ZGRADBA TRDNIH SNOVI

Transkript

1 ZGRADBA TRDNIH SNOVI 1

2 Zgrdb trdnih snovi Z rzlgo lstnosti snovi mormo poznti tomsko zgrdbo snovi. Široki pojem tomske zgrdbe vključuje: 1. Elektronsko zgrdbo tomov 2. Vezne sile med tomi. Tridimenzionlno rzporeditev tomov oz. osnovnih grdnikov Trdne snovi so lhko sestvljene iz rzličnih osnovnih grdnikov (delcev): tomov, ionov li molekul. Privlčne sile med temi delci so močne, zto lhko delci le nihjo okoli svojih položjev, ne morejo p se premikti. Osnovni grdniki so lhko v trdni snovi rzporejeni n rzlične nčine. Pogosto opzimo, d določeno število grdnikov tvori vzorec, ki se ponvlj v mnjšem li večjem prostoru znotrj snovi. Če se strukturni vzorec ponvlj n rzdljh, precej večjih od dolžine kemijske vezi, govorimo o redu dolgeg doseg, sicer o redu krtkeg doseg. 2

3 UREJENOST TRDNIH SNOVI Glede ne urejenost trdne snovi delimo n 1) AMORFNE SNOVI nimjo urejene notrnje strukture (steklo, nekteri polimeri) 2) KRISTALINIČNE SNOVI imjo urejeno notrnjo strukturo, ki se kže tudi nvzven kot rvne ploskve in ostri robovi kristlov: ) MONOKRISTALINIČNE li b) POLIKRISTALINIČNE zrno 1 mej Velj splošno prvilo: trdne snovi z neusmerjenimi vezmi (kovinsk, ionsk vez) so vedno kristlinične, z usmerjenimi 1. vezmi (kovlentn vez) p so kristlinične li morfne snovi. 15 AMORFNA ) SNOV: 1. MONOKRISTALINIČNA 0 POLIKRISTALINIČNA red krtkeg doseg strukturn SNOV: red dolgeg SNOV: red le znotrj enot 1. doseg b) omejenih področij - zrn. strukturn enot zrno 1 mej b) zrno 2 Edino prvilo: vsk je obdn z dvem vsk 2. je obdn s tremi 2. zrno 2 zrno 1 zrno 1 zrno 1 mej mej mej zrno 2 zrno 2 zrno 2 Edino prvilo: c) vsk je obdn z dvem vsk je obdn s tremi ) ) ) strukturn strukturn enot enot strukturn b) b) 15 0

4 KRISTALI - LASTNOSTI Štiri osnovne vrste kristlov in njihove lstnosti: Kristl: Ionski Kovlentni Kovinski Molekulski Osnovni grdniki: ioni tomi nekovin tomi kovin molekule Vrst vezi: ionsk kovlentn kovinsk molekulsk Primeri: NCl, CF 2 dimnt (C), SiO 2, SiC Fe, W, Cu, Ag C 6 H 12 O 6 (glukoz), I 2, H 2 O (led) Tlišče: visoko visoko rznoliko nizko Mehnske lstnosti: drobljiv trd koven, se ne drobi drobljiv Električn prevodnost: prevj v tlini in rztopini ne prevj prevj v trdnem greg. stnju in v tlini ne prevj 4

5 ZGRADBA KRISTALOV OSNOVNE CELICE Kristlinične snovi imjo urejeno notrnjo zgrdbo - osnovni grdniki se nhjjo n določenih mestih v kristlni mreži. Kristln mrež je urejen, ponvljjoč se rzporeditev grdnikov snovi v prostoru. Vzorec rzporeditve grdnikov v kristlu se ponvlj v vseh treh smereh v prostoru. Osnovn celic je njmnjši del kristlne mreže, ki se ponvlj v vseh smereh. Osnovne celice so rzličnih dimenzij (imjo rzlično dolge robove in rzlično velike kote) ter so rzlično centrirne (imjo rzlično rzporejene grdnike). primitivn osnovn celic telesno centrirn osnovn celic ploskovno centrirn osnovn celic 8 v ogliščih 8 v ogliščih, 1 v središču 8 v ogliščih, 6 v središčih ploskev 5

