10
2. Struktura supstancija – građa materijala 2.1 Kemijski elementi ................................................................................. 11 2.1.1 Atomi ............................................................................................................. 11 2.1.2 Struktura elektronskog omotača atoma.......................................................... 12 2.2 Kemijski spojevi .................................................................................... 12 2.2.1 Kemijske veze ............................................................................................... 13 2.2.2 Anorganski kemijski spojevi ......................................................................... 14 2.2.3 Organski kemijski spojevi ............................................................................. 14 2.3 Agregacije .............................................................................................. 15 2.3.1 Međumolekulske sile ..................................................................................... 16 2.3.2 Plinovi ........................................................................................................... 16 2.3.3 Tekućine ........................................................................................................ 16 2.3.4 Krutine ........................................................................................................... 17 2.3.5 Mješovite agregacije...................................................................................... 18 2.4 Građa kristalnih krutina ......................................................................... 18 2.4.1 Struktura kristalne rešetke i jedinične ćelije .................................................. 18 2.4.2 Pokazatelji svojstava jediničnih ćelija ........................................................... 19 2.4.3 Zrna i greške kristalnih rešetki ...................................................................... 20 2.1 Kemijski elementi Kemijski elementi (skraćeno, elementi) – različiti su oblici pojavljivanja supstancije koji se kemijskim postupcima ne mogu razložiti na jednostavnije stabilne oblike (nuklear- na kemija). Svaki kemijski element ima međunarodno usvojeni naziv iz koga je izveden nje- gov simbol. Pri normalnim uvjetima jedanaest elemenata je plinovito: H, O, N, F, Cl, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Ra, dva su tekuća: Br, Hg, dok su ostali kruti. 2.1.1 Atomi Najmanji mogući dijelovi elemenata su atomi. Polumjer im je reda veličina 100 pm . Od broja protona i neutrona u jezgri ovise mase atoma, dok od broja elektrona i njiho- vog rasporeda ovise njihova kemijska svojstva. Za atom karakteristični broj protona naziva se atomskim brojem (Z), a zbroj broja protona i neutrona masenim brojem (A). Broj protona i elektrona isti je u atomu elementa. Kako je proton nosilac jedinične pozitivne, a elektron jedi- nične negativne naelektriziranosti, atom je kao cjelina električno neutralan. Svi su kemijski elementi po određenim pravilima svrstani u periodnom sustavu kemij- skih elemenata. Počevši od vodika, s jednim protonom (Z H = 1, A H = 1) i jednim elektro- nom, svaki sljedeći element u periodnom sustavu ima po jedan proton i jedan elektron više (Z prethodnog + 1). Prema tome, redni broj elementa u periodnom sustavu = Z.

02 Struktura Supstancija - Gradja Materijala

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Materijali

Citation preview

Page 1: 02 Struktura Supstancija - Gradja Materijala

2. Struktura supstancija – građa materijala

2.1 Kemijski elementi .................................................................................11 2.1.1 Atomi............................................................................................................. 11 2.1.2 Struktura elektronskog omotača atoma.......................................................... 12

2.2 Kemijski spojevi ....................................................................................12 2.2.1 Kemijske veze ............................................................................................... 13 2.2.2 Anorganski kemijski spojevi ......................................................................... 14 2.2.3 Organski kemijski spojevi ............................................................................. 14

2.3 Agregacije..............................................................................................15 2.3.1 Međumolekulske sile..................................................................................... 16 2.3.2 Plinovi ........................................................................................................... 16 2.3.3 Tekućine ........................................................................................................ 16 2.3.4 Krutine........................................................................................................... 17 2.3.5 Mješovite agregacije...................................................................................... 18

2.4 Građa kristalnih krutina .........................................................................18 2.4.1 Struktura kristalne rešetke i jedinične ćelije .................................................. 18 2.4.2 Pokazatelji svojstava jediničnih ćelija ........................................................... 19 2.4.3 Zrna i greške kristalnih rešetki ...................................................................... 20

2.1 Kemijski elementi Kemijski elementi (skraćeno, elementi) – različiti su oblici pojavljivanja supstancije

koji se kemijskim postupcima ne mogu razložiti na jednostavnije stabilne oblike (⇒ nuklear-na kemija). Svaki kemijski element ima međunarodno usvojeni naziv iz koga je izveden nje-gov simbol. Pri normalnim uvjetima jedanaest elemenata je plinovito: H, O, N, F, Cl, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Ra, dva su tekuća: Br, Hg, dok su ostali kruti.

