Kristal bir yapıya sahip değillerdir. Kristal yapıların temel özellikleri

Pirinç. 17. İskelet buz kristali kar taneleri

Kristalin bir maddede fiziksel özelliklerin paralel yönlerde aynı olduğu deneyimlerden bilinmektedir ve maddelerin yapısı fikri, kristali oluşturan parçacıkların (moleküller, atomlar veya iyonlar) belirli sonlu mesafelerde bulunmasını gerektirir. birbirinden. Bu varsayımlara dayanarak kristal yapının geometrik bir diyagramını oluşturmak mümkündür. Bunu yapmak için her bir parçacığın konumu bir nokta ile işaretlenebilir. Tamamı kristalBina daha sonra uzayda düzenli olarak konumlandırılmış ve herhangi bir paralel nokta sistemi olarak temsil edilecektir.yönlerde noktalar arasındaki mesafeler aynı olacaktır. Uzaydaki noktaların bu şekilde doğru düzenlenmesine denir.

uzaysal bir kafes ve eğer her nokta bir kristaldeki bir atomun, iyonun veya molekülün konumunu temsil ediyorsa - bir kristal kafes.

Uzaysal bir kafesin yapısı aşağıdaki gibi hayal edilebilir.

0(Şekil 18) bir atomun veya iyonun merkezini belirtir. Ona en yakın aynı merkezin L noktası ile gösterilmesine izin verin, o zaman kristalin homojenliğine bağlı olarak belli bir mesafede bir 1 bir 2 = bir 0 bir 1 bir merkez olmalı A2; Bu mantığı daha da sürdürürsek, birkaç noktaya ulaşabiliriz: Bir 0, bir 1, bir 2, bir 3...

En yakın noktanın bu olduğunu varsayalım. 0 diğer yönde olacak R0, o zaman bir parçacık olmalı S 0 mesafeli R 0 S 0= L 0 R 0 vb., yani aynı noktalardan oluşan başka bir satır elde edersiniz bir 0, R 0, S 0...eğer biterse R 0, S 0 vb. A 0 , A 1 , A 2'ye paralel çizgiler çizerseniz aynı satırları elde edersiniz R0, R1, R2, S 0 , S 1 , S 2 … vesaire

Pirinç. 18. Uzaysal kafes

Bu yapının bir sonucu olarak, düğümleri kristali oluşturan parçacıkların merkezlerine karşılık gelen bir ızgara elde edildi.

Bunu her noktada hayal edersek 0'da, Co, vb., A 0'daki ile aynı ızgara geri yüklenir, bu yapının bir sonucu olarak, kristalin geometrik yapısını bir anlamda ifade edecek olan uzamsal bir kafes elde edilecektir.

Kristaller nedir?

Büyük Rus kristalograf E. S. Fedorov tarafından yaratılan uzamsal kafes teorisi, X-ışınlarını kullanarak kristallerin yapısını incelerken mükemmel bir onay aldı. Bu çalışmalar yalnızca uzaysal kafeslerin resimlerini sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda düğümlerinde bulunan parçacıklar arasındaki boşlukların tam uzunluklarını da sağlıyor.

Pirinç. 19. Elmas yapısı

Hem parçacıkların düzeninin doğasında hem de farklı olan çeşitli türde uzamsal kafeslerin olduğu ortaya çıktı. kimyasal doğa onların.

Aşağıdaki uzaysal kafes türlerine dikkat edelim:

Atomik yapısal kafesler. Bu kafeslerin düğüm noktalarında, kristal bir kafes oluşturacak şekilde doğrudan birbirine bağlanan herhangi bir madde veya elementin atomları bulunur. Bu tip kafes elmas, çinko blende ve diğer bazı mineraller için tipiktir (bkz. Şekil 19 ve 20).

İyonik yapısal kafesler. Bu kafeslerin yerlerinde iyonlar, yani pozitif veya negatif yüklü atomlar bulunur.

İyonik kafesler, alkali metal halojenler, silikatlar vb. gibi inorganik bileşikler için yaygındır.

Bunun mükemmel bir örneği kaya tuzu (NaCl) kafesidir (Şekil 21). İçinde karşılıklı olarak üç dik yöndeki sodyum iyonları (Na), 0,28 milimikron aralıklarla klorür iyonları (Cl) ile dönüşümlü olarak bulunur.

Pirinç. 20. Çinko blende'nin yapısı

Benzer yapıya sahip kristal maddelerde moleküldeki atomlar arasındaki boşluklar, moleküller arasındaki boşluklara eşit olur ve bu tür kristaller için molekül kavramı anlamını yitirir. İncirde. Her bir sodyum iyonu 20'ye sahiptir

Yukarıda, aşağıda, sağda, solda, önde ve arkada, ondan eşit mesafelerde hem bu "moleküle" hem de komşu "moleküllere" ait olan bir klor iyonu ve hangisiyle olduğunu söylemek imkansızdır. bu altısının klor iyonu bir molekül oluşturur veya gaz haline geçişte bir molekül oluşturur.

Yukarıda açıklanan türlere ek olarak, düğümleri atom veya iyon içermeyen, ancak izole edilmiş, elektriksel olarak nötr moleküller içeren moleküler yapısal kafesler vardır. Moleküler kafesler özellikle çeşitli organik bileşiklerin veya örneğin "kuru buz" - kristalin C02'nin karakteristiğidir.

Pirinç. 21. Kaya tuzunun kristal kafesi

Bu tür kafeslerin yapısal birimleri arasındaki zayıf (“artık”) bağlar, bu tür kafeslerin düşük mekanik mukavemetini ve düşük erime ve kaynama noktalarını belirler. Birleştiren kristaller de var Çeşitli türlerızgaralar. Bazı yönlerde parçacıkların bağları iyoniktir (değerlik), diğerlerinde ise molekülerdir (artık). Bu yapı, farklı yönlerde farklı mekanik dayanıma yol açarak mekanik özelliklerde keskin bir anizotropi oluşmasına neden olur. Böylece, molibdenit kristalleri (MoS2) pinakoid (0001) yönü boyunca kolayca bölünür ve bu mineralin kristallerine, benzer bir yapının bulunduğu grafit kristalleri gibi pullu bir görünüm kazandırır. Dik yöndeki (0001) mekanik mukavemetin düşük olmasının nedeni, bu yönde iyonik bağların bulunmamasıdır. Buradaki kafesin bütünlüğü yalnızca moleküler (artık) nitelikteki bağlarla korunur.

Yukarıda belirtilenlerin tümü dikkate alındığında, gerçekleştirilmesi kolaydır. Bir yanda amorf bir maddenin iç yapısı ile diğer yanda kristalin bir yapı arasındaki paralellik:

1. Amorf bir maddede parçacıklar, sanki sıvının kısmen kaotik durumunu sabitliyormuş gibi düzensiz bir şekilde düzenlenmiştir; Bu nedenle bazı araştırmacılar örneğin aşırı soğutulmuş sıvılar adını verir.