6 ZGRADBA KRISTALOV OSNOVNE CELICE Število grdnikov znotrj osnovne celice Število grdnikov, ki se nhjjo znotrj osnovne celice, izrčunmo z upoštevnjem nslednjih dejstev: Grdnik v oglišču osnovne celice je znotrj osnovne celice z ⅛ svoje prostornine. Grdnik n robu osnovne celice je znotrj osnovne celice z ¼ svoje prostornine. Grdnik n ploskvi osnovne celice je znotrj osnovne celice z ½ svoje prostornine. primitivn osnovn celic telesno centrirn osnovn celic TCK ploskovno centrirn osnovn celic PCK Število grdnikov znotrj osnovne celice: 8 ⅛ = 1 8 ⅛ + 1 = 2 8 ⅛ + 6 ½ = 4 6

7 ZGRADBA KRISTALOV OSNOVNE CELICE ZASEDENOST PCK PCK št. tomov n celico : 4R = n R = polmer tom = strnic kocke 4R 2 zsedenost prostornine : 4 4 R n V K 74,04% Njvečji možni delež zpolnitve prostor s kroglmi enkih velikosti. 7

8 ZGRADBA KRISTALOV OSNOVNE CELICE TCK ZASEDENOST TCK PCK št. tomov n celico : 4R = n R = polmer tom = strnic kocke 4R zsedenost prostornine : 4 2 R n V K 68 % 8

9 ZGRADBA KRISTALOV OSNOVNE CELICE ZASEDENOST PRIMITIVNE KOCKE št. tomov n celico : = n 2R R = polmer tom = strnic kocke =2R R R zsedenost prostornine : 4 1 R n V K 52 % 9

10 10 ZGRADBA KRISTALOV KRISTALNI SISTEMI Osnovne celice so rzličnih dimenzij. Glede n velikost kotov osnovne celice in rzmerje med dolžinmi njenih robov, ločimo sedem kristlnih sistemov: kubični, tetrgonlni, ortorombski, romboedrični, heksgonlni, monoklinski in triklinski. Njpreprostejši je kubični kristlni sistem, v kterem im osnovn celic obliko kocke: vsi robovi so enko dolgi, vsi koti so 90. S črkmi, b in c oznčujemo robove v osnovni celici, s črkmi α, β in γ p kote med njimi. b c prlelepiped Osnovn celic z oznčenimi robovi in koti med ploskvmi. Med robovom b in c je kot α, med robovom in c je kot β, med robovom in b je kot γ.

11 triklinsk: 11 ZGRADBA KRISTALOV KRISTALNI SISTEMI kubičn: = b= c, b g 90 o tetrgonln: = b= c, b g 90o ortorombsk: = b= c, b g 90 c c Kristln struktur ploskev. b c romboedričn: = b= c, b g monokristlov o 7 kristlnih sistemov: tomi se lhko nhjjo n ogliščih, v središču teles li v središču ortorombsk: = b= c, b g 90 o romboedričn: o = b= c, b g 90 heksgonln: o = b= c, b 90, g 120 o monoklinsk: = b= c, g 90 c b c g c b b heksgonln: o = b= c, b 90, g 120 o monoklinsk: = b= c, g 90 o b triklinsk: = b= c, b g 90 o c c c g b b b g b

12 ZGRADBA KRISTALOV KRISTALNI SISTEMI V 7 kristlnih sistemih je možnih 14 rzporeditev grdnikov. Imenujemo jih Brvisove mreže. Vsk monokristl ozirom vsko zrno v polikristlu im eno od teh 14 možnih struktur. 12

