Je třeba rozlišovat mezi pojmy krystalová buňka a Krystalická struktura. Struktura krystalu je fyzikální realitou, specifickým uspořádáním různých atomů v prostoru. Krystalová mřížka je geometrický obraz struktury, který odráží pouze symetrii uspořádání krystalových částic. Pro úplnější popis struktury krystalů se používá pojem báze. Základ krystalové struktury se nazývá soubor různých atomů uspořádaných určitým způsobem v prostoru na jednotkovou buňku. Tito. jsou uvedeny všechny atomy, které zcela patří do jedné elementární buňky, spolu s jejich souřadnicemi v této buňce. Pokud tedy elementární buňka určuje velikost a tvar „elementárních cihel“, ze kterých je krystal postaven, pak základ určuje „materiál“ těchto cihel. Jinými slovy, základem je onen „elementární blok hmoty“, jehož periodické opakování v prostoru reprodukuje celý uvažovaný krystal.

Základ komplexních organických krystalů, sestávajících z velkých molekul, může zahrnovat několik tisíc různých atomů. V nejjednodušším případě, kdy jsou atomy nebo ionty stejného typu umístěny v uzlech krystalové mřížky, tvoří základ pouze jedna nebo několik takových částic. Tato situace je typická zejména pro kovy. Pokud je struktura kovu popsána krystalovou mřížkou s primitivní buňkou (obr. 1), pak základ takové struktury tvoří pouze jeden atom daného kovu. (V tomto případě se každý atom kovu umístěný v uzlu krystalové mřížky nachází v průsečíku 8 podobných buněk a patří do uvažované buňky pouze ⅛ částí. Ale protože je v buňce 8 takových uzlů, přesně jeden atom k ní úplně patří, tvoříc pohybem tohoto základního atomu podél souřadnicových os s krokem odpovídajícím periodám krystalové mřížky se reprodukuje celá prostorová struktura kovu). V případě buňky zaměřené na tělo jsou základem 2 atomy kovu (atom ve středu buňky zcela patří této buňce, plus jeden atom dává uzly umístěné ve vrcholech buňky) a obličej- centrovaná buňka je 4 (každý ze 6 atomů umístěných ve středu ploch patří do uvažované buňky pouze z ½ části).

Systém symetrie, hodnota period mřížky a báze zcela určují krystalovou strukturu konkrétního materiálu. Pokud jsou tyto parametry známy, pak se za známou považuje i krystalová struktura. Pro úplnější popis konstrukce se však někdy používají další parametry, jako je koordinační číslo a součinitel kompaktnosti. koordinační číslo je počet nejbližších ekvidistantních sousedů libovolného atomu. S ohledem na strukturu znázorněnou na Obr. 1, pak je jeho koordinační číslo šest. Faktor kompaktnosti(stupeň kompaktnosti) je poměr objemu obsazeného atomy k celému objemu základní buňky. V případě čistých kovů může faktor kompaktnosti dosáhnout 0,74. To znamená, že 74 % objemu kovu je obsazeno atomy a zbytek jsou dutiny (póry).

KRYSTALICKÁ STRUKTURA, uspořádání atomů krystal. in-va ve vesmíru. max. charakteristickou vlastností krystalové struktury je trojrozměrná periodicita (viz Krystalový stav). Obvykle, mluvíme-li o krystalové struktuře, implikují uspořádání atomových jader zprůměrované v čase (takzvaný statický model); úplnější informace zahrnují informace o amplitudách a frekvencích atomových vibrací (dynamický model), stejně jako o rozložení elektronové hustoty v mezijaderném prostoru. Studium krystalových struktur a jejich spojení se St. you in-in je předmětem krystalochemie. Geom. charakteristiky krystalové struktury, údaje o rozložení elektronové hustoty, amplitudy atomových vibrací (přesněji řečeno střední kvadratické posuny z rovnovážných poloh) se zjišťují pomocí metod difrakčního výzkumu (rentgenová difrakční analýza, neutronová difrakce a elektronová difrakce krystalů), frekvence vibrací - spektroskopickými metodami (IR, kombinatorický rozptyl, nepružný rozptyl neutronů). Modelování krystalové struktury. Ideální krystalová struktura se vyznačuje nekonečnými prostory. mříž, tzn. sestává z identických elementárních buněk. Ty mají tvar rovnoběžnostěnu se stranami a, b, c a úhly a, b, g (parametry mřížky) a jsou v kontaktu s celými plochami. U skutečných krystalů je krystalová struktura vždy narušena defekty, stejně jako přítomností povrchu krystalu. Někdy se místo termínu „krystalová struktura“ používá termín „krystalová mřížka“; je však výhodné dát posledně uvedenému jiný obsah (viz Krystaly). K popisu statiky model krystalové struktury, je nutné uvést její symetrii vyjádřenou jednou z prostorových (Fedorovových) grup, mřížkové parametry a souřadnice atomových jader v buňce; tato data umožňují vypočítat meziatomové vzdálenosti a vazebné úhly. Primární interpretace takového modelu v přítomnosti kovalentních vazeb mezi atomy je, že atomy jsou spojeny valenčními tahy v souladu s klasickým. teorie chem. budov. Meziatomové vzdálenosti označují správný způsob kreslení valenčních tahů: obvykle je vzdálenost A - B odpovídající kovalentní vazbě výrazně kratší než nejkratší vzdálenost mezi bezvalenčními atomy A a B. Pokud neexistují žádné kovalentní vazby (iontové, kovové nebo van der Waals převažují meziatomové interakce), model krystalové struktury je prezentován ve formě hustého obalu tvořeného kuličkami stejné velikosti (jednoduché in-va) nebo kuličkami několika.

Rýže. 1. Elipsoidy tepelných kmitů atomů ve struktuře m -acetylen-bis(cyklopentadienový nikl) při 300 K (a) a 77 K (6). Uprostřed je molekula acetylenu, po stranách jsou molekuly cyklopentadienu.

