Úvod

Kryštalické telieska sú jednou z odrôd minerálov.

Kryštalické sú pevné látky, ktorých fyzikálne vlastnosti nie sú rovnaké v rôznych smeroch, ale rovnaké v paralelných smeroch.

Rodina kryštalických pevných látok pozostáva z dvoch skupín - monokryštálov a polykryštálov. Prvé majú niekedy geometricky pravidelný vonkajší tvar, zatiaľ čo druhé, podobne ako amorfné telesá, nemajú špecifický tvar vlastný danej látke. Ale na rozdiel od amorfných telies je štruktúra polykryštálov heterogénna a zrnitá. Sú súborom chaoticky orientovaných malých kryštálov – kryštalitov – navzájom zlúčených. Polykryštalickú štruktúru liatiny možno napríklad zistiť skúmaním rozbitej vzorky lupou.

Kryštály sa líšia veľkosťou. Mnohé z nich je možné vidieť iba cez mikroskop. Existujú však obrovské kryštály vážiace niekoľko ton.

Kryštalická štruktúra

Rozmanitosť kryštálov v tvare je veľmi veľká. Kryštály môžu mať štyri až niekoľko stoviek faziet. No zároveň majú pozoruhodnú vlastnosť – nech je veľkosť, tvar a počet plôch toho istého kryštálu akákoľvek, všetky ploché plochy sa navzájom pretínajú v určitých uhloch. Uhly medzi zodpovedajúcimi plochami sú vždy rovnaké. Kryštály kamennej soli môžu mať napríklad tvar kocky, hranola, hranola alebo zložitejšieho telesa, no ich plochy sa vždy pretínajú v pravom uhle. Plochy kremeňa majú tvar nepravidelných šesťuholníkov, ale uhly medzi plochami sú vždy rovnaké - 120°.

Zákon o stálosti uhlov, ktorý objavil v roku 1669 Dán Nikolaj Steno, je najdôležitejším zákonom vedy o kryštáloch – kryštalografii.

Meranie uhlov medzi kryštálovými plochami je veľmi veľké praktický význam, keďže na základe výsledkov týchto meraní možno v mnohých prípadoch spoľahlivo určiť povahu minerálu. Najjednoduchším zariadením na meranie kryštálových uhlov je aplikovaný goniometer. Použitie aplikovaného goniometra je možné len na štúdium veľkých kryštálov, presnosť meraní s jeho pomocou je tiež nízka. Pomocou aplikovaného goniometra je veľmi ťažké rozlíšiť napríklad kryštály kalcitu a dusičnanu, ktoré majú podobný tvar a majú uhly medzi zodpovedajúcimi plochami rovné 101°55" pre prvú a 102°41,5" pre druhú. Preto sa v laboratórnych podmienkach merania uhlov medzi plochami kryštálov zvyčajne vykonávajú pomocou zložitejších a presnejších prístrojov.

Kryštály pravidelného geometrického tvaru sú v prírode zriedkavé. Spoločné pôsobenie takých nepriaznivých faktorov, ako sú teplotné výkyvy a blízke okolie so susednými pevnými látkami, neumožňuje rastúcemu kryštálu získať svoj charakteristický tvar. Navyše značná časť kryštálov, ktoré mali v dávnej minulosti dokonalý výbrus, ho dokázala stratiť vplyvom vody, vetra a trenia s inými pevnými látkami. Mnoho zaoblených priehľadných zŕn, ktoré možno nájsť v pobrežnom piesku, sú teda kryštály kremeňa, ktoré stratili svoje okraje v dôsledku dlhšieho vzájomného trenia.

Existuje niekoľko spôsobov, ako zistiť, či je pevná látka kryštál. Najjednoduchší z nich, no na použitie veľmi nevhodný, bol objavený v dôsledku náhodného pozorovania koncom 18. storočia. Francúzsky vedec Renne Gahuy náhodou vypustil jeden z kryštálov zo svojej zbierky. Po preskúmaní kryštálových fragmentov si všimol, že mnohé z nich boli menšie kópie pôvodnej vzorky.

Pozoruhodná vlastnosť mnohých kryštálov po rozdrvení vytvárať fragmenty podobného tvaru ako pôvodný kryštál umožnila Haüyovi vysloviť hypotézu, že všetky kryštály pozostávajú z husto zložených radov malých častíc, ktoré sú pod mikroskopom neviditeľné a majú pravidelný geometrický tvar, ktorý je vlastný danej látky. Gayuy vysvetlil rozmanitosť geometrických tvarov nielen rôznymi tvarmi „tehál“, z ktorých sa skladajú, ale aj rôzne cesty ich inštaláciu.

Hayuyova hypotéza správne odzrkadľovala podstatu javu – usporiadané a husté usporiadanie štruktúrnych prvkov kryštálov, neodpovedala však na množstvo dôležitých otázok. Existuje nejaký limit na udržanie tvaru? Ak áno, aká je najmenšia „tehla“? Majú atómy a molekuly hmoty tvar mnohostenov?

Späť v 18. storočí. Anglický vedec Robert Hooke a holandský vedec Christiaan Huygens upozornili na možnosť skonštruovať pravidelné mnohosteny z tesne zbalených gúľ. Navrhli, že kryštály sú postavené z guľovitých častíc - atómov alebo molekúl. Vonkajšie tvary kryštálov sú podľa tejto hypotézy dôsledkom charakteristík hustého balenia atómov alebo molekúl. Nezávisle od nich dospel v roku 1748 k rovnakému záveru veľký ruský vedec M.V. Lomonosov.

Keď sú guľôčky pevne zbalené do jednej rovnej vrstvy, každá guľôčka je obklopená šiestimi ďalšími guľôčkami, ktorých stredy tvoria pravidelný šesťuholník. Ak je druhá vrstva položená pozdĺž otvorov medzi guľôčkami prvej vrstvy, potom bude druhá vrstva rovnaká ako prvá, iba posunutá vzhľadom na ňu v priestore.

Pokladanie tretej vrstvy guľôčok je možné vykonať dvoma spôsobmi. Pri prvom spôsobe sa guľôčky tretej vrstvy umiestnia do otvorov umiestnených presne nad guľôčkami prvej vrstvy a tretia vrstva sa ukáže ako presná kópia prvej. Následným opakovaním stohovania vrstiev týmto spôsobom sa získa štruktúra nazývaná šesťuholníková tesne zbalená štruktúra. Pri druhom spôsobe sa guľôčky tretej vrstvy umiestnia do otvorov, ktoré nie sú umiestnené presne nad guľôčkami prvej vrstvy. Tento spôsob balenia vytvára štruktúru nazývanú kubická tesne zbalená štruktúra. Obidva balenia poskytujú mieru plnenia objemu 74 %. Žiadna iná metóda usporiadania guľôčok v priestore pri absencii ich deformácie neposkytuje väčší stupeň naplnenia objemu.

Pri ukladaní loptičiek rad za radom metódou šesťhranného tesnenia získate pravidelný šesťhranný hranol, druhý spôsob balenia vedie k možnosti postaviť z guličiek kocku.