2.1.1 Atomi Najmanji mogući dijelovi elemenata su atomi. Polumjer im je reda veličina 100 pm .

Od broja protona i neutrona u jezgri ovise mase atoma, dok od broja elektrona i njiho-

vog rasporeda ovise njihova kemijska svojstva. Za atom karakteristični broj protona naziva se atomskim brojem (Z), a zbroj broja protona i neutrona masenim brojem (A). Broj protona i elektrona isti je u atomu elementa. Kako je proton nosilac jedinične pozitivne, a elektron jedi-nične negativne naelektriziranosti, atom je kao cjelina električno neutralan.

Svi su kemijski elementi po određenim pravilima svrstani u periodnom sustavu kemij-skih elemenata. Počevši od vodika, s jednim protonom (ZH = 1, AH = 1) i jednim elektro-nom, svaki sljedeći element u periodnom sustavu ima po jedan proton i jedan elektron više (Zprethodnog + 1). Prema tome, redni broj elementa u periodnom sustavu = Z.

Page 2: 02 Struktura Supstancija - Gradja Materijala

12 MATERIJALI

2.1.2 Struktura elektronskog omotača atoma Periodične promjene svojstava pri kontinuiranom porastu atomskog broja navela je is-

traživače na pretpostavku kako mora postojati ovisnost svojstava o rasporedima i energijama elektrona, a ne samo o njihovim množinama. Problem rasporeda i energija elektrona u elek-tronskom omotaču atoma uglavnom je riješen Schrödingerovom jednadžbom, koja upućuje na to da u prostora u kojem se kreću elektroni atoma treba razlikovati tri tipa potprostora:

1. ljuska, s elektronima određenih energetskih razina, 2. podljuska, s elektronima određenog energetskog podrazina i 3. orbitala, u kojoj se gibaju pojedinačni elektroni ili elektronski parovi koji se vrte u

suprotnim smjerovima oko vlastitih osi. Više orbitala formira podljusku, više podljuski ljusku, više ljuski elektronski omotač atoma.

Kako bi se izbjeglo crtanje, pri analizi struktura elektronskih omotača atoma često se koriste formule podljuski koje sadrže informacije o kvantnim brojevima i broju elektrona:

11Na ⇒ 1 s2 , 2 s2 , 2 p6 (2px2 , 2py

2 , 2pz2), 3 s1 ⇒ [ ]Ne10 , 3 s1

U težnji k formiranju povoljnijih (stabilnih) struktura elektronskih omotača (plemeniti plinovi), kada im se za to ukaže povoljna prilika (neposredan dodir, dovoljna energija aktiva-cije), metali otpuštaju, a nemetali primaju elektrone.

2.2 Kemijski spojevi Kemijski spojevi (skraćeno: spojevi) – različiti su oblici pojavljivanja supstancije koji

se kemijskim postupcima mogu razložiti na jednostavnije oblike. Najmanja moguća jedinka kemijskog spoja je molekula, koja se najčešće opisuju bruto formulama – kvalitativno (koje atome sadrži molekula) i kvantitativno (po koliko tih atoma sadrži molekula).

Anorganske spojeve grade svi kemijski elementi, ali je broj anorganskih spojeva daleko manji od broja organskih koje gradi relativno mali broj kemijskih elemenata.

Page 3: 02 Struktura Supstancija - Gradja Materijala

02 Struktura supstancija – građa materijala 13

2.2.1 Kemijske veze Pri sudarima atoma kemijskih elemenata može doći do uspostavljanja kemijskih veza

ako su strukture elektronskih omotača molekula spojeva (elemenata: H2 , O2), energetski i/ili prostorno povoljnije od struktura elektronskih omotača atoma kemijskih elemenata.

