, grubość warstwy soli itp.), można zmienić warunki krystalizacji miedzi.
roztwory przechłodzone.
Czasami nasycony roztwór nie krystalizuje podczas chłodzenia. Taki roztwór, który zawiera w określonej ilości rozpuszczalnika więcej substancji rozpuszczonej, niż „przypuszcza się” w danej temperaturze, nazywany jest roztworem przesyconym. Roztworu przesyconego nie można uzyskać nawet przez bardzo długie mieszanie kryształów z rozpuszczalnikiem, można go wytworzyć jedynie przez ochłodzenie gorącego roztworu nasyconego. Dlatego takie rozwiązania nazywane są również przechłodzonymi. Coś w nich zakłóca początek krystalizacji, na przykład roztwór jest zbyt lepki lub do wzrostu kryształów potrzebne są duże jądra, których nie ma w roztworze.
Roztwory tiosiarczanu sodu Na 2 S 2 O 3 można łatwo przechłodzić. 5H 2 O. Jeśli ostrożnie podgrzejesz kryształy tej substancji do około 56 ° C, „stopią się”. W rzeczywistości nie jest to topienie, ale rozpuszczenie tiosiarczanu sodu we „własnej” wodzie krystalizacyjnej. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta rozpuszczalność tiosiarczanu sodu, podobnie jak większości innych substancji, a w temperaturze 56 ° C jego woda krystalizacyjna jest wystarczająca do rozpuszczenia całej obecnej soli. Jeśli teraz ostrożnie, unikając ostrych wstrząsów, ochłodzimy naczynie, kryształy nie utworzą się, a substancja pozostanie płynna. Ale jeśli gotowy zarodek, mały kryształ tej samej substancji, zostanie wprowadzony do przechłodzonego roztworu, rozpocznie się szybka krystalizacja. Co ciekawe, jest to spowodowane kryształem składającym się wyłącznie z tej substancji, a rozwiązanie może być całkowicie obojętne dla osoby z zewnątrz. Dlatego jeśli dotkniesz małego kryształka tiosiarczanu do powierzchni roztworu, stanie się prawdziwy cud: z kryształu wypłynie front krystalizacji, który szybko dotrze do dna naczynia. Zatem po kilku sekundach płyn całkowicie „stwardnieje”. Naczynie można nawet obrócić do góry nogami – nie wyleje się z niego ani kropla! Stały tiosiarczan można ponownie przetopić gorąca woda i powtórz wszystko od nowa.
Jeśli probówkę z przechłodzonym roztworem tiosiarczanu umieścimy w wodzie z lodem, kryształy będą rosły wolniej, a same będą większe. Krystalizacji roztworu przesyconego towarzyszy jego ogrzewanie - jest to uwolnienie energii cieplnej uzyskanej przez krystaliczny hydrat podczas jego topienia.
Tiosiarczan sodu nie jest jedyną substancją tworzącą przechłodzony roztwór, w którym można wywołać szybką krystalizację. Podobną właściwość ma np. octan sodu CH3COONa (łatwo go otrzymać przez działanie kwasu octowego na sodę). W przypadku octanu sodu doświadczeni wykładowcy demonstrują taki „cud”: powoli wylewają przesycony roztwór tej soli na mały szkiełko octanu w spodku, który w kontakcie z kryształami natychmiast krystalizuje, tworząc kolumnę stałej soli!
Kryształy mają szerokie zastosowanie w nauce i technologii: półprzewodniki, pryzmaty i soczewki do urządzeń optycznych, lasery na ciele stałym, piezoelektryki, ferroelektryki, kryształy optyczne i elektrooptyczne, ferromagnetyki i ferryty, monokryształy metali o wysokiej czystości...
Badania dyfrakcji rentgenowskiej kryształów pozwoliły ustalić strukturę wielu cząsteczek, w tym biologicznie aktywnych - białek, kwasów nukleinowych.
Jako biżuterię wykorzystuje się fasetowane kryształy kamieni szlachetnych, także tych wyhodowanych sztucznie.
Ilia Leenson
Klasyfikacja struktur krystalicznych na podstawie rodzajów zlokalizowanych w nich wiązań chemicznych.Jeśli wiązanie pomiędzy wszystkimi atomami w krysztale jest takie samo, wówczas struktury takie nazywane są homodesmicznymi (od greckiego Homo - to samo, desmos - wiązanie).Jeśli jest kilka typów w krysztale realizowanych jest wiązań chemicznych, struktury takie nazywane są heterodesmicznymi (od greckiego hetero – różne). Na podstawie ułożenia cząstek materialnych w kryształach wyróżnia się pięć geometrycznie różne rodzaje struktury - motywy strukturalne: koordynacyjne, wyspowe, łańcuchowe, warstwowe i ramowe.
Najgęstsze upakowanie cząstek w kryształach Konstrukcja atomów lub jonów cząsteczek musi mieć minimalną energię wewnętrzną.Sposób wypełniania przestrzeni kulami o tym samym promieniu, przy którym odległość między środkami cząstek jest minimalna, nazywa się metodą najgęstsze opakowanie. Kulki o tym samym promieniu w jednej warstwie można upakować tak ciasno, jak to możliwe, w jedyny sposób: każdą kulę otacza warstwa sześciu najbliższych sąsiadów, pomiędzy nią a sąsiadami znajdują się trójkątne szczeliny (warstwa A). Drugą gęsto upakowaną warstwę można również otrzymać w unikalny sposób: (warstwa B), każda górna kula będzie miała trzech identycznych sąsiadów w dolnej warstwie i odwrotnie, każda dolna kula będzie stykać się z trzema górnymi. W sześciokątnym opakowaniu kulek trzecia warstwa dokładnie powtarza pierwszą, a opakowanie okazuje się dwuwarstwowe i zostanie zapisane jako naprzemienność dwóch warstw A i B: AB AB AB. W sześciennym opakowaniu kulek kulki trzeciej warstwy (warstwa C) znajdują się nad pustkami pierwszej, całe opakowanie jest trójwarstwowe, powtórzenie motywu występuje w czwartej warstwie, w oznaczeniu literowym jest to zostanie zapisane jako ABC ABC....
