ZGRADBA TRDNIH SNOVI - ZAG

ZGRADBA TRDNIH SNOVI

1

2

2

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.

3

3

UREJENOST TRDNIH SNOVI Glede ne urejenost trdne snovi delimo na 1) AMORFNE SNOVI nimajo urejene notranje 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 Velja splošno pravilo: trdne snovi z neusmerjenimi vezmi (kovinska, ionska vez) so vedno

kristalinične, z usmerjenimi vezmi (kovalentna vez) pa so kristalinične ali amorfne snovi.

1.

2.

3.

a)

b)

Edino pravilo:

vsak je obdan z dvemavsak je obdan s tremi

c)

strukturna enota

zrno 1 zrno 2

meja

15 0

AMORFNA SNOV:

red kratkega dosega

1.

2.

3.

a)

b)

Edino pravilo:


c)

strukturna enota

zrno 1 zrno 2

meja

15 0

1.

2.

3.

a)

b)

Edino pravilo:


c)

strukturna enota

zrno 1 zrno 2

meja

15 0

1.

2.

3.

a)

b)

Edino pravilo:


c)

strukturna enota

zrno 1 zrno 2

meja

15 0

1.

2.

3.

a)

b)

Edino pravilo:


c)

strukturna enota

zrno 1 zrno 2

meja

15 0

MONOKRISTALINIČNA

SNOV: red dolgega

dosega

POLIKRISTALINIČNA

SNOV: red le znotraj

omejenih področij - zrn.

4

4

KRISTALI - LASTNOSTI

Kristal: Ionski Kovalentni Kovinski Molekulski

Osnovni gradniki: ioni atomi nekovin atomi kovin molekule

Vrsta vezi: 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

Električna

prevodnost:

prevaja v talini in

raztopini ne prevaja

prevaja v trdnem

agreg. stanju

in v talini

ne prevaja

Štiri osnovne vrste kristalov in njihove lastnosti:

5

5

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

telesno centrirana

osnovna celica

ploskovno centrirana

osnovna celica

8 v ogliščih 8 v ogliščih, 1 v središču 8 v ogliščih, 6 v središčih ploskev

6

6

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.

Število gradnikov znotraj osnovne celice

primitivna osnovna celica

telesno centrirana osnovna celica

ploskovno centrirana osnovna celica

8 · ⅛ = 1 8 · ⅛ + 1 = 2 8 · ⅛ + 6 · ½ = 4

Število gradnikov znotraj osnovne celice:

ZGRADBA KRISTALOV – OSNOVNE CELICE

TCK PCK

7

7

ZASEDENOST PCK


TCK PCK

42

16

8

18

%04,743

44

3

3

3

a

R

a

Vn K

24 aR

št. atomov na celico :

= n

zasedenost prostornine :

24 aR

Največji možni delež zapolnitve prostora s kroglami enakih velikosti.

R = polmer atoma a = stranica kocke

http://www.kings.edu/~chemlab/vrml/ccpun.wrl

8

8

ZASEDENOST TCK


TCK PCK


= n


28

181

%683

42

3

3

3

a

R

a

Vn K

34 aR

34 aR


http://www.kings.edu/~chemlab/vrml/bccun.wrl

9

ZASEDENOST PRIMITIVNE KOCKE



= n


18

18

%523

41

3

3

3

a

R

a

Vn K

aR 2


a=2R

a R R

10

10

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.

a

c

b

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.

paralelepiped

11

11

ZGRADBA KRISTALOV – KRISTALNI SISTEMI

aa

a

aa

a

a

a

a a

a a

a

c

ba a

a

ab

c

b a

g

ab

c

a

ab

a

a

c

aa

a

aa

c

aa

g

kubi na: a = b= c, 90

ča b g o

tetragonalna: a = b= c, 90a b g o

heksagonalna:

a = b= c, 90 , 120a b g o o

romboedri na:

a = b= c, 90

ča b g o

ortorombska:

a = b= c, 90a b g o

triklinska: a = b= c, 90a b g o

monoklinska:

a = b= c, 90a g bo

aa

a

aa

a

a

a

a a

a a

a

c

ba a

a

ab

c

b a

g

ab

c

a

ab

a

a

c

aa

a

aa

c

aa

g

kubi na: a = b= c, 90

ča b g o

tetragonalna: a = b= c, 90a b g o

heksagonalna:

a = b= c, 90 , 120a b g o o

romboedri na:

a = b= c, 90

ča b g o

ortorombska:

a = b= c, 90a b g o

triklinska: a = b= c, 90a b g o

monoklinska:

a = b= c, 90a g bo

Kristalna struktura

monokristalov – 7 kristalnih

sistemov: atomi se lahko

nahajajo na ogliščih, v

središču telesa ali v središču

ploskev.

12

12


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.

13

13


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.

14

14

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

15

15

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.

Modela osnovne celice natrijevega

klorida NaCl.

Koordinacijsko število NaCl - model

Andrej Smrdu,


16

16

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

Modela osnovne celice CsCl Koordinacijsko število CsCl - model

Andrej Smrdu,


17

17

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.

18

18

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

Diamant Grafit

Barva brezbarven črn

Trdota zelo trd mehak

Gostota 3,5 g/cm3 ≈ 2,2 g/cm3

Električna

prevodnost ne prevaja Prevaja

Uporaba

nakit, brusi,

svedri, noži

Pisala, v baterijah

lastnosti diamanta in grafita

19

19

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.

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

Kamena strela – kristali kremena ali

kvarca

Uporabljamo ga za izdelavo brusov

in rezil.

20

20

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 dvoatomne molekule I2.

Trden jod

Trden ksenon tvori molekulske kristale s ploskovno centrirano kubično osnovno celico, ki ima dolžine robov 6,2 Å. Atome ksenona povezujejo šibke molekulske (disperzijske) vezi.

21

21

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,...

22

22

KRISTALNA STRUKTURA KOVIN - 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, ...

KUBIČNI NAJGOSTEJŠI SKLAD

Plast A

Plast B

Plast C

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,...

HEKSAGONALNI NAJGOSTEJŠI SKLAD

Plast A

Plast B

Plast A

23

23

KRISTALNA STRUKTURA KOVIN - NAJGOSTEJŠI SKLAD

kubi ni (fcc) najgostejši skladABCABCABC...

č

heksagonalni najgostejši skladABABAB...

A

A

A

B

B

B

C

C(=A)

tetraedrskipraznini

oktaedrskipraznini

a)

b)

c)

kubični najgostejši sklad (pck)

heksagonalni najgostejši sklad

Documents

ZGRADBA TRDNIH SNOVI - ZAG