2. Kristalin bir maddede parçacıklar düzenli bir sırayla düzenlenir ve uzaysal kafesin düğümlerinde belirli bir konumu işgal eder.

Kristal ve camsı (amorf) bir madde arasındaki fark, disiplinli bir askeri birlik ile dağınık bir kalabalık arasındaki farkla karşılaştırılabilir. Doğal olarak, kristalin durum amorf durumdan daha stabildir ve amorf madde daha kolay çözünecek, kimyasal olarak reaksiyona girecek veya eriyecektir. Doğal olanlar her zaman kristal bir yapı kazanma, "kristalleşme" eğilimindedir, örneğin (amorf silika) sonunda kalsedon - kristal silikaya dönüşür.

Kristal halindeki bir madde genellikle amorf formdakinden biraz daha küçük bir hacim kaplar ve daha yüksek bir özgül ağırlığa sahiptir; örneğin, amorf durumdaki NaAlSi 3 O 8 bileşiminin albit - feldispatı 10 metreküp kaplar. birimler, ancak kristalin içinde yalnızca 9 tane vardır; 1 cm3 kristalin silika (kuvars) 2,54 ağırlığındadır G, ve aynı hacimdeki camsı silika (erimiş kuvars) yalnızca 2,22'dir. G.Özel bir durum, aynı miktarda alınan buzdan daha düşük özgül ağırlığa sahip olan buzdur.

KRİSTALLERİN X-RAY ÇALIŞMASI IŞINLAR

Dağılımdaki modelin nedenleri sorusu fiziki ozellikleri M.V. kristalli bir maddede ilk olarak 1749'da kristallerin iç yapısı sorununu nitrat örneğini kullanarak çözmeye çalıştı. Bu konu 18. yüzyılın sonunda daha geniş çapta geliştirildi. Fransız kristalograf Ahuy. Ayui, her maddenin belirli bir kristal biçimine sahip olduğunu öne sürdü. Bu görüş daha sonra izomorfizm ve polimorfizm olgularının keşfiyle çürütüldü. Mineralojide büyük rol oynayan bu olaylar biraz sonra ele alınacaktır.

Rus kristalograf E. S. Fedorov ve diğer bazı kristalografların çalışmaları sayesinde, önceki bölümde kısaca özetlenen uzamsal kafes teorisi matematiksel olarak geliştirildi ve kristallerin şeklinin incelenmesine dayanarak olası uzamsal kafes türleri çıkarıldı. ; ancak ancak 20. yüzyılda kristallerin X ışınlarıyla incelenmesi sayesinde bu teori deneysel olarak test edildi ve parlak bir şekilde doğrulandı. Bir dizi fizikçi: Laue, Bragg, G.W. Wulf ve diğerleri, uzaysal kafesler teorisini kullanarak, kristal kafeslerin düğümlerinde bazı durumlarda atomların ve diğerlerinde molekül veya iyonların bulunduğunu kesinlikle kesin olarak kanıtlamayı başardılar.

1895 yılında Roentgen tarafından keşfedilen ve onun adını taşıyan ışınlar, radyant enerji türlerinden birini temsil eder ve birçok özelliğe sahiptir.ışık ışınlarına benzer, onlardan yalnızca ışık dalgalarının uzunluğundan birkaç bin kat daha az olan dalga boyu bakımından farklılık gösterir.

Pirinç. 22. Laue yöntemini kullanarak bir kristalin X-ışını kırınım modelini elde etme şeması:
A - X-ışını tüpü; B - diyafram; C - kristal; D - fotoğraf plakası

1912'de Laue, x-ışınlarının girişimini elde etmek için kırınım ızgarası olarak atomların uzaysal bir kafes halinde düzenlendiği bir kristali kullandı. Araştırmasında, paralel x-ışınlarından oluşan dar bir ışın (Şekil 22), ince bir çinko blende C kristalinden geçirildi. Kristalden belli bir mesafede ve Bir fotoğraf plakası D, yanal X ışınlarının doğrudan etkisinden ve kurşun ekranlarla gün ışığından korunacak şekilde ışın ışınına dik olarak yerleştirildi.

Birkaç saat boyunca uzun süre maruz kaldıktan sonra deneyciler Şekil 1'e benzer bir resim elde ettiler. 23.

Atomların boyutuyla karşılaştırıldığında uzun bir dalga boyuna sahip olan ışık ışınları için, uzaysal kafesin atomik ağları neredeyse sürekli düzlemlerin rolünü oynar ve ışık ışınları tamamen kristalin yüzeyinden yansıtılır. Birbirinden belirli mesafelerde bulunan ve aynı yöne giden çok sayıda atom ağından yansıyan çok daha kısa X-ışınları, birbirini zayıflatacak veya güçlendirecek şekilde girişimde bulunacaktır. Yoğunlaştırılmış ışınlar, yollarına yerleştirilen bir fotoğraf plakası üzerinde, uzun pozlama sırasında, doğal olarak yakın bağlantılı siyah noktalar oluşturacaktır. iç yapı kristal, yani atom ağı ve içinde bulunan bireysel atomların özellikleri ile.

Belirli bir kristalografik yönde bir kristalden kesilmiş bir plaka alıp onunla aynı deneyi yaparsanız, o zaman x-ışını kırınım deseninde kristal yapının simetrisine karşılık gelen bir desen görünecektir.

En karanlık noktalar daha yoğun atom ağlarına karşılık gelir. Nadiren veya neredeyse hiç var olmayan atomik çivili yüzler zayıf noktalar üretir. Böyle bir röntgen görüntüsündeki merkezi nokta, plakadan geçen x-ışınlarından elde edilir.

Pirinç. 23. Kaya tuzu kristalinin 4. derece eksen boyunca X-ışını kırınımı

düz bir yol boyunca; geri kalan noktalar atom ağlarından yansıyan ışınları oluşturur.

İncirde. Şekil 23, yaklaşık 3 cm'lik bir plakanın kesildiği kaya tuzu kristalinin X-ışını fotoğrafını göstermektedir. mm kalın, küpün yüzüne paralel. Ortada büyük bir nokta görülüyor - merkezi ışın ışınının izi.

Küçük noktaların düzeni simetriktir ve 4. dereceden bir simetri ekseninin ve dört simetri düzleminin varlığını gösterir.

İkinci çizim (Şekil 24), bir kalsit kristalinin bir x-ışını kırınım modelini göstermektedir. Resim 3. derece simetri ekseni yönünde çekilmiştir. Edebiyat HAKKINDA 2. dereceden simetri eksenlerinin uçları belirtilmiştir.

