Na típusú kristályrács. A kristályrács és főbb típusai

Az egyik leggyakoribb anyag, amellyel az emberek mindig is szívesebben dolgoztak, a fém volt. Minden korszakban előnyben részesítették e csodálatos anyagok különböző típusait. Így a Kr.e. IV-III. évezredet a kalkolit, vagyis rézkornak tekintik. Később bronz váltja fel, majd lép életbe a ma is aktuális - a vas.

Ma már általában nehéz elképzelni, hogy valaha meg lehetett tenni fémtermékek nélkül, mert a háztartási cikkektől, orvosi műszerektől a nehéz és könnyű felszerelésekig szinte minden ebből az anyagból áll, vagy abból külön alkatrészeket tartalmaz. Miért sikerült a fémeknek ekkora népszerűségre szert tenniük? Próbáljuk kitalálni, mik a jellemzők, és hogyan rejlik ez a szerkezetükben.

A fémek általános fogalma

A "Kémia. 9. osztály" az iskolások által használt tankönyv. Itt tanulmányozzák részletesen a fémeket. Nagy fejezetet szentelünk fizikai és kémiai tulajdonságaik figyelembevételének, mivel rendkívül nagy a sokféleségük.

Ettől a kortól ajánlott a gyerekeknek képet adni ezekről az atomokról és tulajdonságaikról, mert a tinédzserek már teljesen fel tudják mérni az ilyen ismeretek jelentőségét. Tökéletesen látják, hogy az őket körülvevő tárgyak, gépek és egyéb dolgok sokfélesége a fémes természeten alapul.

Mi az a fém? A kémia szempontjából ezeket az atomokat általában a következőképpen osztályozzák:

• külső szinten kicsi;
• erős helyreállító tulajdonságokat mutatnak;
• nagy atomsugárral rendelkeznek;
• Egyszerű anyagokként számos speciális fizikai tulajdonsággal rendelkeznek.

Ezekről az anyagokról az ismeretek alapját a fémek atomi-kristályos szerkezetének figyelembevételével nyerhetjük meg. Ez az, ami megmagyarázza e vegyületek összes jellemzőjét és tulajdonságait.

A periódusos rendszerben a teljes tábla nagy része a fémekhez van hozzárendelve, mivel ezek alkotják az összes másodlagos alcsoportot és a fő csoportokat az elsőtől a harmadik csoportig. Ezért számbeli fölényük nyilvánvaló. A leggyakoribbak a következők:

• kalcium;
• nátrium;
• titán;
• Vas;
• magnézium;
• alumínium;
• kálium.

Minden fémnek számos olyan tulajdonsága van, amelyek lehetővé teszik, hogy egyetlen nagy anyagcsoportba egyesüljenek. Ezeket a tulajdonságokat viszont pontosan a fémek kristályszerkezete magyarázza.

A fémek tulajdonságai

A kérdéses anyagok sajátos tulajdonságai a következők.

1. Fémes ragyogás. Az egyszerű anyagok minden képviselője rendelkezik vele, és a legtöbb ugyanaz, csak néhány (arany, réz, ötvözetek) különbözik egymástól.
2. Képlékenység és plaszticitás - az a képesség, hogy könnyen deformálódjon és helyreálljon. Különböző képviselőiben eltérő mértékben fejeződik ki.
3. Az elektromos és hővezető képesség az egyik fő tulajdonság, amely meghatározza a fém és ötvözeteinek felhasználási területeit.

A fémek és ötvözetek kristályos szerkezete megmagyarázza az egyes jelzett tulajdonságok okát, és beszél azok súlyosságáról minden egyes képviselőnél. Ha ismeri egy ilyen szerkezet jellemzőit, akkor befolyásolhatja a minta tulajdonságait és beállíthatja a kívánt paraméterekhez, amit az emberek évtizedek óta csinálnak.

Fémek atomi kristályszerkezete

Mi ez a szerkezet, mi jellemzi? Már maga az elnevezés is arra utal, hogy minden fém szilárd állapotban, azaz normál körülmények között kristály (kivéve a higanyt, amely folyékony). Mi az a kristály?

Ez egy hagyományos grafikus kép, amelyet a testet sorakozó atomokon átmenő képzeletbeli vonalak metszésével alkotnak meg. Más szóval, minden fém atomokból áll. Nem kaotikusan, hanem nagyon helyesen és következetesen helyezkednek el benne. Tehát, ha ezeket a részecskéket mentálisan egyetlen struktúrába egyesítjük, gyönyörű képet kapunk valamilyen alakú szabályos geometriai test formájában.

Ez az, amit általában egy fém kristályrácsának neveznek. Nagyon összetett és térben terjedelmes, ezért az egyszerűség kedvéért nem az egész látható, hanem csak egy része, egy elemi cella. Az ilyen sejtek halmaza, amelyek összegyűjtve kristályrácsokat alkotnak, visszaverődnek. A kémia, a fizika és a kohászat olyan tudományok, amelyek az ilyen szerkezetek szerkezeti jellemzőit tanulmányozzák.

