Δεν έχουν κρυσταλλική δομή. Κύρια χαρακτηριστικά των κρυσταλλικών δομών

Ρύζι. 17. Snowflakes - Skeletal Ice Crystals

Από την εμπειρία είναι γνωστό ότι σε μια κρυσταλλική ουσία οι φυσικές ιδιότητες είναι ίδιες σε παράλληλες κατευθύνσεις και η ιδέα της δομής των ουσιών απαιτεί τα σωματίδια (μόρια, άτομα ή ιόντα) που αποτελούν τον κρύσταλλο να βρίσκονται από κάθε άλλα σε ορισμένες πεπερασμένες αποστάσεις. Με βάση αυτές τις παραδοχές, είναι δυνατό να κατασκευαστεί ένα γεωμετρικό διάγραμμα της κρυσταλλικής δομής. Για να γίνει αυτό, η θέση κάθε συστατικού σωματιδίου μπορεί να σημειωθεί με μια τελεία. Όλα κρυστάλλινατο κτίριο θα παρουσιαστεί στη συνέχεια ως ένα σύστημα σημείων που βρίσκονται τακτικά στο χώρο, και για οποιοδήποτε παράλληλοοι κατευθύνσεις της απόστασης μεταξύ των σημείων θα είναι ίδιες. Μια τέτοια σωστή διάταξη σημείων στο χώρο ονομάζεται

χωρικό πλέγμα, και αν κάθε σημείο αντιπροσωπεύει τη θέση ενός ατόμου, ιόντος ή μορίου σε έναν κρύσταλλο - ένα κρυσταλλικό πλέγμα.

Η κατασκευή ενός χωρικού πλέγματος μπορεί να φανταστεί κανείς ως εξής.

Α 0(Εικ. 18) υποδηλώνει το κέντρο ενός ατόμου ή ιόντος. Έστω το ίδιο κέντρο που βρίσκεται πλησιέστερα σε αυτό με το σημείο Α, τότε, με βάση την ομοιογένεια του κρυσταλλικού, σε απόσταση A 1 A 2 \u003d A 0 A 1πρέπει να είναι το κέντρο Α2 ;Συνεχίζοντας περαιτέρω αυτό το επιχείρημα, μπορούμε να λάβουμε μια σειρά από σημεία: Α 0, Α 1, Α 2, Α 3 ...

Ας υποθέσουμε ότι το πλησιέστερο σημείο σε Α 0προς την άλλη κατεύθυνση θα R0,τότε πρέπει να υπάρχει ένα σωματίδιο S0σε απόσταση R 0 S 0= L 0 R 0, κ.λπ., δηλαδή, θα ληφθεί μια άλλη σειρά πανομοιότυπων σημείων A 0 , R 0 , S 0… Αν περάσει R 0, S 0κ.λπ. σχεδιάστε γραμμές παράλληλες με A 0, A 1, A 2, έχετε τις ίδιες σειρές R 0 , R 1 , R 2 , S 0 , S 1 , S 2 ... και τα λοιπά

Ρύζι. 18. Χωρικό πλέγμα

Ως αποτέλεσμα της κατασκευής, προέκυψε ένα πλέγμα, οι κόμβοι του οποίου αντιστοιχούν στα κέντρα των σωματιδίων που αποτελούν τον κρύσταλλο.

Αν το φανταστούμε σε κάθε σημείο Στο 0 Co, κ.λπ., αποκαθίσταται το ίδιο πλέγμα όπως στο A 0 , ως αποτέλεσμα αυτής της κατασκευής, θα προκύψει ένα χωρικό πλέγμα, το οποίο κατά μια έννοια θα εκφράζει τη γεωμετρική δομή του κρυστάλλου.

Τι είναι οι κρύσταλλοι

Η θεωρία των χωρικών δικτυωμάτων, που δημιουργήθηκε από τον μεγάλο Ρώσο κρυσταλλογράφο E. S. Fedorov, έλαβε λαμπρή επιβεβαίωση στη μελέτη της δομής των κρυστάλλων χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ. Αυτές οι μελέτες παρέχουν όχι μόνο εικόνες χωρικών δικτυωμάτων, αλλά και τα ακριβή μήκη των κενών μεταξύ των σωματιδίων που βρίσκονται στους κόμβους τους.

Ρύζι. 19. Δομή διαμαντιού

Ταυτόχρονα, αποδείχθηκε ότι υπάρχουν διάφοροι τύποι χωρικών δικτυωμάτων, τα οποία διαφέρουν τόσο στη φύση της διάταξης των σωματιδίων όσο και στη χημική τους φύση.

Σημειώνουμε τους ακόλουθους τύπους χωρικών δικτυωμάτων:

Ατομικά δομικά πλέγματα. Στους κόμβους αυτών των δικτυωμάτων, βρίσκονται άτομα οποιασδήποτε ουσίας ή στοιχείου, που συνδέονται απευθείας μεταξύ τους σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Αυτός ο τύπος πλέγματος είναι χαρακτηριστικός για το διαμάντι, το μείγμα ψευδαργύρου και ορισμένα άλλα ορυκτά (βλ. Εικ. 19 και 20).

Ιωνικά δομικά πλέγματα. Στους κόμβους αυτών των πλεγμάτων υπάρχουν ιόντα, δηλαδή άτομα που έχουν θετικό ή αρνητικό φορτίο.

Τα ιοντικά πλέγματα είναι κοινά για ανόργανες ενώσεις, όπως αλογόνα αλκαλιμετάλλων, πυριτικά κ.λπ.

Ένα εξαιρετικό παράδειγμα είναι το πλέγμα του ορυκτού αλατιού (NaCl) (Εικ. 21). Σε αυτό, τα ιόντα νατρίου (Na) εναλλάσσονται σε τρεις αμοιβαία κάθετες κατευθύνσεις με ιόντα χλωρίου (Cl) σε διαστήματα ίσα με 0,28 χιλιοστό του μικρού.

Ρύζι. 20. Δομή μείγματος ψευδαργύρου

Σε κρυσταλλικές ουσίες με παρόμοια δομή, τα κενά μεταξύ των ατόμων σε ένα μόριο είναι ίσα με τα κενά μεταξύ των μορίων και η ίδια η έννοια του μορίου χάνει το νόημά της για τέτοιους κρυστάλλους. Στο σχ. 20 κάθε ιόν νατρίου έχει

από πάνω, κάτω, προς τα δεξιά, προς τα αριστερά, μπροστά και πίσω σε ίσες αποστάσεις από αυτό, ένα ιόν χλωρίου το καθένα, που ανήκει τόσο σε αυτό το «μόριο» όσο και σε γειτονικά «μόρια» και είναι αδύνατο να πούμε με ποιο συγκεκριμένο ιόν χλωρίου από αυτά τα έξι αποτελεί μόριο ή θα το αποτελούσε κατά τη μετάβαση σε αέρια κατάσταση.

Εκτός από τους τύπους που περιγράφονται παραπάνω, υπάρχουν μοριακά δομικά πλέγματα, στους κόμβους των οποίων δεν υπάρχουν άτομα ή ιόντα, αλλά ξεχωριστά, ηλεκτρικά ουδέτερα μόρια. Τα μοριακά πλέγματα είναι ιδιαίτερα χαρακτηριστικά για διάφορες οργανικές ενώσεις ή, για παράδειγμα, για "ξηρό πάγο" - κρυσταλλικό CO 2.

Ρύζι. 21. Κρυσταλλικό πλέγμα από ορυκτό αλάτι

Οι αδύναμοι ("υπολειπόμενοι") δεσμοί μεταξύ των δομικών μονάδων τέτοιων δικτυωμάτων καθορίζουν τη χαμηλή μηχανική αντοχή τέτοιων δικτυωμάτων, τα χαμηλά σημεία τήξης και βρασμού τους. Υπάρχουν επίσης κρύσταλλοι που συνδυάζουν διαφορετικούς τύπους δικτυωμάτων. Σε ορισμένες κατευθύνσεις, οι δεσμοί των σωματιδίων είναι ιοντικοί (σθένος) και σε άλλες, μοριακοί (υπολειπόμενοι). Αυτή η δομή οδηγεί σε διαφορετική μηχανική αντοχή σε διαφορετικές κατευθύνσεις, προκαλώντας μια έντονη ανισοτροπία των μηχανικών ιδιοτήτων. Έτσι, οι κρύσταλλοι μολυβδενίτη (MoS 2) χωρίζονται εύκολα κατά μήκος της κατεύθυνσης του πινακοειδούς (0001) και δίνουν στους κρυστάλλους αυτού του ορυκτού μια φολιδωτή εμφάνιση, παρόμοια με τους κρυστάλλους γραφίτη, όπου βρίσκεται παρόμοια δομή. Ο λόγος για τη χαμηλή μηχανική αντοχή στην κατεύθυνση κάθετη προς το (0001) είναι η απουσία ιοντικών δεσμών προς αυτή την κατεύθυνση. Η ακεραιότητα του πλέγματος εδώ διατηρείται μόνο από δεσμούς μοριακής (υπολειμματικής) φύσης.

Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, είναι εύκολοένας παράλληλος μεταξύ της εσωτερικής δομής μιας άμορφης ουσίας, αφενός, και μιας κρυσταλλικής, από την άλλη:

1. Σε μια άμορφη ουσία, τα σωματίδια είναι διατεταγμένα σε αταξία, σαν να καθορίζουν τη μερικώς χαοτική κατάσταση του υγρού. Ως εκ τούτου, ορισμένοι ερευνητές αποκαλούν, για παράδειγμα, υπερψυγμένα υγρά.

2. Σε μια κρυσταλλική ουσία, τα σωματίδια είναι διατεταγμένα με τάξη και καταλαμβάνουν μια ορισμένη θέση στους κόμβους του χωρικού πλέγματος.

Η διαφορά μεταξύ κρυσταλλικής και υαλώδους (άμορφης) ύλης μπορεί να συγκριθεί με τη διαφορά μεταξύ μιας πειθαρχημένης στρατιωτικής μονάδας και ενός διασκορπισμένου πλήθους. Φυσικά, η κρυσταλλική κατάσταση είναι πιο σταθερή από την άμορφη κατάσταση και μια άμορφη ουσία θα διαλυθεί πιο εύκολα, θα αντιδράσει χημικά ή θα λιώσει. Τα φυσικά τείνουν πάντα να αποκτούν κρυσταλλική δομή, «κρυσταλλώνονται», για παράδειγμα (άμορφο πυρίτιο) τελικά μετατρέπεται σε χαλκηδόνιο - κρυσταλλικό πυρίτιο.

Μια ουσία σε κρυσταλλική κατάσταση συνήθως καταλαμβάνει κάπως μικρότερο όγκο από ότι σε άμορφη μορφή και έχει μεγαλύτερο ειδικό βάρος. για παράδειγμα, η σύνθεση αλβίτη - άστριος NaAlSi 3 O 8 σε άμορφη κατάσταση παίρνει 10 κυβικά μέτρα. μονάδες, και στον κρύσταλλο - μόνο 9. ένας cm 3το κρυσταλλικό πυρίτιο (χαλαζίας) ζυγίζει 2,54 ΣΟΛ,και ο ίδιος όγκος υαλώδους πυριτίου (συντηγμένος χαλαζίας) είναι μόνο 2,22 ΣΟΛ.Ειδική περίπτωση είναι ο πάγος, ο οποίος έχει μικρότερο ειδικό βάρος από αυτό που λαμβάνεται στην ίδια ποσότητα.

ΜΕΛΕΤΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΝ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΚΤΙΝΕΣ

Το ζήτημα των αιτιών των κανονικοτήτων στην κατανομή των φυσικών ιδιοτήτων σε μια κρυσταλλική ουσία, το ζήτημα της εσωτερικής δομής των κρυστάλλων επιχειρήθηκε για πρώτη φορά από τον M.V. το 1749 χρησιμοποιώντας ως παράδειγμα το άλας. Αυτό το ερώτημα αναπτύχθηκε ευρύτερα ήδη στα τέλη του 18ου αιώνα. Γάλλος κρυσταλλογράφος Ayui. Ο Ayui πρότεινε ότι κάθε ουσία έχει μια συγκεκριμένη κρυσταλλική μορφή. Αυτή η θέση διαψεύστηκε αργότερα με την ανακάλυψη των φαινομένων του ισομορφισμού και του πολυμορφισμού. Αυτά τα φαινόμενα, που παίζουν σημαντικό ρόλο στην ορυκτολογία, θα τα εξετάσουμε λίγο αργότερα.

Χάρη στο έργο του Ρώσου κρυσταλλογράφου E. S. Fedorov και ορισμένων άλλων κρυσταλλογράφων, η θεωρία των χωρικών δικτυωμάτων, που περιγράφηκε συνοπτικά στο προηγούμενο κεφάλαιο, αναπτύχθηκε μαθηματικά και με βάση τη μελέτη του σχήματος των κρυστάλλων, προέκυψαν πιθανοί τύποι χωρικών δικτυωμάτων. ; αλλά μόνο τον 20ο αιώνα, χάρη στη μελέτη των κρυστάλλων με ακτίνες Χ, αυτή η θεωρία δοκιμάστηκε πειραματικά και επιβεβαιώθηκε έξοχα. Διάφοροι φυσικοί: Laue, Braggum, G. V. Wulff και άλλοι, κατάφεραν, χρησιμοποιώντας τη θεωρία των χωρικών δικτυωμάτων, να αποδείξουν με απόλυτη βεβαιότητα ότι σε ορισμένες περιπτώσεις υπάρχουν άτομα στους κόμβους των κρυσταλλικών δικτύων και σε άλλες, μόρια ή ιόντα .

Οι ακτίνες, που ανακαλύφθηκαν από τον Ρέντγκεν το 1895, που φέρουν το όνομά του, αντιπροσωπεύουν έναν από τους τύπους ακτινοβολούμενης ενέργειας και, από πολλές απόψεις,Μοιάζουν με ακτίνες φωτός, διαφέροντας από αυτές μόνο στο μήκος κύματος τους, το οποίο είναι αρκετές χιλιάδες φορές μικρότερο από το μήκος κύματος του φωτός.

Ρύζι. 22. Σχέδιο για τη λήψη ενός σχεδίου περίθλασης ακτίνων Χ ενός κρυστάλλου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Laue:
Α - σωλήνας ακτίνων Χ. Β - διάφραγμα? C - κρύσταλλο; D - φωτογραφική πλάκα

Το 1912, ο Laue χρησιμοποίησε έναν κρύσταλλο, όπου τα άτομα είναι διατεταγμένα σε ένα χωρικό πλέγμα, ως πλέγμα περίθλασης για να αποκτήσει παρεμβολή ακτίνων Χ. Στην έρευνά του, μια στενή δέσμη παράλληλων ακτίνων Χ (Εικ. 22) πέρασε μέσα από ένα λεπτό κρύσταλλο μείγματος ψευδαργύρου C. Σε κάποια απόσταση από τον κρύσταλλο καιΜια φωτογραφική πλάκα D τοποθετήθηκε κάθετα στη δέσμη των ακτίνων, προστατευμένη από την άμεση δράση των πλευρικών ακτίνων Χ και από το φως της ημέρας με μολύβδινες οθόνες.

Με παρατεταμένη έκθεση για αρκετές ώρες, οι πειραματιστές έλαβαν μια εικόνα παρόμοια με το Σχ. 23.

Για ακτίνες φωτός που έχουν μεγάλο μήκος κύματος σε σύγκριση με το μέγεθος των ατόμων, τα ατομικά πλέγματα του χωρικού πλέγματος παίζουν το ρόλο πρακτικά συνεχών επιπέδων και οι ακτίνες φωτός αντανακλώνται πλήρως από την επιφάνεια του κρυστάλλου. Πολύ μικρότερες ακτίνες Χ που ανακλώνται από πολυάριθμα ατομικά πλέγματα που βρίσκονται σε συγκεκριμένες αποστάσεις το ένα από το άλλο, πηγαίνοντας προς την ίδια κατεύθυνση, θα παρεμβαίνουν, θα εξασθενούν και στη συνέχεια θα ενισχύουν η μία την άλλη. Σε μια φωτογραφική πλάκα τοποθετημένη στην πορεία τους, οι ενισχυμένες ακτίνες θα δώσουν μαύρες κηλίδες κατά τη διάρκεια μιας μακράς έκθεσης, διατεταγμένες τακτικά, σε στενή σχέση με την εσωτερική δομή του κρυστάλλου, δηλαδή με το ατομικό του δίκτυο και με τα χαρακτηριστικά των μεμονωμένων ατόμων που βρίσκονται μέσα σε αυτό.

Εάν πάρουμε μια πλάκα κομμένη από έναν κρύσταλλο σε μια συγκεκριμένη κρυσταλλογραφική κατεύθυνση και πραγματοποιήσουμε το ίδιο πείραμα με αυτό, τότε ένα σχέδιο που αντιστοιχεί στη συμμετρία της κρυσταλλικής δομής θα είναι ορατό στο σχέδιο ακτίνων Χ.

Τα πυκνότερα ατομικά δίκτυα αντιστοιχούν στα πιο σκοτεινά σημεία. Πρόσωπα αραιά τοποθετημένα με άτομα δίνουν αδύναμα σημεία ή σχεδόν κανένα. Το κεντρικό σημείο σε μια τέτοια ακτινογραφία λαμβάνεται από ακτίνες Χ που έχουν περάσει μέσα από την πλάκα

Ρύζι. 23. Περίθλαση ακτίνων Χ ενός κρυστάλλου ορυκτού άλατος κατά μήκος του άξονα 4ης τάξης

σε ευθύ μονοπάτι. οι υπόλοιπες κηλίδες σχηματίζουν ακτίνες που ανακλώνται από ατομικά πλέγματα.

Στο σχ. Το 23 δείχνει μια φωτογραφία ακτίνων Χ ενός κρυστάλλου αλατιού από τον οποίο κόπηκε μια πλάκα περίπου 3 mmπάχος παράλληλο με την όψη του κύβου. Ένα μεγάλο σημείο είναι ορατό στη μέση - ένα ίχνος της κεντρικής δέσμης των ακτίνων.

Η διάταξη των μικρών κηλίδων είναι συμμετρική και υποδηλώνει την ύπαρξη ενός άξονα συμμετρίας 4ης τάξης και τεσσάρων επιπέδων συμμετρίας.

Η δεύτερη απεικόνιση (Εικ. 24) απεικονίζει ένα σχέδιο περίθλασης ακτίνων Χ ενός κρυστάλλου ασβεστίτη. Η φωτογραφία τραβήχτηκε προς την κατεύθυνση του άξονα συμμετρίας 3ης τάξης. με γράμματα Ουποδεικνύονται τα άκρα των αξόνων συμμετρίας 2ης τάξης.

Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι για τη μελέτη της δομής των κρυσταλλικών σωμάτων. Ένα ουσιαστικό χαρακτηριστικό της μεθόδου Laue, που περιγράφεται εν συντομία παραπάνω, είναι η χρήση μόνο μεγάλων κρυστάλλων με ακρίβεια προσανατολισμένων σε σχέση με τη διερχόμενη δέσμη ακτίνων Χ.

Εάν είναι αδύνατο να χρησιμοποιηθούν μεγάλοι κρύσταλλοι, συνήθως χρησιμοποιείται η «μέθοδος σε σκόνη» (μέθοδος Debye-Scherer). Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι δεν απαιτεί μεγάλους κρυστάλλους. Πριν από τη δοκιμή, η ελεγχόμενη ουσία σε μια λεπτά διαιρεμένη κατάσταση πιέζεται συνήθως σε μια μικρή στήλη. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη όχι μόνο συμπιεσμένων σκονών, αλλά και για επεξεργασία τελικών μεταλλικών δειγμάτων με τη μορφή σύρματος, εάν οι κρύσταλλοι τους είναι αρκετά μικροί.

Παρουσία μεγάλου αριθμού κρυστάλλων, η αντανάκλαση μπορεί να συμβεί από οποιαδήποτε όψη κάθε κρυστάλλου. Επομένως, στο μοτίβο ακτίνων Χ που λαμβάνεται με τη «μέθοδο της σκόνης», λαμβάνεται συνήθως μια σειρά γραμμών που δίνουν ένα χαρακτηριστικό της υπό μελέτη ουσίας.

Χάρη στη χρήση ακτίνων Χ για τη μελέτη των κρυστάλλων, ήταν τελικά δυνατό να διεισδύσει στην περιοχή της πραγματικής θέσης μορίων, ιόντων και ατόμων μέσα στους κρυστάλλους και να προσδιορίσει όχι μόνο το σχήμα του ατομικού πλέγματος, αλλά και τις αποστάσεις μεταξύ των σωματίδια που το αποτελούν.

Η μελέτη της δομής των κρυστάλλων χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ κατέστησε δυνατό τον προσδιορισμό του φαινομενικού μεγέθους των ιόντων που συνθέτουν αυτόν τον κρύσταλλο. Η μέθοδος για τον προσδιορισμό της τιμής της ακτίνας ενός ιόντος, ή, όπως συνήθως λένε, της ιοντικής ακτίνας, θα είναι σαφής από το ακόλουθο παράδειγμα. Η μελέτη κρυστάλλων όπως MgO, MgS και MgSe, αφενός, και MnO, MnS και MnSe, αφετέρου, έδωσε τις ακόλουθες διαιονικές αποστάσεις:

Για

MgO -2,10 Å MnO - 2,24 Å

MgS - 2,60 Α και MnS - 2,59 Α

MgSe - 2,73 Å MnSa - 2,73 Å,

όπου Å-δηλώνει την τιμή του "angstrom", ίση με ένα δέκα εκατομμυριοστό του χιλιοστού.

Μια σύγκριση των δεδομένων τιμών δείχνει ότι για την ενδοιονική απόσταση στις ενώσεις MgO και MnO, τα μεγέθη των ιόντων Mg και Mn παίζουν συγκεκριμένο ρόλο. Σε άλλες ενώσεις, φαίνεται ότι η απόσταση μεταξύ των ιόντων S και Se δεν εξαρτάται από την είσοδοένα άλλο ιόν, το οποίο ενώνει τις ενώσεις, και τα ιόντα S και Se έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, δημιουργώντας την πιο πυκνή συσσώρευση ιόντων.