W ciasnej przestrzeni można wyróżnić dwa rodzaje pustek. Pustki jednego typu są otoczone przez cztery sąsiednie kule, a puste przestrzenie drugiego typu są otoczone przez sześć. Łącząc środki ciężkości czterech kulek, otrzymujemy czworościan - pustkę czworościenną, w drugim przypadku otrzymujemy pustkę w postaci oktaedru - pustkę oktaedryczną. O całej różnorodności konstrukcji budowanych w oparciu o najbliższe wypełnienia decydują głównie motywy kationowe, czyli rodzaj, liczba i lokalizacja zajmowanych pustek. W zaproponowanej przez L. Paulinga metodzie modelowania struktur krystalicznych kulom tworzącym najbliższe upakowanie odpowiadają zawsze aniony. Jeśli połączymy ze sobą środki ciężkości tych kulek liniami, wówczas cała gęsto upakowana przestrzeń krystaliczna zostanie podzielona na ośmiościany i czworościany bez przerw.
Rzut na płaszczyznę xy struktury krystalicznej oliwinu (Mg, Fe)2 Wyróżnia się wielościany koordynacyjne – oktaedry – wokół atomów Mg i Fe (M 1 i M 2) oraz czworościany wokół atomów Si
Liczby koordynacyjne i wielościany koordynacyjne (wielościany) Liczba najbliższych sąsiadów otaczających daną cząstkę w strukturach krystalicznych nazywana jest liczbą koordynacyjną. Wielościan warunkowy, w środku którego znajduje się cząstka, a wierzchołki są reprezentowane przez jej środowisko koordynacyjne, nazywany jest wielościanem koordynacyjnym.
Struktury wysp składają się z pojedynczych grup końcowych (często cząsteczek). W strukturze krystalicznego chloru, zbudowanego z pojedynczych cząsteczek Cl, najkrótsza odległość pomiędzy dwoma atomami Cl odpowiada wiązaniu kowalencyjnemu, natomiast minimalna odległość pomiędzy atomami chloru z różnych cząsteczek odzwierciedla oddziaływanie międzycząsteczkowe, tj. wiązanie van der Waalsa.
Struktury łańcuchowe mogą składać się zarówno z łańcuchów neutralnych, jak i nasyconych wartościowością. Wiązanie pomiędzy atomami selenu jest kowalencyjne oraz pomiędzy atomami sąsiadujących łańcuchów van der Waalsa. W strukturze. Nie. HCO 3, wiązania wodorowe budują jony węglanowe (HCO 3) - w łańcuchach, których połączenie odbywa się poprzez jony Na +
Wyślij swoją dobrą pracę do bazy wiedzy jest prosta. Skorzystaj z poniższego formularza
Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy, którzy wykorzystują bazę wiedzy w swoich studiach i pracy, będą Państwu bardzo wdzięczni.
Kryształy (od greckiego kseufbllt, pierwotnie - lód, później - kryształ górski, kryształ) - ciała stałe, w których atomy są rozmieszczone regularnie, tworząc trójwymiarowy okresowy układ przestrzenny - sieć krystaliczną.
Kryształy to ciała stałe, które mają naturalny kształt zewnętrzny w postaci regularnych symetrycznych wielościanów, opartych na ich wewnętrznej strukturze, to znaczy na jednym z kilku pewnych regularnych układów, które tworzą substancję cząstek (atomów, cząsteczek, jonów).
Nieruchomości:
Jednolitość. Ta właściwość objawia się w tym, że dwie identyczne elementarne objętości substancji krystalicznej, jednakowo zorientowane w przestrzeni, ale wycięte w różnych punktach tej substancji, są absolutnie identyczne we wszystkich swoich właściwościach: mają ten sam kolor, ciężar właściwy, twardość , przewodność cieplna, przewodność elektryczna i inne
Należy pamiętać, że prawdziwe substancje krystaliczne bardzo często zawierają trwałe zanieczyszczenia i wtrącenia, które zniekształcają ich sieci krystaliczne. Dlatego w prawdziwych kryształach często nie występuje absolutna jednorodność.
Anizotropia kryształów
Wiele kryształów ma nieodłączną właściwość anizotropii, to znaczy zależności ich właściwości od kierunku, podczas gdy w substancjach izotropowych (większość gazów, cieczy, ciał stałych amorficznych) lub ciałach pseudoizotropowych (polikryształy) właściwości nie zależą od kierunków. Proces niesprężystego odkształcania kryształów przebiega zawsze wzdłuż ściśle określonych układów poślizgu, czyli tylko w określonych płaszczyznach krystalograficznych i tylko w określonym kierunku krystalograficznym. Ze względu na niejednorodny i nierówny rozwój odkształceń w różnych częściach ośrodka krystalicznego, pomiędzy tymi częściami zachodzi intensywne oddziaływanie poprzez ewolucję pól mikronaprężeń.
Jednocześnie istnieją kryształy, w których nie ma anizotropii.
Zgromadzono bogaty materiał eksperymentalny w fizyce niesprężystości martenzytycznej, zwłaszcza w kwestiach efektów pamięci kształtu i plastyczności transformacji. Eksperymentalnie udowodniono najważniejsze stanowisko fizyki kryształów dotyczące dominującego rozwoju odkształceń niesprężystych prawie wyłącznie w wyniku reakcji martenzytycznych. Jednak zasady konstruowania fizycznej teorii niesprężystości martenzytycznej są niejasne. Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku deformacji kryształów poprzez mechaniczne bliźniakowanie.
Znaczący postęp nastąpił w badaniach plastyczności dyslokacyjnej metali. Zrozumieno tu nie tylko podstawowe mechanizmy strukturalne i fizyczne realizacji procesów odkształceń niesprężystych, ale także stworzono efektywne metody obliczania zjawisk.
Zdolność do samodestylacji jest właściwością kryształów do tworzenia twarzy podczas swobodnego wzrostu. jeśli w roztworze przesyconym włoży się kulkę, na przykład sól kuchenną, wyrzeźbioną z jakiejś substancji, to po pewnym czasie kula ta przybierze kształt sześcianu. Natomiast kulka szklana nie zmieni swojego kształtu, ponieważ substancja amorficzna nie może się samodestylować.
stała temperatura topnienia. Jeśli podgrzejesz ciało krystaliczne, jego temperatura wzrośnie do pewnej granicy, przy dalszym ogrzewaniu substancja zacznie się topić, a temperatura pozostanie stała przez pewien czas, ponieważ całe ciepło pójdzie na zniszczenie kryształu krata. Temperatura, w której rozpoczyna się topienie, nazywana jest temperaturą topnienia.