Maga az atomok halmaza, amelyek egymástól bizonyos távolságra helyezkednek el, és szigorúan meghatározott számú egyéb részecskét koordinálnak maguk körül. Jellemzője a tömörítési sűrűség, az alkotóelemek közötti távolság és a koordinációs szám. Általánosságban elmondható, hogy ezek a paraméterek az egész kristályra jellemzőek, és ezért tükrözik a fém tulajdonságait.

Többféle változata létezik, mindegyikben van egy közös tulajdonság - a csomópontok atomokat tartalmaznak, belül pedig egy elektrongázfelhő található, amely a kristályon belüli elektronok szabad mozgásával jön létre.

A kristályrácsok fajtái

Tizennégy rácsszerkezeti opciót általában három fő típusba kombinálnak. Ezek a következők:

1. Testközpontú köbös.
2. Hatszögletű, szorosan csomagolt.
3. Arcközpontú köbös.

A fémek kristályszerkezetét csak akkor tanulmányozták, amikor lehetővé vált nagy nagyítású képek készítése. A rácstípusok osztályozását pedig először Bravais francia tudós adta meg, akinek nevén nevezik őket.

Testközpontú rács

Az ilyen típusú fémek kristályrácsának szerkezete a következő. Ez egy kocka nyolc atommal a csomópontjaiban. Egy másik a cella szabad belső terének közepén található, ez magyarázza a „testközpontú” elnevezést.

Ez az egyik lehetőség az egységcella legegyszerűbb felépítésére, és így a teljes rács egészére. A következő fémek rendelkeznek ezzel a típussal:

• molibdén;
• vanádium;
• króm;
• mangán;
• alfa vas;
• béta vas és mások.

Az ilyen képviselők fő tulajdonságai a nagyfokú alakíthatóság és hajlékonyság, keménység és szilárdság.

Arcközpontú rács

A felületközpontú köbös rácsos fémek kristályszerkezete a következő. Ez egy kocka, amely tizennégy atomot tartalmaz. Nyolc közülük rácscsomópontot alkot, és további hat található, mindegyik oldalon egy-egy.

Hasonló szerkezettel rendelkeznek:

• alumínium;
• nikkel;
• vezet;
• gamma vas;
• réz.

A fő megkülönböztető tulajdonságok a különböző színek fénye, könnyedség, szilárdság, alakíthatóság, fokozott korrózióállóság.

Hatszögletű rács

A rácsos fémek kristályszerkezete a következő. Az egységcella alapja egy hatszögletű prizma. Csomópontjainál 12 atom található, a bázisoknál további kettő, a szerkezet közepén lévő térben pedig három atom található szabadon. Összesen tizenhét atom van.

Fémek, mint pl.

• alfa-titán;
• magnézium;
• alfa-kobalt;
• cink.

A fő tulajdonságok a nagyfokú szilárdság, az erős ezüstfény.

A fémek kristályszerkezetének hibái

Azonban minden vizsgált sejttípusnak lehetnek természetes hiányosságai vagy úgynevezett defektusai. Ennek különböző okai lehetnek: idegen atomok és fémek szennyeződései, külső hatások stb.

Ezért van egy osztályozás, amely tükrözi a kristályrácsok esetleges hibáit. A kémia mint tudomány mindegyiket tanulmányozza annak érdekében, hogy azonosítsa az okot és az eltávolítás módját, hogy az anyag tulajdonságai ne változzanak. Tehát a hibák a következők.

1. Folt. Három fő típusuk van: üres helyek, szennyeződések vagy elmozdult atomok. Ezek a fém mágneses tulajdonságainak, elektromos és hővezető képességének romlásához vezetnek.
2. Lineáris vagy diszlokáció. Van éles és csavaros is. Ezek rontják az anyag szilárdságát és minőségét.
3. Felületi hibák. Befolyásolja a fémek megjelenését és szerkezetét.

Jelenleg módszereket dolgoztak ki a hibák kiküszöbölésére és tiszta kristályok előállítására. Teljesen kiirtani azonban nem lehetséges, ideális kristályrács nem létezik.

A fémek kristályszerkezetére vonatkozó ismeretek fontossága

A fenti anyagból nyilvánvaló, hogy a finom szerkezet és szerkezet ismerete lehetővé teszi az anyag tulajdonságainak előrejelzését és azok befolyásolását. A kémia tudománya pedig lehetővé teszi ezt. Az általános iskola 9. osztálya a tanulási folyamatban arra helyezi a hangsúlyt, hogy a tanulókban világosan megértsék az alapvető logikai lánc fontosságát: összetétel - szerkezet - tulajdonságok - alkalmazás.

A fémek kristályszerkezetére vonatkozó információk nagyon világosan szemléltetettek, és lehetővé teszik a tanár számára, hogy világosan elmagyarázza és megmutassa a gyerekeknek, mennyire fontos a finom szerkezet ismerete az összes tulajdonság helyes és hozzáértő használatához.

A kémia csodálatos tudomány. Annyi hihetetlen dolog található a látszólag hétköznapi dolgokban.

Minden anyag, ami körülvesz minket mindenhol, többféle halmazállapotban létezik: gázok, folyadékok és szilárd anyagok. A tudósok azonosították a 4. - plazmát is. Egy adott hőmérsékleten az anyag egyik állapotból a másikba változhat. Például víz: 100 fok fölé melegítve folyékony halmazállapotból gőzzé alakul. 0 alatti hőmérsékleten átalakul a következő aggregált szerkezetté - jéggé.