Günümüzde kristal katıların yapısını incelemek için farklı yöntemler kullanılmaktadır. Yukarıda kısaca açıklanan Laue yönteminin önemli bir özelliği, yalnızca geçen X-ışını ışınına göre tam olarak yönlendirilmiş büyük kristallerin kullanılmasıdır.

Büyük kristallerin kullanılması mümkün değilse genellikle “toz yöntemi” (Debye-Scherer yöntemi) kullanılır. Bu yöntemin en büyük avantajı büyük kristallere ihtiyaç duymamasıdır. Testten önce, ince öğütülmüş durumdaki test maddesi genellikle küçük bir sütun halinde sıkıştırılır. Bu yöntem yalnızca sıkıştırılmış tozları incelemek için değil, aynı zamanda kristalleri yeterince küçükse, tel şeklindeki metallerin bitmiş örnekleri üzerinde çalışmak için de kullanılabilir.

Çok sayıda kristal varsa, her kristalin herhangi bir yüzünden yansıma meydana gelebilir. Bu nedenle, "toz yöntemi" kullanılarak elde edilen bir X-ışını kırınım modeli genellikle incelenen maddeyi karakterize eden bir dizi çizgi üretir.

Kristalleri incelemek için X ışınlarının kullanılması sayesinde, kristallerin içindeki moleküllerin, iyonların ve atomların gerçek düzenleme bölgesine nüfuz etmek ve yalnızca atomik kafesin şeklini değil aynı zamanda kristaller arasındaki mesafeleri de belirlemek mümkün oldu. onu oluşturan parçacıklar.

X ışınları kullanılarak kristallerin yapısının incelenmesi, belirli bir kristali oluşturan iyonların görünen boyutlarının belirlenmesini mümkün kıldı. Bir iyonun yarıçapını veya genellikle söylendiği gibi iyon yarıçapını belirleme yöntemi aşağıdaki örnekte açıkça anlaşılacaktır. Bir yandan MgO, MgS ve MgSe, diğer yandan MnO, MnS ve MnSe gibi kristallerin incelenmesi aşağıdaki interonik mesafeleri verdi:

İçin

MgO -2,10 Å MnO - 2,24 Å

MgS - 2,60 Å ve MnS - 2,59 Å

MgSe - 2,73 Å MnSa - 2,73 Å,

burada Å milimetrenin on milyonda birine eşit olan angstrom değerini belirtir.

Verilen değerlerin karşılaştırılması, MgO ve MnO bileşiklerindeki interiyonik mesafe için Mg ve Mn iyonlarının boyutlarının belirli bir rol oynadığını göstermektedir. Diğer bileşiklerde S ve Se iyonları arasındaki mesafelerin girdiye bağlı olmadığı açıktır.Bileşiğe başka bir iyon girdiğinde S ve Se iyonları birbirleriyle temasa geçerek yoğun bir iyon paketi oluşturur.

Pirinç. 24. 3. dereceden eksende bir kalsit kristalinin X-ışını kırınım modeli

Hesaplama S-2 için 1,84 Å'luk bir iyon yarıçapı verir,

A Se -2 - 1,93 Å için. S -2 ve Se -2'nin iyonik yarıçaplarını bilerek diğer iyonların iyonik yarıçaplarını hesaplamak mümkündür. Yani O2 iyoniktir

yarıçap 1,32Å'a eşittir. 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, vb. İyonik yarıçapın değeri, tartışılacağı üzere izomorfizm ve polimorfizm konularında büyük bir rol oynar. ilgili bölümlerde.

Minerallerin X-ışını yapısal incelemesi, hem minerallerin yapısını anlama hem de yapı ve bileşimlerinin bölünme, kırılma indisi vb. gibi diğer önemli özelliklerle ilişkisini anlama konularında modern mineralojiyi büyük ölçüde ilerletmiştir. Mineralleri incelemenin önemi "Kristalograflar bir yapıyı dışarıdan inceleyerek inceleyebilecek kadar minerali bilselerdi ve kimyacılar da bu yapıyı yıkarak anlamaya çalışsalardı ve daha sonra tek tek inceleyerek bu yapıyı tek tek inceleselerdi." Parçası olan malzemeler, ardından X-ışını kırınım analizi ilk kez binaya girmemize ve binanın iç düzenlemesini ve dekorasyonunu gözlemlememize olanak sağladı."

Konuyla ilgili makale Kristal yapı

Yukarıdakiler “kristal yapı” kavramına aşağıdaki tanımı vermemizi sağlar. Kristal yapı, uzayda kesin olarak tanımlanmış noktalarda kristal bir kafes oluşturan parçacıkların düzenli bir şekilde düzenlenmesiyle karakterize edilen bir yapıdır. Bu sıralama, katı hal yapısını ve kristal cisimlerdeki etkileşim kuvvetlerinin doğasıyla ilişkili olayları deneysel ve teorik olarak tam olarak incelememize olanak tanır.

Her kristalin bir özelliği vardır anizotropi ve sıvı duruma geçişin belirgin bir sıcaklığı. Kristaller, parçacıkların düzenlenmesindeki dış simetri ile karakterize edilir ve bu, üç simetri elemanının varlığıyla ifade edilir: merkez, eksen ve simetri düzlemi. Simetri merkezi – kristalin dış yüzeylerini birleştiren, herhangi bir yönde çizilen tüm düz çizgileri ikiye bölen bir nokta. Simetri düzlemi kristali, bir nesnenin ayna görüntüsüne benzer şekilde birbiriyle ilişkili iki parçaya böler. Simetri ekseni- bu, etrafında belirli bir açıyla döndürüldüğünde yeni konumun bir öncekiyle tamamen çakıştığı bir çizgidir. Simetri elemanları ne kadar fazla olursa, kristalin dış simetrisi de o kadar yüksek olur. Mükemmel simetrik bir şekil bir toptur.

Şu anda, simetri elemanlarının (sistemoni) kombinasyonuyla tüm kristal form çeşitleri yedi türe indirgenmiştir: düzenli (kübik), trigonal, altıgen, dörtgen, eşkenar dörtgen, monoklinik ve triklinik. Tablo 3.2. Kristallerin sisteme göre sınıflandırılması verilmiştir.

Tablo 3.2. Kristallerin sisteme göre sınıflandırılması

Alt sistemin kristalleri daha az simetriyle karakterize edilir; Daha yüksek bir sistem kategorisinin kristalleri, kristal kafesin daha mükemmel bir şekline sahiptir ve bu nedenle belirli varoluş koşulları altında daha kararlıdır.

Kristal halindeki birçok madde aşağıdakilerle karakterize edilir: polimorfizm yani Bir maddenin farklı özelliklere sahip çeşitli kristal yapılar halinde var olma yeteneği. Basit maddelerin çok biçimliliğine denir allotropi. Karbonun (elmas, grafit), kuvarsın (a-kuvars, β-kuvars), demir, tungsten vb. polimorfik modifikasyonları bilinmektedir.