Systematyka kryształów
Struktura krystaliczna
Struktura krystaliczna, indywidualna dla każdej substancji, odnosi się do podstawowych właściwości fizykochemicznych tej substancji. Struktura krystaliczna to taki zbiór atomów, w którym pewna grupa atomów, zwana jednostką motywyczną, jest powiązana z każdym punktem sieci krystalicznej, a wszystkie takie grupy mają taki sam skład, strukturę i orientację względem sieci. Można założyć, że struktura powstaje w wyniku syntezy siatki i jednostki motywycznej, w wyniku pomnożenia jednostki motywycznej przez grupę translacyjną.
W najprostszym przypadku jednostka motywiczna składa się z pojedynczego atomu, na przykład w kryształach miedzi lub żelaza. Struktura powstająca na podstawie takiej jednostki motywycznej jest geometrycznie bardzo podobna do siatki, różni się jednak tym, że składa się z atomów, a nie punktów. Często ta okoliczność nie jest brana pod uwagę, a terminy „sieć krystaliczna” i „struktura krystaliczna” dla takich kryształów są używane jako synonimy, co nie jest ścisłe. W przypadkach, gdy jednostka motywacyjna ma bardziej złożony skład, składa się z dwóch lub więcej atomów, nie ma geometrycznego podobieństwa sieci i struktury, a przesunięcie tych pojęć prowadzi do błędów. Na przykład struktura magnezu lub diamentu nie pokrywa się geometrycznie z siecią: w tych strukturach jednostki motywyczne składają się z dwóch atomów.
Główne parametry charakteryzujące strukturę kryształu, z których niektóre są ze sobą powiązane, są następujące:
§ rodzaj sieci krystalicznej (syringonia, sieć Bravais’go);
§ liczba jednostek formuły na komórkę elementarną;
§ grupa przestrzenna;
§ parametry komórki elementarnej (wymiary liniowe i kąty);
§ współrzędne atomów w komórce;
§ liczby koordynacyjne wszystkich atomów.
Typ konstrukcyjny
Struktury krystaliczne, które mają tę samą grupę przestrzenną i to samo rozmieszczenie atomów w pozycjach chemicznych kryształów (orbitach), są łączone w typy strukturalne.
Najbardziej znane typy strukturalne to miedź, magnez, żelazo węglowe, diament (substancje proste), chlorek sodu, sfaleryt, wurcyt, chlorek cezu, fluoryt (związki binarne), perowskit, spinel (związki trójskładnikowe).
Komórka kryształowa
Cząsteczki tworzące tę substancję stałą tworzą sieć krystaliczną. Jeżeli sieci krystaliczne są stereometrycznie (przestrzennie) takie same lub podobne (mają tę samą symetrię), to różnica geometryczna między nimi polega w szczególności na różnych odległościach pomiędzy cząstkami zajmującymi węzły sieci. Odległości między samymi cząstkami nazywane są parametrami sieci. Parametry sieci, a także kąty wielościanów geometrycznych wyznacza się fizycznymi metodami analizy strukturalnej, na przykład metodami rentgenowskiej analizy strukturalnej.
Hostowane pod adresem http://www.allbest.ru/
Ryż. Komórka kryształowa
Często ciała stałe tworzą (w zależności od warunków) więcej niż jedną formę sieci krystalicznej; takie formy nazywane są modyfikacjami polimorficznymi. Na przykład spośród prostych substancji znane są rombowa i jednoskośna siarka, grafit i diament, które są sześciokątnymi i sześciennymi modyfikacjami węgla, m.in. substancje złożone-- Kwarc, trydymit i krystobalit to różne modyfikacje dwutlenku krzemu.
Rodzaje kryształów
Konieczne jest oddzielenie kryształu idealnego od prawdziwego.
Idealny kryształ
W rzeczywistości jest to obiekt matematyczny, który ma w sobie pełną symetrię, idealnie gładkie, gładkie krawędzie.
prawdziwy kryształ
Zawsze zawiera różne defekty w wewnętrznej strukturze sieci, zniekształcenia i nieregularności na ścianach oraz ma obniżoną symetrię wielościanu ze względu na specyficzne warunki wzrostu, niejednorodność pożywki zasilającej, uszkodzenia i deformacje. Prawdziwy kryształ niekoniecznie ma krawędzie krystalograficzne i regularny kształt, ale zachowuje swoją główną właściwość - regularne położenie atomów w sieci krystalicznej.
Wady sieci krystalicznej (rzeczywista struktura kryształów)
W prawdziwych kryształach zawsze występują odchylenia od idealnego porządku w ułożeniu atomów, zwane niedoskonałościami lub defektami sieci. Ze względu na geometrię powodowanych przez nie zaburzeń sieci defekty dzielą się na defekty punktowe, liniowe i powierzchniowe.
Wady punktowe
Na ryc. 1.2.5 pokazuje różne rodzaje wad punktowych. Są to wakaty - puste miejsca sieci, „własne” atomy w szczelinach i atomy zanieczyszczeń w miejscach sieci i szczelinach. Główną przyczyną powstawania dwóch pierwszych typów defektów jest ruch atomów, którego intensywność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.
Ryż. 1.2.5. Rodzaje defektów punktowych w sieci krystalicznej: 1 - wakat, 2 - atom w szczelinach, 3 i 4 - atomy zanieczyszczeń odpowiednio w miejscu i szczelinach
Wokół dowolnego defektu punktowego następuje lokalne zniekształcenie sieci o promieniu R 1 ... 2 okresów sieci (patrz ryc. 1.2.6), dlatego jeśli takich defektów jest wiele, wpływają one na charakter rozkładu wiązań międzyatomowych siły i odpowiednio właściwości kryształów.
Ryż. 1.2.6. Lokalne zniekształcenie sieci krystalicznej wokół wakatu (a) i atomu domieszki w miejscu sieci (b)
Wady linii
Defekty liniowe nazywane są dyslokacjami. Ich pojawienie się jest spowodowane obecnością „dodatkowych” półpłaszczyzn atomowych (dodatkowych) w oddzielnych częściach kryształu. Powstają podczas krystalizacji metali (w wyniku naruszenia kolejności wypełniania warstw atomowych) lub w wyniku ich odkształcenia plastycznego, jak pokazano na ryc. 1.2.7.