odrůdy (např. anionty tvoří balíček, kationty jsou umístěny v jeho dutinách). Zohlednění trojrozměrného rozložení elektronové hustoty p v prostoru kartézských souřadnic x, y, z vede k modelu krystalové struktury, podle kterého jsou atomová jádra „ponořena“ do elektronového náboje spojitě distribuovaného s a hustota p. Moderní přesná rentgenová difrakční analýza umožňuje experimentálně studovat vlastnosti funkce r (x, y, z) a určete změnu elektronové hustoty atomů v krystalu v porovnání s elektronovou hustotou r 0 valenčních nevázaných atomů, vyplývajících z kvantové chemie. výpočty. Tyto údaje mohou být. užitečné pro stanovení oblastí lokalizace valenčních a nesdílených elektronových párů, pro detekci přenosu náboje a dalších strukturních rysů in-in s kovalentními vazbami, stejně jako in-in, ve kterých řídily meziatomové interakce. chybějící. Harmonicky odrážet dynamiku atomů v krystalové struktuře. přiblížení, atomy jsou znázorněny jako "tepelné elipsoidy", to-žito má stopu. fyzický význam: s opravou. s pravděpodobností p je v každém okamžiku atomové jádro uvnitř nebo na povrchu takového elipsoidu (obr. 1). Směr max. prodloužení elipsoidu odpovídá směru, ve kterém atom dělá maximální vibrace v amplitudě, směr maxima. komprese odpovídá minimálním oscilacím amplitudy. Normálně se normalizují na pravděpodobnost p = 1/2. Pro dané p závisí rozměry elipsoidů na t-ry. Pro kvantitativní charakterizaci tvaru a orientace atomových tepelných elipsoidů označte pro každý atom 6 nezávislých složek symetrického tenzoru 2. řady, jejichž hodnoty jsou určeny z dat rentgenových difrakčních studií. Popsaná dynamika model neposkytuje informace o okamžité struktuře krystalu a o posloupnosti. změna okamžitých struktur. Informace tohoto druhu lze získat ze spekter neelastického rozptylu neutronů. Klasifikace krystalových struktur. V zásadě každý krystalický. in-woo má svou vlastní strukturu. Často však různé látky mají krystalové struktury stejné až do podobnosti (tzv. isostrukturalita). Někdy jsou takové látky schopné tvořit smíšené krystaly (viz izomorfismus). Na druhou stranu stejná chem. spoj. v různé termodynamice podmínek a za různých metod přípravy mohou mít různé krystalové struktury (viz Polymorfismus). Krystalové struktury jsou velmi rozmanité – od jednoduchých (např. diamant) až po extrémně složité (např. bor). Bylo studováno několik krystalových struktur. desítky tisíc in-in, včetně proteinů a další komplexní povahy. spoj. Pro několik stovky krystalických in-in (inorg. i org.) byla studována distribuce elektronové hustoty v krystalech. Na krystalické struktury rozdělují nagomodesmické (koordinační) a heterodesmické. V prvním jsou všechny atomy spojeny stejnou chemickou látkou. spojení, která tvoří prostory. kostra (např. diamant, halogenidy alkalických kovů). Ty se vyznačují přítomností strukturních fragmentů, uvnitř kterých jsou atomy nejvíce spojeny. silné (nejčastěji kovalentní) vazby; atomy patřící do rozk. fragmenty jsou spojeny mnohem slabší. Fragmenty mohou být konečné skupiny atomů ("ostrovy"), řetězce, vrstvy, struktury; resp. alokovat ostrovní, řetězové, vrstvené a rámové krystalové struktury. Téměř všechny org. mají ostrovní krystalové struktury. comp., dále halogeny, O 2, S, (NH 4) 2 SO 4 aj. Roli ostrůvků hrají molekuly (viz Molekulární krystaly) nebo víceatomové ionty. Řetězová krystalová struktura má například jednu z modifikací Se, ve které jsou atomy spojeny do nekonečných spirál. Vrstevnatou strukturu má grafit, BN, MoS 2 aj. Příkladem rámové krystalové struktury jsou krystaly CaTiO 3: Atomy Ti a O spojené kovalentními vazbami tvoří ažurový rám, v jehož dutinách jsou umístěny atomy Ca. Jsou známy krystalové struktury, ve kterých koexistují strukturní fragmenty různých typů. Krystaly komplexu Comm. N(CH 3) 4 jsou postaveny z "ostrovů" - N(CH 3) 4 iontů a řetězců tvořených atomy Mn spojenými můstkem atomů Cl. Často existují krystalové struktury s neúplným uspořádáním, ve kterých jednotlivé atomy nebo strukturní fragmenty statisticky zabírají několik. možných poloh (např. statistické vrstvení v Cdl 2). V určitých krystalových strukturách jsou při dostatečně vysoké teplotě jednotlivé skupiny atomů nebo dokonce celé molekuly ve stavu téměř volné nebo zpomalené rotace. Podle povahy vazby mezi atomy nebo strukturními fragmenty se rozlišují kovalentní krystaly, iontové krystaly, kovové krystaly a van der Waalsovy krystaly. Do poslední skupiny patří zejména molekulární krystaly. Toto rozdělení (stejně jako rozdělení chemických vazeb na typy) je podmíněné, nicméně typičtí zástupci různých skupin se například ve St. you výrazně liší. podle energie struktury (energie potřebná k oddělení

Obsah článku

KŘIŠŤÁLY- látky, ve kterých jsou v určitém pořadí "nabaleny" nejmenší částice (atomy, ionty nebo molekuly). V důsledku toho se během růstu krystalů na jejich povrchu spontánně objevují ploché plochy a samotné krystaly získávají různé geometrické tvary. Každý, kdo navštívil muzeum mineralogie nebo výstavu minerálů, nemohl neobdivovat ladnost a krásu podob, které na sebe „neživé“ látky nabývají.

A kdo neobdivoval sněhové vločky, jejichž rozmanitost je opravdu nekonečná! Zpátky v 17. století. slavný astronom Johannes Kepler napsal pojednání O šestihranných sněhových vločkách a o tři století později byla vydána alba obsahující sbírky zvětšených fotografií tisíců sněhových vloček a žádná z nich se neopakuje.

Zajímavý je původ slova „crystal“ (ve všech evropských jazycích zní téměř stejně). Před mnoha staletími našli mezi věčnými sněhem v Alpách na území moderního Švýcarska velmi krásné, zcela bezbarvé krystaly, velmi připomínající čistý led. Staří přírodovědci je nazývali tak - "crystallos", řecky - led; Toto slovo pochází z řeckého „krios“ – zima, mráz. Věřilo se, že led, který je v horách dlouhou dobu, v silném mrazu, zkamení a ztrácí schopnost tání. Jeden z nejuznávanějších starověkých filozofů, Aristoteles, napsal, že „crystallos se rodí z vody, když úplně ztrácí teplo“. Římský básník Claudianus v roce 390 popsal totéž ve verších:

V kruté alpské zimě se led mění v kámen.

Slunce není schopno takový kámen roztavit.

Podobný závěr byl učiněn ve starověku v Číně a Japonsku - led a křišťál tam byly označeny stejným slovem. A to ještě v 19. století. básníci často spojovali tyto obrazy dohromady:

Sotva průhledný led, mizí nad jezerem,

Krystalem zakryl nehybné trysky.

A.S. Puškin. Ovidiovi

Zvláštní místo mezi krystaly zaujímají drahé kameny, které přitahovaly lidskou pozornost již od starověku. Lidé se naučili uměle získávat spoustu drahých kamenů. Z umělých rubínů se odedávna vyráběla například ložiska do hodinek a dalších přesných přístrojů. Uměle také vyrábějí krásné krystaly, které v přírodě vůbec neexistují. Například kubické zirkonie – jejich název pochází ze zkratky FIAN – Fyzikální ústav Akademie věd, kde byly poprvé získány. Krystaly kubické zirkonie ZrO 2 jsou krystaly kubické zirkonie, které vypadají velmi podobně jako diamanty.

Struktura krystalů.

Podle struktury se krystaly dělí na iontové, kovalentní, molekulární a kovové. Iontové krystaly jsou postaveny ze střídajících se kationtů a aniontů, které jsou drženy v určitém pořadí elektrostatickými přitažlivými a odpudivými silami. Elektrostatické síly jsou nesměrové: každý iont může kolem sebe udržet tolik iontů opačného znaménka, kolik se mu vejde. Ale zároveň musí být síly přitažlivosti a odpuzování vyvážené a musí být zachována celková elektrická neutralita krystalu. To vše s přihlédnutím k velikosti iontů vede k různým krystalovým strukturám. Takže když ionty Na + (jejich poloměr je 0,1 nm) a Cl - (poloměr 0,18 nm) interagují, dochází k oktaedrické koordinaci: každý iont obsahuje šest iontů opačného znaménka umístěných ve vrcholech osmistěnu. Všechny kationty a anionty tvoří v tomto případě nejjednodušší kubickou krystalovou mřížku, ve které jsou vrcholy krychle střídavě obsazeny ionty Na + a Cl -. Podobně jsou uspořádány krystaly KCl, BaO, CaO a řady dalších látek.

Ionty Cs + (poloměr 0,165 nm) jsou svou velikostí blízké iontům Cl - a dochází ke kubické koordinaci: každý ion je obklopen osmi ionty opačného znaménka, umístěnými ve vrcholech krychle. V tomto případě se vytvoří krystalická mřížka centrovaná na tělo: ve středu každé krychle tvořené osmi kationty je umístěn jeden anion a naopak. (Zajímavé je, že při 445°C se CsCl transformuje na jednoduchou kubickou mřížku typu NaCl.) Krystalové mřížky CaF 2 (fluoritu) a mnoha dalších iontových sloučenin jsou složitější. V některých iontových krystalech mohou být komplexní polyatomické anionty spojeny do řetězců, vrstev nebo tvořit trojrozměrný rámec, v jehož dutinách jsou umístěny kationty. Takže jsou uspořádány například silikáty. Iontové krystaly tvoří většinu solí anorganických a organických kyselin, oxidy, hydroxidy, soli. V iontových krystalech jsou vazby mezi ionty silné, proto mají takové krystaly vysoké teploty tání (801 °C pro NaCl, 2627 °C pro CaO).