Eğer iki farklı madde aynı kristal yapıya sahipse benzer kimyasal formül ve kendilerini oluşturan parçacıkların boyutları çok fazla farklılık göstermiyorsa, karışık kristaller oluşturabilirler. Bu tür maddelere izomorfik denir; karışık kristaller oluşturma yeteneklerine izomorfizm denir. Örnek: kaolinit Al203 kristalleri bileşim ve yapı bakımından benzerdir ancak özellikleri farklıdır. 2SiO2. 2H20, pirofilit Al203. 4SiO2. 2H20 ve montmorillonit Al203. 4SiO2. 3H2O.

Gerçek kristaller. Pratik faaliyetlerimizde, kristal büyümesinin denge koşullarındaki değişikliklerin bir sonucu olarak oluşan kristal kafesin bozuklukları (kusurları) nedeniyle ideal olanlardan farklı olan gerçek kristallerle, kristalleşme sırasında yabancı maddelerin yakalanmasıyla ve ayrıca çeşitli dış etkilerin etkisi.

Amorf yapı

Amorf yapı fiziksel durumlardan biridir katılar Amorf maddeler iki özellikle karakterize edilir. İlk olarak, bu tür maddelerin normal koşullardaki özellikleri seçilen yöne bağlı değildir; Onlar - izotropik. İkincisi, artan sıcaklıkla amorf madde yumuşar ve yavaş yavaş sıvı hale dönüşür. Kesin değer erime noktası yok.

Maddelerin kristal ve amorf durumlarının ortak özelliği, parçacıkların öteleme hareketinin olmaması ve yalnızca denge konumu etrafındaki salınım hareketinin korunmasıdır. Aralarındaki fark, kristallerde geometrik olarak düzenli bir kafesin bulunması ve amorf maddelerde atomların dizilişinde uzun menzilli düzenin bulunmamasıdır.

Bir maddenin amorf hali, kristal olanla karşılaştırıldığında her zaman daha az kararlıdır ve fazla miktarda iç enerjiye sahiptir. Bu bakımdan belirli koşullar altında amorf durumdan kristal duruma geçiş kendiliğinden gerçekleşir.

Amorf haldeki katılar iki şekilde elde edilebilir. İlk yol, esas olarak iyonik ve kovalent yapıdaki kristalli maddelerin eriyiklerinin hızla soğutulmasıdır. Tipik temsilci bu tür amorf cisimler - silikat camlar, bitüm, reçineler vb.

İkinci yol ise kristal yapıların dağılmasıdır. Kristal cisimlerin dispersiyonu sonucunda kolloidler ve çözeltiler şeklinde amorf dispersiyonlar oluşur. Dağılımlar, çökerek veya yoğunlaşarak toplanma durumlarını değiştirir. Örneğin aşırı doymuş çözeltiler jelleşebilir ve bir polimer oluşturabilir veya kristalleşebilir.

Amorf maddeler vitroidlere (camlara), dağılmış sistemlere ve polimerlere ayrılır.

Vitroidler- Bunlar camsı yapıya sahip, amorf haldeki katılardır. Daha önce belirtildiği gibi camlar, hızlı soğumanın bir sonucu olarak, esas olarak silikat eriyiklerinden oluşur. Hızlı soğutma düzenli bir yapının oluşmasını engeller. Özellikle moleküller hacimliyse ve soğuma hızı yüksekse.

Atomu tanımlama ve tasvir etme yöntemleri

Kristal yapılar

Kristaller

Yapının periyodikliği kristallerin en karakteristik özelliğidir. Periyodik bir kafeste her zaman ayırt edilebilir Birim hücre uzayda tüm kristalin yapısı hakkında fikir edinmenin kolay olduğu yayın. Herhangi bir element veya bileşik tarafından belirli bir uzaysal kafesin oluşumu esas olarak atomların boyutuna ve dış kabuklarının elektronik konfigürasyonuna bağlıdır.

Rus bilim adamı E. S. Fedorov, X-ışını yapısal analiz yöntemlerinin keşfedilmesinden neredeyse 40 yıl önce, çeşitli maddelerin kristal kafeslerindeki parçacıkların olası düzenlerini hesapladı ve 230 uzamsal grup önerdi. Geometrik olarak Bravais kafesleri adı verilen ve Tabloda verilen altı kristal sistemin temelini oluşturan yalnızca 14 farklı uzamsal kafes mümkündür. 2.1 ve Şek. 2.1. Bazen bir eşkenar dörtgen veya üçgen sistem dikkate alınır (a = b = İle; α = β = γ ≠ 90°) bağımsız bir yedinci sistem olarak.

Atomlar yalnızca birim hücrenin köşelerinde bulunuyorsa kafes denir. ilkel veya basit. Hücrenin yüzlerinde veya hacminde atomlar varsa, kafes karmaşık olacaktır (örneğin, taban, hacim ve yüz merkezli).

Kristalin cisimler, tek tek büyük kristaller (tek kristaller) formunda olabilir veya çok sayıda küçük kristalin (tanelerin) birleşiminden oluşabilir.

Tablo 2.1

Kristal sistemlerin uzaysal kafesleri

Pirinç. 2.1. Bravais kafesleri

Polikristal durumunda, her bir tanecik içinde atomlar periyodik olarak düzenlenir, ancak arayüzeylerde bir tanecikten diğerine geçerken parçacıkların düzenli düzeni bozulur.

Tek kristaller özelliklerin anizotropisi ile karakterize edilir. Çok kristalli gövdelerde çoğu durumda anizotropi gözlenmez, ancak özel işlem yardımıyla yönlendirilmiş kristal düzenlemesine sahip dokulu malzemeler elde edilebilir.

Tek kristaller anizotropik olduğundan elektriksel, mekanik ve diğer özellikleri belirlerken kristallerdeki kristalografik düzlemlerin ve yönlerin konumunu belirtmek gerekir. Bunun için Miller endeksleri kullanılmaktadır.

Miller endeksleri

Düzlemin koordinat eksenleri üzerinde (kafes periyodu birimlerinde) OA, OB ve OS segmentlerini kesmesine izin verin. Bunların ters miktarlarını H = 1/OA, K = 1/OB, L = 1/OS hesaplayalım ve H: K: L = h: k: l ile aynı orana sahip en küçük tamsayıları belirleyelim. Tamsayı (hkl) indekslerine düzlemin Miller indeksleri denir.

Kübik kristallerde indeksler (100) Y ve Z eksenlerine paralel düzlemi ifade eder; endeksler (010) - X ve Z eksenlerine paralel düzleme ve (001) - X ve Y eksenlerine paralel düzleme Dik eksenli kristallerde, bu düzlemler aynı zamanda eksenlere diktir, sırasıyla X, Y ve Z.