13 ZGRADBA KRISTALOV KRISTALNI SISTEMI Primer: TiO 2 - rutil Osnovn celic rutil TiO 2 : tetrgonlni kristlni sistem, = b = 4,594 Å, c = 2,959 Å, vsi koti so 90. Sive krogle ponzrjjo titn, rdeče p kisik. Titnovi ioni so rzporejeni kot v TC osnovni celici. Dv oksidn ion se nhjt znotrj osnovne celice, štirje p imjo svoj središč n dveh nsprotnih ploskvh. 1

14 IONSKI KRISTALI Ionski kristli imjo visok tlišč - ionske vezi so zelo močne. Električni tok prevjjo v tlini in rztopini in ne v trdnem gregtnem stnju: v trdnem gregtnem stnju ioni niso prosto gibljivi, sj so z ionskimi vezmi povezni v kristlno strukturo, v tlini in rztopini so prosto gibljivi. Ionski kristli so krhki odboj istovrstnih nbojev povzroči drobljenje, krhki lom. Andrej Smrdu, Kemij, Snov in spremembe 1 14

15 IONSKI KRISTALI NCl ntrijev klorid je ionsko zgrjen snov. Osnovni grdniki so ntrijevi in kloridni ioni (N + in Cl ), med kterimi delujejo ionske vezi. Ntrijev klorid tko ne tvori molekul, temveč skupek ionov. Enostvn formul ntrijeveg klorid je NCl; ntrijevi in kloridni ioni so v rzmerju 1: 1. Kristlizir v kubičnem kristlnem sistemu. Vsi koti so veliki 90, dolžin vseh robov je 5,64 Å. Kloridni ioni so rzporejeni kot v ploskovno centrirni osnovni celici, ntrijevi ioni p n sredini vseh robov in v centru osnovne celice Koordincijsko število kloridneg ion in ntrijev ion je 6 - NCl 6/6 Koordincijsko število v kristlu predstvlj število istovrstnih grdnikov, ki se nhjjo v neposredni bližini opzovneg grdnik. Model osnovne celice ntrijeveg klorid NCl. Koordincijsko število NCl - model Andrej Smrdu, Kemij, Snov in spremembe 1 15

16 IONSKI KRISTALI CsCl - cezijev klorid je ionsko zgrjen snov. Osnovni grdniki so cezijevi in kloridni ioni (Cs + in Cl ), med kterimi delujejo privlčne sile - ionske vezi; cezijevi in kloridni ioni so v rzmerju 1: 1. Kristlizir v kubičnem kristlnem sistemu. Vsi koti so veliki 90, dolžin vseh robov je 4,12 Å. Kloridni ioni rzporejeni kot v primitivni osnovni celici, cezijev ion p je v središču osnovne celice. Struktur CsCl je drugčn od strukture NCl. Tudi koordincijsko število je drugčno. Koordincijsko število kloridneg ion in cezijeveg ion je 8 CsCl 8/8 Model osnovne celice CsCl Koordincijsko število CsCl - model Andrej Smrdu, Kemij, Snov in spremembe 1 16

17 KOVALENTNI KRISTALI Kovlentni kristli imjo visok tlišč - kovlentne vezi, ki povezujejo tome nekovin v kristlno strukturo so zelo močne. Električneg tok ne prevjjo (grfit je izjem). So trdi. Znčilni predstvniki so: dimnt, kremen in krborund. Dimnt - C je kovlentni kristl. Ne prevj električneg tok in je zelo trd (njtrš nrvn snov). Atomi ogljik se povezujejo s štirimi močnimi tetredrično rzporejenimi kovlentnimi vezmi. 17

18 KOVALENTNI KRISTALI Primerjv dimnt in grfit (ob zgrjen iz C tomov). Pojv, ko se element nhj v rzličnih oblikh, imenujemo lotropij. V grfitu ogljikovi tomi tvorijo plsti, v kterih je vsk ogljikov tom povezn s tremi sosednjimi ogljikovimi tomi (plsti poveznih šestkotnikov podobno kot stovje). struktur grfit lstnosti dimnt in grfit Dimnt Grfit Brv brezbrven črn Trdot zelo trd mehk Gostot,5 g/cm 2,2 g/cm Električn prevodnost Uporb ne prevj nkit, brusi, svedri, noži Prevj Pisl, v bterijh 18