Ryż. 1.2.7. Powstawanie przemieszczenia krawędzi () w wyniku częściowego przesunięcia górnej części kryształu pod działaniem siły: ABCD - płaszczyzna poślizgu; EFGH - dodatkowy samolot; PL - linia przemieszczenia krawędzi
Można zauważyć, że pod wpływem siły ścinającej nastąpiło częściowe przesunięcie górnej części kryształu wzdłuż pewnej płaszczyzny poślizgu („lekkie ścinanie”) ABCD. W rezultacie powstał pozapłaszczyznowy EFGH. Ponieważ nie biegnie w dół, wokół jej krawędzi EH dochodzi do sprężystego zniekształcenia sieci o promieniu kilku odległości międzyatomowych (tj. 10 -7 cm - patrz temat 1.2.1), ale zakres tego zniekształcenia jest wielokrotnie większy (może osiągnąć 0,1 ... 1 cm).
Taka niedoskonałość kryształu wokół krawędzi płaszczyzny zewnętrznej jest liniowym defektem sieci i nazywana jest dyslokacją krawędzi.
O najważniejszych właściwościach mechanicznych metali – wytrzymałości i plastyczności (patrz temat 1.1) – decyduje obecność dyslokacji i ich zachowanie pod obciążeniem ciała.
Zastanówmy się nad dwiema cechami mechanizmu przemieszczenia dyslokacji.
1. Dyslokacje mogą bardzo łatwo (przy małym obciążeniu) przemieszczać się wzdłuż płaszczyzny poślizgu za pomocą ruchu „sztafetowego” płaszczyzny zewnętrznej. Na ryc. 1.2.8 przedstawia początkową fazę takiego ruchu (dwuwymiarowy rysunek w płaszczyźnie prostopadłej do linii przemieszczenia krawędzi).
Ryż. 1.2.8. Początkowy etap ruchu sztafetowego przemieszczenia krawędzi (). A-A - płaszczyzna poślizgu, 1-1 dodatkowa płaszczyzna (pozycja wyjściowa)
Pod działaniem siły atomy dodatkowej płaszczyzny (1-1) odłączają się od płaszczyzny (2-3) atomy (2-2) znajdujące się nad płaszczyzną poślizgu. W rezultacie atomy te tworzą nową płaszczyznę pozapłaszczyznową (2-2); atomy „starej” płaszczyzny zewnętrznej (1-1) zajmują zwolnione miejsca, uzupełniając płaszczyznę (1-1-3). Akt ten oznacza zanik „starego” przemieszczenia związanego z dodatkową płaszczyzną (1-1) i pojawienie się „nowego” przemieszczenia związanego z dodatkową płaszczyzną (2-2), czyli innymi słowy przeniesienie „pałeczki sztafetowej” - przemieszczenie na jedną odległość międzypłaszczyznową. Taki sztafetowy ruch dyslokacji będzie trwał aż do krawędzi kryształu, co będzie oznaczać przesunięcie jego górnej części o jedną odległość międzypłaszczyznową (tj. odkształcenie plastyczne).
Mechanizm ten nie wymaga dużego wysiłku, ponieważ. składa się z kolejnych mikroprzemieszczeń wpływających tylko na ograniczoną liczbę atomów otaczających płaszczyznę zewnętrzną.
2. Jest jednak oczywiste, że taką łatwość przesuwania się dyslokacji można zaobserwować tylko wtedy, gdy na ich drodze nie ma przeszkód. Przeszkodami takimi są wszelkie defekty sieci (zwłaszcza liniowe i powierzchniowe!), a także cząstki innych faz, jeśli występują w materiale. Przeszkody te powodują zniekształcenia sieci, których pokonanie wymaga dodatkowych wysiłków zewnętrznych, dlatego mogą blokować ruch dyslokacji, tj. unieruchomić je.
Wady powierzchni
Wszystkie metale przemysłowe (stopy) są materiałami polikrystalicznymi, tj. składają się z ogromnej liczby małych (zwykle 10 -2 ... 10 -3 cm), losowo zorientowanych kryształów, zwanych ziarnami. Oczywiście w takim materiale naruszona jest okresowość sieci właściwa każdemu ziarnu (monokryształowi), ponieważ płaszczyzny krystalograficzne ziaren są obracane względem siebie o kąt 6 (patrz ryc. 1.2.9), którego wartość waha się od ułamków do kilkudziesięciu stopni.
Ryż. 1.2.9. Schemat struktury granic ziaren w materiale polikrystalicznym
Granicę między ziarnami stanowi warstwa przejściowa o szerokości do 10 odległości międzyatomowych, zwykle o nieuporządkowanym układzie atomów. Jest to miejsce gromadzenia się dyslokacji, wakatów, atomów zanieczyszczeń. Dlatego w większości materiału polikrystalicznego granice ziaren są dwuwymiarowymi defektami powierzchniowymi.
Wpływ defektów sieci na właściwości mechaniczne kryształów. Sposoby zwiększania wytrzymałości metali.
Wytrzymałość to zdolność materiału do przeciwstawienia się odkształceniom i zniszczeniu pod wpływem obciążenia zewnętrznego.
Przez wytrzymałość ciał krystalicznych rozumie się ich odporność na przyłożone obciążenie, które ma tendencję do przemieszczania się lub w ograniczonym zakresie odrywania jednej części kryształu względem drugiej.
Obecność ruchomych dyslokacji w metalach (już w procesie krystalizacji pojawia się do 10 6 ... 10 8 dyslokacji w przekroju równym 1 cm 2) prowadzi do ich zmniejszonej wytrzymałości na obciążenia, tj. wysoka plastyczność i niska wytrzymałość.
Jasne, że najbardziej efektywny sposób zwiększeniem wytrzymałości będzie usunięcie dyslokacji z metalu. Jednak ten sposób nie jest zaawansowany technologicznie, bo metale wolne od dyslokacji można uzyskać jedynie w postaci cienkich nitek (tzw. „wąsów”) o średnicy kilku mikronów i długości do 10 mikronów.