Ρύζι. 24. Σχέδιο ακτίνων Χ κρυστάλλου ασβεστίτη στον άξονα 3ης τάξης

Ο υπολογισμός δίνει για S -2 ιοντική ακτίνα 1,84 Å,

ένα για Se -2 - 1,93 Å. Γνωρίζοντας τις ιοντικές ακτίνες S-2 και Se-2, μπορεί κανείς να υπολογίσει και τις ιοντικές ακτίνες άλλων ιόντων. Άρα το O 2 έχει ιοντικό

ακτίνα ίση με 1,32Å. F -1 - 1,33Å, Na + l -0,98Å, Ca + 2 - 1,06,

K +1 - 1,33, Mg +2 -0,78Å, Al +3 -0,57Å, Si +4 - 0,39Å, κ.λπ. Η τιμή της ιοντικής ακτίνας παίζει μεγάλο ρόλο στον ισομορφισμό και τον πολυμορφισμό, ο οποίος θα συζητηθεί στο τις σχετικές ενότητες.

Η δομική μελέτη των ορυκτών με ακτίνες Χ έχει προχωρήσει πολύ τη σύγχρονη ορυκτολογία, τόσο όσον αφορά την κατανόηση της δομής των ορυκτών όσο και τη σχέση της δομής και της σύνθεσής τους με άλλες σημαντικές ιδιότητες, όπως η διάσπαση, ο δείκτης διάθλασης κ.λπ. Η σημασία του Η μελέτη των ορυκτών με ακτίνες Χ εκφράζεται όμορφα με την ακόλουθη φράση: ορυκτό στο βαθμό που μπορεί κανείς να μελετήσει ένα κτίριο κοιτάζοντάς το από έξω, και οι χημικοί προσπάθησαν να γνωρίσουν αυτό το κτίριο καταστρέφοντάς το και μετά μελετώντας χωριστά τα υλικά που ήταν μέρος από αυτό, η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ για πρώτη φορά μας επέτρεψε να εισέλθουμε στο κτίριο και να παρατηρήσουμε την εσωτερική θέση και τη διακόσμησή του».

Άρθρο με θέμα τη δομή των κρυστάλλων

Τα προηγούμενα μας επιτρέπουν να δώσουμε τον ακόλουθο ορισμό της έννοιας της «κρυσταλλικής δομής». Μια κρυσταλλική δομή είναι μια τέτοια δομή, η οποία χαρακτηρίζεται από μια διατεταγμένη διάταξη σωματιδίων σε αυστηρά καθορισμένα σημεία του χώρου, τα οποία σχηματίζουν ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Αυτή η διάταξη καθιστά δυνατή πειραματικά και θεωρητικά την πλήρη μελέτη της δομής της στερεάς κατάστασης και των φαινομένων που σχετίζονται με τη φύση των δυνάμεων αλληλεπίδρασης στα κρυσταλλικά σώματα.

Κάθε κρύσταλλος χαρακτηρίζεται ανισοτροπίακαι μια έντονη θερμοκρασία μετάπτωσης υγρού. Οι κρύσταλλοι χαρακτηρίζονται από εξωτερική συμμετρία στη διάταξη των σωματιδίων, η οποία εκφράζεται από την παρουσία τριών στοιχείων συμμετρίας: κέντρο, άξονα και επίπεδο συμμετρίας. Κέντρο συμμετρίας -ένα σημείο που χωρίζει στο μισό όλες τις ευθείες γραμμές που συνδέουν τις εξωτερικές επιφάνειες του κρυστάλλου, που σύρονται μέσα από αυτό προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Επίπεδο συμμετρίαςχωρίζει τον κρύσταλλο σε δύο μέρη που σχετίζονται μεταξύ τους, ως αντικείμενο στην κατοπτρική του εικόνα. ΑΞΟΝΑΣ συμμετριας- αυτή είναι μια τέτοια γραμμή, όταν περιστρέφεται γύρω από την οποία σε μια ορισμένη γωνία, λαμβάνεται μια πλήρης σύμπτωση της νέας θέσης με την προηγούμενη. Όσο περισσότερα στοιχεία συμμετρίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η εξωτερική συμμετρία του κρυστάλλου. Μια μπάλα είναι μια απόλυτα συμμετρική φιγούρα.

Επί του παρόντος, όλη η ποικιλία των κρυσταλλικών μορφών σύμφωνα με το συνδυασμό στοιχείων συμμετρίας (συριγγονία) μειώνεται σε επτά τύπους: κανονική (κυβική), τριγωνική, εξαγωνική, τετραγωνική, ρομβική, μονοκλινική και τρικλινική. Πίνακας 3.2. δίνεται η ταξινόμηση των κρυστάλλων σύμφωνα με τη συγγονία.

Πίνακας 3.2. Ταξινόμηση κρυστάλλων κατά συγγονία

Οι κρύσταλλοι της κατώτερης συνγονίας χαρακτηρίζονται από λιγότερη συμμετρία. Οι κρύσταλλοι μιας υψηλότερης κατηγορίας συνγονίας έχουν μια πιο τέλεια μορφή του κρυσταλλικού πλέγματος και, ως εκ τούτου, είναι πιο σταθεροί υπό ορισμένες συνθήκες ύπαρξης.

Πολλές ουσίες σε κρυσταλλική κατάσταση χαρακτηρίζονται από πολυμορφισμός, δηλ. την ικανότητα μιας ουσίας να υπάρχει με τη μορφή πολλών κρυσταλλικών δομών με διαφορετικές ιδιότητες. Ο πολυμορφισμός των απλών ουσιών ονομάζεται αλλοτροπία. Γνωστές πολυμορφικές τροποποιήσεις άνθρακα (διαμάντι, γραφίτης), χαλαζία (α-χαλαζίας, β-χαλαζίας), σίδηρο, βολφράμιο κ.λπ.

Εάν δύο διαφορετικές ουσίες έχουν την ίδια κρυσταλλική δομή, παρόμοιο χημικό τύπο και δεν διαφέρουν πολύ στο μέγεθος των σωματιδίων τους, τότε μπορούν να σχηματίσουν μικτούς κρυστάλλους. Τέτοιες ουσίες ονομάζονται ισομορφικές, η ικανότητά τους να σχηματίζουν μεικτούς κρυστάλλους ονομάζεται ισομορφισμός. Παράδειγμα: οι κρύσταλλοι καολινίτη Al 2 O 3 είναι παρόμοιοι σε σύνθεση και δομή, αλλά διαφορετικοί στις ιδιότητες. 2SiO2. 2H 2 O, πυροφυλλίτης Al 2 O 3. 4SiO2. 2H 2 O και μοντμοριλλονίτης Al 2 O 3 . 4SiO2. 3Η2Ο.

πραγματικούς κρυστάλλους. Στην πρακτική μας δραστηριότητα, ασχολούμαστε με πραγματικούς κρυστάλλους, οι οποίοι διαφέρουν από τους ιδανικούς από παραβιάσεις (ελαττώματα) του κρυσταλλικού πλέγματος, που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα των αλλαγών στις συνθήκες ισορροπίας για την ανάπτυξη των κρυστάλλων, της δέσμευσης ακαθαρσιών κατά την κρυστάλλωση και επίσης υπό την επίδραση διαφόρων ειδών εξωτερικών επιρροών.

Άμορφη δομή

Η άμορφη δομή είναι μια από τις φυσικές καταστάσεις των στερεών.Οι άμορφες ουσίες χαρακτηρίζονται από δύο χαρακτηριστικά. Πρώτον, οι ιδιότητες τέτοιων ουσιών υπό κανονικές συνθήκες δεν εξαρτώνται από την επιλεγμένη κατεύθυνση, δηλ. αυτοί - ισότροπος. Δεύτερον, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η άμορφη ουσία μαλακώνει και σταδιακά περνά στην υγρή κατάσταση. Η ακριβής τιμή του σημείου τήξης δεν είναι διαθέσιμη.

Κοινό στις κρυσταλλικές και άμορφες καταστάσεις της ύλης είναι η απουσία μεταφορικής κίνησης των σωματιδίων και η διατήρηση μόνο της ταλαντευτικής τους κίνησης γύρω από τη θέση ισορροπίας. Η διαφορά μεταξύ τους έγκειται στην παρουσία ενός γεωμετρικά κανονικού πλέγματος στους κρυστάλλους και στην απουσία τάξης μεγάλης εμβέλειας στη διάταξη των ατόμων σε άμορφες ουσίες.

Η άμορφη κατάσταση της ύλης, σε σύγκριση με την κρυσταλλική κατάσταση, είναι πάντα λιγότερο σταθερή και έχει υπερβολική παροχή εσωτερικής ενέργειας. Από αυτή την άποψη, υπό ορισμένες προϋποθέσεις, η μετάβαση από την άμορφη κατάσταση στην κρυσταλλική κατάσταση συμβαίνει αυθόρμητα.

Τα στερεά σε άμορφη κατάσταση μπορούν να ληφθούν με δύο τρόπους. Ο πρώτος τρόπος είναι η ταχεία ψύξη τήγματος κρυσταλλικών ουσιών, κυρίως ιοντικής και ομοιοπολικής δομής. Ένας τυπικός εκπρόσωπος τέτοιων άμορφων σωμάτων είναι τα πυριτικά γυαλιά, η άσφαλτος, οι ρητίνες κ.λπ.

Ο δεύτερος τρόπος είναι η διασπορά των κρυσταλλικών δομών. Ως αποτέλεσμα της διασποράς κρυσταλλικών σωμάτων, σχηματίζονται άμορφες διασπορές με τη μορφή κολλοειδών και διαλυμάτων. Όταν καταστρέφονται ή συμπυκνώνονται, οι διασπορές αλλάζουν την κατάσταση συσσώρευσής τους. Τα υπερκορεσμένα διαλύματα, για παράδειγμα, μπορούν να πήξουν και να σχηματίσουν ένα πολυμερές ή να κρυσταλλωθούν.

Οι άμορφες ουσίες υποδιαιρούνται σε υαλοειδή (γυαλιά), διασπαρμένα συστήματα και πολυμερή.

υαλοειδώνείναι στερεά σε άμορφη κατάσταση με υαλώδη δομή. Όπως έχει ήδη σημειωθεί, τα γυαλιά σχηματίζονται ως αποτέλεσμα ταχείας ψύξης, κυρίως τήγματος πυριτικών. Η γρήγορη ψύξη αποτρέπει τη δημιουργία μιας διατεταγμένης δομής. Ειδικά αν τα μόρια είναι ογκώδη και ο ρυθμός ψύξης είναι υψηλός.

Μέθοδοι για την περιγραφή και την απεικόνιση ενός ατόμου

Κρυσταλλικές δομές

κρυστάλλους

Η περιοδικότητα της δομής είναι η πιο χαρακτηριστική ιδιότητα των κρυστάλλων. Σε ένα περιοδικό πλέγμα, μπορεί κανείς πάντα να διακρίνει στοιχειώδες κελί, που εκπέμπει στο διάστημα είναι εύκολο να πάρεις μια ιδέα για τη δομή ολόκληρου του κρυστάλλου. Ο σχηματισμός ενός συγκεκριμένου χωρικού πλέγματος από οποιοδήποτε στοιχείο ή ένωση εξαρτάται κυρίως από το μέγεθος των ατόμων και την ηλεκτρονική διαμόρφωση των εξωτερικών κελυφών τους.