Elektroni koji sudjeluju u formiranju kemijskih veza nazivaju se valentnim elektroni-ma, i često se označavaju točkama. Prema načinu postizanja povoljnih struktura elektronskog omotača razlikuju se tri tipa kemijske veze – ionska, kovalentna i metalna.

Ionska veza Ako pri sudaru atoma, težeći povoljnijim strukturama elektronskih omotača jedna vrsta

atoma otpušta, a druga vrsta atoma prihvaća otpuštene elektrone – uspostavlja se ionska veza različito naelektriziranih iona. Na primjer, pri sudaru atoma Na i Cl formira se NaCl.

Kation i anion se nakon sudara uzajamno udaljavaju uslijed prevladavajućeg elektrosta-tičkog odbijanja između njihovih istorodno naelektriziranih dijelova. Pri udaljavanju postupno prevladava elektrostatičko privlačenje uzajamno različito naelektriziranih iona. Na određenom razmaku iona javlja se minimum potencijalne energije EP,min.

Broj otpuštenih elektrona opisuje se oksidacijskim brojem (OB), a ioni označavaju: SIMBOL IONA ELEMENTAOB i FORMULA SLOŽENOG IONAOB

s tim što se oksidacijski broj 1 ne piše i podrazumijeva i piše se samo predznak.

Kovalentna veza Ako pri sudaru atoma, težeći povoljnijim strukturama elektronskih omotača, atomi for-

miraju zajedničke elektronske parove – uspostavlja se kovalentna veza. Zajednički elek-tronski parovi označavaju se crticama (slika a).

Kovalentna je veza zastupljena kod glavnine organskih spojeva (npr. CH4 – metan, C2H6 – etan) kod kojih ugljik sudjeluje u formiranju elektronskih parova s četiri valentna e-lektrona. Pri formiranju kovalentnih veza metana dolazi do "hibridizacije" orbitala ugljika i uspostavljanja četiri jednake veze s atomima vodika (2(sp)4 , slika b).

Page 4: 02 Struktura Supstancija - Gradja Materijala

14 MATERIJALI

Metalna veza

Kod metalne veze dio atoma metala otpušta elektrone i formira se "oblak slobodnih elektrona" – kemijske su veze posljedica uzajamnog privlačenja negativno naelektriziranih slobodnih elektrona i pozitivno nae-lektriziranih kationa, koji su te elektrone otpustili.

2.2.2 Anorganski kemijski spojevi

Kompleksni spojevi se toliko međusobno razlikuju da im nije moguće odrediti opća svojstva.

Spojevi dva elementa

Nazivi kemijskih spojeva dva elementa dobivaju se kada se nazivu prvog, manje elek-tronegativnosti (slabije privlači elektrone), doda naziv drugog s nastavkom -id. Spojevi dva elementa obuhvaćaju sve tri kombinacije: metal-metal, metal-nemetal, nemetal-nemetal.

Kiseline, lužine i soli U Materijalima je dovoljan stariji pristup definicijama:

• Kiseline , Hn+A–n – spojevi s vodikom, koji pri otapanju u vodi disociranju (razlažu

se) na katione vodika (H+) i anione kiselinskog ostatka (A–n). Upravo ion vodika iza-ziva kiseo ukus i specifično kemijsko ponašanje kiselina.

• Lužine , K+m(OH–)m – spojevi s OH grupom. U vodenim otopinama one disociraju na hidroksilne anione (OH–) i katione lužinskog ostatka (K+m).

• Soli, Kn+mAm

–n – spojevi formirani od kationa lužinskog ostatka (K+m) i aniona kise-linskog ostatka (A–n), na koje soli disociraju pri otapanju u vodi.

2.2.3 Organski kemijski spojevi Organski kemijski spojevi sastoje se od relativno malog broja različitih gradbenih di-

jelova koji se mogu povezati na gotovo bezbroj različitih načina. Gradbeni su dijelovi: (a) zasićene ugljikove grupe ili radikali (CH3−, CH3–CH3−, …) i (b) funkcionalne grupe (C=C, C−O−H, …).

Page 5: 02 Struktura Supstancija - Gradja Materijala

02 Struktura supstancija – građa materijala 15

Termin "funkcionalne" koristi se u smislu "kemijski aktivne". Iako ni zasićene ugljikove gru-pe nisu kemijski inertne, ipak ne ulaze u toliko kemijskih reakcija kao funkcionalne grupe.

