Podještědské gymnázium, s.r.o., Liberec, Sokolovská 328. Krystaly nerostné květiny. (projekt)

Transkript

1 Podještědské gymnázium, s.r.o., Liberec, Sokolovská 328 Krystaly nerostné květiny (projekt) Zpracovala: Jana Kittnerová Ročník: septima 2010/2011 Zadal: Mgr. Jiří Machačný Konzultant: Mgr. Zora Blažková Datum odevzdání: 29. září 2010

2 OBSAH ÚVOD Krystalografie Krystalografie morfologická Krystalografie strukturní Krystalografie fyzikální Krystalografie chemická Krystalografie užitá Krystal Pevné látky Struktura krystalu Reálný krystal Formy krystalů Vazby v krystalech Krystalická mřížka Bravaisovy mřížky Centrování buněk Poruchy v krystalické mřížce Krystalizace Krystalizace z par Krystalizace z taveniny Krystalizace z roztoku Krystalová voda Růst krystalu Izomorfie Krystaly vybraných solí ZÁVĚR Literatura Přílohy... 27

3 ÚVOD Krystal je jedna z nejběžnějších forem výskytu pevných látek. Tato práce popisuje vznik této formy a možnosti strukturního uspořádání, včetně možných odchylek od ideálního stavu. Práce představuje vědu krystalografii, která se zabývá studiem krystalů, a její dělení. Cílem práce je tento obor představit středoškolskému publiku. V části Krystaly vybraných solí bylo cílem zmapovat možnosti jednotlivých sloučenin pro demonstraci v hodinách. Z tohoto důvodu byly vytvořeny krystaly vybraných sloučenin z nasycených roztoků a pořízena fotodokumentace výsledku. 3

4 1. KRYSTALOGRAFIE Krystalografie je věda o krystalech, zabývá se vnější i vnitřní stavbou krystalů, dále zkoumá poruchy v ideální struktuře krystalu, jejich fyzikální a chemické vlastnosti a možnosti technického využití krystalů. 1 Název pochází z řeckého slova kristallos, které znamená led nebo ledový kus. Tento význam mu dává již Homér ve svých eposech z 8. století př. n. l. Z řečtiny pochází také slovo symetrie, neboli souměrnost, které se v krystalografii hojně využívá. Zavedl ho řecký kovolijec Pythagoras z Rhegia pro vyjádření krásy a harmonie přírody a umění Krystalografie morfologická Morfologická krystalografie zkoumá zákonitosti vnějšího tvaru krystalů. Předmětem zkoumání morfologické krystalografie jsou krystaly omezené pouze vlastními plochami, nikoliv prostředím. Takovéto krystaly jsou v přírodě velice vzácné. Krystal, nebo přesněji krystalový mnohostěn, omezený pouze vlastními plochami vyhovuje Eulerově 3 rovnici: P + R = H + 2 Kde P je počet ploch, R je počet rohů a H je počet hran krystalu. 4 Dále se morfologická krystalografie zabývá vznikem a růstem krystalů a symetrií vnější stavby krystalu. 1.2 Krystalografie strukturní Strukturní krystalografie se zabývá studiem vnitřního uspořádání krystalů struktury. Dále si všímá poruch ideální struktury a jejich vlivu na vlastnosti krystalu. Zkoumá také vnitřní symetrii. 1 Chvátal, M. Mineralogie pro 1. ročník Krystalografie. 1. vydání. Praha: Karolinum ISBN s. 9 2 Kříž, D. Úvod do krystalografie a strukturní analýzy. 3 L. Euler ( ) švýcarský matematik, který definoval vztah mezi počtem ploch, rohů a hran v mnohostěnu 4 Pro plochy, rohy a hrany platí: dvě plochy se setkávají v hraně, tři a více ploch v rohu. 4

5 1.3 Krystalografie fyzikální Fyzikální krystalografie, nebo též krystalofyzika či krystalová fyzika, se zabývá fyzikálními vlastnostmi krystalů. Základem k výzkumu je strukturní analýza krystalu, protože krystaly se stejným chemickým složením, ale jinou strukturou mohou mít různé fyzikální vlastnosti. 1.4 Krystalografie chemická Chemická krystalografie, nebo též krystalochemie či krystalová chemie, zkoumá vztah mezi vnitřní stavbou a fyzikálně-chemickými vlastnostmi krystalu. Zabývá se velikostí a tvarem atomů a iontů a silami, které tyto částice vážou a udržují v dané poloze. 1.5 Krystalografie užitá Užitá krystalografie využívá fyzikální vlastnosti krystalů k technickým účelům. Dále se zabývá vývojem syntetických krystalů a jejich využitím. 5

