ZGRADBA TRDNIH SNOVI
1
Zgradba trdnih snovi Za razlago lastnosti snovi moramo poznati atomsko zgradbo snovi. Široki pojem atomske zgradbe vključuje: 1. Elektronsko zgradbo atomov 2. Vezne sile med atomi 3. Tridimenzionalno razporeditev atomov oz. osnovnih gradnikov Trdne snovi so lahko sestavljene iz različnih osnovnih gradnikov (delcev): atomov, ionov ali molekul. Privlačne sile med temi delci so močne, zato lahko delci le nihajo okoli svojih položajev, ne morejo pa se premikati. Osnovni gradniki so lahko v trdni snovi razporejeni na različne načine. Pogosto opazimo, da določeno število gradnikov tvori vzorec, ki se ponavlja v manjšem ali večjem prostoru znotraj snovi. Če se strukturni vzorec ponavlja na razdaljah, precej večjih od dolžine kemijske vezi, govorimo o redu dolgega dosega, sicer o redu kratkega dosega.
2
meja
UREJENOST TRDNIH SNOVI
1
meja
Glede ne urejenost trdne snovi delimo na zrno 2 zrno 1notranje 1) AMORFNE SNOVI nimajo urejene strukture (steklo, nekateri polimeri) 2) KRISTALINIČNE SNOVI imajo urejeno notranjo strukturo, ki se kaže tudi navzven kot ravne ploskve in ostri robovi kristalov: a) MONOKRISTALINIČNE ali b) POLIKRISTALINIČNE zrn
o2 zrno Velja splošno pravilo: trdne snovi z neusmerjenimi vezmi (kovinska, ionska vez) so vedno kristalinične, z usmerjenimi1.vezmi (kovalentna vez) pa so kristalinične ali amorfne snovi.
zrno 1 15 0
strukturna enota
b)
2. Edino pravilo:c) vsak je obdan z dvema vsak je obdan s tremi
zrno 1
Edino pravilo: vsak je obdan z dvema 2. je obdan s tremi vsak
meja
zrno 1
meja
POLIKRISTALINIČNA SNOV: red le znotraj omejenih področij - zrn. meja
0
15 MONOKRISTALINIČNA strukturna SNOV: red dolgega red kratkega dosega enota 1. b) dosega
a) AMORFNA SNOV:1.
zrno 2
zrno 2 zrno 2
2. 15 0
a) a)
a)
strukturna strukturna enota enota strukturna
15 0
15 0
b)
b)
3
KRISTALI - LASTNOSTI Štiri osnovne vrste kristalov in njihove lastnosti:
Kristal:
Ionski
Kovalentni
Kovinski
Molekulski
ioni
atomi nekovin
atomi kovin
molekule
ionska
kovalentna
kovinska
molekulska
Primeri:
NaCl, CaF2
diamant (C), SiO2, SiC
Fe, W, Cu, Ag
C6H12O6 (glukoza), I2, H2O (led)
Tališče:
visoko
visoko
raznoliko
nizko
Mehanske lastnosti:
drobljiv
trd
koven, se ne drobi
drobljiv
ne prevaja
prevaja v trdnem agreg. stanju in v talini
ne prevaja
Osnovni gradniki: Vrsta vezi:
Električna prevodnost:
prevaja v talini in raztopini
4
ZGRADBA KRISTALOV – OSNOVNE CELICE Kristalinične snovi imajo urejeno notranjo zgradbo - osnovni gradniki se nahajajo na določenih mestih v kristalni mreži. Kristalna mreža je urejena, ponavljajoča se razporeditev gradnikov snovi v prostoru. Vzorec razporeditve gradnikov v kristalu se ponavlja v vseh treh smereh v prostoru. Osnovna celica je najmanjši del kristalne mreže, ki se ponavlja v vseh smereh. Osnovne celice so različnih dimenzij (imajo različno dolge robove in različno velike kote) ter so različno centrirane (imajo različno razporejene gradnike). primitivna osnovna celica
8 v ogliščih
telesno centrirana osnovna celica