Prema kemijskom sastavu se organski spojevi mogu svrstati u:

Ugljikovodici su izgrađeni isključivo od ugljikovih i vodikovih atoma, dok su u deriva-tima zastupljeni i atomi drugih elemenata – češće halogeni elementi (Cl, F) i O, a rjeđe: S i N.

Prema zasićenosti kemijskih veza, alifati se grupiraju u:

Alifati su s lancima ugljikovih atoma, alicikli s prstenima, dok je osnovna gradbena je-dinica aromata benzen (C6H6). Alkani sadrže samo zasićene veze, alkeni bar jednu dvostru-ku vezu (dva elektronska para), a alkini bar jednu trostruku vezu (tri elektronska para).

Nazivi sljedećih članova niza su izvedeni iz grčkih naziva brojeva: pentan (5), heksan (6), heptan (7), oktan (8), …. Kod naziva ugljikovodika s granama: a) funkcionalne grupe imaju nastavak -il (⇐ an) b) mjesto se u nizu označava znamenkom c) množina ugljikovodičnih funkcionalnih grupa

označava se prefiksima

2.3 Agregacije Korištenjem terminom "agregacije" naglašava se značaj fizičko-kemijskih svojstava

analizirane nakupine čestica. Prema osnovnom agregatnom stanju razlikuju se tri vrste agre-gacija, a ovisno o kemijskom i konstitucijskom sastavu razlikuju se četiri vrste agregacija.

Komponente (kemijski sastav) agregacije su različite kemijske supstancije koje sadrži aktu-alna agregacija, a faze (konstitucijski sastav) po svojstvima su uniformni dijelovi agregacije.

Agregacije imaju brojna različita svojstva (npr. miris, tlak, modul elastičnosti), koja se opisuju različitim pokazateljima. U pravilu, ako se agregacija analizira kao fizičko-kemijski sustav – svojstva se opisuju "veličinama stanja", a ako se agregacija analizira kao materijal (konstrukcijski ili pogonski) – svojstva se opisuju "karakteristikama materijala".

Page 6: 02 Struktura Supstancija - Gradja Materijala

16 MATERIJALI

2.3.1 Međumolekulske sile Pored uzajamnih privlačnih/odbojnih djelovanja kemijski vezanih atoma (ionska, kova-

lentna, metalna veza), prisutna su u agregacijama uzajamna privlačna/odbojna djelovanja po-larnih molekula – "van der Waalsove sile". Kod polarnih molekula su prostorno dislocirani centar pozitivne i centar negativne naelektriziranosti – formirani su električni dipoli, čija se jakost opisuje dipolnim momentom, μ.

Radi usporedbe, za raskidanje su veza ato-ma spojeva i molekula agregacija potrebne energije: • kovalentna veza

200 ÷ 500 kJ/mol • van der Waalasove sile

6 ÷ 12 kJ/mol Kod kondenziranih su agregacija razmaci molekula značajno manji nego kod plinova – manji je utjecaj van der Waalsovih sila.

2.3.2 Plinovi Zbog velikih razmaka molekula, kod plinova slabo djeluju međumolekulske van der

Waalsove sile. Kako se molekule plinova stalno gibaju to oni ispunjavaju cijeli raspoloživi prostor (spremnik) i poprimaju njegov oblik.

U teoriji "idealnog plina" zanemareni su volumeni molekula i međumolekulske sile. Veličine stanja idealnog plina povezuje jednadžba stanja idealnog plina (pV = nRT), a ods-tupanja koja se javljaju kod realnih plinova obuhvaćena su nizom manje ili više složenih izra-za. Posebno su velika odstupanja u blizini točke kondenzacije, kada se plin naziva parom.

Najznačajniji je plin kisik (O2). Pri radu s plinovima stalno treba imati na umu njihovo širenje koje često dovodi do opasnosti od požara, eksplozija, te trovanja i oboljenja.

2.3.3 Tekućine Kod idealnog plina je zastupljen idealan nered, dok je kod idealne krutine prisutan ide-

alni red. Negdje se na sredini između ovih granica nalaze tekućine (fluidi i kondenzati).