6 2. KRYSTAL Látky se vyskytují ve třech skupenstvích: plynném, kapalném a pevném. Plynné látky nemají pro tuto práci význam. Mezi kapalné látky řadíme tekuté krystaly. Tekutý krystal je fáze látek, která se existencí anizotropie 5 podobá krystalům, ale tekutostí a snadnou změnou tvaru kapalinám. 6 Tato práce se jimi dále nezabývá. Krystaly, které popisuje tato práce, náleží mezi látky pevné. 2.1 Pevné látky Pevné látky se rozdělují na látky amorfní a látky krystalické. Uspořádání částic amorfních látek je náhodné a jejich struktura se podobá struktuře kapalin. Částice krystalických látek jsou uspořádány do krystalové mřížky. Základem této mřížky je elementární buňka, která se neustále opakuje. Do látek krystalických řadíme nejenom látky, které v přírodě vznikají v podobě krystalů, ale všechny látky, jejichž vnitřní strukturou je krystalická mřížka. 2.2 Struktura krystalu Struktura krystalické látky je konkrétní rozmístění částic v krystalu. Podle struktury a délky opakování základního mnohostěnu se určuje, jedná-li se o krystal ideální, dokonalý nebo reálný. Ideální krystal má pravidelnou strukturu zcela bez poruch opakující se do nekonečna. Dokonalý krystal je ukončený ideální krystal. Oba tyto krystaly se v přírodě nevyskytují a slouží pouze jako fyzikální modely. 2.3 Reálný krystal Reálný krystal je konečný krystal s řadou chemických či geometrických odchylek od ideálního krystalu. K reálným krystalům náleží všechny krystalické látky. Některé látky se vyskytují ve více krystalických modifikacích tvoří více typů krystalické mřížky. U sloučenin se tento jev nazývá polymorfie ale u prvků alotropie. 5 Anizotropní látka má různé vlastnosti v různých směrech. 6 Všeobecná encyklopedie 2. svazek. 1. vydání. Praha: Nakladatelský dům OP ISBN s

7 2.4 Formy krystalů Krystaly se v přírodě nacházejí ve více formách. Vzácně se v přírodě vyskytují monokrystaly samostatně rostoucí krystaly. Mnohem častěji se vyskytují drůzy,,slepence většího množství krystalů. Dále se v přírodě nacházejí agregáty navzájem prorostlé skupiny krystalů. 2.5 Vazby v krystalech Částice v krystalech jsou vázány různými druhy vazeb. Podle těchto vazeb se rozlišuje pět druhů krystalů. Vazby jsou rozdělené na silné kovalentní, kovové a iontové vazby a slabé vodíkové a van der Waalsovy vazby. V krystalech se nacházejí tyto vazby: 7 Kovalentní vazba k sobě váže atomy. Vzniká přiblížením dvou atomů do takové blízkosti, že se jejich atomové orbitaly překryjí. V této oblasti lze najít elektrony náležící obou atomům. Tyto elektrony udržují atomy pohromadě. Tato vazba se nachází u atomových krystalů. A mezi atomy v jedné vrstvě u vrstevnatých krystalů. Kovová vazba se skládá z kationtů a elektronového mraku. Kolem kationtů se volně pohybují elektrony elektronový mrak, který zajišťuje vodivost této vazby. Atomové orbitaly jsou spojeny do energetických pásů. Tato vazba se nachází v kovových krystalech. Iontová vazba se nachází mezi anionty a kationty. Krystaly s touto vazbou se nazývají iontové krystaly. Vodíková vazba je kovalentní vazba mezi vodíkem a dalším prvkem. Van der Waalsova vazba je vazba mezi polárními molekulami nebo ionty. Jedná se o přitahování kladně nabitých částí molekuly k záporně nabitým. Tato vazba se nachází u molekulových krystalů a mezi vrstvami u vrstevnatých krystalů