Σχεδόν 40 χρόνια πριν βρεθούν οι μέθοδοι ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ, ο Ρώσος επιστήμονας E. S. Fedorov υπολόγισε τις πιθανές διευθετήσεις σωματιδίων στα κρυσταλλικά πλέγματα διαφόρων ουσιών και πρότεινε 230 χωρικές ομάδες. Γεωμετρικά, μόνο 14 διαφορετικά χωρικά πλέγματα είναι δυνατά, τα οποία ονομάζονται πλέγματα Bravais και αποτελούν τη βάση των έξι κρυσταλλικών συστημάτων που φαίνονται στον Πίνακα. 2.1 και στην εικ. 2.1. Μερικές φορές θεωρούν ένα ρομβοεδρικό ή τριγωνικό σύστημα (a \u003d b \u003d Με; α = β = γ ≠ 90°) ως ανεξάρτητο έβδομο σύστημα.

Εάν τα άτομα βρίσκονται μόνο στις κορυφές της μονάδας κυψέλης, τότε το πλέγμα καλείται πρωτόγονοςή απλός. Εάν υπάρχουν άτομα στις όψεις ή στον όγκο της κυψέλης, τότε το πλέγμα θα είναι πολύπλοκο (για παράδειγμα, με επίκεντρο τη βάση, το σώμα και το πρόσωπο).

Τα κρυσταλλικά σώματα μπορεί να έχουν τη μορφή χωριστών μεγάλων κρυστάλλων - μονοκρυστάλλων ή να αποτελούνται από συνδυασμό μεγάλου αριθμού μικρών κρυστάλλων (κόκκων).

Πίνακας 2.1

Χωρικά πλέγματα κρυσταλλικών συστημάτων

Ρύζι. 2.1. Καφασωτά Brave

Στην περίπτωση ενός πολυκρυστάλλου, μέσα σε κάθε κόκκο, τα άτομα διατάσσονται περιοδικά, αλλά όταν περνούν από τον έναν κόκκο στον άλλο στις διεπιφάνειες, η κανονική διάταξη των σωματιδίων διαταράσσεται.

Οι μονοκρυστάλλοι χαρακτηρίζονται από ανισοτροπία ιδιοτήτων. Στα πολυκρυσταλλικά σώματα, η ανισοτροπία δεν παρατηρείται στις περισσότερες περιπτώσεις, ωστόσο, με τη βοήθεια ειδικής επεξεργασίας, μπορούν να ληφθούν υλικά με υφή με προσανατολισμένη διάταξη κρυστάλλων.

Δεδομένου ότι οι απλοί κρύσταλλοι είναι ανισότροποι, κατά τον προσδιορισμό των ηλεκτρικών, μηχανικών και άλλων ιδιοτήτων, είναι απαραίτητο να υποδεικνύεται η θέση των κρυσταλλογραφικών επιπέδων και των κατευθύνσεων στους κρυστάλλους. Για αυτό, χρησιμοποιούνται δείκτες Miller.

Δείκτες Miller

Αφήστε το επίπεδο να αποκόψει τα τμήματα OA, OB και OS στους άξονες συντεταγμένων (σε μονάδες της περιόδου πλέγματος). Ας υπολογίσουμε τα αντίστροφά τους H = 1/OA, K = 1/OB, L = 1/OC και ας ορίσουμε τους μικρότερους ακέραιους αριθμούς με τον ίδιο λόγο όπως H: K: L = h: k: l. Οι ακέραιοι αριθμοί (hkl) ονομάζονται δείκτες Miller του επιπέδου.

Σε κυβικούς κρυστάλλους, οι δείκτες (100) αναφέρονται σε επίπεδο παράλληλο στους άξονες Υ και Ζ. δείκτες (010) - στο επίπεδο παράλληλο στους άξονες Χ και Ζ και (001) - στο επίπεδο παράλληλο στους άξονες Χ και Υ. Σε κρυστάλλους με ορθογώνιους άξονες, αυτά τα επίπεδα είναι επίσης κάθετα, αντίστοιχα, στους άξονες Χ, Υ και Ζ.

Για τον προσδιορισμό των κατευθύνσεων σε έναν κρύσταλλο, οι δείκτες χρησιμοποιούνται με τη μορφή των μικρότερων ακεραίων που σχετίζονται μεταξύ τους ως συστατικά ενός διανύσματος παράλληλου προς μια δεδομένη κατεύθυνση. Σε αντίθεση με τον χαρακτηρισμό των επιπέδων, γράφονται σε αγκύλες. Στους κυβικούς κρυστάλλους, αυτές οι κατευθύνσεις είναι κάθετες στο επίπεδο με τους ίδιους δείκτες. Η θετική κατεύθυνση του άξονα Χ δηλώνει , η θετική κατεύθυνση του άξονα Υ - , η αρνητική κατεύθυνση του άξονα Ζ - , η διαγώνιος του κύβου - και ούτω καθεξής. Οι ονομασίες των κρυσταλλογραφικών επιπέδων και οι κατευθύνσεις δίνονται στο σχ. 2.2.

Τα επίπεδα που κόβουν ίσα τμήματα, αλλά βρίσκονται σε άλλα οκτάντια, είναι ισοδύναμα από κρυσταλλογραφικές και φυσικοχημικές απόψεις. Σχηματίζουν ένα σύνολο ισοδύναμων επιπέδων - (hkl) ή ένα σύστημα επιπέδων, στο οποίο τα h, k, l μπορούν να γραφτούν με οποιαδήποτε σειρά και με οποιοδήποτε αριθμό μείον μπροστά από τους δείκτες. Το μείον γράφεται πάνω από το ευρετήριο.

Η θέση μιας διεύθυνσης στο χωρικό πλέγμα μπορεί εύκολα να προσδιοριστεί από τις συντεταγμένες του ατόμου που βρίσκεται πιο κοντά στην αρχή των συντεταγμένων και βρίσκεται στη δεδομένη κατεύθυνση.

Συμβολίζεται ένα σύνολο ισοδύναμων κατευθύνσεων ή ένα σύστημα κατευθύνσεων , όπου τα h, k, l μπορούν να γραφτούν με οποιαδήποτε σειρά και με οποιοδήποτε αριθμό μείον:<100>- ένα σύνολο κατευθύνσεων παράλληλες με όλες τις άκρες του κύβου. (100) - ένα σύνολο επιπέδων παράλληλων σε όλες τις όψεις του κύβου.

Ρύζι. 2.2. Παραδείγματα κρυσταλλογραφικής σημειογραφίας

επίπεδα και κατευθύνσεις σε κυβικούς κρυστάλλους

χρησιμοποιώντας δείκτες Miller

Παραδείγματα επίλυσης προβλημάτων

Παράδειγμα 1. Προσδιορίστε τους δείκτες του επιπέδου που αποκόπτει τα τμήματα A = 1, B = 2, C = - 4 στους άξονες του πλέγματος.

Οι λόγοι των αντίστροφων των τμημάτων είναι 1/A: 1/B: 1/C = 1/1: 1/2: 1/(-4). Φέρνουμε αυτόν τον λόγο στην αναλογία τριών ακεραίων, πολλαπλασιάζοντας με έναν κοινό παρονομαστή 4, οι πρόσθετοι παράγοντες θα είναι 4 και 2. 1 / A: 1 / B: 1 / C \u003d 4: 2: (- 1). Αυτό θα είναι το απαιτούμενο h, k, l. Επίπεδοι δείκτες (42 ).

Παράδειγμα 2. Προσδιορίστε τα τμήματα που κόβει το επίπεδο (023) στους άξονες του πλέγματος.

Καταγράφουμε τις τιμές αντίστροφα με τους δείκτες του επιπέδου: 1/0, 1/2, 1/3. Πολλαπλασιάζουμε με κοινό παρονομαστή ίσο με 6 (φέρνουμε τα τμήματα σε ακέραιους). Τα τμήματα που κόβονται από το επίπεδο στους άξονες θα είναι ίσα με A \u003d, B \u003d 3, C \u003d 2. Αυτό το επίπεδο θα είναι παράλληλο με τον άξονα x, αφού A \u003d.

Πολυμορφισμός

Ορισμένα στερεά έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν όχι μία, αλλά δύο ή περισσότερες κρυσταλλικές δομές που είναι σταθερές σε διάφορες θερμοκρασίες και πιέσεις. Αυτή η ιδιότητα των υλικών ονομάζεται πολυμορφισμός,και οι αντίστοιχες κρυσταλλικές δομές ονομάζονται πολυμορφικές μορφές ή αλλοτροπικόςτροποποιήσεις ουσίας.

Μια τροποποίηση που είναι σταθερή σε κανονικές και χαμηλότερες θερμοκρασίες συνήθως υποδηλώνεται με το γράμμα α ; Οι τροποποιήσεις που είναι σταθερές σε υψηλότερες θερμοκρασίες σημειώνονται με γράμματα, αντίστοιχα. β , γ, κ.λπ.

Ο πολυμορφισμός είναι ευρέως διαδεδομένος μεταξύ των τεχνικών υλικών και είναι σημαντικός για την επεξεργασία και λειτουργία τους.

Ένα κλασικό παράδειγμα πολυμορφισμού είναι ο μετασχηματισμός του λευκού κασσίτερου σε χαμηλή θερμοκρασία ( β -Sn) σε γκρι ( α -Sn), γνωστό στην τέχνη ως «πανούκλα από κασσίτερο».

Πρακτικό ενδιαφέρον παρουσιάζει ο πολυμορφισμός του άνθρακα - η ύπαρξή του με τη μορφή διαμαντιού ή γραφίτη. Υπό κανονικές συνθήκες, ο γραφίτης είναι μια πιο σταθερή τροποποίηση από το διαμάντι. Ωστόσο, με την αύξηση της πίεσης, η σταθερότητα του διαμαντιού αυξάνεται, ενώ του γραφίτη μειώνεται, και σε αρκετά υψηλές πιέσεις, το διαμάντι γίνεται πιο σταθερό. Εάν, ταυτόχρονα, αυξηθεί η θερμοκρασία για να αυξηθεί η κινητικότητα των ατόμων, τότε ο γραφίτης μπορεί να μετατραπεί σε διαμάντι. Η παραγωγή τεχνητών διαμαντιών βασίζεται σε αυτή την αρχή. Στη Σοβιετική Ένωση, η βιομηχανική παραγωγή τους ξεκίνησε το 1961. Η σύνθεση πραγματοποιείται υπό πίεση περίπου 10 10 Pa σε θερμοκρασία 2000 °C. Τα τεχνητά διαμάντια που λαμβάνονται με αυτόν τον τρόπο έχουν μεγαλύτερη αντοχή και σκληρότητα από τους φυσικούς κρυστάλλους.

2.1.5. ισομορφισμός

ισομορφισμός- αυτή είναι η ιδιότητα των χημικά και γεωμετρικά κοντινών ατόμων και ιόντων και των συνδυασμών τους να αντικαθιστούν ο ένας τον άλλον στο κρυσταλλικό πλέγμα, σχηματίζοντας κρυστάλλους μεταβλητής σύνθεσης.

Οι ισομορφικοί κρύσταλλοι πυριτίου και γερμανίου σχηματίζουν μια συνεχή σειρά στερεών διαλυμάτων υποκατάστασης. Και οι δύο αυτές ουσίες κρυσταλλώνονται στη δομή του διαμαντιού, η περίοδος πλέγματος του γερμανίου a = 0,565 nm, του πυριτίου a = 0,542 nm, η διαφορά στις περιόδους είναι μικρότερη από 4%, επομένως, ο σχηματισμός στερεών διαλυμάτων υποκατάστασης με απεριόριστη διαλυτότητα είναι πιθανή, στην οποία άτομα γερμανίου και πυριτίου βρίσκονται σε τοποθεσίες πλέγμα διαμαντιών.