Razmaci su molekula tekućina značajno manji nego kod plinova. Djelovanje je van der Waalsovih sila dovoljno jako da drži molekule na bliskim razmacima, te tekućine ne ispunja-vaju cijeli raspoloživi prostor. Međutim, njihovo djelovanje nije dovoljno jako da tekućine formiraju vlastiti oblik usprkos djelovanju vanjskih sila (na primjer, gravitacijskih).

Najznačajnija je tekućina voda (H2O). Pri radu s tekućinama treba imati na umu razlije-vanje koje često dovodi do opasnosti od požara, eksplozija, te trovanja i oboljenja.

Page 7: 02 Struktura Supstancija - Gradja Materijala

02 Struktura supstancija – građa materijala 17

2.3.4 Krutine Krutine se pojavljuju u prirodi u dva osnovna oblika:

Amorfne krutine nemaju pravilan prostorni raspored čestica i nemaju izraženo talište, tt – pri grijanju postupno omekšavaju do potpunog prijelaza u tekućinu.

Najčešće amorfne krutine su stakla. Neke naizgled amorfne krutine zapravo su kristalne s vrlo sitnim česticama (npr. prah grafita).

Kristalne krutine imaju pravilan prostorni raspored čestica i izraženo talište. Pravilno raspoređene čestice formiraju kri-stal čiju stabilnost održavaju ionske, kovalentne i metalne veze, te van der Waalsove sile (molekularni kristali).

Ionske kristale formiraju ioni – pozitivni (kationi) i negativni (anioni), čija su uzajam-na djelovanja elektrostatičke prirode. Primjeri su natrij-klorid (NaCl), magnezij-oksid (MgO).

Po svojoj prirodi ionska veza nije prostorno usmjerena te su električna privlačenja oko iona ravnomjerna. Svaki je ion opkoljen ravnomjer-no po prostoru raspoređenim maksimalno mo-gućim brojem suprotno naelektriziranih iona.

Zbog jakog električnog privlačenja suprotno naelektriziranih čestica krutine s ionskom kristalnom rešetkom imaju velike module elastičnosti i čvrstoće, te visoka tališta. Deforma-bilnost im je mala (krhki su) jer intenzitet električnih privlačenja jako opada s povećanjem razmaka, a pri deformiranju dolazi i do uzajamnog približavanja suprotno naelektriziranih io-na koji se odbijaju. Zbog malog broja slobodnih elektrona ionske krutine su male električne i toplinske vodljivosti. Prisutnost iona u krutini ima za posljedicu dobru topljivost u vodi te do-bru elektrolitičku vodljivost vodenih otopina i talina krutina s ionskim kristalnim rešetkama.

Kovalentne kristale formiraju atomi nemetala, međusobno povezani kovalentnim ve-zama. Primjeri su C (grafit/dijamant), SiO2 (kvarc). Kovalentna je veza jaka, ali u velikoj mje-ri slabi s povećanjem razmaka atoma. Krutine s kovalentnom kristalnom rešetkom imaju veli-ke module elastičnosti, čvrstoće i visoka tališta. Zbog malog broja slobodnih elektrona male su električne i toplinske vodljivosti, a zbog odsutnosti iona u vodi su slabo topljivi.

Posljedica različitih struktura grafita i dijamanta je u nji-hovim različitim svojstvima. Grafit (kruto mazivo), za razliku od dijamanta (materijal za rezne alate), ima razli-čite čvrstoće u različitim pravcima. Pojava različitih svoj-stava u različitim pravcima naziva se anizotropijom.

Metalne kristale formiraju atomi i kationi metala koji su otpustili elektrone. Zbog jakih privlačenja kationa metala i otpuštenih elektrona metali imaju visoke module elastičnosti, čvrstoće i tališta. Velika pokretljivost otpuštenih elektrona i relativno male promjene intenzi-teta privlačenja s promjenama razmaka (u usporedbi s ionskim i kovalentnim krutinama) ima-ju za posljedicu dobru električnu i toplinsku vodljivost metala, te njihovu veliku istezljivost.