ploskovno centrirana osnovna celica
8 v ogliščih, 1 v središču
8 v ogliščih, 6 v središčih ploskev
5
ZGRADBA KRISTALOV – OSNOVNE CELICE Število gradnikov znotraj osnovne celice Število gradnikov, ki se nahajajo znotraj osnovne celice, izračunamo z upoštevanjem naslednjih dejstev: Gradnik v oglišču osnovne celice je znotraj osnovne celice z ⅛ svoje prostornine. Gradnik na robu osnovne celice je znotraj osnovne celice z ¼ svoje prostornine. Gradnik na ploskvi osnovne celice je znotraj osnovne celice z ½ svoje prostornine. primitivna osnovna celica
telesno centrirana osnovna celica
TCK
Število gradnikov znotraj osnovne celice:
8·⅛=1
8·⅛+1=2
ploskovno centrirana osnovna celica
PCK
8·⅛+6·½=4
6
ZGRADBA KRISTALOV – OSNOVNE CELICE ZASEDENOST PCK PCK
4R a 2 R = polmer atoma a = stranica kocke
št. atomov na celico : 1 1 8 6 4 = n 8 2
zasedenost prostornine :
n VK a3 4R a 2
4 4 R3 3 74,04% 3 a Največji možni delež zapolnitve prostora s kroglami enakih velikosti. 7
ZGRADBA KRISTALOV – OSNOVNE CELICE ZASEDENOST TCK TCK
PCK št. atomov na celico :
4R a 3
R = polmer atoma a = stranica kocke
4R a 3
1 1 8 2 = n 8 zasedenost prostornine :
4 2 R3 n VK 3 68 % 3 3 a a
8
ZGRADBA KRISTALOV – OSNOVNE CELICE ZASEDENOST PRIMITIVNE KOCKE št. atomov na celico :
1 8 1 = n 8 2R a
zasedenost prostornine :
R = polmer atoma a = stranica kocke a
R a=2R
R
4 1 R 3 n VK 3 52 % 3 3 a a
9
ZGRADBA KRISTALOV – KRISTALNI SISTEMI Osnovne celice so različnih dimenzij. Glede na velikost kotov osnovne celice in razmerje med dolžinami njenih robov, ločimo sedem kristalnih sistemov: kubični, tetragonalni, ortorombski, romboedrični, heksagonalni, monoklinski in triklinski. Najpreprostejši je kubični kristalni sistem, v katerem ima osnovna celica obliko kocke: vsi robovi so enako dolgi, vsi koti so 90°. S črkami a, b in c označujemo robove v osnovni celici, s črkami α, β in γ pa kote med njimi.
c
paralelepiped
b a Osnovna celica z označenimi robovi in koti med ploskvami. Med robovoma b in c je kot α, med robovoma a in c je kot β, med robovoma a in b je kot γ.
10
a
ZGRADBA KRISTALOV – KRISTALNI SISTEMI
c
a
a
a
a
kubična: a = b= c, a b g 90o
a
c a a
a
c
a a
a
a
a
a
ortorombska: a = b= c, a b g 90o
a a
a
a
a
a
monoklinska: a = b= c, a g 90
b
c
a
a
a
heksagonalna: a = b= c, a b 90o , g 120o
monoklinska: a = b= c, a g 90o b
c
a
a g
c
a
a
a
a
a
a
a
a
a
sistemov: atomi se lahko nahajajo na ogliščih, v a središču telesa ali v središču a a b a ploskev. a
romboedrična: a = b= c, a b g 90oheksagonalna: a = b= c, a b 90o , g 120o
c a
a a
tetragonalna: a a = b= c, a b g 90o Kristalna struktura ortorombska: romboedrična: – 7 kristalnih a b g 90o a = b= c,monokristalov a = b= c, a b g
a a
a
a g
a
a
b
a
triklinska:
a
a
b
triklinska: a = b= c, a b g 90o c
c
a
a
b
a
b
a
b a g
b
11
ZGRADBA KRISTALOV – KRISTALNI SISTEMI
V 7 kristalnih sistemih je možnih 14 razporeditev gradnikov. Imenujemo jih Bravaisove mreže. Vsak monokristal oziroma vsako zrno v polikristalu ima eno od teh 14 možnih struktur.