Kapcsolatban áll

Az egész anyagi világ egymáshoz kapcsolódó, azonos részecskék tömegét tartalmazza. Ezek a legkisebb elemek a térben szigorúan sorakoznak és alkotják az úgynevezett térbeli keretet.

Meghatározás

A kristályrács egy szilárd anyag speciális szerkezete, amelyben a részecskék geometriailag szigorú sorrendben állnak a térben. Ebben csomópontokat találhat - helyeket, ahol elemek találhatók: atomok, ionok és molekulák, valamint az internodális tér.

Szilárd anyagok, a magas és az alacsony hőmérséklet tartományától függően kristályosak vagy amorfok – bizonyos olvadáspont hiánya jellemzi őket. Magas hőmérsékletnek kitéve meglágyulnak és fokozatosan folyékony halmazállapotúvá válnak. Az ilyen típusú anyagok a következők: gyanta, gyurma.

Ebben a tekintetben több típusra osztható:

• atom;
• ión;
• molekuláris;
• fém.

De különböző hőmérsékleteken egy anyag különböző formájú lehet, és eltérő tulajdonságokat mutathat. Ezt a jelenséget allotróp módosulásnak nevezik.

Atom típusú

Ebben a típusban a csomópontok egy adott anyag atomjait tartalmazzák, amelyeket kovalens kötések kötnek össze. Ezt a típusú kötést két szomszédos atom elektronpárja hozza létre. Ennek köszönhetően egyenletesen és szigorú sorrendben kapcsolódnak össze.

Az atomi kristályrácsos anyagokat a következő tulajdonságok jellemzik: szilárdság és magas olvadáspont. Ez a fajta kötés jelen van a gyémántban, a szilíciumban és a bórban..

Ionos típus

Az ellentétes töltésű ionok olyan csomópontokban helyezkednek el, amelyek elektromágneses teret hoznak létre, amely jellemzi az anyag fizikai tulajdonságait. Ezek a következők: elektromos vezetőképesség, tűzállóság, sűrűség és keménység. Az asztali sót és a kálium-nitrátot ionos kristályrács jellemzi.

Ne hagyja ki: oktatási mechanizmus, konkrét példák.

Molekuláris típus

Az ilyen típusú csomópontokban vannak ionok, amelyek van der Waals erőkkel kapcsolódnak egymáshoz. A gyenge intermolekuláris kötések miatt az olyan anyagokat, mint a jég, a szén-dioxid és a paraffin plaszticitás, elektromos és hővezető képesség jellemzi.

Fém típusú

Szerkezete molekulárisra hasonlít, de még mindig erősebb kötésekkel rendelkezik. A különbség e típus között az, hogy csomópontjai pozitív töltésű kationokat tartalmaznak. Elektronok, amelyek az intersticiális térben vannak tér, részt vesz az elektromos tér kialakításában. Elektromos gáznak is nevezik.

Az egyszerű fémeket és ötvözeteket fémrács típus jellemzi. Fémes csillogás, plaszticitás, hő- és elektromos vezetőképesség jellemzi őket. Különböző hőmérsékleteken megolvadhatnak.

Kristály cella- egyenlő, párhuzamos orientált csúcsokban elhelyezkedő pontrendszer és a lapok mentén szomszédos paralelepipedonok hézagmentesen, kitöltve a csomópontoknak nevezett pontok terét, az egyeneseket - sorokat, síkokat - rácsokat, paralelepipedonokat elemi celláknak nevezzük.

A kristályrácsok típusai: atomi - ha az atomok a csomópontokban helyezkednek el, ionos - ha ionok helyezkednek el a csomópontokban, molekuláris - ha a molekulák a csomópontokban helyezkednek el

2. A kristályos anyagok tulajdonságai - homogenitás, anizotrópia, önvágás képessége.

Egyöntetűség- egy anyag két azonos elemi térfogata, térben párhuzamosan orientált, de az anyag különböző pontjain izolált, tulajdonságaiban teljesen azonos (beril - turmalin).

Anizotrópia- a kristályrács különböző irányaiban nem párhuzamos irányokban sok tulajdonság (például szilárdság, keménység, törésmutató) eltérő.

Az önmegsemmisítés képessége– a kristályok azon tulajdonsága, hogy szabadon növekedve szabályosan fazettált poliédereket képeznek.

A kétéderes csomópontok állandóságának tulajdonsága– ugyanazon anyag összes kristályában a megfelelő lapok és élek közötti szögek azonosak.

3. A szingónia fogalma. Milyen kategóriákra oszthatók a szingóniák?

A szingónia szimmetriatípusok halmaza, amelyek 1 vagy több közös szimmetriaelemmel rendelkeznek, azonos számú egységiránnyal. A cellát az a, b és c tengelyek és a cellaszögek közötti kapcsolatok jellemzik.

7 van osztva:

legalacsonyabb( nincs szimmetriatengelyük magasabb, mint a másodrendű)

Átlagos ( egy magasabb rendű szimmetriatengelyük van)

Egységes irányok– kristályokban nem ismétlődő irányok.