19 KOVALENTNI KRISTALI SiO 2 - kremen je kovlentni kristl. Vsk silicijev tom je povezn s štirimi tetredrično rzporejenimi kisikovimi tomi, vsk kisikov tom p je povezn z dvem silicijevim tomom. struktur kremen - šest silicijevih in šest kisikovih tomov tvori obročste strukture. SiC - krborund - silicijevi in ogljikovi tomi so tetredrično rzporejeni drug okoli drugeg. Krborund je zelo trd ( nekoliko mnj kot dimnt), odporen proti mnogim kemiklijm in visokim temperturm (stli se pri pribl C). Izdelujemo g umetno iz SiO 2 in ogljik. struktur korborund Kmen strel kristli kremen li kvrc Uporbljmo g z izdelvo brusov in rezil. 19

20 MOLEKULSKI KRISTALI Molekulski kristli imjo nizk tlišč, ker so molekulske vezi, ki povezujejo molekule v kristlno strukturo, šibke. Električneg tok ne prevjjo. So krhki. Znčilni predstvniki so: CO 2 suhi led, I 2, H 2 O led, C 6 H 12 O 6 - glukoz. Trden jod je molekulski kristl. Jod tvori dvotomne molekule I 2. Trden ksenon tvori molekulske kristle s ploskovno centrirno kubično osnovno celico, ki im dolžine robov 6,2 Å. Atome ksenon povezujejo šibke molekulske (disperzijske) vezi. Trden jod 20

21 KOVINSKI KRISTALI Kovine imjo rznolik tlišč ( npr. živo srebro Hg je pri sobni temperturi tekoče (im nizko tlišče), volfrm W p se stli šele nd 400 C). Kovine dobro prevjjo električni tok osnovni grdniki kovinskeg kristl so tomi kovin s skupnimi, prosto gibljivimi vlenčnimi elektroni. Kovine prevjjo električni tok zrdi prosto gibljivih elektronov. So kovne in tnljive. Kovine kristlizirjo n rzlične nčine njpogosteje v ) kubični njgostejši skld, b) heksgonlni njgostejši skld. V teh dveh skldih je zsedenost prostor zelo velik, koordincijsko število p je 12 (vsk tom kovine je obdn z 12 sosednjimi tomi). c) telesno centrirn kubičn osnovn celic Znčilni predstvniki kovinskih kristlov so: zlto, srebro, bker, cink, titn, litij, ntrij, železo,... 21

22 KRISTALNA STRUKTURA KOVIN - NAJGOSTEJŠI SKLAD KUBIČNI NAJGOSTEJŠI SKLAD Rzporeditev v kubičnem njgostejšem skldu je identičn rzporeditvi v ploskovno centrirni kubični osnovni celici tomi so v vseh ogliščih in n sredinh vseh ploskev, osnovn celic im obliko kocke. V kubičnem njgostejšem skldu se plsti grdnikov ponvljjo v zporedju ABC ABC ABC. Predstvniki: Au, Ag, Cu, Pt, Pd,... Plst A Plst B HEKSAGONALNI NAJGOSTEJŠI SKLAD V heksgonlnem njgostejšem skldu se plsti grdnikov ponvljjo v zporedju AB AB AB... To pomeni, d se v kristlni strukturi teg skld tomi rzvrščjo v dveh rzličnih plsteh, nslednje plsti p so enke predhodnim. Predstvniki: Mg, Ti, Zn,... Plst A Plst B Plst C Plst A 22

23 KRISTALNA STRUKTURA KOVIN - NAJGOSTEJŠI SKLAD ) A B C kubični njgostejši skld (pck) kubični (fcc) njgostejši skld ABCABCABC... A B C(=A) heksgonlni njgostejši skld heksgonlni njgostejši skld ABABAB... 2