8 3. KRYSTALICKÁ MŘÍŽKA Krystalická mřížka vyjadřuje rozmístění mřížkových bodů v krystalu. Základem je elementární buňka rovnoběžnostěn s parametry mřížky. Parametry mřížky jsou vektory a, b, c na osách x, y, z a úhly α, β, γ mezi nimi. Body elementární buňky se periodicky opakují, posunuty vždy o příslušný vektor Bravaisovy mřížky V krystalu lze najít velké množství krystalických mřížek, protože je možné spojit zvolený počáteční bod s třemi dalšími body velkým množstvím možností. Proto byla ustanovena pravidla pro výběr základní buňky: Základní buňka co nejlépe vystihuje symetrii krystalu. Základní buňka má co největší počet pravých úhlů nebo stejných úhlů a co nejvíce stejných hran (viz příloha č. 1: Tabulka základních buněk a jejich parametrů). Při splnění předcházejících podmínek má základní buňka co nejmenší objem. Pomocí těchto pravidel bylo stanoveno čtrnáct základních buněk (mřížek). Tyto základní mřížky se též nazývají Bravaisovy 9 mřížky (viz příloha č. 2: Čtrnáct Bravaisových buněk). Mezi těmito mřížkami najdeme i takové, které mají stejný základní rovnoběžnostěn, ale jsou různě centrované Chvátal, M. Mineralogie pro 1. ročník Krystalografie. 1. vydání. Praha: Karolinum ISBN s A. Bravais ( ) francouzský krystalograf, který jako první použil tuto metodu určování krystalické mřížky 10 Chvátal, M. Mineralogie pro 1. ročník Krystalografie. 1. vydání. Praha: Karolinum ISBN s. 66 8

9 3.2 Centrování buněk Mřížka, která má mřížkové body pouze ve vrcholech buňky, se nazývá primitivní (značení P, v romboedrické soustavě R). Mřížky, ve kterých se nacházejí mřížkové body i mezi vrcholy buňky se nazývají centrované. Existují tři typy centrovaných buněk (příloha č. 3: Typy centrování buněk): 11 Bazálně centrované buňky mají dva mřížkové body uprostřed protilehlých ploch (značení A, B, C 12 ). Prostorově centrované buňky obsahují mřížkový bod na průsečíku tělesových úhlopříček (značení I). Plošně centrované buňky mají mřížkový bod uprostřed každé plochy buňky (značení F). 3.3 Poruchy v krystalické mřížce Reálný krystal téměř vždy obsahuje nepravidelnost v krystalické mřížce. Tyto nepravidelnosti se nazývají poruchy a dělí se na čtyři typy: bodové, čárové, plošné a objemové. 13 Bodové poruchy: Vakance nastává, pokud v krystalické mřížce chybí jedna částice. Intersticiální porucha nastává, pokud v krystalické mřížce jedna částice přebývá. Substituce je nahrazení částice krystalické látky částicí jiné krystalické látky. Frenkelova porucha je kombinace vakance a intersticiální poruchy. Schottkyho porucha se vyskytuje u krystalů s iontovou vazbou v případě, kdy dojde k kationové vakanci, ta musí být vyvážena aniontovou vakancí. Čárové poruchy dislokace: Hranová dislokace nastává při vložení nebo odstranění řady buněk. Šroubová dislokace je posunutí buněk v rovině o velikost rovnoběžného vektoru. Plošné a objemové poruchy jsou nejčastěji kombinací a násobením bodových a čárových poruch. 11 Chvátal, M. Mineralogie pro 1. ročník Krystalografie. 1. vydání. Praha: Karolinum ISBN s Bazálně centrovaná buňka A má mřížkové body ve stěně ohraničené hranami b a c. (Podobně u B a C.) 13 Kříž, D. Úvod do krystalografie a strukturní analýzy. 9