Bir kristaldeki yönleri belirlemek için, belirli bir yöne paralel bir vektörün bileşenleri olarak birbirleriyle ilişkili en küçük tam sayılar biçiminde indeksler kullanılır. Düzlemlerin belirtilmesinden farklı olarak köşeli parantez içinde yazılırlar. Kübik kristallerde bu yönler aynı indisli düzleme diktir. X ekseninin pozitif yönü ile gösterilir, Y ekseninin pozitif yönü, Z ekseninin negatif yönü, küpün köşegeni vb. Kristalografik düzlemlerin ve yönlerin tanımları Şekil 2'de gösterilmektedir. 2.2.

Eşit parçaları kesen ancak farklı oktanlarda bulunan düzlemler kristalografik ve fizikokimyasal açılardan eşdeğerdir. Bunlar bir dizi eşdeğer düzlem - (hkl) veya h, k, l'nin herhangi bir sırayla ve indekslerin önünde herhangi bir sayıda eksi ile yazılabildiği bir düzlem sistemi oluştururlar. Eksi işareti endeksin üstüne yazılır.

Uzaysal bir kafeste bir yönün konumu, orijine en yakın olan ve belirli bir yönde uzanan atomun koordinatları ile kolaylıkla belirlenebilir.

Bir dizi eşdeğer yön veya yön sistemi belirlenir , burada h, k, l herhangi bir sırada ve herhangi bir sayıda eksi ile yazılabilir:<100>- küpün tüm kenarlarına paralel bir dizi yön; (100) - küpün tüm yüzlerine paralel bir dizi düzlem.

Pirinç. 2.2. Kristalografik tanımlama örnekleri

Kübik kristallerde düzlemler ve yönler

Miller endekslerini kullanma

Problem çözme örnekleri

Örnek 1. Kafes eksenlerinde A = 1, B = 2, C = - 4 parçalarını kesen düzlemin indekslerini belirleyin.

Segmentlerin karşılıklılarının oranları 1/A: 1/B: 1/C = 1/1: 1/2: 1/(-4) şeklindedir. Bu oranı üç tam sayının oranına getirirsek ortak payda 4 ile çarparsak ek çarpanlar 4 ve 2 olur. 1/A: 1/B: 1/C = 4: 2:(- 1). Bunlar gerekli h, k, l olacaktır. Düzlem indeksleri (42).

Örnek 2. Kafes eksenlerinde düzlem (023) tarafından kesilen parçaları belirleyin.

Düzlem endekslerinin ters değerlerini yazıyoruz: 1/0, 1/2, 1/3. 6'ya eşit bir ortak paydayla çarpıyoruz (bölümleri tam sayılara getiriyoruz). Düzlemin eksenlerde kestiği bölümler A = , B = 3, C = 2'ye eşit olacaktır. A = olduğundan bu düzlem x eksenine paralel olacaktır.

Polimorfizm

Bazı katılar, farklı sıcaklık ve basınçlarda kararlı olan bir değil iki veya daha fazla kristal yapı oluşturma yeteneğine sahiptir. Malzemelerin bu özelliğine denir polimorfizm, ve karşılık gelen kristal yapılara polimorfik formlar denir veya allotropik maddenin modifikasyonları.

Normal ve düşük sıcaklıklarda stabil olan bir modifikasyon genellikle şu harfle gösterilir: α ; daha stabil olan modifikasyonlar yüksek sıcaklıklar, sırasıyla harflerle gösterilir β , γ, vb.

Polimorfizm teknik malzemeler arasında yaygındır ve önemli bunların işlenmesi ve çalıştırılması için.

Polimorfizmin klasik bir örneği beyaz kalayın düşük sıcaklıkta dönüşümüdür ( β -Sn) ila gri ( α -Sn), teknolojide “kalay vebası” olarak bilinir.

Karbonun polimorfizmi, yani elmas veya grafit formundaki varlığı pratik açıdan ilgi çekicidir. Normal koşullar altında grafit elmastan daha kararlı bir modifikasyondur. Ancak basınç arttıkça elmasın stabilitesi artar, grafitin stabilitesi azalır. yüksek basınçlar elmas daha kararlı hale gelir. Atomların hareketliliğini arttırmak için sıcaklık arttırılırsa grafit elmasa dönüştürülebilir. Yapay elmasların üretimi bu prensibe dayanmaktadır. Sovyetler Birliği'nde endüstriyel üretimi 1961 yılında başlamıştır. Sentez, 2000 ° C sıcaklıkta yaklaşık 10 10 Pa basınç altında gerçekleştirilir. Bu şekilde elde edilen yapay elmaslar, doğal kristallere göre daha yüksek mukavemet ve sertliğe sahiptir.

2.1.5. izomorfizm

izomorfizm- bu, kimyasal ve geometrik olarak yakın atomların ve iyonların ve bunların kombinasyonlarının, kristal kafes içinde birbirlerini değiştirerek değişken bileşimli kristaller oluşturma özelliğidir.

Silikon ve germanyumun izomorf kristalleri sürekli bir dizi ikameli katı çözelti oluşturur. Bu maddelerin her ikisi de elmasın yapısında kristalleşir, germanyumun kafes periyodu a = 0,565 nm, silikon a = 0,542 nm'dir, periyotlardaki fark %4'ten azdır, dolayısıyla sınırsız çözünürlüğe sahip ikame katı çözeltilerin oluşumu germanyum ve silikon atomlarının elmas ızgara sitelerinde bulunması mümkündür.

Karışık Si-Ge kristallerinin izomorfik serisindeki yoğunluk, kafes parametresi ve sertlik doğrusal olarak değişir. Çeşitli izomorfik bileşimler seçilerek, bunlar ve yarı iletken bileşiklerin diğer katı çözeltileri için çalışma sıcaklığı aralıklarını ve elektriksel parametreleri değiştirmek mümkündür.

İlgili bilgi.

Bir kristaldeki moleküller. Kristal yapı, kristal kafes, kristalin simetrisi, birim hücresinin şekli ve boyutu, hücredeki atomların türü ve koordinatları ile belirlenir. İdeal bir kristalde tüm hücrelerdeki atomların içeriği ve konumları aynıdır. Kimyasal bileşim haricinde, kristal yapının diğer tüm özellikleri kırınım yöntemleriyle belirlenir - x-ışını yapısal analizi, elektron kırınımı, yapısal nötron kırınımı. Katı çözelti kristallerinde ve kimyasal bileşimin stokiyometriden diğer sapmalarında, yüksek hassasiyetli yapısal analiz, ilgili parametrelerin belirlenmesini ve açıklığa kavuşturulmasını mümkün kılar.