Mivel a kristályok szimmetriájának legnagyobb osztályozási osztálya, minden szimmetriacsoport több szimmetriapontcsoportot és Bravais-rácsot tartalmaz.

4.Egyszerű formák és kombinációk. Az egyszerű formák kristályban való elkülönítésének fizikai jelentése.

Megjelenésük alapján a kristályokat egyszerű formákra és kombinációkra osztják. Egyszerű formák– az egyik oldalról egy szimmetriaelem hatására nyert kristályok.

A szimmetria elemei:

geometriai kép

szimmetriasík– a képre merőleges sík, amely az ábrát 2 részre osztja, amely tárgynak és annak tükörképének felel meg.

Szimmetriatengely- ez a képre merőleges egyenes, 360 o körüli elforgatással az ábra n-szer igazodik önmagához.

A szimmetria középpontja- a kristály belsejében lévő pont, amelyet az jellemez, hogy minden rajta húzott egyenes mindkét oldalon azonos távolságra lévő azonos pontokkal találkozik.

Kombinációk- különböző alakú és méretű lapokból álló kristályok. Két vagy több egyszerű forma kombinációja alkotja. Egy egyenletesen kifejlődött kristályon annyiféle lap található, ahány egyszerű forma van benne.

A különböző típusú arcok kiválasztása fizikai jelentése , mivel a különböző felületek különböző sebességgel nőnek és eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek (keménység, sűrűség, törésmutató).

Az egyszerű űrlapok nyitottak és zártak. Egy zárt egyszerű forma, azonos típusú lapok segítségével önállóan lezárja a teret (tetragonális dipiramis), a nyitott egyszerű forma csak más egyszerű formákkal (tetragonális gúla + sík) kombinálva tudja lezárni a teret.) 47 egyszerű formák összesen. Mindegyik kategóriákra van osztva:

A monoéder egy egyszerű forma, amelyet egy arc képvisel.

Pinacoid - két egyenlő párhuzamos lap, amelyek megfordíthatók.

Diéder - két egyenlő metszőlap (a folytatásukon keresztezheti egymást).

Rombikus prizma - négy egyenlő pár párhuzamos lap; keresztmetszetében rombuszt alkotnak.

A rombusz alakú piramisnak négy egyenlő, egymást metsző oldala van; keresztmetszetben is rombuszt alkotnak. A felsorolt ​​egyszerű űrlapok nyitottak, mivel nem zárják be a teret. A nyitott, egyszerű formák, például a rombos prizma kristályban való jelenléte szükségszerűen más egyszerű formák, például pinakoid vagy rombusz alakú bipiramis jelenlétét okozza, amely a zárt forma eléréséhez szükséges.

Az alacsonyabb rendű rendszerek zárt egyszerű formái közül a következőket jegyezzük meg. Rombos dipiramis: két rombusz alakú piramis, amelyek az alapjaikon kapcsolódnak össze; az alakzatnak nyolc különböző lapja van, amelyek keresztmetszete rombusz alakú; A rombusz alakú tetraédernek négy lapja van, amelyek körülzárják a teret, és ferde háromszög alakúak.

Középkategória(rendszerek: triklinikus, tetragonális, hatszögletű) – 27 p.f.: monoéder, pinokoid, 6 dipiramis, 6 piramis, 6 prizma, tetraéder, romboéder, 3 trapézéder (trapéz alakú lapok), 2 tetraéder, amelyet doubling lapok alkotnak. és romboéder).

Legmagasabb kategória– 15 p.f.: a főbbek a tetraéder, oktaéder, kocka. Ha egy lap helyett 3 lap van - egy tritetraéder, ha 6 - egy hexatetraéder, ha 4 - egy tetratetraéder. A lapok lehetnek 3x, 4x, 5x: 3x - trigon, 4x - tetragon, 5x - ötszög.

Az egyszerű kristályforma egy adott szimmetriaosztályba tartozó szimmetrikus műveletekkel összekapcsolt lapok családja. Minden olyan lapnak, amely egyetlen egyszerű kristályformát alkot, egyenlő méretűnek és formájúnak kell lennie. Egy kristály egy vagy több egyszerű formát tartalmazhat. Több egyszerű forma kombinációját kombinációnak nevezzük.

Zárt formák azok, amelyek élei teljesen bezárják a közéjük zárt teret, például egy kocka;

A nyitott egyszerű formák nem zárnak be teret, és nem létezhetnek önállóan, csak kombinációkban. Például prizma + pinakoid.

6. ábra. A legalacsonyabb kategória egyszerű formái: monoéder (1), pinakoid (2), diéder (3).

Alsó szingóniákban a következő nyílt egyszerű alakok lehetségesek (6. ábra):

Monoéder (a görög „mono” szóból – egy, „hedron” – arc) – egy egyszerű forma, amelyet egyetlen arc képvisel. Az egyéder például egy piramis alapja.

 A pinacoid (a görög „pinax” szóból - tábla) egy egyszerű forma, amely két egyenlő, párhuzamos lapból áll, gyakran fordított irányban.