Ak pri konštrukcii kryštálov z atómov alebo molekúl platí princíp tesného balenia, potom by sa zdalo, že kryštály by sa v prírode mali nachádzať len vo forme šesťhranných hranolov a kociek. Kryštály tohto tvaru sú skutočne veľmi bežné. Šesťhranné tesnenie atómov zodpovedá napríklad tvaru kryštálov zinku, horčíka a kadmia. Kubické husté balenie zodpovedá tvaru kryštálov medi, hliníka, striebra, zlata a množstva ďalších kovov.

Ale rozmanitosť sveta kryštálov sa neobmedzuje len na tieto dve formy.

Existencia kryštálových foriem, ktoré nezodpovedajú princípu najbližšieho balenia rovnako veľkých gúľ, môže mať rôzne dôvody.

Po prvé, kryštál môže byť postavený podľa princípu tesného balenia, ale z atómov rôzne veľkosti alebo z molekúl, ktoré majú tvar veľmi odlišný od guľového tvaru. Atómy kyslíka a vodíka majú guľovitý tvar. Pri spojení jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka dochádza k vzájomnému prenikaniu ich elektrónových obalov. Preto má molekula vody tvar, ktorý sa výrazne líši od guľového. Keď voda stuhne, husté zbalenie jej molekúl sa nedá dosiahnuť rovnakým spôsobom ako zbalenie guľôčok rovnakej veľkosti.

Po druhé, rozdiel medzi zhlukom atómov alebo molekúl a najhustejším zhlukom možno vysvetliť existenciou silnejších väzieb medzi nimi v určitých smeroch. V prípade atómových kryštálov je smer väzieb určený štruktúrou vonkajších elektrónových obalov atómov, v molekulových kryštáloch - štruktúrou molekúl.

Je dosť ťažké pochopiť štruktúru kryštálov iba pomocou trojrozmerných modelov ich štruktúry. V tomto smere sa často používa metóda zobrazenia štruktúry kryštálov pomocou priestorovej kryštálovej mriežky. Ide o priestorovú mriežku, ktorej uzly sa zhodujú s polohou centier atómov (molekúl) v kryštáli. Takéto modely je možné vidieť, ale nedá sa z nich nič dozvedieť o tvare a veľkosti častíc, ktoré tvoria kryštály.

Kryštálová mriežka je založená na elementárnej bunke - figúre najmenšej veľkosti, ktorej postupným prenosom je možné postaviť celý kryštál. Ak chcete bunku jednoznačne charakterizovať, musíte určiť rozmery jej hrán a, b a c a veľkosť uhlov a medzi nimi. Dĺžka jednej z hrán sa nazýva konštanta kryštálovej mriežky a celý súbor šiestich hodnôt, ktoré definujú bunku, sa nazývajú parametre bunky.

Je dôležité venovať pozornosť skutočnosti, že väčšina atómov a pre mnohé typy kryštálových mriežok každý atóm nepatrí do jednej jednotkovej bunky, ale je súčasne súčasťou niekoľkých susedných jednotkových buniek. Zoberme si napríklad základnú bunku kryštálu kamennej soli.

Časť kryštálu znázornená na obrázku treba chápať ako elementárnu bunku kryštálu kamennej soli, z ktorej sa dá celý kryštál postaviť prenosom v priestore. V tomto prípade treba brať do úvahy, že z iónov nachádzajúcich sa vo vrcholoch bunky k nej patrí len jedna osmina každého z nich; z iónov ležiacich na okrajoch bunky jej patrí jedna štvrtina; Z iónov ležiacich na plochách predstavuje každá z dvoch susedných jednotkových buniek polovicu iónu.

Spočítajme počet iónov sodíka a počet iónov chlóru obsiahnutých v jednej jednotkovej bunke kamennej soli. Celý článok obsahuje jeden ión chlóru umiestnený v strede článku a jednu štvrtinu každého z 12 iónov umiestnených na okrajoch článku. Celkový počet iónov chlóru v jednom článku je 1+12*1/4=4. Ióny sodíka v jednotkovej bunke sú šesť polovíc na stenách a osem osmín na vrcholoch, spolu 6*1/2+8*1/8=4.

Porovnanie základných buniek kryštálových mriežok rôznych typov sa môže uskutočniť pomocou rôznych parametrov, medzi ktorými sa často používa atómový polomer, hustota zloženia a počet atómov v jednotkovej bunke. Atómový polomer je definovaný ako polovica vzdialenosti medzi stredmi najbližších susedných atómov v kryštáli.

Podiel objemu, ktorý zaberajú atómy v jednotkovej bunke, sa nazýva hustota balenia.

Klasifikácia kryštálov a ich vysvetlenie fyzikálne vlastnosti sa ukážu ako možné len na základe štúdia ich symetrie. Učenie o symetrii je základom celej kryštalografie.

Na kvantifikáciu miery symetrie sa používajú prvky symetrie - osi, roviny a stred symetrie. Os symetrie je pomyselná priamka, pri ktorej otočení o 360° sa kryštál (alebo jeho mriežka) niekoľkokrát vyrovná. Počet týchto zarovnaní sa nazýva poradie osí.

Rovina symetrie je rovina, ktorá rozdeľuje kryštál na dve časti, z ktorých každá je vzájomným zrkadlovým obrazom.

Rovina symetrie funguje ako obojsmerné zrkadlo. Počet rovín symetrie môže byť rôzny. Napríklad v kocke je ich deväť a v snehových vločkách akéhokoľvek tvaru šesť.

Stred symetrie je bod vo vnútri kryštálu, v ktorom sa pretínajú všetky osi symetrie.

Každý kryštál sa vyznačuje určitou kombináciou prvkov symetrie. Vzhľadom na to, že počet prvkov symetrie je malý, úloha nájsť všetky možné tvary kryštálov nie je beznádejná. Vynikajúci ruský kryštalograf Evgraf Stepanovič Fedorov zistil, že v prírode môže existovať iba 230 rôznych kryštálových mriežok, ktoré majú osy symetrie druhého, tretieho, štvrtého a šiesteho rádu. Inými slovami, kryštály môžu mať tvar rôznych hranolov a ihlanov, ktorých základňou môže byť len pravidelný trojuholník, štvorec, rovnobežník a šesťuholník.

E.S. Fedorov je zakladateľom kryštalickej chémie - vedy, ktorá sa zaoberá určovaním chemické zloženie kryštály skúmaním tvaru plôch a meraním uhlov medzi nimi. Kryštalická analýza zvyčajne trvá menej času ako chemická analýza a nevedie k deštrukcii vzorky.

Mnohí Fedorovovi súčasníci nielenže neverili v existenciu kryštálových mriežok, ale dokonca pochybovali o existencii atómov. Prvý experimentálny dôkaz o platnosti Fedorovových záverov získal v roku 1912 nemecký fyzik E. Laue. Metóda, ktorú vyvinul na určenie atómovej alebo molekulárnej štruktúry telies pomocou röntgenových lúčov, sa nazýva röntgenová difrakčná analýza. Výsledky štúdia štruktúry kryštálov pomocou röntgenovej difrakčnej analýzy preukázali reálnosť existencie všetkých vypočítaných E.S. Fedorovove kryštálové mriežky. Teória tejto metódy je príliš zložitá na to, aby sa o nej diskutovalo školský kurz fyzika.