V kovalentních krystalech (nazývají se také atomické) jsou v uzlech krystalové mřížky atomy, stejné nebo různé, které jsou spojeny kovalentními vazbami. Tyto vazby jsou silné a nasměrované v určitých úhlech. Typickým příkladem je diamant; v jeho krystalu je každý atom uhlíku navázán na čtyři další atomy umístěné ve vrcholech čtyřstěnu. Kovalentní krystaly tvoří bor, křemík, germanium, arsen, ZnS, SiO 2, ReO 3, TiO 2, CuNCS. Protože mezi polárními kovalentními a iontovými vazbami neexistuje ostrá hranice, platí totéž pro iontové a kovalentní krystaly. Náboj na atomu hliníku v Al 2 O 3 tedy není +3, ale pouze +0,4, což ukazuje na velký příspěvek kovalentní struktury. Zároveň v hlinitanu kobaltnatém CoAl 2 O 4 vzroste náboj na atomech hliníku na +2,8, což znamená převahu iontových sil. Kovalentní krystaly jsou obecně tvrdé a žáruvzdorné.

Molekulární krystaly jsou postaveny z izolovaných molekul, mezi kterými působí relativně slabé přitažlivé síly. V důsledku toho mají takové krystaly mnohem nižší teploty tání a varu a jejich tvrdost je nízká. Krystaly vzácných plynů (jsou vytvořeny z izolovaných atomů) tají i při velmi nízkých teplotách. Z anorganických sloučenin tvoří molekulární krystaly mnoho nekovů (vzácné plyny, vodík, dusík, bílý fosfor, kyslík, síra, halogeny), sloučeniny, jejichž molekuly jsou tvořeny pouze kovalentními vazbami (H 2 O, HCl, NH 3, CO 2 atd.). Tento typ krystalů je také charakteristický pro téměř všechny organické sloučeniny. Síla molekulárních krystalů závisí na velikosti a složitosti molekul. Krystaly helia (poloměr atomu 0,12 nm) tají při –271,4°C (pod tlakem 30 atm) a xenonové krystaly (poloměr 0,22 nm) tají při –111,8°C; krystaly fluoru tají při –219,6 °C a jód při +113,6 °C; methan CH4- při -182,5 °C a triakontan C30H62- při +65,8 °C.

Kovové krystaly tvoří čisté kovy a jejich slitiny. Takové krystaly lze vidět na lomu kovů, stejně jako na povrchu pozinkovaného plechu. Krystalová mřížka kovů je tvořena kationty, které jsou spojeny pohyblivými elektrony ("elektronový plyn"). Tato struktura určuje elektrickou vodivost, kujnost, vysokou odrazivost (brilanci) krystalů. Struktura kovových krystalů vzniká v důsledku různého shlukování atomů-kuliček. Alkalické kovy, chrom, molybden, wolfram atd. tvoří těleso centrovanou kubickou mřížku; měď, stříbro, zlato, hliník, nikl atd. - plošně centrovaná krychlová mřížka (kromě 8 atomů ve vrcholech krychle je ve středu ploch umístěno ještě 6 dalších); beryllium, hořčík, vápník, zinek atd. - tzv. hexagonální hustá mřížka (má 12 atomů umístěných ve vrcholech pravoúhlého šestibokého hranolu, 2 atomy - ve středu dvou základen hranolu a 3 další atomy - ve vrcholech trojúhelníku ve středu hranolu).

Všechny krystalické sloučeniny lze rozdělit na mono- a polykrystalické. Monokrystal je monolit s jedinou nenarušenou krystalovou mřížkou. Velké přírodní monokrystaly jsou velmi vzácné. Většina krystalických těles je polykrystalická, to znamená, že se skládají z mnoha malých krystalů, někdy viditelných pouze při velkém zvětšení.

Růst krystalů.

Mnoho významných vědců, kteří významně přispěli k rozvoji chemie, mineralogie a dalších věd, začalo své první experimenty právě s růstem krystalů. Kromě čistě vnějších vlivů nás tyto experimenty nutí přemýšlet o tom, jak jsou krystaly uspořádány a jak vznikají, proč různé látky dávají krystaly různých tvarů a některé nevytvářejí krystaly vůbec, co je třeba udělat, aby se krystaly vytvořily velké a krásné.

Zde je jednoduchý model, který vysvětluje podstatu krystalizace. Představte si, že se ve velké hale pokládají parkety. Nejjednodušší je pracovat s dlaždicemi čtvercového tvaru - ať takovou dlaždici otočíte jakkoli, stále zapadne na místo a práce půjde rychle. Proto sloučeniny složené z atomů (kovy, vzácné plyny) nebo malých symetrických molekul snadno krystalizují. Takové sloučeniny zpravidla netvoří nekrystalické (amorfní) látky.

Z pravoúhlých prken je obtížnější pokládat parkety, zvláště pokud mají po stranách drážky a výstupky – pak lze každou desku položit na své místo jedním jediným způsobem. Obzvláště obtížné je položit parketový vzor z prken složitého tvaru.

Pokud parketář spěchá, dorazí dlaždice na místo pokládky příliš rychle. Je jasné, že správný vzor nyní nebude fungovat: pokud je dlaždice zkroucená alespoň na jednom místě, pak se vše pokřiví, objeví se dutiny (jako ve staré počítačové hře Tetris, ve které je „sklo“ vyplněno detaily příliš rychle). Nic dobrého z toho nevzejde, i když tucet řemeslníků najednou začne pokládat parkety ve velké hale, každý ze svého místa. I když pracují pomalu, je velmi pochybné, že sousední části budou dobře spojeny, a obecně se pohled na místnost ukáže jako velmi nevzhledný: na různých místech jsou dlaždice umístěny v různých směrech a díry zejí. mezi jednotlivými sekcemi rovných parket.

Přibližně stejné procesy probíhají při růstu krystalů, jen obtíž je zde také v tom, že částice se musí vejít nikoli do roviny, ale do objemu. Ale konec konců zde není žádná „parketa“ – kdo na jejich místo umístí částice hmoty? Ukazuje se, že se hodí, protože neustále provádějí tepelné pohyby a „hledají“ pro sebe nejvhodnější místo, kde jim to bude „nejpohodlnější“. V tomto případě „pohodlí“ znamená i energeticky nejvýhodnější umístění. Jakmile je na takovém místě na povrchu rostoucího krystalu, částečka hmoty tam může zůstat a po chvíli být již uvnitř krystalu, pod novými nahromaděnými vrstvami hmoty. Ale je možná i jiná věc - částice opět opustí povrch do roztoku a opět začne „hledat“, kde je pro ni pohodlnější se usadit.

Každá krystalická látka má určitou vnější formu krystalu, která je jí vlastní. Například u chloridu sodného je tento tvar krychle, u kamence draselného je to osmistěn. A i když měl takový krystal zprvu nepravidelný tvar, stejně se dříve nebo později promění v krychli nebo osmistěn. Navíc, pokud je krystal se správným tvarem záměrně poničen, například jsou jeho vrcholy otlučeny, hrany a plochy poškozeny, pak s dalším růstem takový krystal začne své poškození „léčit“ sám. To se děje proto, že „správné“ krystalové plochy rostou rychleji, „špatné“ rostou pomaleji. Aby se to ověřilo, byl proveden následující experiment: z krystalu soli byla vyřezána koule a poté byla umístěna do nasyceného roztoku NaCl; po chvíli se koule sama postupně proměnila v krychli! Rýže. 6 Krystalové formy některých minerálů

Pokud proces krystalizace není příliš rychlý a částice mají vhodný tvar pro stohování a vysokou mobilitu, snadno najdou své místo. Pokud se však pohyblivost částic s nízkou symetrií prudce sníží, náhodně „zamrznou“ a vytvoří průhlednou hmotu podobnou sklu. Tento stav hmoty se nazývá sklovitý stav. Příkladem je obyčejné okenní sklo. Pokud je sklo dlouhodobě udržováno velmi horké, když jsou částice v něm dostatečně pohyblivé, začnou v něm růst silikátové krystaly. Takové sklo ztrácí svou průhlednost. Nejen silikáty mohou být sklovité. Takže při pomalém ochlazování ethylalkoholu krystalizuje při teplotě -113,3 ° C a vytváří bílou sněhovou hmotu. Pokud se ale ochlazení provede velmi rychle (spustí tenkou ampuli s alkoholem do kapalného dusíku při teplotě -196 °C), alkohol ztuhne tak rychle, že jeho molekuly nestihnou vybudovat pravidelný krystal. Výsledkem je průhledné sklo. Totéž se děje u silikátového skla (například okenního skla). Při velmi rychlém ochlazení (miliony stupňů za sekundu) lze získat i kovy v nekrystalickém sklovitém stavu.