Atomlar arası mesafe mertebesinde bir dalga boyuna sahip radyasyon tek bir kristal üzerine düştüğünde, ayrı bir tepe kümesinden oluşan bir kırınım modeli ortaya çıkar. Piklerin konumları kristal kafes tarafından belirlenir ve yoğunlukları atomların türüne ve kristalin birim hücresindeki konumlarına bağlıdır. Kristalde simetri elemanlarının varlığı, karşılık gelen tepe noktalarının yoğunluklarının eşitliği ile kendini gösterir. Bunun istisnası, kırınım modelinin her zaman sentrosimetrik olmasıdır (kristalde bir simetri merkezinin varlığına veya yokluğuna bakılmaksızın). Sonuç olarak, X-ışını kırınım analizi kullanılarak kristallerin 230 uzaysal (Fedorov) simetri grubundan yalnızca 122 grup ayırt edilebilmektedir. Bir kristalde bir simetri merkezinin varlığı (veya yokluğu), kırınım tepe noktalarının yoğunluk dağılımı istatistiklerinden belirlenebilir. Kristalin, kullanılan radyasyonun anormal saçılımına sahip atomlar içermesi durumunda, simetri merkezinin bulunmadığının deneysel olarak belirlenmesi mümkündür. En karmaşık yöntem, bir kristalin birim hücresindeki atomların koordinatlarını belirlemektir.

Bazı elementlerin kristal yapısını ele alalım periyodik tablo. Böylece, farklı simetriye sahip polonyumun iki modifikasyonu, birim hücre başına 1 atom içerir. Potasyum, çinko, molibden kristallerinin ve diğer bazı elementlerin temel hücreleri her biri 2 atom içerir, bir tellür hücresi 3 içerir ve iki manganez modifikasyonu hücre başına sırasıyla 20 ve 58 atom içerir. İnorganik ve organik bileşiklerin kristalleri, hücre başına birimlerden yüzlerce atoma kadar içerebilir. Protein kristalleri binlerce ila yüz binlerce atom içerir ve kristalize virüsler 2-3 kat daha fazlasını içerir.

Kristallerin kristal yapısını ele alalım farklı nitelikte. Lityum niyobat kristalleri LiNbO 3, lazer teknolojisi ve optikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekil 1 kristal yapısının iki görüntüsünü göstermektedir. İlk durumda atomlar toplardır. Büyük oksijen anyonları kristal yapının genel organizasyonunu görmemize izin vermez. L. Pauling, köşeleri anyonların merkezleri olan ve çokyüzlülerin içinde karşılık gelen bir katyon bulunan çokyüzlü biçiminde inorganik yapıları tasvir etmeyi önerdi. Şekil 1, b'de gösterilen lityum niyobatta bunlar oktahedra ve .

Stronsiyum-baryum niyobat ailesi Sr 1-x Ba x Nb206'nın kristalleri, stronsiyum ve baryum oranının değiştirilmesiyle özel olarak kontrol edilebilen doğrusal olmayan optik, piroelektrik ve piezoelektrik özelliklerle (bkz. Piroelektrik, Piezoelektriklik) karakterize edilir. Şekil 2, bu kristallerin kristal yapısını göstermektedir; buradan bazı stronsiyum atomlarının kendi konumlarını işgal ettiği ve baryum ve stronsiyum atomlarının koordinatları biraz farklı olan istatistiksel olarak başka bir konumda yer aldığı görülebilmektedir.

Organik bileşiklerin kristal yapıları genellikle zayıf van der Waals ve muhtemelen hidrojen bağlarıyla birbirine bağlanan moleküllerin sıkı bir paketlenmesidir. Organik bileşiklerin kristalleri teknolojide kullanılır, ancak genellikle yalnızca X-ışını yöntemleriyle tespit edilmek üzere elde edilirler. atomik yapıÇözeltilerdeki organik bileşikler (ve vücuttaki biyolojik olarak aktif bileşikler) bireysel moleküller gibi davrandığından moleküller. Antibiyotik moleküllerinin yapıları - enniatin B ve sporidesmolid analogları Şekil 3'te gösterilmektedir. İlk bileşik, katyonların biyolojik zarlar yoluyla seçici taşınması için bir ilaçtır ve ikincisi, her iki molekül de molekül içi hidrojen bağları nedeniyle bu özelliğe sahip değildir. sikliktir ve 6 amino asit kalıntısından oluşur. Moleküllerin yapısındaki farklılık, karşılık gelen kristallerin kristal yapısıyla belirlenir.

Modern yüksek hassasiyetli yapısal analiz, yalnızca atomların koordinatlarını değil aynı zamanda bu titreşimlerin anizotropisini ve uyumsuzluğunu hesaba katarak atomların termal titreşimlerinin parametrelerini de belirlemeyi mümkün kılar. Çok karmaşık olmayan bileşikler için X-ışını kırınım analizi, kristallerindeki elektron yoğunluğunun dağılımını belirleyebilir. Yapısal yöntemler, kristalin kimyasal bileşiminin stokiyometrisinin ihlallerine ve çeşitli kusurlarına karşı duyarlıdır. Elektronik veritabanlarında kristalli maddelerin yapıları hakkında kapsamlı materyal sunulmaktadır (bkz. Kristal kimyası).

Aydınlatılmış: Belov N.V. İyonik kristallerin ve metalik fazların yapısı. M., 1947; diğer adıyla. Yapısal kristalografi. M., 1951; Kitaygorodsky A.I. Organik kristal kimyası. M., 1947; Fedorov E. S. Kristallerin simetrisi ve yapısı. M.; L., 1949; Blundell T., Johnson L. Protein kristalografisi. M., 1979.

İyi çalışmanızı bilgi tabanına göndermek basittir. Aşağıdaki formu kullanın

Bilgi tabanını çalışmalarında ve çalışmalarında kullanan öğrenciler, lisansüstü öğrenciler, genç bilim insanları size çok minnettar olacaklardır.

Kristaller (Yunanca xeufbllpt'den, başlangıçta - buz, daha sonra - kaya kristali, kristal), atomların düzenli olarak düzenlendiği ve üç boyutlu periyodik bir mekansal düzenleme - bir kristal kafes oluşturan katı gövdelerdir.

Kristaller, iç yapılarına, yani maddeyi oluşturan parçacıkların (atomlar, moleküller, iyonlar) çeşitli belirli düzenli düzenlemelerinden birine dayanan, düzenli simetrik çokyüzlülerin doğal bir dış şekline sahip katı maddelerdir.

Özellikler:

Tekdüzelik. Bu özellik, uzayda aynı şekilde yönlendirilmiş, ancak kesilmiş iki özdeş temel kristal madde hacminin ortaya çıkmasıyla ortaya çıkar. farklı noktalar Bu maddenin tüm özellikleri tamamen aynıdır: aynı renge, özgül ağırlığa, sertliğe, ısıl iletkenliğe, elektriksel iletkenliğe vb. sahiptirler.