Vizuálne znázornenie vnútorná štruktúra crystals poskytuje nové pozoruhodné zariadenie na štúdium štruktúry kryštálov - iónový mikroprojektor, vynájdený v roku 1951. Zariadenie mikroprojektoru je podobné ako zariadenie televíznej obrazovky (obr. 5). Sklenená nádoba obsahuje skúmaný kovový kryštál vo forme veľmi tenkej ihly 1 s priemerom asi 10 -5 -10 -6 cm. Oproti špičke ihly je umiestnená luminiscenčná clona 2, ktorá môže pri bombardovaní svietiť. rýchlymi časticami. Po opatrnom odčerpaní vzduchu z balónika sa do neho zavedie malé množstvo hélia. Medzi ihlou a sitom je privedené napätie asi 30 000 V.

Keď sa atómy hélia zrazia so špičkou kladne nabitej ihly, odtrhne sa od nich jeden elektrón po druhom a stanú sa kladné ióny. Najčastejšie sa zrážka atómov hélia vyskytuje s vyčnievajúcimi časťami povrchu hrotu - „s jednotlivými atómami alebo skupinami atómov vyčnievajúcimi“ z kovovej mriežky. Preto k ionizácii hélia dochádza hlavne v blízkosti takýchto výčnelkov. Z každého výčnelku-atómu letí ión za iónom v priamych líniách v smere záporne nabitej katódy 3. Keď dopadnú na obrazovku, spôsobia jej žiaru, čím sa vytvorí obraz povrchu hrotu zväčšený na 10 7-krát. Bodkovaná čiara svetelných bodov na fotografii je obrazom okraja stupňov vrstiev atómov a samotné svetelné body sú jednotlivé atómy na vrcholoch stupňov. Celý obraz dobre vyjadruje periodicitu a symetriu usporiadania atómov v kryštáli.

V závislosti od typu štruktúrnych jednotiek látky sa rozlišujú kostrové (atómové), kovové, iónové a molekulárne štruktúry. Existujú aj kombinované typy štruktúr.

IN rámštruktúra atómov jedného alebo viacerých chemické prvky spojené kovalentne chemické väzby. V dôsledku toho je výber konkrétnej štruktúry diktovaný smerom spojov. V štruktúre nie sú žiadne izolované skupiny atómov, t.j. sieť kovalentných väzieb pokrýva celú štruktúru. Najznámejším príkladom látky s rámcovou štruktúrou je diamant. Jednotková bunka diamantu je znázornená na obr. 8.7. Atómy uhlíka sú umiestnené vo vrcholoch kubickej bunky, v stredoch všetkých stien, a striedavo zaberajú stredy štyroch z ôsmich kociek, na ktoré sa dá základná bunka rozdeliť. Z týchto atómov vo vnútri bunky sú kovalentné väzby štvorstenne nasmerované k atómu uhlíka v jednom z vrcholov a trom atómom uhlíka na čelných stranách. Vzdialenosť medzi všetkými atómami uhlíka je 154 pm. Mnohé látky majú štruktúru podobnú diamantu. Medzi nimi je kremík, karbid kremíka SiC, sulfid zinočnatý (zmes zinku) ZnS. V tejto látke sú atómy zinku umiestnené vo vrcholoch a na okrajoch jednotkovej bunky a atómy síry zaberajú miesta vo vnútri bunky. Štruktúra tejto látky, tradične klasifikovanej ako soľ, teda nie je iónová, ale skeletová.

Kryštál látky s rámcovou štruktúrou možno považovať za jednu molekulu. Takéto látky vykazujú tepelnú stabilitu, sú prakticky nerozpustné vo vode a majú vysoké teploty topenia a tvrdosť.

Kovovéštruktúra sa líši od rámcovej štruktúry tým, že usporiadanie atómov nie je určené smerom väzieb, ale iba podmienkou najbližšieho zloženia atómových gúľ. Väčšina kovov sa vyznačuje iba tromi typmi jednotkových buniek: kubický centrovaný na telo, kubický centrovaný tvárou a šesťuholníkový kompaktný. Vystavuje veľa kovov polymorfizmus, ktorá pri zahrievaní mení kryštálovú štruktúru.

Ryža. 8.7.

väzby medzi atómami uhlíka vo vnútri bunky sú znázornené vo forme klinov

Iónovýštruktúra je postavená zo striedajúcich sa iónov s nábojmi opačných znamienok. Chlorid sodný má tento typ štruktúry (pozri obr. 2.8). Polohy sodíkových a chloridových iónov sú úplne zameniteľné. Ióny chlóru môžu byť umiestnené vo vrcholoch buniek a stredoch plôch. Potom budú sodné ióny v strede rebier a v strede bunky. Môžete to urobiť naopak, t.j. vymeňte všetky ióny. Takáto štruktúra môže byť reprezentovaná ako dve plošne centrované mriežky - jedna s iónmi Na+ a druhá s iónmi C15 - vložené do seba s posunutím polovice dĺžky hrany kocky.

Vzhľad konkrétnej iónovej štruktúry závisí hlavne od nábojov iónov a pomeru ich polomerov. V chloride céznom, ťažšom alkalickom kove ako sodík, sa polomer katiónu výrazne zväčší, v dôsledku čoho sa jeho koordinačné číslo zvýši na osem. V kubickej bunke je každý cézny ión obklopený ôsmimi chloridovými iónmi (obrázok 8.8). Táto štruktúra môže byť tiež reprezentovaná ako dve kubické mriežky tvorené iónmi cézia a chlórovými iónmi, vložené do seba tak, že ión jedného typu je v strede bunky s iónmi iného typu.

Ryža. 8.8.

Látky s iónovou štruktúrou sa vyznačujú vysokými teplotami topenia v dôsledku významnej energie elektrostatickej príťažlivosti iónov. Mnohé iónové látky sú vysoko rozpustné vo vode.

Látky s molekulárneštruktúry sa výrazne líšia od štruktúr diskutovaných vyššie pri nízkych teplotách topenia. Medzi nimi sú kvapaliny a plyny. Röntgenové difrakčné štúdie takýchto látok odhaľujú krátke medziatómové vzdialenosti vo vnútri molekúl a výrazne dlhšie vzdialenosti medzi rovnakými atómami v rôznych molekulách. Napríklad v kryštáloch jódu 1 2 (obr. 8.9) je vzdialenosť medzi atómami v molekule 272 pm, vzdialenosť medzi molekulami vo vrstve je 350 nm a najbližšia vzdialenosť medzi atómami umiestnenými v rôznych vrstvách je 397 pm.

Ryža. 8.9.

Látky pozostávajúce z polyatomických molekúl tvoria veľmi zložité štruktúry. Bez röntgenových lúčov by bolo jednoducho nemožné pochopiť ich štruktúru. Môžeme si spomenúť na molekuly DNA, ktoré majú štruktúru dvojitej špirály. Určenie ich štruktúry otvorilo novú etapu vo vývoji biológie.