Je obtížné krystalizovat látky s "nepohodlnou" formou molekul. Mezi takové látky patří například proteiny a další biopolymery. Ale obyčejný glycerin, který má bod tání + 18 ° C, se při ochlazení snadno podchladí a postupně tuhne do sklovité hmoty. Faktem je, že již při pokojové teplotě je glycerin velmi viskózní a po ochlazení se stává poměrně hustým. Zároveň je velmi obtížné, aby se asymetrické molekuly glycerolu seřadily v přísném pořadí a vytvořily krystalovou mřížku.

Metody pěstování krystalů.

Krystalizace může být provedena různými způsoby. Jedním z nich je chlazení nasyceného horkého roztoku. Při každé teplotě se v daném množství rozpouštědla (například ve vodě) nemůže rozpustit více než určité množství látky. Například 200 g kamence draselného se může rozpustit ve 100 g vody při 90 °C. Takový roztok se nazývá nasycený. Nyní roztok ochladíme. S klesající teplotou klesá rozpustnost většiny látek. Takže při 80 ° C nelze ve 100 g vody rozpustit více než 130 g kamence. Kam půjde zbývajících 70 g? Pokud se ochlazení provede rychle, přebytečná látka se jednoduše vysráží. Pokud se tato sraženina vysuší a prozkoumá silnou lupou, lze vidět mnoho malých krystalů.

Při ochlazení roztoku se k sobě přilepí částice látky (molekuly, ionty), které již nemohou být v rozpuštěném stavu, a vytvoří drobné embryonální krystalky. Tvorbu zárodků usnadňují nečistoty v roztoku, např. prach, sebemenší nerovnosti na stěnách nádoby (chemici někdy speciálně potírají vnitřní stěny skla skleněnou tyčinkou, která pomáhá krystalizaci látky). Pokud se roztok ochladí pomalu, vytvoří se málo zárodků, které se postupně zarůstají ze všech stran a mění se v krásné krystaly správného tvaru. Při prudkém ochlazení se vytvoří mnoho jader a částice z roztoku se „sypou“ na povrch rostoucích krystalů jako hrášek z roztrženého pytle; v tomto případě samozřejmě nebudou získány správné krystaly, protože částice v roztoku prostě nemusí mít čas „usadit“ se na povrchu krystalu na svém místě. Kromě toho se mnoho rychle rostoucích krystalů vzájemně ruší stejně jako několik parket pracujících ve stejné místnosti. Cizí pevné nečistoty v roztoku mohou také hrát roli krystalizačních center, takže čím je roztok čistší, tím je pravděpodobnější, že bude krystalizačních center málo.

Po ochlazení roztoku kamence nasyceného na 90 °C na pokojovou teplotu budeme mít v sedimentu již 190 g, protože při 20 °C se ve 100 g vody rozpustí pouze 10 g kamence. Výsledkem bude jeden velký krystal správného tvaru o hmotnosti 190 g? Bohužel ne: ani ve velmi čistém roztoku je nepravděpodobné, že by monokrystal začal růst: na povrchu chladícího roztoku, kde je teplota o něco nižší než v objemu, se může vytvořit hmota krystalů. stěny a dno nádoby.

Metoda růstu krystalů postupným ochlazováním nasyceného roztoku není použitelná pro látky, jejichž rozpustnost je málo závislá na teplotě. Mezi takové látky patří například chlorid sodný a hlinitý, octan vápenatý.

Další metodou získávání krystalů je postupné odstraňování vody z nasyceného roztoku. Látka "navíc" krystalizuje. A v tomto případě, čím pomaleji se voda odpařuje, tím lepší krystaly se získají.

Třetí metodou je růst krystalů z roztavených látek pomalým ochlazováním kapaliny. Při použití všech metod se nejlepších výsledků dosáhne, pokud se použije semínko - malý krystal správného tvaru, který se umístí do roztoku nebo taveniny. Tímto způsobem se získají například rubínové krystaly. Růst krystalů drahých kamenů probíhá velmi pomalu, někdy i roky. Pokud však pro urychlení krystalizace, pak se místo jednoho krystalu objeví množství malých.

Krystaly mohou růst i při kondenzaci par – tak se získávají sněhové vločky a vzory na studeném skle. Při vytěsňování kovů z roztoků jejich solí pomocí aktivnějších kovů vznikají i krystaly. Například, pokud je železný hřebík spuštěn do roztoku síranu měďnatého, bude pokryt červenou vrstvou mědi. Ale výsledné krystaly mědi jsou tak malé, že je lze vidět pouze pod mikroskopem. Na povrchu nehtu se měď uvolňuje velmi rychle, a proto jsou její krystaly příliš malé. Ale pokud se proces zpomalí, krystaly se ukážou jako velké. K tomu by měl být síran měďnatý pokryt silnou vrstvou stolní soli, položit na něj kruh filtračního papíru a nahoře - železnou desku s mírně menším průměrem. Zbývá nalít do nádoby nasycený roztok kuchyňské soli. Síran měďnatý se začne pomalu rozpouštět ve slaném nálevu (rozpustnost v něm je menší než v čisté vodě). Ionty mědi (ve formě komplexních aniontů CuCl 4 2– zelená) budou velmi pomalu, po mnoho dní, difundovat nahoru; proces lze pozorovat pohybem barevného okraje.

Po dosažení železné desky se ionty mědi redukují na neutrální atomy. Ale protože tento proces je velmi pomalý, atomy mědi se seřadí do krásných lesklých krystalů kovové mědi. Někdy tyto krystaly tvoří větve - dendrity. Změnou podmínek experimentu (teplota, velikost krystalů vitriolu, tloušťka vrstvy soli atd.) je možné změnit podmínky pro krystalizaci mědi.

podchlazené roztoky.

Někdy nasycený roztok po ochlazení nekrystalizuje. Takový roztok, který obsahuje v určitém množství rozpouštědla více rozpuštěné látky, než se při dané teplotě „předpokládá“, se nazývá přesycený roztok. Přesycený roztok nelze získat ani velmi dlouhým mícháním krystalů s rozpouštědlem, lze jej vytvořit pouze ochlazením horkého nasyceného roztoku. Proto se taková řešení také nazývají přechlazená. Něco v nich překáží nástupu krystalizace, např. roztok je příliš viskózní, nebo jsou pro růst krystalů potřeba velká jádra, která v roztoku nejsou.

Roztoky thiosíranu sodného Na 2 S 2 O 3 se snadno podchlazují. 5H 2 O. Pokud krystaly této látky opatrně zahřejete na cca 56 °C, „roztajou“. Ve skutečnosti se nejedná o tání, ale o rozpouštění thiosíranu sodného ve „vlastní“ krystalizační vodě. S rostoucí teplotou se rozpustnost thiosíranu sodného, ​​stejně jako většiny ostatních látek, zvyšuje a při 56 °C jeho krystalizační voda stačí k rozpuštění veškeré přítomné soli. Pokud nyní opatrně, vyhněte se prudkým otřesům, nádobu ochlaďte, krystaly se nevytvoří a látka zůstane tekutá. Ale pokud se hotové embryo, malý krystal stejné látky, vloží do podchlazeného roztoku, začne rychlá krystalizace. Zajímavé je, že to způsobuje krystal pouze této látky a řešení může být outsiderovi zcela lhostejné. Dotknete-li se tedy povrchu roztoku malým krystalem thiosíranu, stane se skutečný zázrak: z krystalu se spustí krystalizační čelo, které se rychle dostane na dno nádoby. Takže po několika sekundách kapalina zcela „ztuhne“. Nádobu lze dokonce otočit dnem vzhůru – nevyteče z ní ani kapka! Pevný thiosíran lze znovu roztavit v horké vodě a opakovat znovu.