12
ZGRADBA KRISTALOV – KRISTALNI SISTEMI Primer: TiO2 - rutil
Osnovna celica rutila TiO2: tetragonalni kristalni sistem, a = b = 4,594 Å, c = 2,959 Å, vsi koti so 90°.
Sive krogle ponazarjajo titan, rdeče pa kisik. Titanovi ioni so razporejeni kot v TC osnovni celici. Dva oksidna iona se nahajata znotraj osnovne celice, štirje pa imajo svoja središča na dveh nasprotnih ploskvah.
13
IONSKI KRISTALI Ionski kristali imajo visoka tališča - ionske vezi so zelo močne. Električni tok prevajajo v talini in raztopini in ne v trdnem agregatnem stanju: v trdnem agregatnem stanju ioni niso prosto gibljivi, saj so z ionskimi vezmi povezani v kristalno strukturo, v talini in raztopini so prosto gibljivi. Ionski kristali so krhki – odboj istovrstnih nabojev povzroči drobljenje, krhki lom.
Andrej Smrdu, Kemija, Snov in spremembe 1
14
IONSKI KRISTALI NaCl – natrijev klorid je ionsko zgrajena snov. Osnovni gradniki so natrijevi in kloridni ioni (Na+ in Cl–), med katerimi delujejo ionske vezi. Natrijev klorid tako ne tvori molekul, temveč skupek ionov. Enostavna formula natrijevega klorida je NaCl; natrijevi in kloridni ioni so v razmerju 1: 1. Kristalizira v kubičnem kristalnem sistemu. Vsi koti so veliki 90°, dolžina vseh robov je 5,64 Å. Kloridni ioni so razporejeni kot v ploskovno centrirani osnovni celici, natrijevi ioni pa na sredini vseh robov in v centru osnovne celice Koordinacijsko število kloridnega iona in natrijeva iona je 6 - NaCl6/6 Koordinacijsko število v kristalu predstavlja število istovrstnih gradnikov, ki se nahajajo v neposredni bližini opazovanega gradnika. Koordinacijsko število NaCl - model Modela osnovne celice natrijevega klorida NaCl.
Andrej Smrdu, Kemija, Snov in spremembe 1
15
IONSKI KRISTALI CsCl - cezijev klorid je ionsko zgrajena snov. Osnovni gradniki so cezijevi in kloridni ioni (Cs+ in Cl–), med katerimi delujejo privlačne sile - ionske vezi; cezijevi in kloridni ioni so v razmerju 1: 1. Kristalizira v kubičnem kristalnem sistemu. Vsi koti so veliki 90°, dolžina vseh robov je 4,12 Å. Kloridni ioni razporejeni kot v primitivni osnovni celici, cezijev ion pa je v središču osnovne celice. Struktura CsCl je drugačna od strukture NaCl. Tudi koordinacijsko število je drugačno. Koordinacijsko število kloridnega iona in cezijevega iona je 8 – CsCl8/8 Koordinacijsko število CsCl - model
Modela osnovne celice CsCl
Andrej Smrdu, Kemija, Snov in spremembe 1
16
KOVALENTNI KRISTALI Kovalentni kristali imajo visoka tališča - kovalentne vezi, ki povezujejo atome nekovin v kristalno strukturo so zelo močne. Električnega toka ne prevajajo (grafit je izjema). So trdi. Značilni predstavniki so: diamant, kremen in karborund.
Diamant - C je kovalentni kristal. Ne prevaja električnega toka in je zelo trd (najtrša naravna snov) . Atomi ogljika se povezujejo s štirimi močnimi tetraedrično razporejenimi kovalentnimi vezmi.