Je zrejmé, že molekula nemôže byť umiestnená v uzle kryštálovej štruktúry, pretože predstavuje určitý súbor atómov. Na obr. 8.10 ukazuje štruktúru komplexnej zlúčeniny |Pt(CN)2(NH3)(NH2CH3)| ako príklad. Základná bunka je prezentovaná ako projekcia pozdĺž osi U. Vrcholy buniek nie sú obsadené atómami. Ploché molekuly komplexnej zlúčeniny sú viditeľné zo strany v projekcii. Prerušovaná čiara znázorňuje vodíkové väzby medzi molekulami amoniaku umiestnenými v rôznych molekulách komplexnej zlúčeniny. Osi symetrie druhého rádu prebiehajú rovnobežne s osou U. Jeden z nich prechádza stredom bunky. Osem molekúl v jednotkovej bunke je umiestnených na dvoch úrovniach pozdĺž osi U v šachovnicovom vzore. Tento príklad poskytuje predstavu o zložitosti molekulárnych štruktúr.

Ryža. 8.10.Projekcia jednotkovej bunky komplexnej zlúčeniny pozdĺž osiY

Vnútorná štruktúra kryštálov bola predmetom živej diskusie na samom začiatku rozvoja kryštalografie. V 18. storočí R. J. Gayuy na základe skutočnosti, že kalcit sa môže štiepiť na ľubovoľne malé kosoštvorce, navrhol, že kryštály tohto minerálu sú postavené z nespočetných drobných tehál tohto typu a že všetky ostatné steny okrem kosoštvorcových sú tvorené pravidelným „ustúpiť“ » týchto tehál z roviny zodpovedajúcej „steny“, aby sa nerovnosti ukázali byť také malé, že okraje sa zdajú byť opticky hladké. Stanovením zákona racionality indexov, platného pre všetky kryštály, bolo úplne jasné, že všetky kryštály boli postavené týmto spôsobom, teda nekonečným opakovaním elementárnej bunky. Rozšírenie vedomostí o atómovej štruktúre hmoty však ukázalo nemenej jasné, že základnú bunku nemožno považovať za pevnú tehlu Haui; skôr ho možno prirovnať k prvku vzoru – trojrozmernému „motívu“, ktorého opakovaným opakovaním vzniká celý kryštál: rovnakým spôsobom, ako sa dvojrozmerný motív opakuje vo vzore nástennej tapety. Tento objemový prvok vzoru tvorí elementárnu bunku kryštálu. Atómy obsiahnuté v jednotkovej bunke určujú zloženie výsledného kryštálu a ich umiestnenie v bunke a ich veľkosti určujú výslednú morfológiu kryštálu. Je preto ľahké pochopiť dôvod absencie päťnásobnej symetrie a symetrie vyššej ako šesťnásobok v kryštáloch: aj keď hovoríme len o rovine, je ľahké si predstaviť, že jedinými číslicami, ktorými možno rovinu správne vyplniť, môžu byť iba štvorce. , obdĺžniky, rovnobežníky, rovnostranné trojuholníky a pravidelné šesťuholníky .

Geometrická teória trojrozmerných štruktúr tohto typu bankovky bola plne rozvinutá v minulom storočí. Až do konca prvého desaťročia tohto storočia však kryštalografi neboli schopní študovať tieto štruktúry priamo a boli si dobre vedomí toho, že to bolo spôsobené malou veľkosťou jednotkových buniek v porovnaní s vlnovými dĺžkami. viditeľné svetlo. V roku 1912 M. von Laue a jeho asistenti prvýkrát dokázali, že pri prechode kryštálom dochádza k difrakcii lúča röntgenového žiarenia. Difraktovaný lúč vytvoril na fotografickej platni vzor škvŕn, ktorých symetria priamo súvisela so symetriou kryštálu, ktorý bol v dráhe tohto lúča. Laueho metóda ako prostriedok na štúdium kryštálových štruktúr bola odvtedy vylepšená a nahradená inými metódami, ktoré umožňujú odborníkom na kryštálovú fluoroskopiu určiť veľkosť a tvar jednotkovej bunky väčšiny kryštalických látok, ako aj umiestnenie obsahu tejto bunky. . Pri práškovej rádiografii prechádza lúč röntgenových lúčov cez malú vzorku materiálu, ktorý bol rozomletý na veľmi jemný prášok. Výsledkom je difrakčný obrazec (Debyegram), čo je obrazec čiar, ktorých rozloženie a intenzita sú charakteristické pre kryštálovú štruktúru; táto metóda sa ukázala ako veľmi užitočná na určenie pravosti drahokamov (potrebné malé množstvo materiálu je možné zoškrabať z opasku brúseného kameňa bez toho, aby došlo k jeho výraznému poškodeniu). Nemusíme tu však podrobne popisovať všetky takéto metódy, hoci znalosť niektorých výsledkov röntgenovej difrakčnej analýzy je užitočná na pochopenie vlastností vzácnych materiálov.

Prednáška 10

Štruktúra pevných látok. Princípy opisu kryštálových štruktúr

Väčšina látok okolo nás je v pevnom stave. Niektoré pevné látky sú lesklé a za studena sa môžu deformovať – sú klasifikované ako kovy Iné sú kryštály s pravidelnými kryštálovými plochami a jasnými štiepnymi rovinami, niektoré z nich sú klasifikované ako soli, alebo iónové kryštály, a niektorí aj kovalentné kryštály. Mnohé iné pevné látky sú mäkké a zachovávajú si mnohé vlastnosti molekúl plynu, z ktorého kondenzovali - Sú to molekulárne kryštály.

Pozorovaná kryštálová štruktúra pevných látok (usporiadanie atómov v jednotkovej bunke) je určená polohou minimálnej energie systému v závislosti od súradníc stredov atómov. Vo všeobecnosti si táto minimalizácia vyžaduje kvantovo-chemické výpočty pre množinu možných atómových pozícií a ide teda o pomerne zložitý matematický postup. V mnohých prípadoch (pri nesmerových nenasýtených silách medziatómových interakcií – v čisto iónových, van der Waalsových alebo kovových kryštáloch) však možno popis štruktúry kryštálov výrazne zjednodušiť, ak atómy považujeme za tuhé guľôčky s určitými (charakteristické pre daný atóm v danom nabitom stave pre daný typ medziatómovej interakcie) polomery. Tento prístup, napriek jeho zjavnej aproximácii, ako bolo ukázané skôr, pre kryštály s iónovými a van der Waalsovými väzbami možno odôvodniť prudkým zvýšením energie vzájomného odpudzovania, keď sa atómy približujú k sebe do stavu viditeľného prekrývania elektronických obalov a malosť tejto energie pri veľkých medziatómových vzdialenostiach.

Pevné látky, na rozdiel od kvapalných a plynných, sa vyznačujú odolnosťou voči šmykovej deformácii, ktorá umožňuje látke udržiavať svoj tvar pod vplyvom vonkajších síl. Táto vlastnosť úzko súvisí s dlhodosahovou povahou medziatómovej interakcie, ktorá vedie k usporiadanému usporiadaniu častíc (atómov, molekúl alebo iónov), ktoré tvoria pevnú látku. Maximálny stupeň objednávky - objednávka na dlhé vzdialenosti t.j. prísne periodické opakovanie správneho usporiadania častíc v ktoromkoľvek bode pevného telesa sa realizuje v kryštáloch, zatiaľ čo amorfné pevné látky sú charakterizované iba bližšie1. poradie- pravidelné usporiadanie častíc vo vzdialenostiach nepresahujúcich niekoľko medziatómových. V dôsledku toho prechod amorfných pevných látok do kvapalného stavu na rozdiel od kryštálov prebieha nepretržite av tomto zmysle sa amorfné telesá (napríklad sklo) niekedy považujú za podchladené kvapaliny.