Pokud se zkumavka s podchlazeným roztokem thiosíranu umístí do ledové vody, krystaly porostou pomaleji a samy budou větší. Krystalizace přesyceného roztoku je doprovázena jeho zahříváním - jde o uvolnění tepelné energie získané krystalickým hydrátem při jeho tání.

Thiosíran sodný není jedinou látkou, která tvoří podchlazený roztok, ve kterém lze vyvolat rychlou krystalizaci. Podobnou vlastnost má např. octan sodný CH 3 COONa (lze jej snadno získat působením kyseliny octové na sodu). S octanem sodným předvádějí zkušení lektoři takový „zázrak“: přesycený roztok této soli pomalu nalijí na malé sklíčko octanu v talířku, který při kontaktu s krystaly okamžitě krystalizuje a tvoří sloupec pevné soli!

Krystaly jsou široce používány ve vědě a technice: polovodiče, hranoly a čočky pro optická zařízení, pevnolátkové lasery, piezoelektrika, feroelektrika, optické a elektrooptické krystaly, feromagnetika a ferity, monokrystaly vysoce čistých kovů...

Rentgenové difrakční studie krystalů umožnily stanovit strukturu mnoha molekul, včetně biologicky aktivních - proteinů, nukleových kyselin.

Jako šperky se používají fasetované krystaly drahých kamenů, včetně těch uměle vypěstovaných.

Ilya Leenson

Metody pro popis a zobrazení atomu

Krystalové struktury

krystaly

Periodicita struktury je nejcharakterističtější vlastností krystalů. V periodické mřížce lze vždy rozlišovat elementární buňka, vysílání, které ve vesmíru snadno udělá představu o struktuře celého krystalu. Tvorba určité prostorové mřížky jakýmkoli prvkem nebo sloučeninou závisí především na velikosti atomů a elektronové konfiguraci jejich vnějších obalů.

Ruský vědec E. S. Fedorov, téměř 40 let před objevením metod rentgenové difrakční analýzy, vypočítal možná uspořádání částic v krystalových mřížkách různých látek a navrhl 230 prostorových skupin. Geometricky je možných pouze 14 různých prostorových mřížek, které se nazývají Bravaisovy mřížky a jsou základem šesti krystalových soustav uvedených v tabulce. 2.1 a na Obr. 2.1. Někdy považují romboedrický nebo trigonální systém (a \u003d b \u003d S; α = β = γ ≠ 90°) jako nezávislý sedmý systém.

Pokud jsou atomy umístěny pouze ve vrcholech základní buňky, pak se nazývá mřížka primitivní nebo jednoduchý. Pokud jsou na plochách nebo v objemu buňky atomy, pak bude mřížka složitá (například se středem na základnu, tělo a obličej).

Krystalická tělesa mohou být ve formě samostatných velkých krystalů - monokrystalů nebo sestávají z agregátu velkého počtu malých krystalů (zrn).

Tabulka 2.1

Prostorové mřížky krystalových soustav

Krystalový systém	Prostorová mříž	Vztah mezi osovými úhly a osovými jednotkami
1. Triklinika	Já - jednoduchý	A ≠ b ≠ C; α ≠ β ≠ γ ≠90°
2. Monoklinika	II - jednoduchý III - základně centrovaný	A ≠ b ≠ C; α = γ = 90°; β ≠90°
3. Kosočtverečné nebo ortorombické	IV - jednoduché V - základna centrovaná VI - tělo centrováno VII - centrováno obličejem	A ≠ b ≠ C; α = β = γ = 90°
4. Šestihranný	VIII - jednoduchý IX - romboedrický	A = b ≠ C; α = β = 90°; γ = 120°
5. Tetragonální	X - jednoduchý XI - centrovaný na tělo	A = b ≠ C; α = β = γ = 90°
6. Krychlový	XII - jednoduchý XIII - střed na tělo XIV - střed na obličej	A = b = C; α = β = γ = 90°

Rýže. 2.1. Mříže Brave

V případě polykrystalu jsou v rámci každého zrna atomy uspořádány periodicky, ale při přechodu z jednoho zrna na druhé na rozhraních dochází k narušení pravidelného uspořádání částic.

Monokrystaly se vyznačují anizotropií vlastností. U polykrystalických těles není anizotropie ve většině případů pozorována, nicméně pomocí speciálního zpracování lze získat texturované materiály s orientovaným uspořádáním krystalů.

Vzhledem k tomu, že monokrystaly jsou anizotropní, je při určování elektrických, mechanických a dalších vlastností nutné uvést umístění krystalografických rovin a směrů v krystalech. K tomu se používají Millerovy indexy.

Millerovy indexy

Nechť rovina odřízne segmenty OA, OB a OS na souřadnicových osách (v jednotkách mřížkové periody). Vypočítejme jejich reciprokály H = 1/OA, K = 1/OB, L = 1/OC a definujme nejmenší celá čísla se stejným poměrem jako H:K:L = h:k:l. Celá čísla (hkl) se nazývají Millerovy indexy roviny.

V kubických krystalech se indexy (100) vztahují k rovině rovnoběžné s osami Y a Z; indexy (010) - k rovině rovnoběžné s osami X a Z a (001) - k rovině rovnoběžné s osami X a Y. V krystalech s ortogonálními osami jsou tyto roviny také kolmé k osám X, Y a Z.

K označení směrů v krystalu se používají indexy ve formě nejmenších celých čísel, která se vzájemně vztahují jako složky vektoru rovnoběžného s daným směrem. Na rozdíl od označení letadel se píší v hranatých závorkách. V kubických krystalech jsou tyto směry kolmé k rovině se stejnými indexy. Kladný směr osy X označuje , kladný směr osy Y - , záporný směr osy Z - , úhlopříčku krychle - a tak dále. Označení krystalografických rovin a směrů je uvedeno na Obr. 2.2.

Roviny, které oddělují stejné segmenty, ale umístěné v jiných oktantech, jsou ekvivalentní v krystalografických a fyzikálně-chemických ohledech. Tvoří množinu ekvivalentních rovin - (hkl) neboli soustavu rovin, ve kterých lze h, k, l zapsat v libovolném pořadí a s libovolným počtem mínusů před indexy. Mínus se píše nad indexem.

Polohu směru v prostorové mřížce lze snadno určit podle souřadnic atomu, který je nejblíže počátku souřadnic a leží v daném směru.

Označuje se množina ekvivalentních směrů nebo systém směrů , kde h, k, l lze psát v libovolném pořadí a s libovolným počtem mínusů:<100>- sada směrů rovnoběžných se všemi hranami krychle; (100) - množina rovin rovnoběžných se všemi plochami krychle.

Rýže. 2.2. Příklady krystalografického zápisu

roviny a směry v kubických krystalech

pomocí Millerových indexů

Příklady řešení problémů

Příklad 1. Určete indexy roviny, která odřízne segmenty A = 1, B = 2, C = - 4 na osách mříže.

Poměry převrácených hodnot segmentů jsou 1/A: 1/B: 1/C = 1/1: 1/2: 1/(-4). Přivedeme tento poměr k poměru tří celých čísel, vynásobíme společným jmenovatelem 4, další faktory budou 4 a 2. 1 / A: 1 / B: 1 / C \u003d 4: 2: (- 1). To bude požadovaná h, k, l. Rovinné indexy (42).

Příklad 2. Určete segmenty, které rovina (023) odřízne na osách mříže.

Zapíšeme hodnoty inverzní k indexům roviny: 1/0, 1/2, 1/3. Vynásobíme společným jmenovatelem rovným 6 (úseky přivedeme na celá čísla). Segmenty odříznuté rovinou na osách se budou rovnat A \u003d, B \u003d 3, C \u003d 2. Tato rovina bude rovnoběžná s osou x, protože A \u003d.

Polymorfismus

Některé pevné látky mají schopnost tvořit ne jednu, ale dvě nebo více krystalových struktur, které jsou stabilní při různých teplotách a tlacích. Tato vlastnost materiálů se nazývá polymorfismus, a odpovídající krystalové struktury se nazývají polymorfní formy popř alotropní látkové modifikace.