Diéder (a görög "di" szóból kettő, "éder" - arc) - egyszerű alakzat, amelyet két egyenlő metsző (néha a folytatásukon) él alkot, és "egyenes tetőt" alkot.

A rombikus prizma egy egyszerű alakzat, amely négy egyenlő, páronként párhuzamos lapból áll, amelyek keresztmetszetében rombuszt alkotnak.

Rombikus piramis – egyszerű forma, amely négy egyenlő, egymást metsző lapból áll; keresztmetszetében szintén rombusz. Az alsóbb rendszerek zárt egyszerű formái közül a következőket jegyezzük meg:

Rombikus dipiramis: két rombusz alakú piramis, amelyek az alapjainál kapcsolódnak össze. Az alakzatnak nyolc egyforma lapja van, amelyek keresztmetszete rombusz.

A rombusz alakú tetraéder egy egyszerű forma, amelynek négy lapja ferde háromszög alakú, és körülveszi a teret.

A középkategóriás kristályrendszerek nyitott egyszerű formái prizmák és piramisok lesznek.

 Trigonális prizma (a görög "gon" szóból - szög) - három egyenlő lap, amelyek párhuzamos élek mentén metszik egymást, és keresztmetszetben egyenlő oldalú háromszöget alkotnak;

 Tetragonális prizma (a görög "tetra" szóból négy) - négy egyenlő pár párhuzamos lap, amelyek keresztmetszetben négyzetet alkotnak;

Hatszögletű prizma (a görög "hexa" szóból hat) - hat egyenlő lap, amelyek párhuzamos élek mentén metszik egymást, és keresztmetszetben szabályos hatszöget alkotnak.

A ditrigonal, ditetragonal és dihexagonal elnevezést a dupla lapszámú prizmák kapják, amikor az összes lap egyenlő, és a lapok között ugyanazok a szögek váltakoznak.

Piramisok - a középkategóriába tartozó kristályok egyszerű formái lehetnek, például prizmák, trigonálisak (és ditrigonálisak), tetragonálisak (és ditetragonálisak), hatszögletűek (és dihexagonálisak). Keresztmetszetben szabályos sokszögeket alkotnak. A piramisok lapjai a magasabb rendű szimmetriatengellyel ferde szöget zárnak be.

A középkategóriás kristályokban zárt egyszerű formák is találhatók. Számos ilyen forma létezik:

A dipiramisok egyszerű formák, amelyeket két egyenlő piramis alkot az alapjaiknál. Az ilyen formákban a piramist megkétszerezi egy vízszintes szimmetriasík, amely merőleges a magasabb rendű fő szimmetriatengelyre (8. ábra). A dipiramisok, az egyszerű piramisokhoz hasonlóan, a tengely sorrendjétől függően eltérő keresztmetszeti formájúak lehetnek. Lehetnek trigonálisak, ditrigonálisak, tetragonálisak, ditetragonálisak, hatszögletűek és dihexagonálisak.

A romboéder egy egyszerű forma, amely hat rombusz alakú lapból áll, és egy hosszúkás vagy átlósan lapított kockára hasonlít. Csak trigonális rendszerben lehetséges. A felső és alsó lapcsoportok egymáshoz képest 60°-os szögben el vannak forgatva úgy, hogy az alsó lapok szimmetrikusan helyezkednek el a felsők között.

Az anyag szerkezetét nemcsak a kémiai részecskékben lévő atomok egymáshoz viszonyított elrendezése határozza meg, hanem ezen kémiai részecskék térbeli elhelyezkedése is. Az atomok, molekulák és ionok legrendezettebb elrendezése benne van kristályok(görögből" crystallos" - jég), ahol a kémiai részecskék (atomok, molekulák, ionok) meghatározott sorrendben helyezkednek el, kristályrácsot alkotva a térben. A kialakulás bizonyos körülményei között szabályos szimmetrikus poliéderek természetes alakja lehet. A kristályos állapot nagy hatótávolságú rend jelenléte jellemzi a részecskék elrendezésében és a szimmetria kristályrácsban.

Az amorf állapotot csak rövid távú rend jelenléte jellemzi. Az amorf anyagok szerkezete folyadékokhoz hasonlít, de sokkal kisebb a folyékonysága. Az amorf állapot általában instabil. Mechanikai terhelés vagy hőmérsékletváltozás hatására amorf testek kristályosodhatnak. Az anyagok reaktivitása amorf állapotban sokkal nagyobb, mint kristályos állapotban.

Amorf anyagok

Fő jel amorf(görögből" amorfosz" - formátlan) halmazállapot - atomi vagy molekuláris rács hiánya, vagyis a kristályos állapotra jellemző szerkezet háromdimenziós periodicitása.

A folyékony anyagot lehűtve nem mindig kristályosodik ki. bizonyos körülmények között nem egyensúlyi állapotú szilárd amorf (üveges) állapot alakulhat ki. Az üveges állapot tartalmazhat egyszerű anyagokat (szén, foszfor, arzén, kén, szelén), oxidokat (például bór, szilícium, foszfor), halogenideket, kalkogenideket és sok szerves polimert.