Uvažujme tri triedy látok: molekulárne kryštály, kovalentné kryštály a kovy.

Obrázok 1 ukazuje, do ktorej z týchto tried patria kryštály prvkov periodickej tabuľky. Existuje len 15 prvkov, ktoré jasne tvoria molekulárne kryštály (vpravo hore v tabuľke), a asi 70 kovových prvkov (vľavo v tabuľke). Medzi kovmi a molekulárnymi kryštálmi sú prvky, ktoré zahŕňajú kovalentné kryštály, ako aj niektoré pevné látky, ktoré je ťažké klasifikovať. Niektoré prvky (ako arzén a antimón) majú molekulárne aj kovové formy. Fosfor tiež produkuje kovalentné aj molekulárne kryštály. Tieto hraničné prvky sú obzvlášť dôležité pre ich strednú povahu a budeme im venovať osobitnú pozornosť.

Zlúčeniny dvoch rôznych nekovov vždy tvoria molekulárne alebo kovalentné kryštály. Kombinácia kovu a nekovu zvyčajne tvorí iónový alebo kovalentný kryštál. Dva kovy môžu tvoriť jednu alebo viac kovových zlúčenín alebo (častejšie) sériu kovových roztokov, kde je jeden prvok rozpustený v druhom.

Zákonitosti štruktúry nekovových kryštálov popisuje pravidlo (8-N) Hume-Rothery, podľa ktorého koordinačné číslo atómu (počet väzieb, ktorými je atóm spojený s blízkymi atómami) CN = 8 - N, Kde N-číslo skupiny v krátkodobej verzii periodickej tabuľky.

Keďže pravidlo je založené na predstavách o stabilite elektrónového oktetu a elektrónového páru vykonávajúceho jednoduchú kovalentnú väzbu, platí pravidlo len pre prvky hlavných podskupín počnúc skupinou IV.

Napríklad v kryštáloch prvkov 6. skupiny (S, Se) CN = 8 - 6 = 2; štruktúra teda bude obsahovať buď kruhové molekuly (S8 v ortorombickej a monoklinickej síre) alebo dlhé polymérne reťazce (S¥ v plastickej síre a seléne). Atómy v kruhoch a reťazcoch sú vzájomne prepojené kovalentnými väzbami a medzi reťazcami a kruhmi pôsobia van der Waalsove sily.

Pre kryštály prvkov skupiny VII je CN = 8-7 = 1, čo vedie ku kryštálu, ktorý pozostáva z dvojatómových molekúl, napríklad I2. Atómy v molekule sú spojené kovalentnými väzbami a molekuly sú spojené do kryštálu van der Waalsovými silami.

Nie všetky elementárne kryštály však majú molekulárny typ väzby. Je vidieť, že len v prípade prvkov IV hlavnej podskupiny (presnejšie C, Si, Ge) môžu vzniknúť kryštály s výlučne kovalentnými väzbami, keďže koordinačné číslo je 4, čo je odvodené od pravidla 8 - N, dosť na to, aby spojil všetky atómy kryštálu s trojrozmernou sieťou kovalentných väzieb. Hlavná prednosť Takéto elementárne kryštály sú náchylné na polymorfizmus a v dôsledku toho k rôznym vlastnostiam, ktoré vykazujú (obrázok 2). Stabilné modifikácie špecifikované prvky- kovalentné kryštály s vysokými hodnotami mechanických vlastností (Youngov modul, šmykový modul, pevnosť, tvrdosť), ako aj vysokými teplotami topenia a varu. Typický príklad: kremík, v ktorého kryštálovej mriežke (nazývanej aj diamantová mriežka) je každý atóm v stave hybridizácie sp3 obklopený štvorstenom susedných atómov kremíka. Takáto tuhá trojrozmerná sieť tetraedrických väzieb poskytuje kryštálovej mriežke vysokú stabilitu. Kryštalický kremík má vysoká teplota topenie (1420 °C) a var (3300 °C), výnimočná pevnosť a chemická odolnosť (nerozpustné vo vode a roztokoch kyselín).

Už sme povedali, že väčšina jednoduchých a zložitých látok za normálnych podmienok sú pevné látky. Jednou z najdôležitejších úloh chémie pevných látok je stanoviť vzťah medzi štruktúrou pevných látok a ich vlastnosťami.

Dovoľte mi, aby som vám to pripomenul kryštálová štruktúra je špecifické usporiadanie atómov v kryštáli. Toto umiestnenie je spriemerované v čase a priestore a zodpovedá priemerným štatistickým maximám elektrónovej alebo jadrovej hustoty kryštálu.

Idealizovaná matematická forma usporiadania atómov v kryštáli, opísaná množinou atómové pozície v rámci kryštálová mriežka a jeden z 230 skupiny priestorovej symetrie, zodpovedá ideálna štruktúra.Úplne rozlíšiť usporiadané štruktúry, v ktorých je každá atómová poloha úplne obsadená atómami rovnakého typu a neusporiadané štruktúry, kde sú atómové pozície, ktoré nie sú úplne obsadené jednotriednymi atómami. Rôzne aspekty kryštálovej štruktúry sa zvažujú v rámci rôznych štruktúrne modely. Miestne vlastnosti mikroštruktúry kryštál stretnúť reálna štruktúra. Kryštalická štruktúra sa určuje experimentálne metódami štrukturálna analýza.

Kryštálová štruktúra ( vnútorná štruktúra) určuje mnohostranný tvar kryštálu (vonkajšia štruktúra).

Kryštál je pevné teleso charakterizované prítomnosťou rádu krátkeho aj dlhého dosahu. Toto je rovnovážna forma pevného skupenstva látky.

Všetky kryštály bez výnimky sa vyznačujú mriežkovou štruktúrou. Aby ste si predstavili takúto mriežku, mentálne vyplňte priestor mnohými rovnakými rovnobežnostenami, paralelne orientovanými a dotýkajúcimi sa pozdĺž celých plôch. Najjednoduchší príklad Takáto budova pozostáva z muriva z tehál tesne vedľa seba. Ak vyberieme zodpovedajúce body vo vnútri každého rovnobežnostena (napríklad ich ťažisko alebo vrcholy), dostaneme model priestorová mriežka. V špecifických kryštálových štruktúrach môžu byť miesta uzlov priestorovej mriežky vyplnené jednotlivými atómami alebo iónmi, prípadne skupinami atómov – molekúl. Priame čiary, pozdĺž ktorých sú častice umiestnené v mriežke, sa nazývajú v riadkoch, a roviny posadené časticami sa nazývajú ploché oká. Ploché mriežky, rady, vrcholy zodpovedajú plochám a okrajom kryštálu.

Kryštálová bunka- ide o trojrozmerné usporiadanie hmotných častíc (atómov, iónov, molekúl), ktoré tvoria kryštál.

Bežne môže byť ekvivalencia smerov súradníc znázornená vo forme jednotkových vektorov - mierok a, b, c - pozdĺž zodpovedajúcich súradnicových osí X, Y, Z.