Modifikace, která je stabilní za normálních a nižších teplot, je obvykle označena písmenem α ; modifikace, které jsou stabilní při vyšších teplotách, se označují písmeny, resp. β , γ atd.

Polymorfismus je mezi technickými materiály rozšířený a je důležitý pro jejich zpracování a provoz.

Klasickým příkladem polymorfismu je nízkoteplotní transformace bílého cínu ( β -Sn) na šedou ( α -Sn), známý v oboru jako "cínový mor".

Praktickou zajímavostí je polymorfismus uhlíku – jeho existence ve formě diamantu nebo grafitu. Za normálních podmínek je grafit stabilnější modifikací než diamant. S rostoucím tlakem se však stabilita diamantu zvyšuje, zatímco u grafitu klesá a při dostatečně vysokých tlacích se diamant stává stabilnější. Pokud se současně zvýší teplota, aby se zvýšila pohyblivost atomů, lze grafit přeměnit na diamant. Na tomto principu je založena výroba umělých diamantů. V Sovětském svazu začala jejich průmyslová výroba v roce 1961. Syntéza probíhá pod tlakem asi 10 10 Pa při teplotě 2000 °C. Umělé diamanty získané tímto způsobem mají vyšší pevnost a tvrdost než přírodní krystaly.

2.1.5. izomorfismus

izomorfismus- jde o vlastnost chemicky a geometricky blízkých atomů a iontů a jejich kombinací vzájemně se nahrazovat v krystalové mřížce za vzniku krystalů různého složení.

Izomorfní krystaly křemíku a germania tvoří souvislou řadu substitučních pevných roztoků. Obě tyto látky krystalizují ve struktuře diamantu, perioda mřížky germania a = 0,565 nm, křemíku a = 0,542 nm, rozdíl v periodách je menší než 4 %, proto je možný vznik substitučních pevných roztoků s neomezenou rozpustností , ve kterém jsou atomy germania a křemíku umístěny v místech diamantové mřížky.

Hustota, perioda mřížky, tvrdost v izomorfní řadě smíšených krystalů Si-Ge se lineárně mění. Výběrem různých izomorfních kompozic je možné měnit rozsahy provozních teplot a elektrofyzikální parametry pro tyto a další pevné roztoky polovodičových sloučenin.

Podobné informace.

Odeslat svou dobrou práci do znalostní báze je jednoduché. Použijte níže uvedený formulář

Studenti, postgraduální studenti, mladí vědci, kteří využívají znalostní základnu ve svém studiu a práci, vám budou velmi vděční.

Krystaly (z řeckého kseufbllt, původně - led, později - horský krystal, krystal) - pevná tělesa, ve kterých jsou atomy uspořádány pravidelně, tvořící trojrozměrně periodické prostorové uspořádání - krystalovou mřížku.

Krystaly jsou pevné látky, které mají přirozený vnější tvar pravidelných symetrických mnohostěnů na základě jejich vnitřní struktury, tedy jednoho z několika určitých pravidelných uspořádání, které tvoří substanci částic (atomů, molekul, iontů).

Vlastnosti:

Jednotnost. Tato vlastnost se projevuje v tom, že dva stejné elementární objemy krystalické látky, stejně orientované v prostoru, ale vyříznuté v různých bodech této látky, jsou naprosto totožné ve všech svých vlastnostech: mají stejnou barvu, měrnou hmotnost, tvrdost. , tepelná vodivost, elektrická vodivost a další

Je třeba mít na paměti, že skutečné krystalické látky velmi často obsahují trvalé nečistoty a vměstky, které deformují jejich krystalové mřížky. Proto k absolutní homogenitě v reálných krystalech často nedochází.

Anizotropie krystalů

Mnohým krystalům je vlastní vlastnost anizotropie, tedy závislost jejich vlastností na směru, zatímco u izotropních látek (většina plynů, kapalin, amorfní pevné látky) nebo pseudoizotropních (polykrystaly) těles vlastnosti nezávisí na Pokyny. Proces nepružné deformace krystalů se vždy provádí podél dobře definovaných skluzových systémů, tedy pouze podél určitých krystalografických rovin a pouze v určitém krystalografickém směru. V důsledku nehomogenního a nerovnoměrného vývoje deformace v různých částech krystalického prostředí dochází mezi těmito částmi k intenzivní interakci prostřednictvím vývoje mikronapěťových polí.

Zároveň existují krystaly, ve kterých není anizotropie.

Ve fyzice martenzitické neelasticity se nashromáždilo velké množství experimentálního materiálu, zejména v otázkách efektů tvarové paměti a plasticity transformace. Experimentálně bylo prokázáno nejdůležitější stanovisko krystalové fyziky o převládajícím rozvoji nepružných deformací téměř výhradně prostřednictvím martenzitických reakcí. Ale principy konstrukce fyzikální teorie martenzitické nepružnosti nejsou jasné. Obdobná situace nastává v případě deformace krystalů mechanickým dvojčatěním.

Významného pokroku bylo dosaženo ve studiu dislokační plasticity kovů. Zde jsou nejen pochopeny základní strukturní a fyzikální mechanismy pro realizaci nepružných deformačních procesů, ale také byly vytvořeny účinné metody pro výpočet jevů.

Schopnost samodestilace je vlastnost krystalů vytvářet během volného růstu plochy. pokud se kulička, například kuchyňská sůl, vyřezaná z nějaké hmoty, vloží do jejího přesyceného roztoku, pak po nějaké době získá tato kulička tvar krychle. Naproti tomu skleněná kulička nezmění svůj tvar, protože amorfní látka nemůže samodestilovat.

konstantní bod tání. Pokud zahřejete krystalické těleso, jeho teplota stoupne na určitou mez, při dalším zahřívání se látka začne tavit a teplota zůstane nějakou dobu konstantní, protože veškeré teplo půjde do zničení krystalu. mříž. Teplota, při které začíná tání, se nazývá bod tání.

Systematika krystalů

Krystalická struktura

Krystalová struktura, která je pro každou látku individuální, odkazuje na základní fyzikální a chemické vlastnosti této látky. Krystalická struktura je takový soubor atomů, ve kterém je určitá skupina atomů, nazývaná motivická jednotka, spojena s každým bodem krystalové mřížky a všechny takové skupiny jsou stejné ve složení, struktuře a orientaci vzhledem k mřížce. Můžeme předpokládat, že struktura vzniká jako výsledek syntézy mřížky a motivické jednotky, jako výsledek znásobení motivické jednotky translační skupinou.

V nejjednodušším případě se motivická jednotka skládá z jednoho atomu, například v krystalech mědi nebo železa. Struktura, která vzniká na základě takové motivické jednotky, je geometricky velmi podobná mřížce, ale přesto se liší tím, že je složena z atomů, nikoli z bodů. Často se tato okolnost nebere v úvahu a termíny „krystalová mřížka“ a „krystalová struktura“ pro takové krystaly se používají jako synonyma, což není striktně řečeno. V případech, kdy je motivická jednotka složením složitější – skládá se ze dvou a více atomů, nedochází ke geometrické podobnosti mřížky a struktury a posun těchto pojmů vede k chybám. Takže například struktura hořčíku nebo diamantu se geometricky neshoduje s mřížkou: v těchto strukturách se motivické jednotky skládají ze dvou atomů.

Hlavní parametry, které charakterizují krystalovou strukturu, z nichž některé spolu souvisí, jsou následující:

§ typ krystalové mřížky (syringony, Bravaisova mřížka);

§ počet jednotek vzorce na elementární buňku;

§ prostorová skupina;

§ parametry základní buňky (lineární rozměry a úhly);

§ souřadnice atomů v buňce;

§ koordinační čísla všech atomů.

Strukturální typ

Krystalové struktury, které mají stejnou prostorovou skupinu a stejné uspořádání atomů v krystalochemických polohách (orbitách), se spojují do strukturních typů.

Nejznámější strukturní typy jsou měď, hořčík, b-železo, diamant (jednoduché látky), chlorid sodný, sfalerit, wurtzit, chlorid česný, fluorit (binární sloučeniny), perovskit, spinel (ternární sloučeniny).