Gerçek kristalli maddelerin çoğu zaman kristal kafeslerini bozan kalıcı yabancı maddeler ve kalıntılar içerdiği akılda tutulmalıdır. Bu nedenle gerçek kristallerde mutlak homojenlik çoğu zaman mevcut değildir.

Kristallerin anizotropisi

Birçok kristal anizotropi özelliğine, yani özelliklerinin yöne bağımlılığına sahipken, izotropik maddelerde (çoğu gaz, sıvı, amorf katılar) veya psödoizotropik (polikristaller) özellikler yönlere bağlı değildir. Kristallerin elastik olmayan deformasyon süreci her zaman iyi tanımlanmış kayma sistemleri boyunca, yani yalnızca belirli kristalografik düzlemler boyunca ve yalnızca belirli bir kristalografik yönde meydana gelir. Kristal ortamın farklı alanlarındaki deformasyonun homojen ve eşit olmayan gelişimi nedeniyle, mikro gerilim alanlarının gelişimi yoluyla bu alanlar arasında yoğun etkileşim meydana gelir.

Aynı zamanda anizotropinin bulunmadığı kristaller de vardır.

Martensitik esnekliğin fiziğinde, özellikle şekil hafızası etkileri ve dönüşüm plastisite konularında zengin deneysel materyal birikmiştir. Kristal fiziğinin, elastik olmayan deformasyonların neredeyse tamamen martensitik reaksiyonlar yoluyla baskın gelişimi ile ilgili en önemli konumu deneysel olarak kanıtlanmıştır. Ancak martensitik esnekliğin fiziksel teorisini oluşturmanın ilkeleri belirsizdir. Mekanik ikizlenme nedeniyle kristal deformasyonu durumunda da benzer bir durum ortaya çıkar.

Metallerin dislokasyon plastisitesi çalışmalarında önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Burada sadece elastik olmayan deformasyon işlemlerinin uygulanmasının temel yapısal ve fiziksel mekanizmaları anlaşılmamış, aynı zamanda olayın hesaplanması için etkili yöntemler de oluşturulmuştur.

Kendi kendine damıtma yeteneği, kristallerin serbest büyüme sırasında yüzler oluşturma özelliğidir. Sofra tuzu gibi bir maddeden oyulmuş bir top aşırı doymuş çözeltisine yerleştirilirse, bir süre sonra bu top küp şeklini alacaktır. Buna karşılık, amorf bir madde kendi kendine damıtılamadığı için cam kürecik şeklini değiştirmeyecektir.

Sabit erime noktası. Kristalin bir cismi ısıtırsanız, sıcaklığı belirli bir sınıra kadar artacaktır; daha fazla ısıtmayla madde erimeye başlayacak ve tüm ısı kristal kafesi tahrip edeceğinden sıcaklık bir süre sabit kalacaktır. Erimenin başladığı sıcaklığa erime noktası denir.

Kristal taksonomisi

Kristal yapı

Her madde için ayrı olan kristal yapı, bu maddenin temel fiziksel ve kimyasal özelliklerini ifade eder. Kristal yapı, motivasyon birimi adı verilen belirli bir atom grubunun kristal kafesin her noktasıyla ilişkili olduğu bir atom koleksiyonudur ve bu tür grupların tümü kafese göre bileşim, yapı ve yönelim bakımından aynıdır. Yapının, kafes ile motif biriminin sentezi sonucu, motif biriminin çeviri grubu tarafından çoğaltılması sonucu ortaya çıktığı düşünülebilir.

En basit durumda motif birimi, örneğin bakır veya demir kristallerindeki tek bir atomdan oluşur. Böyle bir motif birimi temelinde ortaya çıkan yapı, geometrik olarak kafese çok benzemekle birlikte, noktalardan ziyade atomlardan oluşmasıyla yine de farklılık göstermektedir. Bu durum çoğu zaman dikkate alınmaz ve bu tür kristaller için "kristal kafes" ve "kristal yapı" terimleri eşanlamlı olarak kullanılır ve bu da kesin değildir. Motif biriminin kompozisyon olarak daha karmaşık olduğu - iki veya daha fazla atomdan oluştuğu durumlarda, kafes ve yapı açısından geometrik benzerlik yoktur ve bu kavramların yer değiştirmesi hatalara yol açmaktadır. Örneğin magnezyum veya elmasın yapısı geometrik olarak kafesle örtüşmez: bu yapılarda motif birimleri iki atomdan oluşur.

Bazıları birbiriyle ilişkili olan, kristal yapıyı karakterize eden ana parametreler şunlardır:

§ kristal kafes tipi (sistemonluk, Bravais kafesi);

§ birim hücre başına formül birimi sayısı;

§ uzay grubu;

§ birim hücre parametreleri (doğrusal boyutlar ve açılar);

§ bir hücredeki atomların koordinatları;

§ tüm atomların koordinasyon sayıları.

Yapısal tip

Aynı uzay grubuna ve kristal kimyasal konumlarında (yörüngelerinde) aynı atom düzenine sahip kristal yapılar, yapısal tiplerde birleştirilir.

En iyi bilinen yapısal türleri bakır, magnezyum, b-demir, elmas (basit maddeler), sodyum klorür, sfalerit, wurtzit, sezyum klorür, florit (ikili bileşikler), perovskit, spineldir (üçlü bileşikler).

Kristal hücre

Bu katıyı oluşturan parçacıklar bir kristal kafes oluşturur. Kristal kafesler stereometrik (uzaysal) olarak aynı veya benzerse (aynı simetriye sahipse), o zaman aralarındaki geometrik fark, özellikle kafes bölgelerini işgal eden parçacıklar arasındaki farklı mesafelerde yatmaktadır. Parçacıkların kendi aralarındaki mesafelere kafes parametreleri denir. Kafes parametreleri ve geometrik çokyüzlülerin açıları, yapısal analizin fiziksel yöntemleri, örneğin X-ışını yapısal analizi yöntemleri ile belirlenir.

http://www.allbest.ru/ adresinde yayınlandı

Pirinç. Kristal hücre

Çoğunlukla katılar (koşullara bağlı olarak) birden fazla kristal kafes biçimi oluşturur; bu tür formlara polimorfik modifikasyonlar denir. Örneğin, basit maddeler arasında, karbonun altıgen ve kübik modifikasyonları olan eşkenar dörtgen ve monoklinik kükürt, grafit ve elmas bilinmektedir; karmaşık maddeler arasında kuvars, tridimit ve kristobalit, silikon dioksitin çeşitli modifikasyonlarıdır.