Dlatego praktyczne metody hartowania opierają się na hamowaniu, blokowaniu dyslokacji ruchomych poprzez gwałtowny wzrost liczby defektów sieci (przede wszystkim liniowych i powierzchniowych!), a także tworzeniu materiałów wielofazowych
Taki tradycyjne metody zwiększające wytrzymałość metali to:
– odkształcenia plastyczne (zjawisko umocnienia przez zgniot lub umocnienia przez zgniot),
– obróbka termiczna (i chemiczno-termiczna),
- tworzenie stopów (wprowadzanie specjalnych zanieczyszczeń) i najczęstszym podejściem jest tworzenie stopów.
Podsumowując, należy zauważyć, że wzrost wytrzymałości polegający na blokowaniu ruchomych dyslokacji prowadzi do zmniejszenia ciągliwości i udarności, a co za tym idzie, niezawodności eksploatacyjnej materiału.
Dlatego kwestię stopnia utwardzenia należy rozpatrywać indywidualnie, biorąc pod uwagę przeznaczenie i warunki pracy produktu.
Polimorfizm w dosłownym tego słowa znaczeniu oznacza wielopostaciowość, tj. zjawisko, gdy substancje o tym samym składzie chemicznym krystalizują w różnych strukturach i tworzą kryształy o różnej syngogii. Na przykład diament i grafit mają ten sam skład chemiczny, ale różne struktury, oba minerały znacznie różnią się pod względem fizycznym. nieruchomości. Innym przykładem jest kalcyt i aragonit – mają ten sam skład CaCO 3, ale reprezentują różne modyfikacje polimorficzne.
Zjawisko polimorfizmu jest związane z warunkami powstawania substancji krystalicznych i wynika z faktu, że tylko niektóre struktury są trwałe w różnych warunkach termodynamicznych. Zatem cyna metaliczna (tzw. biała cyna), gdy temperatura spadnie poniżej -18 C 0, staje się niestabilna i kruszy się, tworząc „szarą cynę” o innej strukturze.
Izomorfizm. Stopy metali to struktury krystaliczne o zmiennym składzie, w których atomy jednego pierwiastka znajdują się w szczelinach sieci krystalicznej innego. Są to tak zwane roztwory stałe drugiego rodzaju.
W przeciwieństwie do roztworów stałych drugiego rodzaju, w roztworach stałych pierwszego rodzaju atomy lub jony jednej substancji krystalicznej można zastąpić atomami lub jonami innej. Te ostatnie znajdują się w węzłach sieci krystalicznej. Rozwiązania tego rodzaju nazywane są mieszaninami izomorficznymi.
Warunki niezbędne do przejawu izomorfizmu:
1) Można zastąpić tylko jony o tym samym znaku, tj. kation za kation i anion za anion
2) Można zastąpić tylko atomy lub jony o podobnej wielkości, tj. różnica promieni jonowych nie powinna przekraczać 15% dla doskonałego izomorfizmu i 25% dla niedoskonałego izomorfizmu (na przykład Ca 2+ do Mg 2+)
3) Można zastąpić tylko jony o zbliżonym stopniu polaryzacji (tj. stopniu wiązania jonowo-kowalencyjnego)
4) Wymieniać można wyłącznie elementy posiadające ten sam numer koordynacyjny w danej strukturze krystalicznej
5) W ten sposób powinny następować podstawienia izomorficzne. Aby równowaga elektrostatyczna sieci krystalicznej nie została zakłócona.
6) podstawienia izomorficzne przebiegają w kierunku przyrostu energii sieci.
Rodzaje izomorfizmu. Istnieją 4 rodzaje izomorfizmu:
1) izomorfizm izowalentny charakteryzuje się tym, że w tym przypadku występują jony o tej samej wartościowości, a różnica w wielkościach promieni jonowych nie powinna przekraczać 15%
2) izomorfizm heterowalentny. W tym przypadku następuje podstawienie jonów o różnej wartościowości. Przy takim podstawieniu jednego jonu nie można zastąpić innym bez naruszenia równowagi elektrostatycznej sieci krystalicznej, dlatego przy izomorfizmie heterowalentnym nie zastępuje się jonu, jak w izomorfizmie heterowalentnym, ale grupę jonów o określonej wartościowości inną grupę jonów przy zachowaniu tej samej wartościowości całkowitej.
Należy w tym przypadku zawsze pamiętać, że zastąpienie jonu o jednej wartościowości jonem o innej wartościowości zawsze wiąże się z kompensacją wartościowości. Kompensacja ta może zachodzić zarówno w kationowej, jak i anionowej części związków. W takim przypadku muszą zostać spełnione następujące warunki:
A) suma wartościowości podstawionych jonów musi być równa sumie wartościowości podstawionych jonów.
B) suma promieni jonowych jonów podstawiających powinna być bliska sumie promieni jonowych jonów podstawiających i może różnić się od niej nie więcej niż o 15% (dla idealnego izomorfizmu)
3) izostrukturalny. Nie następuje podstawienie jednego jonu na inny, albo grupy jonów na inną grupę, ale zastąpienie całego „bloku” jednej sieci krystalicznej innym z tego samego „bloku”. Może się to zdarzyć tylko wtedy, gdy struktury minerałów są tego samego typu i mają podobne rozmiary komórek elementarnych.
4) izomorfizm szczególnego rodzaju.
Przemieszczenie defektu sieci krystalicznej
Hostowane na Allbest.ru
Podobne dokumenty
Charakterystyka efektu piezoelektrycznego. Badanie struktury krystalicznej efektu: rozważania modelowe, odkształcenia kryształów. Fizyczny mechanizm odwrotnego efektu piezoelektrycznego. Właściwości kryształów piezoelektrycznych. Stosowanie efektu.
praca semestralna, dodano 12.09.2010
Informacje o drganiach sieci krystalicznych, funkcje opisujące ich wielkości fizyczne. Krystalograficzne układy współrzędnych. Obliczanie energii oddziaływania atomów w kryształach kowalencyjnych, widmo drgań sieci krystalicznej wolframianu baru.
praca dyplomowa, dodana 01.09.2014
Przepływ prądu przez elektrolity. Fizyczna natura przewodnictwa elektrycznego. Wpływ zanieczyszczeń, defektów struktury krystalicznej na rezystywność metali. Odporność cienkich folii metalowych. Zjawiska kontaktowe i siła termoelektromotoryczna.