Krystalová buňka

Částice, které tvoří tuto pevnou látku, tvoří krystalovou mřížku. Pokud jsou krystalové mřížky stereometricky (prostorově) stejné nebo podobné (mají stejnou symetrii), pak geometrický rozdíl mezi nimi spočívá zejména v různých vzdálenostech mezi částicemi, které zabírají uzly mřížky. Samotné vzdálenosti mezi částicemi se nazývají mřížkové parametry. Parametry mřížky, stejně jako úhly geometrických mnohostěnů, jsou určeny fyzikálními metodami strukturní analýzy, například metodami rentgenové strukturní analýzy.

Hostováno na http://www.allbest.ru/

Rýže. Krystalová buňka

Pevné látky často tvoří (v závislosti na podmínkách) více než jednu formu krystalové mřížky; takové formy se nazývají polymorfní modifikace. Z jednoduchých látek je známá například kosočtverečná a jednoklonná síra, grafit a diamant, což jsou šestiúhelníkové a kubické modifikace uhlíku, ze složitých látek jsou to různé modifikace oxidu křemičitého křemen, tridymit a cristobalit.

Typy krystalů

Je nutné oddělit ideální a skutečný krystal.

Dokonalý krystal

Je to ve skutečnosti matematický objekt, který má v sobě vlastní úplnou symetrii, ideálně hladké hladké hrany.

skutečný krystal

Vždy obsahuje různé defekty ve vnitřní struktuře mřížky, deformace a nerovnosti na čelech a má sníženou symetrii mnohostěnu v důsledku specifických podmínek růstu, nehomogenity živného média, poškození a deformace. Skutečný krystal nemusí mít nutně krystalografické hrany a pravidelný tvar, ale zachovává si svou hlavní vlastnost - pravidelnou polohu atomů v krystalové mřížce.

Poruchy krystalové mřížky (skutečná struktura krystalů)

Ve skutečných krystalech vždy existují odchylky od ideálního uspořádání v uspořádání atomů, nazývané nedokonalosti nebo mřížkové defekty. Podle geometrie jimi způsobených poruch mřížky se defekty dělí na defekty bodové, lineární a plošné.

Bodové vady

Na Obr. 1.2.5 ukazuje různé typy bodových vad. Jsou to volná místa – prázdná místa mřížky, „vlastní“ atomy v mezerách a atomy nečistot v místech mřížky a mezerách. Hlavním důvodem vzniku prvních dvou typů defektů je pohyb atomů, jehož intenzita roste s rostoucí teplotou.

Rýže. 1.2.5. Typy bodových defektů v krystalové mřížce: 1 - vakance, 2 - atom v mezerách, 3 a 4 - atomy nečistot v místě a mezerách, resp.

Kolem jakéhokoli bodového defektu dochází k lokálnímu zkreslení mřížky s poloměrem R 1 ... 2 period mřížky (viz obr. 1.2.6), takže pokud je takových defektů mnoho, ovlivňují povahu rozložení meziatomové vazby. sil a podle toho i vlastnosti krystalů.

Rýže. 1.2.6. Lokální deformace krystalové mřížky kolem prázdného místa (a) a atomu nečistoty v místě mřížky (b)

Vady vedení

Lineární vady se nazývají dislokace. Jejich vzhled je způsoben přítomností "nadbytečných" atomových polorovin (extrarovin) v oddělených částech krystalu. Vznikají při krystalizaci kovů (v důsledku porušení řádu plnění atomových vrstev) nebo v důsledku jejich plastické deformace, jak ukazuje Obr. 1.2.7.

Rýže. 1.2.7. Vznik okrajové dislokace () v důsledku částečného posunutí horní části krystalu působením síly: ABCD - skluzová rovina; EFGH - extra rovina; EN - čára dislokace hrany

Je vidět, že vlivem smykové síly došlo k částečnému posunu horní části krystalu po určité skluzové rovině („lehký smyk“) ABCD. Výsledkem bylo vytvoření extraplane EFGH. Protože nepokračuje dolů, dochází kolem jejího okraje EH k deformaci elastické mřížky o poloměru několika meziatomových vzdáleností (tj. 10 -7 cm - viz téma 1.2.1), ale rozsah tohoto zkreslení je mnohonásobně větší (může dosah 0,1 ... 1 cm).

Taková nedokonalost krystalu kolem okraje extraroviny je lineární mřížkový defekt a nazývá se okrajová dislokace.

Nejdůležitější mechanické vlastnosti kovů – pevnost a plasticita (viz téma 1.1) – jsou dány přítomností dislokací a jejich chováním při zatížení tělesa.

Zastavme se u dvou rysů mechanismu přemístění dislokací.

1. Dislokace se mohou velmi snadno (při nízkém zatížení) pohybovat po skluzové rovině pomocí "štafetového" pohybu extraplaniny. Na Obr. 1.2.8 ukazuje počáteční fázi takového pohybu (dvourozměrné kreslení v rovině kolmé k hranové dislokační čáře).

Rýže. 1.2.8. Počáteční fáze štafetového pohybu okrajové dislokace (). A-A - skluzová rovina, 1-1 rovina navíc (výchozí poloha)

Atomy mimoroviny (1-1) působením síly odtrhnou atomy (2-2) umístěné nad rovinou skluzu z roviny (2-3). Výsledkem je, že tyto atomy tvoří novou extrarovinu (2-2); atomy "staré" extraplany (1-1) obsazují uvolněná místa a doplňují rovinu (1-1-3). Tento akt znamená vymizení „staré“ dislokace spojené s nadbytečnou rovinou (1-1) a vznik „nové“ spojené s nadbytečnou rovinou (2-2), nebo jinými slovy přenesení "štafetového obušku" - dislokace na jednu mezirovinnou vzdálenost. Takový štafetový pohyb dislokace bude pokračovat, dokud nedosáhne okraje krystalu, což bude znamenat posun jeho horní části o jednu mezirovinnou vzdálenost (tj. plastickou deformaci).

Tento mechanismus nevyžaduje velké úsilí, protože. sestává z postupných mikroposunutí ovlivňujících pouze omezený počet atomů obklopujících extrarovinu.

2. Je však zřejmé, že taková snadnost klouzání dislokací bude pozorována pouze tehdy, když v jejich cestě nebudou žádné překážky. Takovými překážkami jsou jakékoliv mřížkové vady (zejména lineární a plošné!), stejně jako částice jiných fází, pokud jsou v materiálu přítomny. Tyto překážky vytvářejí mřížkové distorze, jejichž překonání vyžaduje další vnější úsilí, a proto mohou blokovat pohyb dislokací, tzn. znehybnit je.

Povrchové vady

Všechny průmyslové kovy (slitiny) jsou polykrystalické materiály, tzn. sestávají z velkého množství malých (obvykle 10 -2 ... 10 -3 cm), náhodně orientovaných krystalů, nazývaných zrna. Je zřejmé, že v takovém materiálu je porušena periodicita mřížky vlastní každému zrnu (monokrystalu), protože krystalografické roviny zrn jsou vůči sobě pootočeny o úhel 6 (viz obr. 1.2.9), jehož hodnota se pohybuje od zlomků po několik desítek stupňů.

Rýže. 1.2.9. Schéma struktury hranic zrn v polykrystalickém materiálu

Hranicí mezi zrny je přechodová vrstva široká až 10 meziatomových vzdáleností, obvykle s neuspořádaným uspořádáním atomů. Toto je místo akumulace dislokací, volných míst, atomů nečistot. Proto jsou u většiny polykrystalických materiálů hranice zrn dvourozměrné povrchové defekty.

Vliv mřížkových defektů na mechanické vlastnosti krystalů. Způsoby zvýšení pevnosti kovů.

Pevnost je schopnost materiálu odolávat deformaci a destrukci působením vnějšího zatížení.

Pevností krystalických těles se rozumí jejich odolnost vůči aplikovanému zatížení, které má tendenci se pohybovat nebo v limitu odtrhnout jednu část krystalu vůči druhé.

Přítomnost pohyblivých dislokací v kovech (již v procesu krystalizace se objevuje až 10 6 ... 10 8 dislokací v průřezu rovném 1 cm 2) vede k jejich snížené odolnosti vůči zatěžování, tzn. vysoká tažnost a nízká pevnost.