10 4. KRYSTALIZACE Vznik krystalů neboli krystalizace je jev, při kterém se z tekuté látky vlivem prostředí stávají pevné, pravidelně uspořádané krystaly. Krystaly mohou vznikat z roztoků, tavenin nebo par, kde změnou tlaku, teploty nebo koncentrace látky může dojít ke krystalizaci. Pro plynulost procesu je nutné splnění alespoň jedné z následujících podmínek: 14 Snížení teploty výchozí tekuté látky. Zvýšení koncentrace krystalizující látky díky odpařování rozpouštědla. Dosycování výchozí látky krystalizující látkou. 4.1 Krystalizace z par Krystalizace z par je nejméně běžný způsob vzniku krystalů. Dochází k němu při vzniku sněhových vloček z vodní páry rozptýlené ve vzduchu, nebo při krystalizaci síry ze sopečných par. Jedná se o jev desublimace vykrystalizování plynné látky na chladnějším místě. 4.2 Krystalizace z taveniny Taveninou pro krystalizaci je zejména láva, která je složena z více látek schopných krystalizace. V závislosti na teplotě a dalších podmínkách postupně krystalizují jednotlivé složky. Pro krystalizaci je nutný vznik krystalizačního jádra. 4.3 Krystalizace z roztoku Ke krystalizaci z roztoku dochází, pokud látku pro krystalizaci rozpouštíme až do nasycení roztoku při dané teplotě. Při zahřátí by se roztok stal opět nenasyceným, ale při ochlazení nebo odpaření rozpouštědla se roztok stane přesyceným a dochází ke krystalizaci. Přirozená krystalizace nastane po vzniku krystalizačních jader nukleí. Krystalizaci lze i uměle vyvolat tzv. očkováním vložením cizího tělesa do roztoku, tato metoda se využívá při výrobě cukru

11 4.4 Krystalová voda Některé krystalické látky obsahují ve své krystalické mřížce vodu, týká se to většiny solí, například síranu měďnatého. Tyto látky se nazývají hydráty. Voda v nich obsažená se nazývá krystalová voda. Některé látky tvoří více hydrátů, u kterých obsah krystalové vody záleží na teplotě při krystalizaci. Většinou platí, že čím menší teplota okolí při krystalizaci, tím více krystalové vody v hydrátu. Méně stabilní hydráty se samovolně rozpadají na vodu a látku bezvodou Růst krystalů Po vzniku krystalizačního jádra začíná růst krystalu, který probíhá přikládáním stavebních částic na povrch krystalu apozicí. Konečný tvar krystalu je ovlivněn následujícími podmínkami: 16 Dostatek atomů nebo iontů a možnost slučovat se v odpovídajících poměrech. Fyzikálně chemické podmínky. Velikost prostoru. 4.6 Izomorfie Některé látky se mohou ve svých krystalech zastupovat, k čemuž dochází díky jevu izomorfie. Tímto způsobem vznikají směsné krystaly. Izomorfní krystaly mohou růst v roztoku jiné podobné látky. Pokud se krystal přesunuje z tohoto roztoku do roztoku látky, kterou je tvořen, a tyto roztoky mají jinou barvu, výsledný krystal bude po rozříznutí pruhovaný

12 Krystaly vybraných solí

13 POSTUP PRÁCE Praktická část projektu se zabývá vytvářením krystalů z nasycených roztoků. Nasycené roztoky krystalizovaly na Petriho miskách při teplotě 21 C a vlhkosti vzduchu 44%. Krystaly byly položeny, proto byl jejich růst směrem dolů omezen. Délka krystalizace byla u každé sloučeniny jiná. Výsledek práce byl vyfotografován a doplněn nákresem. 13

14 CHLORID DRASELNÝ Vzorec: KCl Mřížka: kubická Barva: bezbarvý Doba krystalizace: 7 dní Krystaly se tvořily snadno, na vzduchu dochází k zvětrávání. Krystaly chloridu draselného. Foto: Klára Vohlídková, Nákres jednoho krystalu 14

15 CHLORID KOBALTNATÝ Vzorec: CoCl 2. 6 H 2 O Hydrát: hexahydrát Mřížka: monoklinická Barva: červená Doba krystalizace: 5 dní Krystalizace probíhala pomalu. Krystaly chloridu kobaltnatého. Foto: Klára Vohlídková, Nákres jednoho krystalu 15

16 CHLORID MĚĎNATÝ Vzorec: CuCl 2. 2 H 2 O Hydrát: dihydrát Mřížka: ortorhombická Barva: zelená Doba krystalizace: 2 dny Krystalizace probíhala pomalu. Krystaly chloridu měďnatého. Foto: Klára Vohlídková, (Jehlicovité krystaly jsou příliš malé, nejde rozpoznat tvar jejich řezu.) 16