Η πυκνότητα, η περίοδος πλέγματος, η σκληρότητα στην ισομορφική σειρά μικτών κρυστάλλων Si-Ge αλλάζουν γραμμικά. Επιλέγοντας διάφορες ισομορφικές συνθέσεις, είναι δυνατό να διαφοροποιηθούν τα εύρη θερμοκρασιών λειτουργίας και οι ηλεκτροφυσικές παράμετροι για αυτά και άλλα στερεά διαλύματα ενώσεων ημιαγωγών.

Παρόμοιες πληροφορίες.

μόρια σε έναν κρύσταλλο. Η κρυσταλλική δομή καθορίζεται από το κρυσταλλικό πλέγμα, τη συμμετρία του κρυστάλλου, το σχήμα και το μέγεθος της μονάδας κυψέλης του, τον τύπο και τις συντεταγμένες των ατόμων στο κύτταρο. Σε έναν ιδανικό κρύσταλλο, το περιεχόμενο και οι θέσεις των ατόμων σε όλα τα κύτταρα είναι ίδιες. Με εξαίρεση τη χημική σύνθεση, όλα τα άλλα χαρακτηριστικά της κρυσταλλικής δομής προσδιορίζονται με μεθόδους περίθλασης - δομική ανάλυση ακτίνων Χ, περίθλαση ηλεκτρονίων, δομική περίθλαση νετρονίων. Σε κρυστάλλους στερεών διαλυμάτων και με άλλες αποκλίσεις της χημικής σύνθεσης από τη στοιχειομετρία, η δομική ανάλυση υψηλής ακρίβειας καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό και τη βελτίωση των αντίστοιχων παραμέτρων.

Όταν η ακτινοβολία με μήκος κύματος της τάξης των διατομικών αποστάσεων πέφτει σε έναν μόνο κρύσταλλο, προκύπτει ένα μοτίβο περίθλασης, το οποίο αποτελείται από ένα διακριτό σύνολο κορυφών. Οι θέσεις των κορυφών καθορίζονται από το κρυσταλλικό πλέγμα και οι εντάσεις τους εξαρτώνται από τον τύπο των ατόμων και τη θέση τους στο μοναδιαίο κελί του κρυστάλλου. Η παρουσία στοιχείων συμμετρίας στον κρύσταλλο εκδηλώνεται στην ισότητα των εντάσεων των αντίστοιχων κορυφών. Η εξαίρεση είναι ότι το σχέδιο περίθλασης είναι πάντα κεντροσυμμετρικό (ανεξάρτητα από την παρουσία ή απουσία κέντρου συμμετρίας στον κρύσταλλο). Ως αποτέλεσμα, μόνο 122 ομάδες από τις 230 χωρικές (Fedorov) ομάδες συμμετρίας κρυστάλλων μπορούν να διακριθούν χρησιμοποιώντας ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ. Η παρουσία (ή η απουσία) ενός κέντρου συμμετρίας σε έναν κρύσταλλο μπορεί να διαπιστωθεί από τα στατιστικά στοιχεία της κατανομής των εντάσεων των κορυφών περίθλασης. Ένας πειραματικός προσδιορισμός της απουσίας κέντρου συμμετρίας είναι δυνατός εάν ο κρύσταλλος περιέχει άτομα με ανώμαλη σκέδαση της χρησιμοποιούμενης ακτινοβολίας. Η πιο δύσκολη είναι η μέθοδος για τον προσδιορισμό των συντεταγμένων των ατόμων στο μοναδιαίο κύτταρο ενός κρυστάλλου.

Εξετάστε την κρυσταλλική δομή ορισμένων στοιχείων του περιοδικού συστήματος. Έτσι, σε δύο τροποποιήσεις του πολωνίου διαφορετικής συμμετρίας, υπάρχει 1 άτομο στο μοναδιαίο κελί. Τα στοιχειώδη κύτταρα κρυστάλλων καλίου, ψευδαργύρου, μολυβδαινίου και ορισμένων άλλων στοιχείων περιέχουν 2 άτομα το καθένα, ένα κύτταρο τελλουρίου περιέχει 3 και δύο τροποποιήσεις μαγγανίου περιέχουν 20 και 58 άτομα ανά κύτταρο, αντίστοιχα. Σε κρυστάλλους ανόργανων και οργανικών ενώσεων, μπορεί να υπάρχουν από μονάδες έως εκατοντάδες άτομα ανά κύτταρο. Στους κρυστάλλους πρωτεΐνης, υπάρχουν από χιλιάδες έως εκατοντάδες χιλιάδες άτομα, και στους κρυσταλλοποιημένους ιούς, υπάρχουν 2-3 τάξεις μεγέθους περισσότερα.

Ας εξετάσουμε την κρυσταλλική δομή κρυστάλλων διαφορετικής φύσης. Οι κρύσταλλοι νιοβικού λιθίου LiNbO 3 χρησιμοποιούνται ευρέως στην τεχνολογία λέιζερ και στην οπτική. Το σχήμα 1 δείχνει δύο εικόνες της κρυσταλλικής δομής του. Στην πρώτη περίπτωση, τα άτομα είναι μπάλες. Τα μεγάλα ανιόντα οξυγόνου δεν επιτρέπουν σε κάποιον να δει τη γενική οργάνωση της κρυσταλλικής δομής. Ο L. Pauling πρότεινε να απεικονιστούν ανόργανες δομές με τη μορφή πολύεδρων, οι κορυφές των οποίων είναι τα κέντρα των ανιόντων και το αντίστοιχο κατιόν βρίσκεται μέσα στα πολύεδρα. Στο νιοβικό λίθιο που φαίνεται στο Σχήμα 1, β, αυτά είναι οκτάεδρα και .

Οι κρύσταλλοι της οικογένειας νιοβικού στροντίου-βαρίου Sr 1-x Ba x Nb 2 O 6 χαρακτηρίζονται από μη γραμμικές οπτικές, πυροηλεκτρικές και πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες (βλ. Πυροηλεκτρική, πιεζοηλεκτρισμός), οι οποίες μπορούν να ελεγχθούν σκόπιμα αλλάζοντας την αναλογία στροντίου και βαρίου. Το σχήμα 2 δείχνει την κρυσταλλική δομή αυτών των κρυστάλλων, η οποία δείχνει ότι μερικά από τα άτομα στροντίου καταλαμβάνουν τη δική τους θέση, ενώ τα άτομα βαρίου και στροντίου βρίσκονται στατιστικά σε άλλη θέση, οι συντεταγμένες της οποίας είναι κάπως διαφορετικές.

Οι κρυσταλλικές δομές των οργανικών ενώσεων συνήθως αντιπροσωπεύουν μια στενή συσσώρευση μορίων που συνδέονται με αδύναμο van der Waals και πιθανώς δεσμούς υδρογόνου. Οι κρύσταλλοι οργανικών ενώσεων χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία, αλλά συχνά λαμβάνονται μόνο για να εδραιωθεί η ατομική δομή των μορίων με μεθόδους ακτίνων Χ, καθώς οι οργανικές ενώσεις στα διαλύματα (και οι βιολογικά ενεργές ενώσεις στο σώμα) δρουν ως μεμονωμένα μόρια. Οι δομές των μορίων αντιβιοτικού - ανάλογα της εννιατίνης Β και της σποριδεμολίδης φαίνονται στο Σχήμα 3. Η πρώτη ένωση είναι φάρμακο για την επιλεκτική μεταφορά κατιόντων μέσω βιολογικών μεμβρανών και η δεύτερη στερείται αυτής της ιδιότητας λόγω ενδομοριακών δεσμών υδρογόνου, αν και και οι δύο Τα μόρια είναι κυκλικά και αποτελούνται από 6 υπολείμματα αμινοξέων. Η διαφορά στη δομή των μορίων καθορίζεται από την κρυσταλλική δομή των αντίστοιχων κρυστάλλων.

Η σύγχρονη δομική ανάλυση υψηλής ακρίβειας καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό όχι μόνο των συντεταγμένων των ατόμων, αλλά και των παραμέτρων των θερμικών δονήσεων των ατόμων, λαμβάνοντας υπόψη την ανισοτροπία και την αναρμονικότητα αυτών των δονήσεων. Για όχι πολύ περίπλοκες ενώσεις, η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ μπορεί να καθορίσει την κατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων στους κρυστάλλους τους. Οι δομικές μέθοδοι είναι ευαίσθητες στην παραβίαση της στοιχειομετρίας της χημικής σύνθεσης του κρυστάλλου και στα διάφορα ελαττώματα του. Εκτενές υλικό για τις δομές των κρυσταλλικών ουσιών παρουσιάζεται σε ηλεκτρονικές βάσεις δεδομένων (βλ. Crystal Chemistry).

Λιτ.: Belov NV Δομή ιοντικών κρυστάλλων και μεταλλικών φάσεων. Μ., 1947; αυτός είναι. Δομική κρυσταλλογραφία. Μ., 1951; Kitaygorodsky AI Οργανική κρυσταλλοχημεία. Μ., 1947; Fedorov ES Συμμετρία και δομή κρυστάλλων. Μ.; L., 1949; Blundel Τ., Johnson L. Protein crystallography. Μ., 1979.

Στείλτε την καλή σας δουλειά στη βάση γνώσεων είναι απλή. Χρησιμοποιήστε την παρακάτω φόρμα

Φοιτητές, μεταπτυχιακοί φοιτητές, νέοι επιστήμονες που χρησιμοποιούν τη βάση γνώσεων στις σπουδές και την εργασία τους θα σας είναι πολύ ευγνώμονες.

Κρύσταλλοι (από το ελληνικό kseufblpt, αρχικά - πάγος, αργότερα - βράχος κρύσταλλος, κρύσταλλος) - στερεά σώματα στα οποία τα άτομα είναι διατεταγμένα κανονικά, σχηματίζοντας μια τρισδιάστατη περιοδική χωρική διάταξη - ένα κρυσταλλικό πλέγμα.

Οι κρύσταλλοι είναι στερεά που έχουν ένα φυσικό εξωτερικό σχήμα κανονικών συμμετρικών πολυεδρών με βάση την εσωτερική τους δομή, δηλαδή σε μία από τις πολλές συγκεκριμένες κανονικές διατάξεις που αποτελούν την ουσία των σωματιδίων (άτομα, μόρια, ιόντα).

Ιδιότητες:

Ομοιομορφία. Αυτή η ιδιότητα εκδηλώνεται στο γεγονός ότι δύο πανομοιότυποι στοιχειώδεις όγκοι μιας κρυσταλλικής ουσίας, εξίσου προσανατολισμένοι στο διάστημα, αλλά αποκομμένοι σε διαφορετικά σημεία αυτής της ουσίας, είναι απολύτως πανομοιότυποι σε όλες τους τις ιδιότητες: έχουν το ίδιο χρώμα, ειδικό βάρος, σκληρότητα. , θερμική αγωγιμότητα, ηλεκτρική αγωγιμότητα και άλλα

Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι οι πραγματικές κρυσταλλικές ουσίες πολύ συχνά περιέχουν μόνιμες ακαθαρσίες και εγκλείσματα που παραμορφώνουν τα κρυσταλλικά τους πλέγματα. Επομένως, η απόλυτη ομοιογένεια στους πραγματικούς κρυστάλλους συχνά δεν εμφανίζεται.