Je zřejmé, že nejúčinnějším způsobem zvýšení pevnosti je odstranění dislokací z kovu. Tento způsob však není technologicky vyspělý, protože kovy bez dislokací lze získat pouze ve formě tenkých vláken (tzv. "whisker") o průměru několika mikronů a délce až 10 mikronů.

Praktické metody kalení jsou proto založeny na zpomalování, blokování pohyblivých dislokací prudkým nárůstem počtu mřížových defektů (především lineárních a plošných!), jakož i vytváření vícefázových materiálů

Takové tradiční metody pro zvýšení pevnosti kovů jsou:

– plastická deformace (fenomén zpevňování nebo zpevňování),

- tepelné (a chemicko-tepelné) zpracování,

- legování (vnášení speciálních nečistot) a nejběžnějším přístupem je vytváření slitin.

Závěrem je třeba poznamenat, že zvýšení pevnosti na základě blokování pohyblivých dislokací vede ke snížení tažnosti a rázové houževnatosti a tím i provozní spolehlivosti materiálu.

Proto je třeba otázku stupně vytvrzení řešit individuálně, na základě účelu a provozních podmínek výrobku.

Polymorfismus v přeneseném slova smyslu znamená mnohotvarost, tzn. jev, kdy látky stejného chemického složení krystalizují v různých strukturách a tvoří krystaly různých syngogií. Například diamant a grafit mají stejné chemické složení, ale různé struktury, oba minerály se ostře liší ve fyzikálních vlastnostech. vlastnosti. Dalším příkladem je kalcit a aragonit - mají stejné složení CaCO 3, ale představují různé polymorfní modifikace.

Fenomén polymorfismu je spojen s podmínkami pro vznik krystalických látek a je dán tím, že pouze určité struktury jsou stabilní za různých termodynamických podmínek. Kovový cín (tzv. bílý cín) se tedy při poklesu teploty pod -18 C 0 stává nestabilním a drolí se a vytváří „šedý cín“ jiné struktury.

Izomorfismus. Slitiny kovů jsou krystalické struktury různého složení, ve kterých jsou atomy jednoho prvku umístěny v mezerách krystalové mřížky jiného prvku. Jedná se o tzv. tuhé roztoky druhého druhu.

Na rozdíl od pevných roztoků druhého druhu mohou být v pevných roztocích prvního druhu nahrazeny atomy nebo ionty jedné krystalické látky atomy nebo ionty jiné. Ty jsou umístěny v uzlech krystalové mřížky. Roztoky tohoto druhu se nazývají izomorfní směsi.

Podmínky nutné pro projev izomorfismu:

1) Lze nahradit pouze ionty stejného znaménka, tj. kation za kation a anion za anion

2) Lze nahradit pouze atomy nebo ionty podobné velikosti, tzn. rozdíl v iontových poloměrech by neměl překročit 15 % pro dokonalý izomorfismus a 25 % pro nedokonalý izomorfismus (například Ca 2+ až Mg 2+)

3) Mohou být nahrazeny pouze ionty, které jsou blízko ve stupni polarizace (tj. ve stupni iontově-kovalentní vazby).

4) Nahradit lze pouze prvky, které mají v dané krystalové struktuře stejné koordinační číslo

5) izomorfní substituce by měly probíhat tímto způsobem. Aby nebyla narušena elektrostatická rovnováha krystalové mřížky.

6) izomorfní substituce probíhají ve směru přírůstku energie mřížky.

Typy izomorfismu. Existují 4 typy izomorfismu:

1) Izovalentní izomorfismus se vyznačuje tím, že se v tomto případě vyskytují ionty stejné mocenství a rozdíl ve velikostech iontových poloměrů by neměl být větší než 15 %

2) heterovalentní izomorfismus. V tomto případě dochází k substituci iontů různé valence. Při takové substituci nelze jeden iont nahradit jiným, aniž by se narušila elektrostatická rovnováha krystalové mřížky, proto u heterovalentního izomorfismu nedochází k nahrazení iontu jako u heterovalentního izomorfismu, ale k nahrazení skupiny iontů určité valence jiným iontem. skupina iontů při zachování stejné celkové valence.

V tomto případě je nutné vždy pamatovat na to, že záměna iontu jedné valence za iont jiné je vždy spojena s valenční kompenzací. Tato kompenzace může nastat jak v kationtové, tak v aniontové části sloučenin. V tomto případě musí být splněny následující podmínky:

A) součet valencí substituovaných iontů se musí rovnat součtu valencí substituujících iontů.

B) součet iontových poloměrů substituujících iontů by se měl blížit součtu iontových poloměrů substituujících iontů a může se od něj lišit nejvýše o 15 % (pro dokonalý izomorfismus)

3) izostrukturální. Dochází k záměně ne jednoho iontu za jiný nebo skupiny iontů za jinou skupinu, ale k záměně celého „bloku“ jedné krystalové mřížky jiným ze stejného „bloku“. To se může stát pouze v případě, že struktury minerálů jsou stejného typu a mají podobnou velikost základní buňky.

4) izomorfismus zvláštního druhu.

dislokace defektu krystalové mřížky

Hostováno na Allbest.ru

Podobné dokumenty

Charakteristika piezoelektrického jevu. Studium krystalové struktury jevu: modelová úvaha, krystalové deformace. Fyzikální mechanismus inverzního piezoelektrického jevu. Vlastnosti piezoelektrických krystalů. Použití efektu.

semestrální práce, přidáno 12.9.2010


Informace o vibracích krystalových mřížek, funkce popisující jejich fyzikální veličiny. Krystalografické souřadnicové systémy. Výpočet interakční energie atomů v kovalentních krystalech, vibrační spektrum krystalové mřížky wolframanu barnatého.

práce, přidáno 01.09.2014


Průchod proudu elektrolyty. Fyzikální podstata elektrické vodivosti. Vliv nečistot, poruch krystalové struktury na měrný odpor kovů. Odolnost tenkých kovových vrstev. Kontaktní jevy a termoelektromotorická síla.

abstrakt, přidáno 29.08.2010


Pojem a klasifikace vad v krystalech: energetické, elektronické a atomové. Hlavní nedokonalosti krystalů, vznik bodových vad, jejich koncentrace a rychlost pohybu krystalem. Difúze částic v důsledku pohybu vakancí.

abstrakt, přidáno 19.01.2011


Podstata polymorfismu, historie jeho objevu. Fyzikální a chemické vlastnosti uhlíkových polymorfů: diamant a grafit, jejich srovnávací analýza. Polymorfní přeměny tekutých krystalů, tenkých vrstev jodidu cíničitého, kovů a slitin.

semestrální práce, přidáno 4.12.2012


Krystalické a amorfní stavy pevných látek, příčiny bodových a liniových vad. Vznik a růst krystalů. Umělá výroba drahých kamenů, pevných roztoků a tekutých krystalů. Optické vlastnosti cholesterických tekutých krystalů.

abstrakt, přidáno 26.04.2010


Historie vývoje konceptu tekutých krystalů. Kapalné krystaly, jejich druhy a hlavní vlastnosti. Optická aktivita tekutých krystalů a jejich strukturní vlastnosti. Freedericksz efekt. Fyzikální princip činnosti zařízení na LCD. Optický mikrofon.

tutoriál, přidáno 14.12.2010


Krystalizace jako proces přechodu kovu z kapalného do pevného skupenství za vzniku krystalické struktury. Schéma tvorby švu při obloukovém svařování. Klíčové faktory a podmínky nezbytné pro zahájení růstu krystalů tekutých kovů.

prezentace, přidáno 26.04.2015


Studium struktury (vznik krystality uspořádanými chaoticky) a metod získávání (ochlazení taveniny, rozprašování z plynné fáze, bombardování krystalů neurony) skel. Seznámení s procesy krystalizace a skelného přechodu.

abstrakt, přidáno 18.05.2010


Vady reálných krystalů, princip činnosti bipolárních tranzistorů. Distorze krystalové mřížky v intersticiálních a substitučních pevných roztocích. Povrchové jevy v polovodičích. Parametry tranzistoru a koeficient přenosu proudu emitoru.