Molekulske kristale formiraju molekule, s kovalentno vezanim atomima (npr. H2O, CO2 , C12H26), uzajamno povezane van der Waalsovim silama. Posljedica relativno slabih van der Waalsovih sila mali su moduli elastičnosti i čvrstoće. Posljedica velike pokretljivosti dipo-

Page 8: 02 Struktura Supstancija - Gradja Materijala

18 MATERIJALI

la je velika deformabilnost. Zbog odsutnosti slobodnih elektrona imaju vrlo nisku električnu i toplinsku vodljivost – djeluju kao izolatori. Kristalne agregacije s molekulskim kristalnim re-šetkama slabo su topljive u vodi i dobro topljive u organskim otapalima.

2.3.5 Mješovite agregacije Prema prostornoj uniformnosti i vrsti sadržanih komponenata razlikuju se:

Otopine su homogene, jednofazne mješovite agregacije, s dvije ili više komponenti. Za razliku od kemijskih spojeva, otopine imaju promjenljive sastave i iz njih se komponente mo-gu izdvojiti fizičkim postupcima (npr. destilacija). Smjese su pak heterogene i višefazne.

Otopine se dijele u mikrohomogene i makrohomogene. Mikrohomogene otopine se na-zivaju pravim otopinama (ioni, atomi, molekuli), a makrohomogene disperzijama (kristali i veći djelići). Kod pravih otopina je otopljena supstancija otopljena u otapalu, a kod disperzija je dispergirana supstancija dispergirana (raspršena) u disperzantu.

Pod sastavom mješovite podrazumijeva se pregled količina svih značajnih sastojaka ak-tualne agregacije, a pod sadržajem količina jednog sastojka. Sadržaji i sastav mogu se izraziti na različite načine: postocima (dio u 100 dijelova, npr. 25 kgX / 100 kg ∴ wX = 25 %), ud-jelima (dio u 1 dijelu, npr. 0,25 kgX / 1,00 kg ∴ wX = 0,25) i apsolutnim vrijednostima (dio u aktualnoj količini, npr. 1,25 kgX / 5 kg ∴ mX = 1,25 kg).

2.4 Građa kristalnih krutina Termini struktura i građa nisu sinonimi. O strukturi se govori pri analizi idealiziranih

agregacija, a o građi pri analizi strukture s greškama realnih agregacija.

2.4.1 Struktura kristalne rešetke i jedinične ćelije Strukture kristala se mogu analizirati po:

(a) kristalnim rešetkama – kristali kao cjeline i (b) jediničnim ćelijama – jedinke karakteristične za kristale.

Izučavanjem po jediničnim ćelijama stječe se jasnija predodžba o strukturi te bolji osjećaj za svojstva kristala i uzajamne odnose struktura/svojstva, dok se rezultati mjerenja (npr. ren-dgenska analiza) pri analizi strukture kristala lakše povezuju s kristalnim rešetkama.

Razmaci a, b, c, i kutovi α, β, γ definiraju geometriju kristalne rešetke i nazivaju se parametrima kristalne rešetke. • Položaj čvora – opisuje se parametarskim koordinatama, od-

vojenim zarezima, u okrugloj zagradi. • Kristalografski pravac – opisuje se parametarskim koordina-

tama druge točke na pravcu, bez zareza, u uglatoj zagradi. • Kristalografska ravnina – opisuju se recipročnim vrijednos-

tima parametarskih koordinata sjecišta ravnina s koordinatnim osima (Millerovi indeksi), bez zareza, u okruglim zagradama.

Page 9: 02 Struktura Supstancija - Gradja Materijala

02 Struktura supstancija – građa materijala 19

Prirodne se kristalne rešetke mogu svrstati u sedam kristalografskih sustava.