17
KOVALENTNI KRISTALI Primerjava diamanta in grafita (oba zgrajena iz C atomov). Pojav, ko se element nahaja v različnih oblikah, imenujemo alotropija. V grafitu ogljikovi atomi tvorijo plasti, v katerih je vsak ogljikov atom povezan s tremi sosednjimi ogljikovimi atomi (plasti povezanih šestkotnikov − podobno kot satovje). struktura grafita
lastnosti diamanta in grafita Diamant
Grafit
Barva
brezbarven
črn
Trdota
zelo trd
mehak
Gostota
3,5 g/cm3
≈ 2,2 g/cm3
Električna prevodnost
ne prevaja
Prevaja
nakit, brusi, svedri, noži
Pisala, v baterijah
Uporaba
18
KOVALENTNI KRISTALI SiO2 - kremen je kovalentni kristal . Vsak silicijev atom je povezan s štirimi tetraedrično razporejenimi kisikovimi atomi, vsak kisikov atom pa je povezan z dvema silicijevima atomoma.
struktura kremena - šest silicijevih in šest kisikovih atomov tvori obročaste strukture.
Kamena strela – kristali kremena ali kvarca
SiC - karborund - silicijevi in ogljikovi atomi so tetraedrično razporejeni drug okoli drugega. Karborund je zelo trd (a nekoliko manj kot diamant), odporen proti mnogim kemikalijam in visokim temperaturam (stali se pri pribl. 2700 °C). Izdelujemo ga umetno iz SiO2 in ogljika.
struktura korborunda
Uporabljamo ga za izdelavo brusov in rezil. 19
MOLEKULSKI KRISTALI Molekulski kristali imajo nizka tališča, ker so molekulske vezi, ki povezujejo molekule v kristalno strukturo, šibke. Električnega toka ne prevajajo. So krhki. Značilni predstavniki so: CO2 – suhi led, I2 , H2O – led, C6H12O6- glukoza.
Trden jod je molekulski kristal. Jod tvori
Trden ksenon tvori molekulske kristale s
dvoatomne molekule I2.
ploskovno centrirano kubično osnovno celico, ki ima dolžine robov 6,2 Å. Atome ksenona povezujejo šibke molekulske (disperzijske) vezi.
Trden jod 20
KOVINSKI KRISTALI Kovine imajo raznolika tališča ( npr. živo srebro Hg je pri sobni temperaturi tekoče (ima nizko tališče), volfram W pa se stali šele nad 3400 °C). Kovine dobro prevajajo električni tok – osnovni gradniki kovinskega kristala so atomi kovin s skupnimi, prosto gibljivimi valenčnimi elektroni. Kovine prevajajo električni tok zaradi prosto gibljivih elektronov. So kovne in tanljive. Kovine kristalizirajo na različne načine – najpogosteje v a) kubični najgostejši sklad, b) heksagonalni najgostejši sklad. V teh dveh skladih je zasedenost prostora zelo velika, koordinacijsko število pa je 12 (vsak atom kovine je obdan z 12 sosednjimi atomi). c) telesno centrirana kubična osnovna celica Značilni predstavniki kovinskih kristalov so: zlato, srebro, baker, cink, titan, litij, natrij, železo,...
21
KRISTALNA STRUKTURA KOVIN - NAJGOSTEJŠI SKLAD KUBIČNI NAJGOSTEJŠI SKLAD
HEKSAGONALNI NAJGOSTEJŠI SKLAD
Razporeditev v kubičnem najgostejšem skladu je identična razporeditvi v ploskovno centrirani kubični osnovni celici – atomi so v vseh ogliščih in na sredinah vseh ploskev, osnovna celica ima obliko kocke. V kubičnem najgostejšem skladu se plasti gradnikov ponavljajo v zaporedju ABC ABC ABC . Predstavniki: Au, Ag, Cu, Pt, Pd, ...
V heksagonalnem najgostejšem skladu se plasti gradnikov ponavljajo v zaporedju AB AB AB ... To pomeni, da se v kristalni strukturi tega sklada atomi razvrščajo v dveh različnih plasteh, naslednje plasti pa so enake predhodnim. Predstavniki: Mg, Ti, Zn,...
Plast A Plast B
Plast C
Plast A
Plast B
Plast A
22
KRISTALNA STRUKTURA KOVIN - NAJGOSTEJŠI SKLAD A
B C kubični sklad (pck) kubičninajgostejši (fcc) najgostejši sklad
b)
)
ABCABCABC...
A B C(=A) heksagonalni najgostejši heksagonalni najgostejšisklad sklad ABABAB...
23
