Vizualizace krystalové struktury Individuální seminární práce pro udělení zápočtu z předmětu Anorganická chemie 2012
Vizualizace struktury krystalů snadno, rychle a bezbolestně
Osobnosti, které umožnily vizualizaci Wilhelm Conrad Roentgen 27.3.1845 10.2.1923 německý fyzik 1901 Nobelova cena za fyziku záření X rentgenové paprsky
Osobnosti, které umožnily vizualizaci William Lawrence Bragg 31.3.1890 1.7.1971 narozen v Austrálii britský fyzik a krystalograf 1912 objevil Braggovy zákony rentgenové difrakce základ pro určení krystalů 1915 spolu s otcem Williamem Braggem Nobelova cena za fyziku
Osobnosti, které umožnily vizualizaci Herbert Aaron Hauptman *14.2.1917 23.10.2011 americký matematik vyvinul matematickou metodu pro přímý převod rentgenových dat struktur molekulárních krystalovaných materiálů spolu s Jerome Karlem získal za tento postup Nobelovu cenu za chemii za rok 1985
Osobnosti, které umožnily vizualizaci Jerome Karle rodné jméno Jerome Karfunkel *18.6.1918 americký fyzikální chemik společně s Herbertem A. Hauptmanem získal Nobelovu cenu za chemii 1985 za přímou analýzu krystalových struktur použitím techniky rozptylu rentgenových paprsků
Proč vizualizovat v anorganické chemii? Pro znázornění jednoduché chemické sloučeniny si bohatě vystačíme s chemickými vzorci. Díky molekulovým, funkčním či strukturním vzorcům si vytváříme představu o struktuře, poměru atomů či jejich uspořádání. Ale co dělat ve chvíli, kdy narazíme na sloučeninu složitější a papír s tužkou nám již přestanou být dobrými pomocníky? Právě v tuto chvíli je ideálním řešením počítačová vizualizace.
Co je k vizualizaci potřeba? Pro úspěšné zobrazení struktury jsou nezbytné dva kroky získat tzv. CIF soubor daného krystalu a mít vhodný vizualizační program, který zobrazí interaktivně model struktury
Co je k vizualizaci potřeba? CIF je flexibilní a volně dostupný soubor, který obsahuje detailní informace o daném krystalu Po jeho otevření ve vhodném vizualizačním programu je možné strukturou otáčet, přibližovat ji, zobrazit velikost atomů, měřit délky vazeb a získávat další informace
Co je k vizualizaci potřeba? CIF formáty krystalů jsou dostupné na webové adrese Americké mineralogické společnosti rruff.geo.arizona.edu/ams. CIF data lze vyhledat několika způsoby, nejjednodušší je zadání názvu anglického minerálu, popř. prvků, které minerál obsahuje do příslušné kolonky na úvodní stránce. Pozor na překlepy! Poté již stačí kliknout na Download CIF data a uložit si soubor do počítače. Neznáme-li správný název minerálu odpovídajícího hledané sloučenině, pomůžeme si databází mindat.org a jejím vyhledáváním podle prvků
Schéma postupu krystal databáze mindat.org rruf.geo.arizona.edu/ams cif
Mindat.org hledání podle složení hledání podle názvu minerálu
Mindat.org vyberete prvky necháte vyhledat minerály
Mindat.org Získáte abecední seznam i se vzorci, kliknutím na modrý název krystalu otevřete databázi informací
Mindat.org Hlavní stránka databáze pro daný krystal
Mindat.org U známějších krystalů nalezneme interaktivní model struktury v apletu Jmol, můžeme otáčet modelem, měřit vzdálenosti a úhly, měnit typ zobrazení
Mindat.org CIF file získáme až po přechodu na link AMS přechod na AMS databázi
Databáze AMS zde stáhneme a uložíme CIF data stáhněte a uložte cif data
Schéma dalšího postupu cif vizualizační software Jmol Mercury CrystalMaker pro práci s modely využijeme některý z nabídnutých programů Diamond ViewerLite
Jmol Jmol: http://jmol.sourceforge.net/ freeware, možnost programování, relativně snadná obsluha, slabší grafika, možnost prostorového zobrazení, je k dispozici i český popis
Mercury 2.4.6 Mercury 2.4.6 http://www.ccdc.cam.ac.uk freeeware, jednoduchá obsluha, pravoúhlé projekce, průměrná grafika, obrázky lze přímo stáhnout
Diamond Diamond: http://www.crystalimpact.com/diamond/ velmi pěkná grafika, složitější obsluha, demoverze zdarma, obrázky jen PrintScreen
CrystalMaker Crystal Maker: http://www.crystalmaker.com demoverze, lze ukládat jen obrázky PrintScreen systémem, snadné měření, snadná obsluha
ViewerLite 5.0 ViewerLite 5.0, případně nový DS Vizualizer2.5, freeware firmy Accelrys pěkná grafika, možnost ukládání obrázků
Krystaly A jejich typy
Molekulové krystaly Molekulové krystaly krystaly jsou tvořeny molekulami drženými pohromadě van der Waalsovými silami Vlastnosti: velmi nízké body tání i varu, elektricky nevodivé Příklady: organické látky, cukry, jód, síra, vzácné plyny
Iontové krystaly Iontové krystaly jsou tvořeny kationty a anionty, mezi nimi působí silná iontová vazba, struktura krystalů je dána hlavně poměrem velikosti iontů. Vlastnosti: poměrně vysoké body tání i varu, v krystalickém stavu elektricky nevodivé, v kapalném stavu (roztok, tavenina) vedou elektrický proud díky volnému pohybu iontů Příklady: NaCl, AgI, CsCl, CaF 2
Vrstevnaté krystaly Vrstevnaté krystaly jsou tvořeny vrstvami kovalentně vázaných atomů, mezi vrstvami působí van der Waalsovy síly Vlastnosti: většinou vysoké body tání i varu, krystaly jsou měkké a dokonale štěpné po vrstvách Příklady: grafit, kyselina boritá, CdI 2,
Vrstevnaté krystaly Příklady: CdI 2, BN (hexagonální)
Atomové krystaly Atomové krystaly jsou tvořeny jednou makromolekulou, atomy jsou prostorově vázány kovalentními vazbami Vlastnosti: mimořádně vysoké body tání a varu, elektricky nevodivé Příklady: Diamant C
Atomové krystaly Korund Al 2 O 3 Křemen SiO 2
Atomové krystaly nitrid hlinitý AlN karbid křemíku SiC elementární bór B
Kovové krystaly Krystaly s kovovou vazbou jsou tvořeny kationty kovů a delokalizovanými elektrony. Vlastnosti: poměrně vysoké body tání i varu, v krystalickém i kapalném stavu jsou elektricky vodivé Příklady: železo Fe
Kovové krystaly měď Cu hořčík Mg
Kovové krystaly intermetalické sloučeniny slitiny Au 3 Cu, Ni-W, Al-Mg, Ti-Al
úkoly Nalezněte cif data a zobrazte struktury následujících solí a měřením porovnejte vzdálenosti mezi atomy (ionty) a úhly mezi vazbami (spojnicemi částic) 1. NaCl KCl a KNO 3 NaNO 3 2. Kyselina boritá a borax 3. Uhličitan vápenatý v modifikaci kalcit a aragonit 4. Oxid titaničitý v modifikacích rutil a anatas 5. Určete strukturální uspořádání vylosovaného hydrátu (vzdálenosti, úhly, koordinační čísla) 6. Určete strukturální uspořádání vylosovaných dvou krystalických kovů Termín odevzdání podmínka udělení zápočtu