Parametri kristalne rešetke Redni broj

Naziv kristalografskog sustava razmaci kutovi osi

1 kubični a = b = c α = β = γ = 90° 2 tetragonski a = b ≠ c α = β = γ = 90° 3 rombni a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90° 4 romboedarski a = b = c α = β = γ ≠ 90° 5 heksagonski a = b ≠ c α = β = 90° ; γ = 120° 6 monoklinski a ≠ b ≠ c α = γ = 90° ; β ≠ 90° 7 triklinski a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ (≠ 90°)

U drugom se pristupu iz kristalnih rešetki izdvajaju karakteristične jedinične ćelije – najmanje jedinke koje obuhvaćaju sva geometrijska svojstva tipična za aktualnu kristalnu re-šetku. Jedinične se ćelije mogu klasificirati na niz različitih načina, a najčešće se koristi četr-naest Braveovih konvencionalnih jediničnih ćelija. Tijekom skrućivanja čak 90 % metala koji se najviše koriste u tehnici pri kristalizaciji formira: BCC i FCC (prostorno i plošno cen-trirana kubna kristalna rešetka), te HCP (gusto pakirana heksagonalna kristalna rešetka).

Jedinične se ćelije uglavnom prikazuju, ovisno o potrebi, na jedan od tri načina:

• točkama u težištima atoma, smještenim u čvorove kristalne rešetke,

• atomima, s težištima u čvorovima kris-talne rešetke,

• dijelovima atoma koji pripadaju jednoj ćeliji, s težištima u čvorovima rešetke.

Prednost je prvog načina u preglednosti, drugog u zornosti, a trećeg u izbjegavanje mogućih zabuna oko pripadnosti atoma jediničnim ćelijama.

Najgušće moguće slaganje atoma postiže se kod FCC i HCP jediničnih ćelija.

2.4.2 Pokazatelji svojstava jediničnih ćelija Pri opisima kristalnih ćelija, pored parametara kristalnih ćelija, često se koriste:

(1) volumen kristalne ćelije, VKĆ , nm3 VKĆ = f(parametara rešetke) (2) kordinacijski broj (NK, –): broj susjednih atoma, s kojima se atom dodiruje

(3) faktor slaganja atoma: FSA = VV

A,U

gdje je: VA,U – ukupni volumen atoma koji pripadaju kristalnoj ćeliji, nm3

Primjer – Pri t ≈ 20 °C željezo formira BCC ćelije, s atomima polumjera R = 0,124 nm.

parametri rešetke: a = b = c = 0,286 nm α = β = γ = 90 ° volumen kristalne ćelije: VKĆ = 0,0234 nm3

koordinacijski brojevi: NK = 8 pripadni broj: NP = 2 faktor slaganja atoma: FSA = 0,680

Page 10: 02 Struktura Supstancija - Gradja Materijala

20 MATERIJALI

2.4.3 Zrna i greške kristalnih rešetki Kristalne su krutine u pravilu polikristalične agregacije (rijetko monokristalične), for-

mirane skrućivanjem talina (ali i: taloženjem iz otopina, sublimacijom para).

t > ttališta t = ttališta t < ttališta

Z – zrno ili "kristalit"

GZ – granica zrna

Atomi se metala u talini (t > ttališta) gibaju relativno brzo i nasumično. Kada se hlađe-njem taline dostigne talište (t = ttališta), metalne veze svladavaju kinetičke energije atoma i formiraju se brojna kruta višeatomska inicijalna zrna. Dalje hlađenje prati rast inicijalnih zrna.

Građa prirodnih i umjetno formiranih kristalnih krutina obuhvaća brojne greške (ukupna je dužina linijskih nepravilnost kristalne rešetke u jediničnom volumenu metala, na primjer, reda veličina km/mm3). Prema dimenzijama se one mogu podijeliti na:

SA – supstitucijski (zamjenski) atom (T) Pr – praznina (T) IA – intersticijski (uglavljeni) atom (T) BD – bridna dislokacija (L) GZ – granica zrna (P) GF – granica faza (P) Ps – prskotina (V) Po – pora (V)

Pored različitih tipova kristalnih rešetki, različiti metali formiraju i različite oblike zrna. Na primjer, metali na bazi željeza formiraju:

čisto željezo okruglasta zrna

austenitni čelik poliedarska zrna

martenzitni čelik igličasta zrna

eutektički čelik perlitna zrna

Veličine su zrna metala od ispod 1 μm do oko 100 μm. Finozrne građe imaju veću čvrstoću i deformabilnost od krupnozrnih. Finoća se zrna metala može mijenjati pogodnim toplinskim obradama.