streszczenie, dodano 29.08.2010
Pojęcie i klasyfikacja defektów kryształów: energetycznych, elektronicznych i atomowych. Główne niedoskonałości kryształów, powstawanie defektów punktowych, ich koncentracja i prędkość przemieszczania się przez kryształ. Dyfuzja cząstek na skutek ruchu wakatów.
streszczenie, dodano 19.01.2011
Istota polimorfizmu, historia jego odkrycia. Fizyczne i Właściwości chemiczne polimorficzne modyfikacje węgla: diamentu i grafitu, ich analiza porównawcza. Przemiany polimorficzne ciekłych kryształów, cienkich warstw dwujodku cyny, metali i stopów.
praca semestralna, dodana 04.12.2012
Stany krystaliczne i amorficzne ciał stałych, przyczyny defektów punktowych i liniowych. Pochodzenie i wzrost kryształów. Sztuczna produkcja kamieni szlachetnych, roztworów stałych i ciekłych kryształów. Właściwości optyczne cholesterycznych ciekłych kryształów.
streszczenie, dodano 26.04.2010
Historia rozwoju koncepcji ciekłych kryształów. Ciekłe kryształy, ich rodzaje i główne właściwości. Aktywność optyczna ciekłych kryształów i ich właściwości strukturalne. Efekt Freedericksza. Fizyczna zasada działania urządzeń na wyświetlaczu LCD. Mikrofon optyczny.
poradnik, dodano 14.12.2010
Krystalizacja jako proces przejścia metalu ze stanu ciekłego do stanu stałego z utworzeniem struktury krystalicznej. Schemat tworzenia szwu podczas spawania łukowego. Kluczowe czynniki i warunki niezbędne do rozpoczęcia wzrostu kryształów ciekłych metali.
prezentacja, dodano 26.04.2015
Badanie struktury (tworzenie się przez chaotycznie ułożone krystality) i metody otrzymywania (chłodzenie stopu, natryskiwanie z fazy gazowej, bombardowanie kryształów przez neurony) szkieł. Zapoznanie z procesami krystalizacji i zeszklenia.
streszczenie, dodano 18.05.2010
Wady kryształów rzeczywistych, zasada działania tranzystorów bipolarnych. Zniekształcenia sieci krystalicznej w roztworach stałych śródmiąższowych i substytucyjnych. Zjawiska powierzchniowe w półprzewodnikach. Parametry tranzystora i współczynnik przenikania prądu emitera.
Metody opisu i przedstawiania atomu
Struktury krystaliczne
kryształy
Okresowość struktury jest najbardziej charakterystyczną właściwością kryształów. W sieci okresowej zawsze można rozróżnić komórka elementarna, nadając w przestrzeni kosmicznej łatwo zorientować się w strukturze całego kryształu. Tworzenie się określonej siatki przestrzennej przez dowolny element lub związek zależy głównie od wielkości atomów i konfiguracji elektronowej ich zewnętrznych powłok.
Rosyjski naukowiec E. S. Fiodorow prawie 40 lat przed odkryciem metod analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich obliczył możliwe ułożenia cząstek w sieciach krystalicznych różne substancje i zaproponował 230 grup przestrzennych. Geometrycznie możliwych jest tylko 14 różnych sieci przestrzennych, które nazywane są sieciami Bravais i stanowią podstawę sześciu układów kryształów pokazanych w tabeli. 2.1 i na ryc. 2.1. Czasami rozważają układ romboedryczny lub trygonalny (a \u003d b \u003d Z; α = β = γ ≠ 90°) jako niezależny siódmy układ.
Jeśli atomy znajdują się tylko na wierzchołkach komórki elementarnej, wówczas nazywa się kratę prymitywny Lub prosty. Jeśli na ścianach lub w objętości komórki znajdują się atomy, wówczas sieć będzie złożona (na przykład skupiona na podstawie, ciele i powierzchni).
Ciała krystaliczne mogą mieć postać oddzielnych dużych kryształów - monokryształów lub składać się z agregatu dużej liczby małych kryształów (ziarna).
Tabela 2.1
Kraty przestrzenne układów krystalicznych
| Układ kryształowy | Krata przestrzenna | Zależność pomiędzy kątami osiowymi a jednostkami osiowymi | |
| 1. Trójklinika | Ja - proste | A ≠ B ≠ C; α ≠ β ≠ γ ≠90° | |
| 2. Jednoskośny | II - prosty III - centralnie bazowy | A ≠ B ≠ C; α = γ = 90°; β ≠90° | |
| 3. Rombowy lub rombowy | IV - proste V - centrowane u podstawy VI - centrowane w korpusie VII - centrowane na twarzy | A ≠ B ≠ C; α = β = γ = 90° | |
| 4. Sześciokątny | VIII - prosty IX - romboedryczny | A = B ≠ C; α = β = 90°; γ = 120° | |
| 5. Tetragonalny | X - prosty XI - skupiony na ciele | A = B ≠ C; α = β = γ = 90° | |
| 6. Sześcienny | XII - prosty XIII - skupiony na ciele XIV - skoncentrowany na twarzy | A = B = C; α = β = γ = 90° |
Ryż. 2.1. Kraty Odważne
W przypadku polikryształu, w obrębie każdego ziarna atomy ułożone są okresowo, natomiast przy przejściu z jednego ziarna do drugiego na granicy faz, regularny układ cząstek zostaje zakłócony.
Monokryształy charakteryzują się anizotropią właściwości. W ciałach polikrystalicznych w większości przypadków nie obserwuje się anizotropii, jednak za pomocą specjalnego przetwarzania można uzyskać materiały teksturowane o zorientowanym układzie kryształów.
Ponieważ monokryształy są anizotropowe, przy określaniu właściwości elektrycznych, mechanicznych i innych konieczne jest wskazanie położenia płaszczyzn i kierunków krystalograficznych w kryształach. W tym celu wykorzystuje się wskaźniki Millera.
Wskaźniki Millera
Niech płaszczyzna odetnie odcinki OA, OB i OS na osiach współrzędnych (w jednostkach okresu sieci). Obliczmy ich odwrotność H = 1/OA, K = 1/OB, L = 1/OC i zdefiniujmy najmniejsze liczby całkowite o takim samym stosunku jak H: K: L = h: k: l. Liczby całkowite (hkl) nazywane są indeksami Millera płaszczyzny.