17 CHLORID SODNÝ Vzorec: NaCl Mřížka: kubická Barva: bezbarvý Doba krystalizace: 2 dny Krystaly se tvořily snadno. Krystaly chloridu sodného. Foto: Klára Vohlídková, Nákres jednoho krystalu 17

18 SÍRAN HLINITO DRASELNÝ Vzorec: KAl(SO 4 ) H 2 O Hydrát: dodekahydrát Mřížka: kubická Barva: bezbarvý Doba krystalizace: 7 dní Krystaly se tvořily snadno. Krystaly síranu hlinito draselného. Foto: Klára Vohlídková, Nákres jednoho krystalu 18

19 SÍRAN CHROMITO DRASELNÝ Vzorec: KCr(SO 4 ) H 2 O Hydrát: dodekahydrát Mřížka: kubická Barva: červenofialová Doba krystalizace: 9 dní Krystaly se tvořily snadno. Krystaly síranu chromito draselného. Foto: Klára Vohlídková, Nákres jednoho krystalu 19

20 SÍRAN HOŘEČNATÝ Vzorec: MgSO 4. 7 H 2 O Hydrát: heptahydrát Mřížka: ortorhombická Barva: bezbarvý Doba krystalizace: 2 dny Krystalizace probíhala pomalu. Krystaly síranu hořečnatého. Foto: Klára Vohlídková, Nákres jednoho krystalu 20

21 SÍRAN MANGANATÝ Vzorec: MnSO 4. 5 H 2 O Hydrát: pentahydrát Mřížka: ortorhombická Barva: růžová Doba krystalizace: 2 dny Krystalizace probíhala pomalu. Krystaly síranu manganatého. Foto: Klára Vohlídková, Nákres jednoho krystalu 21

22 SÍRAN MĚĎNATÝ Vzorec: CuSO 4. 5 H 2 O Hydrát: pentahydrát Mřížka: triklinická Barva: modrá Doba krystalizace: 8 dní Krystaly se tvořily snadno. Krystaly síranu měďnatého. Foto: Klára Vohlídková, Nákres jednoho krystalu 22

23 SÍRAN SODNÝ Vzorec: Na 2 SO H 2 O Hydrát: dekahydrát Mřížka: monoklinická Barva: bezbarvý Doba krystalizace: 5 dní Krystalizace probíhala pomalu, na vzduchu dochází k zvětrávání. Krystaly síranu sodného. Foto: Klára Vohlídková, Nákres jednoho krystalu 23

24 SIŘIČITAN SODNÝ Vzorec: Na 2 SO 3. 7 H 2 O Hydrát: heptahydrát Mřížka: monoklinická Barva: bezbarvý Doba krystalizace: 2 dny Krystalizace probíhala pomalu, na vzduchu dochází k zvětrávání. Krystaly siřičitanu sodného. Foto: Klára Vohlídková, Nákres jednoho krystalu 24

25 ZÁVĚR Označení nerostné květiny může nést jen několik vybraných krystalů, stejně tak ne každý krystal je drahý kámen. Krystalickou strukturu má mnoho látek, bez kterých bychom se neobešli. Tato práce představila krystaly zevnitř a v části Krystaly vybraných solí předvedla rozmanitost jejich tvarů. Některé látky vykrystalizovaly do roztoku, jiné pouze po odpaření roztoku na dno Petriho misky. Po porovnání velikosti, doby krystalizace a způsobu jakým látky krystalizovaly, jsou tyto látky vhodné k ukázce vzniku krystalů: Chlorid draselný Chlorid sodný Síran hlinito draselný Síran chromito draselný Síran měďnatý Siřičitan sodný Vznik krystalů není jednoduchá záležitost, a proto je velký zázrak, že na této planetě vzniklo tolik krystalických látek. 25

26 Literatura Chvátal, M. Mineralogie pro 1. ročník Krystalografie. 1. vydání. Praha: Karolinum ISBN Julák, A., Štulík, K., Vohlídal, J. Chemické a analytické tabulky. 1. vydání. Praha: Grada publishing ISBN Remy, H. Anorganická chemie 1, vydání. Praha: Nakladatelství technické literatury n. p Všeobecná encyklopedie ve čtyřech svazcích 2. svazek. 1. vydání. Praha: Nakladatelský dům OP ISBN Kříž, D. Úvod do krystalografie a strukturní analýzy