Ανισοτροπία κρυστάλλων

Πολλοί κρύσταλλοι είναι εγγενείς στην ιδιότητα της ανισοτροπίας, δηλαδή την εξάρτηση των ιδιοτήτων τους από την κατεύθυνση, ενώ στις ισότροπες ουσίες (τα περισσότερα αέρια, υγρά, άμορφα στερεά) ή ψευδο-ισότροπα (πολυκρυστάλλοι) σώματα, οι ιδιότητες δεν εξαρτώνται από κατευθύνσεις. Η διαδικασία της ανελαστικής παραμόρφωσης των κρυστάλλων πραγματοποιείται πάντα κατά μήκος καλά καθορισμένων συστημάτων ολίσθησης, δηλαδή μόνο κατά μήκος ορισμένων κρυσταλλογραφικών επιπέδων και μόνο σε μια ορισμένη κρυσταλλογραφική κατεύθυνση. Λόγω της ανομοιογενούς και άνισης ανάπτυξης παραμόρφωσης σε διάφορα μέρη του κρυσταλλικού μέσου, εμφανίζεται έντονη αλληλεπίδραση μεταξύ αυτών των τμημάτων μέσω της εξέλιξης των πεδίων μικροκαταπόνησης.

Ταυτόχρονα, υπάρχουν κρύσταλλοι στους οποίους δεν υπάρχει ανισοτροπία.

Ένας πλούτος πειραματικού υλικού έχει συσσωρευτεί στη φυσική της μαρτενσιτικής ανελαστικότητας, ειδικά σε ζητήματα σχετικά με τα αποτελέσματα της μνήμης σχήματος και την πλαστικότητα του μετασχηματισμού. Πειραματικά αποδείχθηκε η πιο σημαντική θέση της κρυσταλλικής φυσικής σχετικά με την κυρίαρχη ανάπτυξη ανελαστικών παραμορφώσεων σχεδόν αποκλειστικά μέσω μαρτενσιτικών αντιδράσεων. Αλλά οι αρχές κατασκευής της φυσικής θεωρίας της μαρτενσιτικής ανελαστικότητας δεν είναι σαφείς. Παρόμοια κατάσταση συμβαίνει στην περίπτωση παραμόρφωσης κρυστάλλων με μηχανική αδελφοποίηση.

Σημαντική πρόοδος έχει σημειωθεί στη μελέτη της πλαστικότητας της εξάρθρωσης των μετάλλων. Εδώ, όχι μόνο κατανοούνται οι βασικοί δομικοί και φυσικοί μηχανισμοί για την εφαρμογή διεργασιών ανελαστικής παραμόρφωσης, αλλά έχουν δημιουργηθεί και αποτελεσματικές μέθοδοι υπολογισμού φαινομένων.

Η ικανότητα αυτο-απόσταξης είναι η ιδιότητα των κρυστάλλων να σχηματίζουν όψεις κατά την ελεύθερη ανάπτυξη. αν μια μπάλα, για παράδειγμα, επιτραπέζιο αλάτι, λαξευμένη από κάποια ουσία, τοποθετηθεί στο υπερκορεσμένο διάλυμά της, τότε μετά από κάποιο χρονικό διάστημα αυτή η μπάλα θα πάρει τη μορφή κύβου. Αντίθετα, μια γυάλινη χάντρα δεν θα αλλάξει το σχήμα της επειδή μια άμορφη ουσία δεν μπορεί να αυτο-απόσταξει.

σταθερό σημείο τήξης. Εάν θερμάνετε ένα κρυσταλλικό σώμα, τότε η θερμοκρασία του θα αυξηθεί σε ένα ορισμένο όριο, με περαιτέρω θέρμανση, η ουσία θα αρχίσει να λιώνει και η θερμοκρασία θα παραμείνει σταθερή για κάποιο χρονικό διάστημα, καθώς όλη η θερμότητα θα πάει στην καταστροφή του κρυστάλλου πλέγμα. Η θερμοκρασία στην οποία αρχίζει η τήξη ονομάζεται σημείο τήξης.

Συστηματική των κρυστάλλων

Κρυσταλλική δομή

Η κρυσταλλική δομή, όντας ξεχωριστή για κάθε ουσία, αναφέρεται στις βασικές φυσικές και χημικές ιδιότητες αυτής της ουσίας. Η κρυσταλλική δομή είναι ένα τέτοιο σύνολο ατόμων στο οποίο μια συγκεκριμένη ομάδα ατόμων, που ονομάζεται κινητήρια μονάδα, συνδέεται με κάθε σημείο του κρυσταλλικού πλέγματος και όλες αυτές οι ομάδες είναι ίδιες σε σύνθεση, δομή και προσανατολισμό σε σχέση με το πλέγμα. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι η δομή προκύπτει ως αποτέλεσμα της σύνθεσης του πλέγματος και της κινητήριας μονάδας, ως αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού της κινητήριας μονάδας από την ομάδα μετάφρασης.

Στην απλούστερη περίπτωση, η κινητήρια μονάδα αποτελείται από ένα μόνο άτομο, για παράδειγμα, σε κρυστάλλους χαλκού ή σιδήρου. Η δομή που προκύπτει βάσει μιας τέτοιας κινητήριας μονάδας είναι γεωμετρικά πολύ παρόμοια με ένα πλέγμα, αλλά ωστόσο διαφέρει στο ότι αποτελείται από άτομα και όχι από σημεία. Συχνά αυτή η περίσταση δεν λαμβάνεται υπόψη και οι όροι "κρυσταλλικό πλέγμα" και "κρυσταλλική δομή" για τέτοιους κρυστάλλους χρησιμοποιούνται ως συνώνυμα, κάτι που δεν είναι αυστηρά. Σε περιπτώσεις όπου η κινητήρια μονάδα είναι πιο περίπλοκη στη σύνθεση - αποτελείται από δύο ή περισσότερα άτομα, δεν υπάρχει γεωμετρική ομοιότητα του πλέγματος και της δομής και η μετατόπιση αυτών των εννοιών οδηγεί σε σφάλματα. Έτσι, για παράδειγμα, η δομή του μαγνησίου ή του διαμαντιού δεν συμπίπτει γεωμετρικά με το πλέγμα: σε αυτές τις δομές, οι κινητήριες μονάδες αποτελούνται από δύο άτομα.

Οι κύριες παράμετροι που χαρακτηρίζουν την κρυσταλλική δομή, μερικές από τις οποίες αλληλοσυνδέονται, είναι οι εξής:

§ τύπος κρυσταλλικού πλέγματος (συριγγονία, πλέγμα Bravais).

§ αριθμός μονάδων τύπου ανά στοιχειώδες κελί.

§ ομάδα διαστήματος.

§ Παράμετροι μονάδας κυψέλης (γραμμικές διαστάσεις και γωνίες).

§ συντεταγμένες των ατόμων σε ένα κύτταρο.

§ αριθμοί συντονισμού όλων των ατόμων.

Δομικός τύπος

Οι κρυσταλλικές δομές που έχουν την ίδια διαστημική ομάδα και την ίδια διάταξη ατόμων σε κρυσταλλικές χημικές θέσεις (τροχίες) συνδυάζονται σε δομικούς τύπους.

Οι πιο γνωστοί δομικοί τύποι είναι ο χαλκός, το μαγνήσιο, ο β-σίδηρος, το διαμάντι (απλές ουσίες), το χλωριούχο νάτριο, ο φαληρίτης, ο βουρτζίτης, το χλωριούχο καίσιο, ο φθορίτης (δυαδικές ενώσεις), ο περοβσκίτης, το σπινέλιο (τριμερείς ενώσεις).

Κρυσταλλική κυψέλη

Τα σωματίδια που συνθέτουν αυτό το στερεό σχηματίζουν ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Εάν τα κρυσταλλικά πλέγματα είναι στερεομετρικά (χωρικά) ίδια ή παρόμοια (έχουν την ίδια συμμετρία), τότε η γεωμετρική διαφορά μεταξύ τους βρίσκεται, ειδικότερα, σε διαφορετικές αποστάσεις μεταξύ των σωματιδίων που καταλαμβάνουν τους κόμβους του πλέγματος. Οι αποστάσεις μεταξύ των ίδιων των σωματιδίων ονομάζονται παράμετροι πλέγματος. Οι παράμετροι του πλέγματος, καθώς και οι γωνίες των γεωμετρικών πολύεδρων, προσδιορίζονται με φυσικές μεθόδους δομικής ανάλυσης, για παράδειγμα, μεθόδους δομικής ανάλυσης ακτίνων Χ.

Φιλοξενείται στο http://www.allbest.ru/

Ρύζι. Κρυσταλλική κυψέλη

Συχνά τα στερεά σχηματίζουν (ανάλογα με τις συνθήκες) περισσότερες από μία μορφές κρυσταλλικού πλέγματος. τέτοιες μορφές ονομάζονται πολυμορφικές τροποποιήσεις. Για παράδειγμα, μεταξύ απλών ουσιών, είναι γνωστά ρομβικό και μονοκλινικό θείο, γραφίτης και διαμάντι, που είναι εξαγωνικές και κυβικές τροποποιήσεις του άνθρακα· μεταξύ σύνθετων ουσιών, ο χαλαζίας, ο τριδυμίτης και ο κριστοβαλίτης είναι διάφορες τροποποιήσεις του διοξειδίου του πυριτίου.

Τύποι κρυστάλλων

Είναι απαραίτητο να διαχωρίσουμε τον ιδανικό και τον πραγματικό κρύσταλλο.

Τέλειο κρύσταλλο

Στην πραγματικότητα, είναι ένα μαθηματικό αντικείμενο που έχει μια πλήρη συμμετρία εγγενή σε αυτό, ιδανικά λείες λείες άκρες.

πραγματικό κρύσταλλο

Περιέχει πάντα διάφορα ελαττώματα στην εσωτερική δομή του πλέγματος, παραμορφώσεις και ανωμαλίες στις όψεις και έχει μειωμένη συμμετρία του πολυέδρου λόγω των ειδικών συνθηκών ανάπτυξης, της ανομοιογένειας του τροφοδοτικού μέσου, της βλάβης και της παραμόρφωσης. Ένας πραγματικός κρύσταλλος δεν έχει απαραίτητα κρυσταλλογραφικές όψεις και κανονικό σχήμα, αλλά διατηρεί την κύρια ιδιότητά του - την κανονική θέση των ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα.

Ελαττώματα κρυσταλλικού πλέγματος (πραγματική δομή κρυστάλλων)

Στους πραγματικούς κρυστάλλους, υπάρχουν πάντα αποκλίσεις από την ιδανική σειρά στη διάταξη των ατόμων, που ονομάζονται ατέλειες ή ελαττώματα πλέγματος. Σύμφωνα με τη γεωμετρία των διαταραχών του πλέγματος που προκαλούνται από αυτές, τα ελαττώματα χωρίζονται σε σημειακά, γραμμικά και επιφανειακά ελαττώματα.