W kryształach sześciennych wskaźniki (100) odnoszą się do płaszczyzny równoległej do osi Y i Z; indeksy (010) - do płaszczyzny równoległej do osi X i Z oraz (001) - do płaszczyzny równoległej do osi X i Y. W kryształach o osiach ortogonalnych płaszczyzny te są również odpowiednio prostopadłe do osi X, Y i Z.
Do wyznaczania kierunków w krysztale stosuje się wskaźniki w postaci najmniejszych liczb całkowitych powiązanych ze sobą jako składowe wektora równoległego do danego kierunku. W przeciwieństwie do oznaczeń samolotów, są one zapisane w nawiasach kwadratowych. W kryształach sześciennych kierunki te są prostopadłe do płaszczyzny o tych samych wskaźnikach. Dodatni kierunek osi X oznacza , dodatni kierunek osi Y - , ujemny kierunek osi Z - , przekątną sześcianu - i tak dalej. Oznaczenia płaszczyzn i kierunków krystalograficznych podano na ryc. 2.2.
Płaszczyzny, które odcinają równe segmenty, ale znajdują się w innych oktanach, są równoważne pod względem krystalograficznym i fizykochemicznym. Tworzą one zbiór płaszczyzn równoważnych - (hkl) lub układ płaszczyzn, w którym h, k, l można zapisać w dowolnej kolejności i z dowolną liczbą minusów przed indeksami. Minus jest zapisany nad indeksem.
Położenie kierunku w siatce przestrzennej można łatwo wyznaczyć na podstawie współrzędnych atomu położonego najbliżej początku współrzędnych i leżącego w danym kierunku.
Oznacza się zbiór równoważnych kierunków lub system kierunków
Ryż. 2.2. Przykłady notacji krystalograficznej
płaszczyzny i kierunki w kryształach sześciennych
za pomocą wskaźników Millera
Przykłady rozwiązywania problemów
Przykład 1. Wyznacz wskaźniki płaszczyzny odcinającej odcinki A = 1, B = 2, C = - 4 na osiach kraty.
Stosunki odwrotności odcinków wynoszą 1/A: 1/B: 1/C = 1/1: 1/2: 1/(-4). Sprowadzamy ten stosunek do stosunku trzech liczb całkowitych, mnożąc przez wspólny mianownik 4, dodatkowymi czynnikami będą 4 i 2. 1 / A: 1 / B: 1 / C \u003d 4: 2: (- 1). Będzie to wymagane h, k, l. Indeksy płaskie (42 ).
Przykład 2. Wyznacz odcinki, które płaszczyzna (023) odcina na osiach kraty.
Zapisujemy wartości odwrotne do wskaźników płaszczyzny: 1/0, 1/2, 1/3. Mnożymy przez wspólny mianownik równy 6 (sprowadzamy segmenty do liczb całkowitych). Segmenty odcięte przez płaszczyznę na osiach będą równe A \u003d, B \u003d 3, C \u003d 2. Płaszczyzna ta będzie równoległa do osi x, ponieważ A \u003d.
Wielopostaciowość
Niektóre ciała stałe mają zdolność tworzenia nie jednej, ale dwóch lub więcej struktur krystalicznych, które są stabilne w różnych temperaturach i ciśnieniach. Ta właściwość materiałów nazywa się wielopostaciowość, a odpowiednie struktury krystaliczne nazywane są formami polimorficznymi lub alotropowy modyfikacje substancji.
Modyfikacja, która jest stabilna w normalnych i niższych temperaturach, jest zwykle oznaczona literą α ; modyfikacje stabilne w wyższych temperaturach oznaczono odpowiednio literami. β , γ itp.
Polimorfizm jest szeroko rozpowszechniony wśród materiały techniczne i jest niezbędny do ich przetwarzania i eksploatacji.
Klasycznym przykładem polimorfizmu jest niskotemperaturowa przemiana białej cyny ( β -Sn) do szarego ( α -Sn), znaną w tej dziedzinie jako „plaga cyny”.
Praktycznie interesujący jest polimorfizm węgla - jego istnienie w postaci diamentu lub grafitu. W normalnych warunkach grafit jest bardziej stabilną modyfikacją niż diament. Jednak wraz ze wzrostem ciśnienia stabilność diamentu wzrasta, podczas gdy grafitu maleje, a przy wystarczająco wysokich ciśnieniach diament staje się bardziej stabilny. Jeśli jednocześnie podniesie się temperaturę, aby zwiększyć ruchliwość atomów, wówczas grafit można przekształcić w diament. Na tej zasadzie opiera się produkcja sztucznych diamentów. W Związku Radzieckim ich produkcję przemysłową rozpoczęto w 1961 roku. Syntezę prowadzi się pod ciśnieniem około 10 10 Pa w temperaturze 2000°C. Uzyskane w ten sposób sztuczne diamenty charakteryzują się wyższą wytrzymałością i twardością niż kryształy naturalne.
2.1.5. izomorfizm
izomorfizm- jest to właściwość chemicznie i geometrycznie bliskich atomów i jonów oraz ich kombinacji do wzajemnego zastępowania się w sieci krystalicznej, tworząc kryształy o zmiennym składzie.
Izomorficzne kryształy krzemu i germanu tworzą ciągłą serię substytucyjnych roztworów stałych. Obie te substancje krystalizują w strukturze diamentu, okres sieciowy germanu a = 0,565 nm, krzemu a = 0,542 nm, różnica okresów jest mniejsza niż 4%, dlatego możliwe jest tworzenie substytucyjnych roztworów stałych o nieograniczonej rozpuszczalności , w którym atomy germanu i krzemu znajdują się w miejscach siatki diamentowej.
Gęstość, okres sieciowy, twardość w szeregu izomorficznym mieszanych kryształów Si-Ge zmieniają się liniowo. Wybierając różne składy izomorficzne, można zmieniać zakresy temperatur pracy i parametry elektrofizyczne tych i innych roztworów stałych związków półprzewodnikowych.
Podobne informacje.
Najbardziej rozbudowaną grupą kryształów są ciała zbudowane z cząsteczek. Związki jonowe również mają wystarczającą liczbę przedstawicieli. W takich przypadkach, jak już powiedzieliśmy, pomysł kryształu jako gęsto upakowanych cząstek jest całkiem uzasadniony. Należy jednak zastanowić się nad tymi strukturami, w których orientacja wiązań między atomami, odchylenie chmury elektronów od symetrii sferycznej itp. Są przyczyną powstawania struktur, których nie można już rozpatrywać w tak prosty sposób.