Ebben az állapotban az anyag hosszú ideig stabil lehet, például egyes vulkáni üvegek korát több millió évre becsülik. Az üvegszerű amorf állapotú anyag fizikai és kémiai tulajdonságai jelentősen eltérhetnek a kristályos anyag tulajdonságaitól. Például az üveges germánium-dioxid kémiailag aktívabb, mint a kristályos. A folyékony és szilárd amorf állapot tulajdonságainak különbségét a részecskék hőmozgásának jellege határozza meg: amorf állapotban a részecskék csak rezgő és forgó mozgásra képesek, de az anyagon belül nem mozoghatnak.

Vannak olyan anyagok, amelyek csak szilárd formában, amorf állapotban létezhetnek. Ez a szabálytalan egységsorozatú polimerekre vonatkozik.

Amorf testek izotróp, azaz mechanikai, optikai, elektromos és egyéb tulajdonságaik nem függenek az iránytól. Az amorf testeknek nincs rögzített olvadáspontja: az olvadás egy bizonyos hőmérsékleti tartományban megy végbe. Az amorf anyag szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba való átmenete nem jár együtt a tulajdonságok hirtelen megváltozásával. Az amorf állapot fizikai modellje még nem készült.

Kristályos anyagok

Szilárd kristályok- háromdimenziós képződmények, amelyeket ugyanazon szerkezeti elem szigorú ismételhetősége jellemez ( egységcella) minden irányban. Az egységcella egy paralelepipedon formájú kristály legkisebb térfogata, amely végtelen számú alkalommal ismétlődik a kristályban.

A kristályok geometriailag helyes alakját elsősorban szigorúan szabályos belső szerkezetük határozza meg. Ha egy kristályban atomok, ionok vagy molekulák helyett pontokat ábrázolunk ezeknek a részecskéknek a súlypontjaként, akkor az ilyen pontok háromdimenziós szabályos eloszlását kapjuk, amelyet kristályrácsnak nevezünk. Magukat a pontokat hívják csomópontok kristályrács.

A kristályrácsok fajtái

Attól függően, hogy a kristályrács milyen részecskékből áll, és milyen a köztük lévő kémiai kötés jellege, különböző típusú kristályokat különböztetnek meg.

Az ionos kristályokat kationok és anionok képezik (például a legtöbb fém sói és hidroxidjai). Bennük ionos kötés van a részecskék között.

Az ionos kristályok állhatnak monatomikus ionok. Így épülnek fel a kristályok nátrium-klorid, kálium-jodid, kalcium-fluorid.
A monoatomos fémkationok és többatomos anionok, például a nitrátion NO 3 −, szulfátion SO 4 2−, karbonátion CO 3 2−, számos só ionos kristályainak képződésében vesznek részt.

Lehetetlen egyetlen molekulát izolálni egy ionos kristályban. Mindegyik kation vonzza az egyes anionokat, és más kationok taszítják őket. Az egész kristály hatalmas molekulának tekinthető. Egy ilyen molekula mérete nincs korlátozva, mivel új kationok és anionok hozzáadásával növekedhet.

A legtöbb ionos vegyület valamelyik szerkezeti típusban kristályosodik ki, amelyek a koordinációs szám értékében különböznek egymástól, vagyis az adott ion körüli szomszédok számában (4, 6 vagy 8). Az azonos számú kationt és aniont tartalmazó ionos vegyületek esetében a kristályrácsok négy fő típusa ismert: nátrium-klorid (mindkét ion koordinációs száma 6), cézium-klorid (mindkét ion koordinációs száma 8), szfalerit és wurtzit. (mindkét szerkezeti típust a kation és az anion 4-gyel egyenlő koordinációs száma jellemzi). Ha a kationok száma fele az anionok számának, akkor a kationok koordinációs számának kétszerese az anionok koordinációs számának. Ebben az esetben a fluorit (8-as és 4-es koordinációs szám), a rutil (6-os és 3-as koordinációs szám), valamint a krisztobalit (4-es és 2-es koordinációs szám) szerkezeti típusai valósulnak meg.

Az ionos kristályok általában kemények, de törékenyek. Törékenységük abból adódik, hogy a kationok és anionok a kristály enyhe deformációja esetén is oly módon elmozdulnak, hogy a hasonló ionok közötti taszító erők kezdenek felülkerekedni a kationok és anionok közötti vonzó erők felett, és a kristály megsemmisül.

Az ionos kristályoknak magas olvadáspontjuk van. Olvadt állapotban az ionkristályokat alkotó anyagok elektromosan vezetőképesek. Vízben oldva ezek az anyagok kationokká és anionokká disszociálnak, és a keletkező oldatok elektromos áramot vezetnek.

A poláris oldószerekben való nagy oldhatóság, amelyet elektrolitikus disszociáció kísér, annak köszönhető, hogy a nagy ε dielektromos állandójú oldószeres környezetben az ionok közötti vonzási energia csökken. A víz dielektromos állandója 82-szer nagyobb, mint a vákuumé (az ionkristályban feltételesen létezik), és a vizes oldatban az ionok közötti vonzás ugyanennyivel csökken. A hatást az ionok szolvatációja fokozza.