Βλάβες σημείου

Στο σχ. Το 1.2.5 δείχνει διαφορετικούς τύπους σημειακών ελαττωμάτων. Αυτές είναι κενές θέσεις - κενές θέσεις πλέγματος, "δικά τους" άτομα στα διάκενα και άτομα ακαθαρσίας σε θέσεις και ενδιάμεσα πλέγματα. Ο κύριος λόγος για τον σχηματισμό των δύο πρώτων τύπων ελαττωμάτων είναι η κίνηση των ατόμων, η ένταση της οποίας αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Ρύζι. 1.2.5. Τύποι σημειακών ελαττωμάτων στο κρυσταλλικό πλέγμα: 1 - κενή θέση, 2 - άτομο στα διάκενα, 3 και 4 - άτομα ακαθαρσίας στην τοποθεσία και διάκενα, αντίστοιχα

Γύρω από οποιοδήποτε σημείο ελαττώματος, εμφανίζεται μια τοπική παραμόρφωση πλέγματος με ακτίνα R 1 ... 2 περιόδους πλέγματος (βλ. Εικ. 1.2.6), επομένως, εάν υπάρχουν πολλά τέτοια ελαττώματα, επηρεάζουν τη φύση της κατανομής των διατομικών δεσμών δυνάμεις και, κατά συνέπεια, τις ιδιότητες των κρυστάλλων.

Ρύζι. 1.2.6. Τοπική παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγματος γύρω από ένα κενό (α) και ένα άτομο ακαθαρσίας σε μια θέση πλέγματος (β)

Ελαττώματα γραμμής

Τα γραμμικά ελαττώματα ονομάζονται εξαρθρήματα. Η εμφάνισή τους προκαλείται από την παρουσία «επιπλέον» ατομικών ημιεπιπέδων (extra-planes) σε ξεχωριστά μέρη του κρυστάλλου. Προκύπτουν κατά την κρυστάλλωση μετάλλων (λόγω παραβίασης της σειράς πλήρωσης των ατομικών στρωμάτων) ή ως αποτέλεσμα της πλαστικής παραμόρφωσής τους, όπως φαίνεται στο Σχ. 1.2.7.

Ρύζι. 1.2.7. Ο σχηματισμός εξάρθρωσης άκρου () ως αποτέλεσμα μερικής μετατόπισης του άνω μέρους του κρυστάλλου υπό τη δράση της δύναμης: ABCD - επίπεδο ολίσθησης. EFGH - επιπλέον αεροπλάνο. EL - γραμμή εξάρθρωσης άκρων

Μπορεί να φανεί ότι υπό την επίδραση της διατμητικής δύναμης, έλαβε χώρα μια μερική μετατόπιση του άνω μέρους του κρυστάλλου κατά μήκος ενός συγκεκριμένου επιπέδου ολίσθησης ("ελαφριά διάτμηση") ABCD. Ως αποτέλεσμα, σχηματίστηκε το extraplane EFGH. Δεδομένου ότι δεν συνεχίζει προς τα κάτω, εμφανίζεται μια παραμόρφωση ελαστικού πλέγματος γύρω από την άκρη του EH με ακτίνα αρκετών διατομικών αποστάσεων (δηλ. 10 -7 cm - βλέπε θέμα 1.2.1), αλλά η έκταση αυτής της παραμόρφωσης είναι πολλές φορές μεγαλύτερη (μπορεί φτάνουν τα 0,1 ... 1 cm).

Μια τέτοια ατέλεια του κρυστάλλου γύρω από το άκρο του επιπλέον επιπέδου είναι ένα ελάττωμα γραμμικού πλέγματος και ονομάζεται εξάρθρωση ακμής.

Οι πιο σημαντικές μηχανικές ιδιότητες των μετάλλων - αντοχή και πλαστικότητα (βλ. θέμα 1.1) - καθορίζονται από την παρουσία εξαρθρώσεων και τη συμπεριφορά τους όταν το σώμα είναι φορτωμένο.

Ας σταθούμε σε δύο χαρακτηριστικά του μηχανισμού μετατόπισης των εξαρθρώσεων.

1. Τα εξαρθρήματα μπορούν πολύ εύκολα (με χαμηλό φορτίο) να κινηθούν κατά μήκος του επιπέδου ολίσθησης μέσω μιας κίνησης «σκυταλοδρομίας» του επιπλέον επιπέδου. Στο σχ. Το 1.2.8 δείχνει το αρχικό στάδιο μιας τέτοιας κίνησης (δισδιάστατο σχέδιο σε επίπεδο κάθετο στη γραμμή εξάρθρωσης της ακμής).

Ρύζι. 1.2.8. Το αρχικό στάδιο της κίνησης της σκυταλοδρομίας της εξάρθρωσης της ακμής (). A-A - αεροπλάνο ολίσθησης, 1-1 επιπλέον αεροπλάνο (θέση εκκίνησης)

Κάτω από τη δράση της δύναμης, τα άτομα του επιπλέον επιπέδου (1-1) αποκόπτουν τα άτομα (2-2) που βρίσκονται πάνω από το επίπεδο ολίσθησης από το επίπεδο (2-3). Ως αποτέλεσμα, αυτά τα άτομα σχηματίζουν ένα νέο επιπλέον επίπεδο (2-2). άτομα του «παλιού» εξωπλάνου (1-1) καταλαμβάνουν τις κενές θέσεις, συμπληρώνοντας το επίπεδο (1-1-3). Αυτή η πράξη σημαίνει την εξαφάνιση της «παλιάς» εξάρθρωσης που σχετίζεται με το επιπλέον επίπεδο (1-1) και την εμφάνιση ενός «νέου» που σχετίζεται με το επιπλέον επίπεδο (2-2), ή, με άλλα λόγια, το μεταφορά μιας "σκυτάλης ρελέ" - μια εξάρθρωση σε μια ενδιάμεση απόσταση. Μια τέτοια κίνηση ρελέ ενός εξαρθρήματος θα συνεχιστεί μέχρι να φτάσει στην άκρη του κρυστάλλου, πράγμα που θα σημαίνει μετατόπιση του άνω μέρους του κατά μια ενδιάμεση απόσταση (δηλαδή πλαστική παραμόρφωση).

Αυτός ο μηχανισμός δεν απαιτεί μεγάλη προσπάθεια, γιατί. αποτελείται από διαδοχικές μικρομετατοπίσεις που επηρεάζουν μόνο έναν περιορισμένο αριθμό ατόμων που περιβάλλουν το επιπλέον επίπεδο.

2. Είναι προφανές όμως ότι τέτοια ευκολία ολίσθησης των εξαρθρώσεων θα παρατηρηθεί μόνο όταν δεν υπάρχουν εμπόδια στην πορεία τους. Τέτοια εμπόδια είναι τυχόν ελαττώματα πλέγματος (ειδικά γραμμικά και επιφανειακά!), καθώς και σωματίδια άλλων φάσεων, εάν υπάρχουν στο υλικό. Αυτά τα εμπόδια δημιουργούν παραμορφώσεις πλέγματος, η υπέρβαση των οποίων απαιτεί πρόσθετες εξωτερικές προσπάθειες, επομένως μπορούν να εμποδίσουν την κίνηση των εξαρθρώσεων, δηλ. τους κάνει ακίνητους.

Επιφανειακά ελαττώματα

Όλα τα βιομηχανικά μέταλλα (κράματα) είναι πολυκρυσταλλικά υλικά, δηλ. αποτελούνται από έναν τεράστιο αριθμό μικρών (συνήθως 10 -2 ... 10 -3 cm), τυχαία προσανατολισμένων κρυστάλλων, που ονομάζονται κόκκοι. Είναι προφανές ότι η περιοδικότητα του πλέγματος που είναι εγγενής σε κάθε κόκκο (μονοκρύσταλλο) παραβιάζεται σε ένα τέτοιο υλικό, καθώς τα κρυσταλλογραφικά επίπεδα των κόκκων περιστρέφονται μεταξύ τους κατά γωνία 6 (βλ. Εικ. 1.2.9), η τιμή εκ των οποίων ποικίλλει από κλάσματα έως αρκετές δεκάδες μοίρες.

Ρύζι. 1.2.9. Σχέδιο δομής ορίων κόκκων σε πολυκρυσταλλικό υλικό

Το όριο μεταξύ των κόκκων είναι ένα μεταβατικό στρώμα πλάτους έως και 10 διατομικών αποστάσεων, συνήθως με διαταραγμένη διάταξη ατόμων. Αυτός είναι ένας τόπος συσσώρευσης εξαρθρώσεων, κενών, ατόμων ακαθαρσιών. Επομένως, στον κύριο όγκο ενός πολυκρυσταλλικού υλικού, τα όρια των κόκκων είναι δισδιάστατα, επιφανειακά ελαττώματα.

Επίδραση των ελαττωμάτων του πλέγματος στις μηχανικές ιδιότητες των κρυστάλλων. Τρόποι αύξησης της αντοχής των μετάλλων.

Η αντοχή είναι η ικανότητα ενός υλικού να αντιστέκεται στην παραμόρφωση και την καταστροφή υπό την επίδραση ενός εξωτερικού φορτίου.

Η αντοχή των κρυσταλλικών σωμάτων νοείται ως η αντίστασή τους σε ένα εφαρμοζόμενο φορτίο, το οποίο τείνει να μετακινηθεί ή, στο όριο, να αποκόψει το ένα μέρος του κρυστάλλου σε σχέση με το άλλο.

Η παρουσία κινητών εξαρθρώσεων σε μέταλλα (ήδη στη διαδικασία κρυστάλλωσης εμφανίζονται έως και 10 6 ... 10 8 εξαρθρήματα σε διατομή ίση με 1 cm 2) οδηγεί στη μειωμένη αντοχή τους στη φόρτιση, π.χ. υψηλή ολκιμότητα και χαμηλή αντοχή.

Προφανώς, ο πιο αποτελεσματικός τρόπος αύξησης της αντοχής είναι η αφαίρεση των εξαρθρώσεων από το μέταλλο. Ωστόσο, αυτός ο τρόπος δεν είναι τεχνολογικά προηγμένος, γιατί Τα μέταλλα χωρίς εξάρθρωση μπορούν να ληφθούν μόνο με τη μορφή λεπτών νημάτων (τα λεγόμενα "μουστάκια") με διάμετρο πολλών μικρών και μήκους έως και 10 μικρών.

Ως εκ τούτου, οι πρακτικές μέθοδοι σκλήρυνσης βασίζονται στην επιβράδυνση, το μπλοκάρισμα των κινητών εξαρθρώσεων από μια απότομη αύξηση του αριθμού των ελαττωμάτων του πλέγματος (κυρίως γραμμικά και επιφανειακά!), καθώς και στη δημιουργία πολυφασικών υλικών

Τέτοιες παραδοσιακές μέθοδοι για την αύξηση της αντοχής των μετάλλων είναι:

– πλαστική παραμόρφωση (το φαινόμενο της σκλήρυνσης ή της σκλήρυνσης εργασίας),

– θερμική (και χημική-θερμική) επεξεργασία,

- κραματοποίηση (εισαγωγή ειδικών προσμίξεων) και, η πιο κοινή προσέγγιση, είναι η δημιουργία κραμάτων.

Συμπερασματικά, θα πρέπει να σημειωθεί ότι μια αύξηση της αντοχής με βάση το μπλοκάρισμα των κινητών εξαρθρώσεων οδηγεί σε μείωση της ολκιμότητας και της αντοχής κρούσης και, κατά συνέπεια, της λειτουργικής αξιοπιστίας του υλικού.