Do takich wyjątków zaliczają się struktury atomów połączonych wspólnymi elektronami.
Duża liczba metali ma struktury z komórką sześcienną skupioną wokół ciała. W tych kryształach każdy atom będzie miał ośmiu sąsiadów, a nie dwunastu, jak w najbliższym upakowaniu kulek. Tak zachowują się na przykład atomy żelaza (ryc. 257). Żelazna krata jest sześcienna; atomy żelaza znajdują się w wierzchołkach i środkach sześcianów. Lit, potas, cez i wiele innych substancji mają tę samą strukturę.
Na ryc. 263 strukturę krystalicznej rtęci porównuje się z idealnym sześciennym, zamkniętym upakowaniem. Łatwo zauważyć, że charakter położenia środków atomów jest taki sam, ale w strukturze
rtęci, odległości między warstwami malały, a odległości między atomami jednej warstwy zwiększały się, jakbyśmy byli ciasno upakowanymi, lekko spłaszczonymi kulkami.
Przykładów takich, w mniejszym lub większym stopniu, „zepsutych” pakietów jest mnóstwo. Na przykład w przypadku lodu (ryc. 264) całkowicie zatraca się związek z wypełnieniem kulistym. Wiązanie pomiędzy każdą parą atomów tlenu jest realizowane przez jeden atom wodoru. W tych czterech wiązaniach każdy atom wodoru przypada na dwa atomy tlenu – co jest sprzeczne ze wzorem chemicznym wody pokazanym na ryc. Struktura 264 oczywiście nie. Dla przejrzystości wiązanie „wodorowe” na rysunku pokazano jako „przesmyk”. Struktura lodu jest bardzo luźna, na rysunku widoczne są duże „dziury”. Jeśli mentalnie będziesz kontynuować konstrukcję nad płaszczyzną rysunku, wówczas dziury te zamienią się w szerokie kanały penetrujące konstrukcję.
Struktura lodu jest ważnym wyjątkiem główna zasada. Nie oznacza to, że zdarzają się rzadkie przypadki, gdy asymilacja kryształu do gęstego upakowania cząstek traci sens.
Jak powiedzieliśmy powyżej, analogia z gęstym upakowaniem kul zostaje całkowicie zatracona w przypadku kryształów zbudowanych z atomów połączonych wspólnymi elektronami.
Struktura siarczku cynku pokazana powyżej na ryc. 257 jest bardzo charakterystyczny. Struktury niektórych pierwiastków wyglądają tak samo: węgiel (diament), krzem, german, cyna (biały).
Przypadki są możliwe, gdy wiązania homeolarne tworzą warstwy i łańcuchy atomów.
Na ryc. 265 przedstawia strukturę grafitu. Atomy węgla w graficie tworzą strukturę warstwową. Nie są to jednak warstwy najgęstszego upakowania. Z sąsiadujących ze sobą kul nie da się zbudować warstwy grafitu. W graficie warstwy silnie związanych atomów są płaskie. Arsen i fosfor również dają struktury warstwowe w tym sensie, ale atomy warstwy nie są umieszczone w tej samej płaszczyźnie. Jako przykład
struktury składające się z łańcuchów silnie związanych atomów, możemy przynieść szary selen. Każdy atom tej substancji jest ściśle połączony tylko z dwoma sąsiadami. W szarym selenie atomy tworzą nieskończoną spiralę, wijącą się po linii prostej. Odległości między atomami sąsiednich helis są znacznie większe niż odległości między najbliższymi atomami w tej samej helisie.
Matowy czarny miękki grafit, którym piszemy i błyszczący, przezroczysty, twardy, szlifujący szkło diament zbudowane są z tych samych atomów - z atomów węgla. Przykład ten pokazuje z wyjątkową wyrazistością, jak ostro o właściwościach kryształów decyduje wzajemne ułożenie atomów. Grafit służy do produkcji tygli ogniotrwałych, które wytrzymują temperatury do 2000-3000 ° C, a spalanie diamentu w temperaturach powyżej 700 ° C; ciężar właściwy diamentu wynosi 3,5, a grafitu 2,1; grafit przewodzi prąd, diament nie itp.
Ta cecha tworzenia różnych kryształów jest nieodłączna nie tylko dla jednego węgla. Prawie każdy pierwiastek chemiczny w stanie krystalicznym, a każda substancja występuje w kilku odmianach. Znamy sześć odmian lodu, dziewięć odmian siarki i cztery odmiany żelaza.
W temperaturze pokojowej atomy żelaza tworzą sześcienną siatkę, w której atomy zajmują pozycje na wierzchołkach i w środku sześcianów; każdy atom ma ośmiu sąsiadów. W wysokich temperaturach atomy żelaza tworzą najbliższe upakowanie: każdy atom ma dwunastu sąsiadów. Żelazo z ośmioma sąsiadami jest miękkie, żelazo z dwunastoma sąsiadami jest twarde. Hartowanie stali utrwala w temperaturze pokojowej najgęstsze upakowanie sześcienne, które jest stabilne w wyższych temperaturach.
Już z przykładów węgla i żelaza jasne jest, że odmiany kryształów tej samej substancji różnią się całkowicie strukturą. To samo dotyczy innych substancji.
Na przykład żółta siarka tworzy w krysztale pofałdowane pierścienie składające się z ośmiu atomów. Innymi słowy, w krysztale widoczna jest cząsteczka siarki złożona z ośmiu atomów. Z takich pierścieni składa się również czerwona siarka, ale są one zwrócone do siebie w zupełnie inny sposób.
Fosfor żółty daje strukturę sześcienną z ośmioma najbliższymi sąsiadami. Fosfor czarny jest strukturą typu grafitu warstwowego.
Szara cyna ma taką samą strukturę jak diament. Białą cynę można mentalnie uzyskać z szarości, jeśli struktura diamentu zostanie mocno ściśnięta wzdłuż osi sześcianu. W wyniku tego spłaszczenia liczba najbliższych sąsiadów atomu cyny wynosi sześć zamiast czterech.
Substancje organiczne często mają również odmiany krystaliczne. Te same cząsteczki są inaczej ułożone względem siebie.