Az atomi kristályok egyedi atomokból állnak, amelyeket kovalens kötések tartanak össze. Az egyszerű anyagok közül csak a bór és az IVA csoport elemei rendelkeznek ilyen kristályrácsokkal. Gyakran a nemfémek egymással alkotott vegyületei (például szilícium-dioxid) is atomi kristályokat képeznek.

Csakúgy, mint az ionos kristályok, az atomkristályok is óriási molekuláknak tekinthetők. Nagyon tartósak és kemények, nem vezetik jól a hőt és az elektromosságot. Az atomi kristályrácsokkal rendelkező anyagok magas hőmérsékleten megolvadnak. Gyakorlatilag semmilyen oldószerben oldhatatlanok. Alacsony reaktivitás jellemzi őket.

A molekuláris kristályok egyedi molekulákból épülnek fel, amelyeken belül az atomok kovalens kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A molekulák között gyengébb intermolekuláris erők hatnak. Könnyen elpusztulnak, ezért a molekuláris kristályok alacsony olvadásponttal, alacsony keménységgel és nagy illékonysággal rendelkeznek. A molekuláris kristályrácsokat alkotó anyagok nem rendelkeznek elektromos vezetőképességgel, oldataik és olvadékaik sem vezetnek elektromos áramot.

Az intermolekuláris erők egy molekula negatív töltésű elektronjainak a szomszédos molekulák pozitív töltésű magjaival elektrosztatikus kölcsönhatása miatt keletkeznek. Az intermolekuláris kölcsönhatások erősségét számos tényező befolyásolja. Ezek közül a legfontosabb a poláris kötések jelenléte, vagyis az elektronsűrűség eltolódása egyik atomról a másikra. Ráadásul a nagyobb elektronszámú molekulák között erősebbek az intermolekuláris kölcsönhatások.

A legtöbb nemfém egyszerű anyagok formájában (pl. jód Az I 2 , az argon Ar, a kén S 8) és a vegyületek egymással (például víz, szén-dioxid, hidrogén-klorid), valamint szinte minden szilárd szerves anyag molekuláris kristályokat alkot.

A fémeket fémes kristályrács jellemzi. Fémkötést tartalmaz az atomok között. A fémkristályokban az atommagok úgy vannak elrendezve, hogy a lehető legsűrűbb legyen a csomagolásuk. Az ilyen kristályokban a kötés delokalizálódik, és az egész kristályra kiterjed. A fémkristályok nagy elektromos és hővezető képességgel rendelkeznek, fémes fényűek és átlátszóak, könnyen deformálhatók.

A kristályrácsok osztályozása korlátozott eseteknek felel meg. A legtöbb szervetlen anyag kristálya köztes típusokhoz tartozik - kovalens-ionos, molekuláris-kovalens stb. Például egy kristályban grafit Az egyes rétegeken belül a kötések kovalens-fémesek, a rétegek között pedig intermolekulárisak.

Izomorfizmus és polimorfizmus

Sok kristályos anyag szerkezete azonos. Ugyanakkor ugyanaz az anyag különböző kristályszerkezeteket képezhet. Ez tükröződik a jelenségekben izomorfizmusÉs polimorfizmus.

Izomorfizmus az atomok, ionok vagy molekulák azon képességében rejlik, hogy helyettesítsék egymást a kristályszerkezetekben. Ez a kifejezés (a görögből isos" - egyenlő és " morphe" - forma) E. Mitscherlich javasolta 1819-ben. Az izomorfizmus törvényét E. Mitscherlich 1821-ben így fogalmazta meg: "Azonos számú atom, azonos módon összekapcsolva, ugyanazt a kristályformát adja; Ráadásul a kristályforma nem függ az atomok kémiai természetétől, hanem csak számuk és relatív helyzetük határozza meg."

A Berlini Egyetem kémiai laboratóriumában dolgozó Mitscherlich felhívta a figyelmet az ólom-, bárium- és stroncium-szulfátok kristályainak teljes hasonlóságára és sok más anyag kristályformáinak hasonlóságára. Megfigyelései felkeltették a híres svéd vegyész, J.-Ya figyelmét. Berzelius, aki azt javasolta, hogy Mitscherlich erősítse meg a megfigyelt mintákat a foszforsav és az arzénsav vegyületek példáján. A vizsgálat eredményeként arra a következtetésre jutottak, hogy „a két sósorozat csak abban különbözik, hogy az egyik savgyökként arzént, a másik foszfort tartalmaz”. Mitscherlich felfedezése nagyon hamar felkeltette az ásványkutatók figyelmét, akik elkezdték kutatni az ásványi elemek izomorf helyettesítésének problémáját.

Az izomorfizmusra hajlamos anyagok együttes kristályosodása során ( izomorf anyagok), vegyes kristályok (izomorf keverékek) keletkeznek. Ez csak akkor lehetséges, ha az egymást helyettesítő részecskék mérete kicsi (legfeljebb 15%) különbözik egymástól. Ezenkívül az izomorf anyagoknak az atomoknak vagy ionoknak hasonló térbeli elrendezésével kell rendelkezniük, és ezért hasonló külső alakú kristályokkal kell rendelkezniük. Ilyen anyagok közé tartozik például a timsó. A káliumtimsó kristályokban KAl(SO 4) 2 . A 12H 2 O káliumkationok részben vagy teljesen helyettesíthetők rubídium- vagy ammóniumkationokkal, az alumíniumkationok pedig króm(III)- vagy vas(III)-kationokkal.