Tri možnosti vzťahu jednotkových vektorov - a = b = c, a = b ≠ c, a ¹ až ¹ c - nám umožňujú rozdeliť kryštalografické súradnicové systémy na tri skupiny - tri kategórie kryštálov:

· kryštály najvyššej kategórie(a = b = c) sú charakterizované úplnou ekvivalenciou súradnicových osí, čo je spôsobené prítomnosťou niekoľkých osí vyššieho rádu v skupinách symetrie takýchto kryštálov;

· kryštály strednej triedy(a = b ≠ c) sú charakterizované čiastočnou ekvivalenciou súradnicových osí, spojenou s prítomnosťou len jednej osi vyššieho rádu v ich skupinách;

· kryštály nízkej kvality(a ≠ b ≠ c) sa vyznačujú úplnou neekvivalenciou smerov súradníc, čo sa vysvetľuje absenciou osí vyššieho rádu v nich.

Po zvážení uhlových vzťahov v každej z uvedených kategórií môžeme odvodiť všetky kryštalografické súradnicové systémy (systémy).

Triedy symetrie s jedným súradnicovým rámcom sú spojené do rodiny nazývanej syngónia alebo systém.

Celkovo existuje 32 rôznych skupín kryštalografických bodov, ktoré zahŕňajú rôzne kombinácie operácií uzavretej symetrie. Tieto skupiny bodov sú klasifikované podľa ich príslušnosti ku kryštalografickým systémom.

Kryštalografické	Vzťahy medzi okrajmi jednotkovej bunky	Bodové skupiny
Triklinika	a ≠ b ≠ c a ≠ b ≠ g ≠ 90°
Monoklinika	a ≠ b ≠ c a = b = 90° ≠ g	2, (iba v jednom smere pozdĺž osi Z). m
ortogonálny (ortorombický)	a ≠ b ≠ c a = b = g = 90°
Tetragonálny	a = b = g = 90°	4, , 4/m, 422, 4mm, 2m, 4/mm (os 4. rádu prebieha len pozdĺž osi Z)
Trojuholníkový a šesťuholníkový		6, , 6/m, 622, 6 mm, m2, 6/mm (os 3. (6.) rádu prebieha len pozdĺž osi Z)
Kubický	a = b = g = 90°	23, m3, 432, 4m, m3m (4 osi 3. rádu prechádzajú pozdĺž objemových uhlopriečok bunkovej jednotky)

Systém ekvivalentných polôh je množina bodov, ktoré sú navzájom preložené prvkami symetrie danej skupiny bodov.

Počet bodov zahrnutých v danom SEP sa nazýva systémová multiplicita alebo pozičná multiplicita. Alebo - násobnosť je počet bodov získaných vynásobením ich prvkov symetrie.

Pozícia je tzv súkromné, ak sa bod nachádza na akomkoľvek prvku symetrie: na osi, v rovine symetrie, v špeciálnom bode inverzie, v strede symetrie.

Pozícia je tzv všeobecný, ak bod nie je na prvku symetrie.

Atómy v kryštáli môžu byť spojené nielen uzavretými prvkami symetrie, ale aj otvorenými prvkami symetrie.

Súbor troch nekoplanárnych vektorov sa nazýva translačná skupina alebo kryštálová mriežka.

vektory a,b, c sa nazývajú prenosové vektory alebo preklady a ich moduly sa nazývajú periódy mriežkovej identity.

Rovnobežník postavený na vektoroch a,b, s, sa nazýva rovnobežnosten opakovania mriežky.

Základnými prvkami mriežky sú jej uzly, uzlové rady a uzlové siete.

Priestorová mriežka je geometrický obraz, ktorý odráža trojrozmernú periodicitu rozloženia atómov v štruktúre kryštálu.

Mriežka je definovaná jedným typom atómu.

Ak chcete definovať mriežku, musíte vybrať rovnobežnosten, ktorý by čo najlepšie odrážal všetky vlastnosti danej mriežky, keďže je jej minimálnym prepojením, t. j. musíte vybrať elementárnu bunku.

Základná bunka je rovnobežnosten opakovania, postavený na najkratších transláciách pozdĺž kryštalografických súradnicových systémov.

Tri možné vektorové vzťahy – a = b = c, a = b ¹ c, a ¹ b ¹ c– umožňujú rozdeliť kryštalografické súradnicové systémy, a teda 32 tried symetrie tri kategórie kryštálov:

1. kryštály najnižšej kategórie (a ¹ b ¹ c) sa vyznačujú úplnou neekvivalenciou súradnicových smerov, čo sa vysvetľuje absenciou osí vyššieho rádu v nich. Z podmienky neekvivalencie súradnicových smerov vyplýva, že do najnižšej kategórie patria len triedy, ktoré nemajú osi vyššieho rádu..gif" width="13" height="20 src=">) alebo úplná absencia prvky symetrie (1).

2. kryštály strednej kategórie (a = b ¹ c) sú charakterizované čiastočnou ekvivalenciou súradnicových osí, spojenou s prítomnosťou skupín symetrie iba jednej osi vyššieho rádu. Z podmienky ekvivalencie dvoch horizontálnych smerov (a = b) vyplýva, že symetria kryštálov strednej kategórie je popísaná skupinami s jednou osou vyššieho rádu: . Vertikálna súradnicová os je kombinovaná s touto osou z a ďalšie dve – X A r– vybrané v rovine kolmej na hlavnú os. Preto uhly medzi hlavnou osou a osami X A r rovný, t.j. a = b = 90°. Uhol g medzi osami X A r je určený poradím hlavnej osi a rovná sa 90° v prípade prítomnosti osi 4. rádu a 120° v prípade osí 3. a 6. rádu. Preto sú v strednej kategórii dva súradnicové systémy, ktoré zodpovedajú dvom systémom.

3. kryštály najvyššej kategórie (a = b = c) sa vyznačujú úplnou ekvivalenciou súradnicových osí, čo je spôsobené prítomnosťou niekoľkých osí vyššieho rádu v ich skupinách symetrie.

Takže na týchto troch prekladoch je možné zostrojiť elementárny rovnobežnosten - elementárnu bunku. možnosti a, b, c, a, b, g- parametre jednotkovej bunky.

Dovoľte mi pripomenúť pravidlá pre výber jednotkovej bunky (pravidlá pre výber kryštalografických súradnicových osí).

1. Vybraná bunka musí mať mriežkovú symetriu.

2. Kryštalografické osi sú nasmerované pozdĺž uzlových radov.

3. Kryštalografické súradnicové osi sú kombinované so špeciálnymi smermi, t. j. s osami symetrie 2. rádu a vyššie (ak existujú).

4. Ak sú všetky ostatné veci rovnaké, základná bunka musí mať minimálny objem.

Ak vyberiete akýkoľvek bod (nie nevyhnutne hmotný) v trojrozmernom priestore a považujete ho za jeden z uzlov mriežky, potom v jeho zostávajúcich uzloch budú všetky body tohto priestoru, ktoré sú identické (fyzicky a geometricky) s pôvodným jeden.

V tomto zmysle mriežka‑je vyjadrením kryštalického stavu látky Každá kryštalická látka, dokonca bez akýchkoľvek iných prvkov symetrie, má vždy tento základný prvok symetrie - mriežku alebo mriežkovú štruktúru.