Επομένως, το ζήτημα του βαθμού σκλήρυνσης πρέπει να αντιμετωπιστεί ξεχωριστά, με βάση το σκοπό και τις συνθήκες λειτουργίας του προϊόντος.

Πολυμορφισμός με την κυριολεκτική έννοια της λέξης σημαίνει πολυμορφία, δηλ. το φαινόμενο όταν ουσίες της ίδιας χημικής σύστασης κρυσταλλώνονται σε διαφορετικές δομές και σχηματίζουν κρυστάλλους διαφορετικής συγγογίας. Για παράδειγμα, το διαμάντι και ο γραφίτης έχουν την ίδια χημική σύνθεση, αλλά διαφορετικές δομές, και τα δύο ορυκτά διαφέρουν έντονα στη φυσική τους σύνθεση. ιδιότητες. Ένα άλλο παράδειγμα είναι ο ασβεστίτης και ο αραγωνίτης - έχουν την ίδια σύνθεση CaCO 3 αλλά αντιπροσωπεύουν διαφορετικές πολυμορφικές τροποποιήσεις.

Το φαινόμενο του πολυμορφισμού σχετίζεται με τις συνθήκες σχηματισμού κρυσταλλικών ουσιών και οφείλεται στο γεγονός ότι μόνο ορισμένες δομές είναι σταθερές κάτω από διάφορες θερμοδυναμικές συνθήκες. Έτσι, ο μεταλλικός κασσίτερος (το λεγόμενο λευκό κασσίτερο), όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από τους -18 C 0, γίνεται ασταθής και θρυμματίζεται, σχηματίζοντας έναν «γκρίζο κασσίτερο» διαφορετικής δομής.

Ισομορφισμός. Τα κράματα μετάλλων είναι κρυσταλλικές δομές μεταβλητής σύστασης, στις οποίες τα άτομα ενός στοιχείου βρίσκονται στα κενά του κρυσταλλικού πλέγματος ενός άλλου. Αυτά είναι τα λεγόμενα στερεά διαλύματα του δεύτερου είδους.

Σε αντίθεση με τα στερεά διαλύματα του δεύτερου είδους, στα στερεά διαλύματα του πρώτου είδους, τα άτομα ή τα ιόντα μιας κρυσταλλικής ουσίας μπορούν να αντικατασταθούν από άτομα ή ιόντα μιας άλλης. Τα τελευταία βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος. Τα διαλύματα αυτού του είδους ονομάζονται ισομορφικά μείγματα.

Απαραίτητες προϋποθέσεις για την εκδήλωση του ισομορφισμού:

1) Μόνο ιόντα του ίδιου σημείου μπορούν να αντικατασταθούν, δηλ. κατιόν για κατιόν και ανιόν για ανιόν

2) Μόνο άτομα ή ιόντα παρόμοιου μεγέθους μπορούν να αντικατασταθούν, δηλ. η διαφορά στις ιοντικές ακτίνες δεν πρέπει να υπερβαίνει το 15% για τέλειο ισομορφισμό και το 25% για ατελές ισομορφισμό (για παράδειγμα, Ca 2+ έως Mg 2+)

3) Μόνο τα ιόντα που είναι κοντά σε βαθμό πόλωσης (δηλαδή σε βαθμό ιοντικού-ομοιοπολικού δεσμού) μπορούν να αντικατασταθούν

4) Μόνο στοιχεία που έχουν τον ίδιο αριθμό συντονισμού σε μια δεδομένη κρυσταλλική δομή μπορούν να αντικατασταθούν

5) ισόμορφες αντικαταστάσεις πρέπει να συμβαίνουν με αυτόν τον τρόπο. Για να μην διαταραχθεί η ηλεκτροστατική ισορροπία του κρυσταλλικού πλέγματος.

6) οι ισόμορφες αντικαταστάσεις προχωρούν προς την κατεύθυνση της αύξησης της ενέργειας του πλέγματος.

Τύποι ισομορφισμού. Υπάρχουν 4 τύποι ισομορφισμού:

1) ο ισοδύναμος ισομορφισμός χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι στην περίπτωση αυτή εμφανίζονται ιόντα του ίδιου σθένους και η διαφορά στα μεγέθη των ιοντικών ακτίνων δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 15%

2) ετεροσθενής ισομορφισμός. Σε αυτή την περίπτωση, λαμβάνει χώρα η αντικατάσταση ιόντων διαφορετικού σθένους. Με μια τέτοια υποκατάσταση, ένα ιόν δεν μπορεί να αντικατασταθεί από ένα άλλο χωρίς να διαταραχθεί η ηλεκτροστατική ισορροπία του κρυσταλλικού πλέγματος, επομένως, με τον ετεροσθενή ισομορφισμό, δεν αντικαθίσταται ένα ιόν, όπως στον ετεροσθενή ισομορφισμό, αλλά μια ομάδα ιόντων συγκεκριμένου σθένους με ένα άλλο ομάδα ιόντων διατηρώντας το ίδιο συνολικό σθένος.

Είναι απαραίτητο σε αυτή την περίπτωση να θυμόμαστε πάντα ότι η αντικατάσταση ενός ιόντος ενός σθένους από ένα ιόν ενός άλλου συνδέεται πάντα με την αντιστάθμιση σθένους. Αυτή η αντιστάθμιση μπορεί να συμβεί τόσο στα κατιονικά όσο και στα ανιονικά μέρη των ενώσεων. Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει να πληρούνται οι ακόλουθες προϋποθέσεις:

Α) το άθροισμα των σθένεων των υποκατεστημένων ιόντων πρέπει να είναι ίσο με το άθροισμα των σθένεων των ιόντων υποκατάστασης.

Β) το άθροισμα των ιοντικών ακτίνων των ιόντων υποκατάστασης πρέπει να είναι κοντά στο άθροισμα των ιοντικών ακτίνων των ιόντων υποκατάστασης και μπορεί να διαφέρει από αυτό όχι περισσότερο από 15% (για τέλειο ισομορφισμό)

3) ισοδομική. Δεν υπάρχει αντικατάσταση ενός ιόντος με ένα άλλο, ή μιας ομάδας ιόντων για μια άλλη ομάδα, αλλά αντικατάσταση ολόκληρου του «μπλοκ» ενός κρυσταλλικού πλέγματος με ένα άλλο του ίδιου «μπλοκ». Αυτό μπορεί να συμβεί μόνο εάν οι δομές των ορυκτών είναι του ίδιου τύπου και έχουν παρόμοια μεγέθη μονάδων κυττάρων.

4) ένας ισομορφισμός ειδικού είδους.

εξάρθρωση ελαττώματος κρυσταλλικού πλέγματος

Φιλοξενείται στο Allbest.ru

Παρόμοια Έγγραφα

Χαρακτηριστικά του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Μελέτη της κρυσταλλικής δομής του αποτελέσματος: θεώρηση μοντέλου, κρυσταλλικές παραμορφώσεις. Ο φυσικός μηχανισμός του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Ιδιότητες πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων. Εφαρμογή εφέ.

θητεία, προστέθηκε 12/09/2010


Πληροφορίες για δονήσεις κρυσταλλικών δικτυωμάτων, συναρτήσεις που περιγράφουν τα φυσικά τους μεγέθη. Κρυσταλλογραφικά συστήματα συντεταγμένων. Υπολογισμός της ενέργειας αλληλεπίδρασης των ατόμων σε ομοιοπολικούς κρυστάλλους, το φάσμα δόνησης του κρυσταλλικού πλέγματος του βολφραμικού βαρίου.

διατριβή, προστέθηκε 01/09/2014


Διέλευση ρεύματος μέσω ηλεκτρολυτών. Φυσική φύση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Επίδραση ακαθαρσιών, ελαττώματα κρυσταλλικής δομής στην ειδική αντίσταση των μετάλλων. Αντίσταση λεπτών μεταλλικών μεμβρανών. Φαινόμενα επαφής και θερμοηλεκτρική δύναμη.

περίληψη, προστέθηκε 29/08/2010


Η έννοια και η ταξινόμηση των ελαττωμάτων στους κρυστάλλους: ενεργειακά, ηλεκτρονικά και ατομικά. Οι κύριες ατέλειες των κρυστάλλων, ο σχηματισμός σημειακών ελαττωμάτων, η συγκέντρωσή τους και η ταχύτητα κίνησης μέσα από τον κρύσταλλο. Διάχυση σωματιδίων λόγω κινήσεων κενών κενών.

περίληψη, προστέθηκε 19/01/2011


Η ουσία του πολυμορφισμού, η ιστορία της ανακάλυψής του. Φυσικές και χημικές ιδιότητες πολυμορφών άνθρακα: διαμάντι και γραφίτης, συγκριτική τους ανάλυση. Πολυμορφικοί μετασχηματισμοί υγρών κρυστάλλων, λεπτές μεμβράνες διιωδιούχου κασσιτέρου, μετάλλων και κραμάτων.

θητεία, προστέθηκε 04/12/2012


Κρυσταλλικές και άμορφες καταστάσεις στερεών, αιτίες σημειακών και γραμμικών ελαττωμάτων. Προέλευση και ανάπτυξη κρυστάλλων. Τεχνητή παραγωγή πολύτιμων λίθων, στερεών διαλυμάτων και υγρών κρυστάλλων. Οπτικές ιδιότητες χοληστερικών υγρών κρυστάλλων.

περίληψη, προστέθηκε 26/04/2010


Η ιστορία της ανάπτυξης της έννοιας των υγρών κρυστάλλων. Υγροί κρύσταλλοι, τύποι και κύριες ιδιότητές τους. Οπτική δραστηριότητα υγρών κρυστάλλων και οι δομικές τους ιδιότητες. Φαινόμενο Freedericksz. Η φυσική αρχή λειτουργίας των συσκευών στην οθόνη LCD. Οπτικό μικρόφωνο.

φροντιστήριο, προστέθηκε στις 14/12/2010


Κρυστάλλωση ως η διαδικασία μετάβασης ενός μετάλλου από υγρή σε στερεή κατάσταση με το σχηματισμό κρυσταλλικής δομής. Σχέδιο σχηματισμού ραφής σε συγκόλληση τόξου. Βασικοί παράγοντες και προϋποθέσεις που απαιτούνται για την έναρξη της ανάπτυξης υγρών κρυστάλλων μετάλλων.

παρουσίαση, προστέθηκε 26/04/2015


Μελέτη της δομής (σχηματισμός από κρυσταλλίτες διατεταγμένους με χαοτικό τρόπο) και μεθόδων λήψης (ψύξη τήγματος, ψεκασμός από την αέρια φάση, βομβαρδισμός κρυστάλλων από νευρώνες) γυαλιών. Γνωριμία με τις διαδικασίες κρυστάλλωσης και μετάβασης γυαλιού.

περίληψη, προστέθηκε 18/05/2010


Ελαττώματα πραγματικών κρυστάλλων, η αρχή λειτουργίας των διπολικών τρανζίστορ. Παραμόρφωση κρυσταλλικού πλέγματος σε ενδιάμεσα και υποκατάστατα στερεά διαλύματα. Επιφανειακά φαινόμενα σε ημιαγωγούς. Παράμετροι τρανζίστορ και συντελεστής μεταφοράς ρεύματος εκπομπού.