Az izomorfizmus széles körben elterjedt a természetben. A legtöbb ásvány összetett, változó összetételű izomorf keverék. Például a szfalerit ZnS ásványban a cink atomok akár 20%-a is helyettesíthető vasatomokkal (míg a ZnS és a FeS eltérő kristályszerkezetű). Az izomorfizmus a ritka és nyomelemek geokémiai viselkedésével, kőzetekben és ércekben való eloszlásával jár, ahol izomorf szennyeződések formájában vannak jelen.

Az izomorf helyettesítés meghatározza a modern technológia mesterséges anyagok - félvezetők, ferromágnesek, lézeranyagok - számos hasznos tulajdonságát.

Sok anyag kristályos formát képezhet, amelyek szerkezete és tulajdonságai eltérőek, de összetétele azonos ( polimorf módosítások). Polimorfizmus- a szilárd anyagok és a folyadékkristályok azon képessége, hogy két vagy több formában létezzenek, eltérő kristályszerkezettel és tulajdonságokkal, azonos kémiai összetétellel. Ez a szó a görögből származik" polymorphos"- változatos. A polimorfizmus jelenségét M. Klaproth fedezte fel, aki 1798-ban fedezte fel, hogy két különböző ásvány - a kalcit és az aragonit - azonos kémiai összetételű CaCO 3.

Az egyszerű anyagok polimorfizmusát általában allotrópiának nevezik, míg a polimorfizmus fogalma nem vonatkozik a nem kristályos allotróp formákra (például gáznemű O 2 és O 3). A polimorf formák tipikus példája a szén módosulásai (gyémánt, lonsdaleit, grafit, karabinok és fullerének), amelyek tulajdonságaiban élesen különböznek. A szén legstabilabb létezési formája a grafit, azonban egyéb módosulásai normál körülmények között korlátlan ideig fennmaradhatnak. Magas hőmérsékleten grafittá alakulnak. A gyémánt esetében ez akkor fordul elő, ha oxigén hiányában 1000 o C fölé hevítik. A fordított átmenetet sokkal nehezebb elérni. Nemcsak magas hőmérséklet (1200-1600 o C), hanem hatalmas nyomás is szükséges - akár 100 ezer atmoszféra is. A grafit gyémánttá alakítása könnyebb olvadt fémek (vas, kobalt, króm és mások) jelenlétében.

Molekuláris kristályok esetében a polimorfizmus a molekulák különböző pakolódásában a kristályban vagy a molekulák alakjának változásában, az ionos kristályoknál pedig a kationok és anionok eltérő relatív helyzetében nyilvánul meg. Egyes egyszerű és összetett anyagoknak kettőnél több polimorfja van. Például a szilícium-dioxidnak tíz módosítása van, a kalcium-fluoridnak - hat, az ammónium-nitrátnak - négy. A polimorf módosulatokat általában a görög α, β, γ, δ, ε,... betűkkel jelöljük, kezdve az alacsony hőmérsékleten stabil módosításokkal.

Több polimorf módosulattal rendelkező anyag gőzből, oldatból vagy olvadékból történő kristályosításakor először egy adott körülmények között kevésbé stabil módosulat képződik, amely aztán stabilabbá válik. Például a foszforgőz kondenzálásakor fehér foszfor képződik, amely normál körülmények között lassan, de melegítés hatására gyorsan vörös foszforrá alakul. Az ólom-hidroxid dehidratálásakor először (kb. 70 o C-on) sárga β-PbO képződik, amely alacsony hőmérsékleten kevésbé stabil, 100 o C körül vörös α-PbO-vá alakul, 540 o C-on pedig vissza β-PbO-ba.

Az egyik polimorfból a másikba való átmenetet polimorf transzformációnak nevezzük. Ezek az átmenetek akkor következnek be, amikor a hőmérséklet vagy a nyomás megváltozik, és a tulajdonságok hirtelen megváltozásával járnak együtt.

Az egyik módosításról a másikra való átmenet folyamata lehet reverzibilis vagy visszafordíthatatlan. Így ha egy BN összetételű, fehér lágy grafitszerű anyagot (bór-nitrid) 1500-1800 o C-ra és több tíz atmoszféra nyomásra hevítünk, annak magas hőmérsékletű módosulása képződik - Borazon, keménysége közel a gyémánthoz. Ha a hőmérsékletet és a nyomást a normál körülményeknek megfelelő értékekre csökkentik, a borazon megtartja szerkezetét. A reverzibilis átmenetre példa a kén két módosulatának (ortorombikus és monoklin) kölcsönös átalakulása 95 o C-on.

A polimorf átalakulások jelentős szerkezeti változás nélkül is bekövetkezhetnek. Néha a kristályszerkezetben egyáltalán nem történik változás, például az α-Fe β-Fe-vé való átmenete során 769 o C-on a vas szerkezete nem változik, de ferromágneses tulajdonságai eltűnnek.