Ako každý rovnobežnostenský systém, aj trojrozmerná mriežka má množstvo vlastných symetrických prvkov. Je vždy stredovo symetrický a stredy inverzie sú umiestnené v mriežkových uzloch - vo vrcholoch rovnobežnostenov a v stredných bodoch vzdialeností medzi nimi. Osi vyšších rádov sú nevyhnutne sprevádzané rovinami symetrie, ktoré sa pozdĺž nich pretínajú. Samotné osi symetrie sú obmedzené len kryštalografickými rádmi, t.j. n= 1, 2, 3, 4, 6. Posledná podmienka jednoznačne vyberá z nekonečného počtu skupín bodov, ktoré popisujú symetriu konečných počiatočných útvarov, iba 32 kryštalografických skupín bodov.

Bodové skupiny symetrie mriežky ako geometrický obraz zodpovedajú najvyšším- holohedral-triedy každého systému.

Trojrozmerná mriežka môže byť reprezentovaná tromi nekoplanárnymi translačnými vektormi, čo znamená, že rovnobežnosten postavený na týchto vektoroch je opakovanie rovnobežnosten- vôľa mriežková bunka. Aby hranol slúžil ako charakteristická bunka akejkoľvek mriežky, t. j. aby odrážal jeho hlavné znaky symetrie, je potrebné, aby sa jeho hrany (translačné vektory) zhodovali so špeciálnymi smermi maximálnej symetrie, t. j. so smermi symetrie. kryštalografické súradnicové osi. Takto vybraná bunka sa volá Bravaisova bunka alebo jednotková bunka. Typ a symetria bunky sa odráža v jej názve, ktorý prenáša, a zodpovedajúcej priestorovej mriežke (obrázok 3). Keďže tvar Bravaisovej bunky je určený referenciou súradníc, sedem mriežok rôznej symetrie (, , mmm, https://pandia.ru/text/80/189/images/image013_92.gif" width="46" height="41 src="> .gif" width="14" height="19 src=">m) môžu byť reprezentované šiestimi typmi rovnobežnostenov (keďže šesťuholníkové mriežky sú obsluhované rovnakou súradnicovou referenciou, a teda Bravaisovými bunkami rovnakého tvaru - rovnobežnostany so 120-stupňovým kosoštvorcom na základni).

Na charakterizáciu typu mriežky je potrebné a postačujúce uviesť dve jej charakteristiky:

1. kryštalografický systém;

2. typ „centrovania“ bunky.

Jednotkové bunky môžu byť:

1. primitívne - uzly sú len vrcholy bunky;

2. centrované – existujú ďalšie uzly, ktoré neležia vo vrcholoch bunky.

Obrázok 3 – Typy mriežok Bravais

Ak sú kryštalografické osi správne zvolené, ďalšie uzly nie sú možné na žiadnom mieste, ale iba v presne definovaných polohách. Počet možných možností je však malý. Neprimitívne mriežky sa nazývajú vycentrované.

Neprimitívne (centrované) mriežky môžu byť nasledujúceho typu:

I - centrovaný na telo (uzol je v strede objemu)

C (A, B) – vycentrované na základňu (dve protiľahlé plochy sú vycentrované)

F – centrované podľa tváre (ďalšie uzly sú umiestnené v strede všetkých plôch)

R – dvojitý stred tela (dva ďalšie uzly rozdeľujú objemovú uhlopriečku na tri rovnaké časti)

Pravidlá, ktoré určujú výber súradnicových systémov v skupinách rôznych kryštalografických systémov (systémov), obmedzujú aj spôsoby centrovania ich mriežok rôznymi spôsobmi.

Na opis symetrie kryštálových štruktúr sa používa pojem „vesmírna skupina“.

Súbor prvkov symetrie kryštálovej štruktúry sa nazýva priestorová grupa.

Opísať štruktúru znamená uviesť:

2) typ mriežky Bravais;

3) typ chemického vzorca;

4) CN a koordinačné mnohosteny;

5) počet jednotiek vzorca atď.

6) charakterizácia štruktúry podľa typu chemickej väzby;

7) charakteristiky konštrukcie založené na geometrických charakteristikách;

8) štruktúra v zmysle PShU-PSK;

9) základné súradnice atómov;

10) priestorová skupina a konštrukčný typ.

Štruktúra kovov spolu so štruktúrou nekovových elementárnych kryštálov je znázornená na obrázku 4.

Spodný riadok každého štvorca ukazuje formu, ktorá je stabilná pri izbovej teplote, za ktorou nasledujú formy, ktoré sa vyskytujú pri vyšších teplotách.

Skratka fcc označuje plošne centrovanú kubickú štruktúru s najbližším zhlukom atómov, bcc - kubickú štruktúru centrovanú na telo, hcp - hexagonálnu štruktúru s tesným zhlukom atómov.

Štruktúry fcc a hcp sú najjasnejšie opísané v rámci modelu najbližšieho sférického obalu (PU), ktorý prvýkrát navrhol v roku 1926 W. Goldschmidt. Atómy sú reprezentované ako tuhé guľôčky a v rovine je len jedna možnosť ich hustého usporiadania (obrázok 5a).

Ak je druhá vrstva umiestnená tak, že jej guľôčky sú umiestnené vo vybraniach prvej vrstvy, potom je dokončené najhustejšie balenie a tiež jediným možným spôsobom (obrázok 5 b). Pokiaľ ide o gule tretej vrstvy, môžu byť usporiadané dvoma spôsobmi:

1) guľôčky tretej vrstvy nad guľami prvej, guľôčky štvrtej nad guľôčkami druhej atď. tak, aby striedajúce sa vrstvy zodpovedali postupnosti ABAVABAB (kde písmená A a B označujú husto zložené vrstvy, posunuté voči sebe v horizontálnej rovine) a spôsob kladenia zodpovedá šesťuholníkovému tesneniu (hcp) (obrázok 6, A);

2) guľôčky tretej vrstvy vzhľadom na guľôčky druhej vrstvy sú umiestnené tak, že nie sú nad guľôčkami prvej vrstvy.

Potom štvrtá vrstva zopakuje prvú, druhá zopakuje piatu atď. Striedanie vrstiev zodpovedá ABCAB... ABC a spôsob kladenia zodpovedá kubickému tesneniu (FCC) (obrázok 6, b). V štruktúre hcp je balenie guľôčok v rovine vrstvy a vertikálne k nej odlišné, ale v štruktúre fcc je balenie rovnaké v ktorejkoľvek z troch hlavných rovín kocky (t. j. je menej anizotropné ). Napriek svojim rozdielom majú tieto dva typy hustých guľových obalov spoločné znaky:

1) podiel priestoru, ktorý zaberajú gule - faktor plnenia, v oboch prípadoch sa rovná 74,05%;

2) koordinačné číslo atómu je 12;

3) v oboch baleniach sú dva typy dutín - štvorstenné, tvorené štyrmi kontaktnými guľôčkami, a oktaédrické, tvorené šiestimi guľôčkami; štvorstenná dutina môže obsahovať guľu s polomerom rtetra = 0,225 r a do oktaedrickej gule s polomerom rokt=0,414 r, Kde r- polomer guľôčok, ktoré tvoria najhustejšie balenie;

4) v najbližších baleniach pripadá na jednu guľôčku jeden oktaedrický a dva tetraedrické dutiny.

V koncepte najbližšieho usporiadania sa polymorfizmus považuje za poradie striedania tesne uložených vrstiev, ktoré sa líši od fcc a hcp.

Príkladom je postupnosť vrstiev v štvorvrstvovom hexagonálnom obale...ABSBABBC... (označené ako 4H).

Z guľovitých upchávok s nižšou hustotou je najbežnejšia kubická upchávka centrovaná na telo (BCC), pre ktorú je faktor plnenia 68,01 %.

Tento typ balenia je možné získať, ak sú guľôčky rovnakej veľkosti umiestnené na rovine tak, aby sa vytvorilo ich štvorcové usporiadanie, potom by sa guľôčky druhej vrstvy mali umiestniť do vybraní vytvorených guľôčkami prvej vrstvy (obrázok 7 ), guľôčky tretej vrstvy budú opakovať prvú atď. Rovnako ako v prípade štruktúry hcp, striedanie vrstiev zodpovedá postupnosti ABAB...AB, avšak každá z vrstiev nie je tesne zbalená; Na rozdiel od fcc a hcp, kde je koordinačný počet atómov 12, uvažovaná štruktúra má koordinačné číslo 8.

Obrázok 7 – Teleso centrovaná kubická mriežka

Je ľahké vidieť, že kovy sa vyznačujú polymorfizmom (alotropiou) (obrázok 2) a malá zmena v elektrónovej štruktúre atómov stačí na to, aby došlo k reštrukturalizácii kryštálovej mriežky. Teplo vzájomného prechodu medzi štruktúrami fcc a hcp nepresahuje 1 kJ/mol, pričom teplo topenia sa pohybuje od 10 do 40 kJ/mol.

Prevažná väčšina kovov má jednu z troch štruktúr (fcc, bcc, hcp) a Mn, Ga, In, Hg sú podobné, ale skreslené štruktúry. Je ťažké odhaliť jednoduché vzory medzi typom štruktúry a pozíciou kovu v periodickej tabuľke. Napriek tomu je zrejmé, že nárast počtu nepárovej valencie s- A R-elektróny v stave použitom na vytvorenie väzby od 1 (alkalické kovy) do 3 (kovy tretej hlavnej podskupiny), zvyšuje CN z 8 (mriežka bcc) na 12 (mriežka fcc alebo hcp). V polymorfizme je účinok zvýšenia počtu valenčných elektrónov ekvivalentný zníženiu teploty alebo zvýšeniu tlaku.

Všetky nekovové prvky okrem kyslíka sú diamagnetické. Kovy, s výnimkou tých, ktoré patria do skupín 1B-IIIB, sú paramagnetické. Spomedzi kovov majú výnimočne vysoký magnetizmus železo, kobalt a nikel. Na základe typu teplotnej závislosti možno rozlíšiť tieto skupiny kovov: magnetické vlastnosti zostávajú takmer nezmenené do 1100 °C (Mo, W, Os); magnetická susceptibilita sa riadi Curie-Weissovým zákonom (K, Mg, Zn, In, Sc); magnetické vlastnosti sa pri teplote topenia mierne menia (Na, Cd, Al); s anomálnou zmenou magnetických vlastností (Ag, Au, Tl, Sn, Pb, Sb, Bi) a napokon magnetické vlastnosti sa v miestach prechodu menia (Zn, Tl) alebo sa nemenia (Ti, Sn). Súbor chemických prvkov, usporiadaných podľa Mendelejevovho periodického zákona, je rozdelený na podmnožiny, t. j. dosť izolované oblasti chemických prvkov zodpovedajúce typickým kovom, feromagnetikám, supravodičom, dielektrikám, polovodičom a polokovom.

Pevné látky sa delia na amorfné telieska a kryštály. Rozdiel medzi posledným a prvým je v tom, že atómy kryštálov sú usporiadané podľa určitého zákona, čím vytvárajú trojrozmerné periodické usporiadanie, ktoré sa nazýva kryštálová mriežka.

Je pozoruhodné, že názov kryštálov pochádza z gréckych slov „zmraziť“ a „chladiť“ a v dobe Homera sa toto slovo používalo na opis horského kryštálu, ktorý sa vtedy považoval za „zamrznutý ľad“. Spočiatku sa tento termín používal na označenie iba fazetovaných priehľadných útvarov. No neskôr sa nepriehľadné a nebrúsené telá prírodného pôvodu začali nazývať aj kryštály.

Kryštalická štruktúra a mriežka

Ideálny kryštál je reprezentovaný vo forme periodicky sa opakujúcich identických štruktúr - takzvaných elementárnych buniek kryštálu. Vo všeobecnosti je tvar takejto bunky šikmý rovnobežnosten.

Je potrebné rozlišovať medzi pojmami ako kryštálová mriežka a kryštálová štruktúra. Prvým je matematická abstrakcia zobrazujúca pravidelné usporiadanie určitých bodov v priestore. Zatiaľ čo kryštálová štruktúra je skutočný fyzikálny objekt, kryštál, v ktorom je spojený každý bod kryštálovej mriežky určitá skupina atómov alebo molekúl.

Kryštálová štruktúra granátu - kosoštvorec a dvanásťsten

Hlavným faktorom určujúcim elektromagnetické a mechanické vlastnosti kryštálu je štruktúra základnej bunky a atómov (molekúl), ktoré sú s ňou spojené.

Anizotropia kryštálov

Hlavnou vlastnosťou kryštálov, ktorá ich odlišuje od amorfných telies, je anizotropia. To znamená, že vlastnosti kryštálu sa líšia v závislosti od smeru. Napríklad k nepružnej (nevratnej) deformácii dochádza len pozdĺž určitých rovín kryštálu a v určitom smere. V dôsledku anizotropie kryštály reagujú odlišne na deformáciu v závislosti od jej smeru.

Existujú však kryštály, ktoré nemajú anizotropiu.

Druhy kryštálov

Kryštály sa delia na monokryštály a polykryštály. Monokryštály sú látky, ktorých kryštalická štruktúra sa rozprestiera po celom tele. Takéto telesá sú homogénne a majú súvislú kryštálovú mriežku. Typicky má takýto kryštál výrazný výbrus. Príkladmi prírodných monokryštálov sú monokryštály kamennej soli, diamantu a topásu a kremeňa.

Mnohé látky majú kryštalickú štruktúru, aj keď zvyčajne nemajú charakteristický tvar kryštálov. Medzi takéto látky patria napríklad kovy. Výskum ukazuje, že takéto látky pozostávajú z veľká kvantita veľmi malé monokryštály – kryštálové zrná alebo kryštality. Látka pozostávajúca z mnohých takýchto rôzne orientovaných monokryštálov sa nazýva polykryštalická. Polykryštály často nemajú fazetovanie a ich vlastnosti závisia od priemernej veľkosti kryštálových zŕn, ich vzájomnej polohy, ako aj od štruktúry hraníc zŕn. Polykryštály zahŕňajú látky ako kovy a zliatiny, keramiku a minerály, ako aj iné.