Kristal türleri

İdeal ve gerçek kristali ayırmak gerekir.

Mükemmel Kristal

Aslında bu, tam, doğal bir simetriye ve idealize edilmiş pürüzsüz pürüzsüz kenarlara sahip matematiksel bir nesnedir.

Gerçek kristal

Kafesin iç yapısında her zaman çeşitli kusurlar, yüzlerdeki çarpıklıklar ve düzensizlikler içerir ve belirli büyüme koşulları, besleme ortamının heterojenliği, hasar ve deformasyonlar nedeniyle polihedronun simetrisi azalmıştır. Gerçek bir kristalin mutlaka kristalografik yüzleri ve düzenli bir şekli olması gerekmez, ancak ana özelliğini korur - kristal kafesteki atomların düzenli konumu.

Kristal kafesindeki kusurlar (kristallerin gerçek yapısı)

Gerçek kristallerde atomların dizilişinde her zaman kusurlar veya kafes kusurları adı verilen ideal düzenden sapmalar vardır. Kusurlar neden oldukları kafes bozulmalarının geometrisine göre noktasal, doğrusal ve yüzeysel olarak ayrılır.

Nokta kusurları

İncirde. 1.2.5 gösterilmiştir Farklı türde nokta kusurları. Bunlar boş boşluklardır; boş kafes bölgeleri, aralıklardaki "kendi" atomları ve kafes bölgeleri ve aralıklarındaki safsızlık atomları. İlk iki tür kusurun oluşmasının ana nedeni, sıcaklığın artmasıyla yoğunluğu artan atomların hareketidir.

Pirinç. 1.2.5. Kristal kafesteki nokta kusurlarının türleri: sırasıyla 1 - boşluk, 2 - bir ara yer bölgesindeki atom, 3 ve 4 - bir alan ve ara yer bölgesindeki safsızlık atomları

Herhangi bir nokta kusurunun çevresinde, 1...2 kafes periyodu R yarıçaplı kafesin yerel bir distorsiyonu meydana gelir (bkz. Şekil 1.2.6), bu nedenle, bu tür birçok kusur varsa, bunlar dağılımın doğasını etkiler. atomlar arası bağ kuvvetleri ve buna bağlı olarak kristallerin özellikleri.

Pirinç. 1.2.6. Bir boşluk (a) etrafındaki kristal kafesin ve kafes bölgesindeki (b) bir safsızlık atomunun yerel distorsiyonu

Doğrusal kusurlar

Doğrusal kusurlara dislokasyon denir. Görünümleri, kristalin belirli kısımlarında "ekstra" atomik yarı düzlemlerin (ekstra düzlemler) varlığından kaynaklanır. Metallerin kristalleşmesi sırasında (atom katmanlarını doldurma sırasının ihlali nedeniyle) veya Şekil 2'de gösterildiği gibi plastik deformasyonlarının bir sonucu olarak ortaya çıkarlar. 1.2.7.

Pirinç. 1.2.7. Kuvvetin etkisi altında kristalin üst kısmının kısmi yer değiştirmesi sonucu bir kenar çıkığının oluşması (): ABCD - kayma düzlemi; EFGН - dış düzlem; TR - kenar çıkık çizgisi

Bir kesme kuvvetinin etkisi altında, kristalin üst kısmında belirli bir kayma düzlemi ("hafif kesme") ABCD boyunca kısmi bir kaymanın meydana geldiği görülebilir. Sonuç olarak, ekstra düzlem EFGH oluşturuldu. Aşağıya doğru devam etmediğinden, kafesin EH kenarı çevresinde birkaç atom arası mesafeye sahip (örn. 10 -7 cm - bkz. konu 1.2.1) bir yarıçapa sahip elastik bir distorsiyonu ortaya çıkar, bu distorsiyonun kapsamı birçok kez daha fazladır (can 0,1...1 cm'ye kadar ulaşır).

Ekstra düzlemin kenarı etrafındaki kristalin bu kusuru, doğrusal bir kafes kusurudur ve kenar dislokasyonu olarak adlandırılır.

Metallerin en önemli mekanik özellikleri - mukavemet ve süneklik (bkz. konu 1.1) - dislokasyonların varlığı ve bunların gövde yüklendiğinde davranışlarıyla belirlenir.

Dislokasyon hareketi mekanizmasının iki özelliği üzerinde duralım.

1. Dislokasyonlar, ekstra düzlemin "röle yarışı" hareketi yoluyla kayma düzlemi boyunca çok kolay bir şekilde (düşük yükte) hareket edebilir. İncirde. Şekil 1.2.8 böyle bir hareketin başlangıç ​​aşamasını göstermektedir (kenar çıkık çizgisine dik bir düzlemde iki boyutlu bir desen).

Pirinç. 1.2.8. İlk aşama Bir kenar çıkığının röle hareketi (). A-A - kayan düzlem, 1-1 ekstra düzlem (başlangıç ​​konumu)

Kuvvetin etkisi altında, ekstra düzlemin (1-1) atomları, kayma düzleminin üzerinde bulunan atomları (2-2) düzlemden (2-3) koparır. Sonuç olarak bu atomlar yeni bir dış düzlem (2-2) oluşturur; "eski" ekstra düzlemin (1-1) atomları boş alanları işgal ederek düzlemin (1-1-3) yapısını tamamlar. Bu hareket, ekstra düzlem (1-1) ile ilişkili “eski” dislokasyonun ortadan kalkması ve ekstra düzlem (2-2) ile ilişkili “yeni” dislokasyonun ortaya çıkması, yani başka bir deyişle, “röle copunun” transferi - bir düzlemler arası mesafeye çıkık. Dislokasyonun bu röle hareketi kristalin kenarına ulaşana kadar devam edecektir, bu da üst kısmının düzlemler arası bir mesafe kadar kayması (yani plastik deformasyon) anlamına gelecektir.

Bu mekanizma fazla çaba gerektirmez çünkü dış düzlemi çevreleyen yalnızca sınırlı sayıda atomu etkileyen ardışık mikro yer değiştirmelerden oluşur.

2. Bununla birlikte, dislokasyonların bu kadar kolay kaymasının ancak yollarında hiçbir engel olmadığında gözlemleneceği açıktır. Bu tür engeller, herhangi bir kafes kusuru (özellikle doğrusal ve yüzey!) ve ayrıca malzemede mevcutsa diğer fazların parçacıklarıdır. Bu engeller, aşılması ek dış kuvvetler gerektiren kafes çarpıklıkları yaratır ve bu nedenle dislokasyonların hareketini engelleyebilir; onları hareketsiz hale getirin.

Yüzey kusurları

Tüm endüstriyel metaller (alaşımlar) çok kristalli malzemelerdir; taneler adı verilen çok sayıda küçük (genellikle 10 -2 ... 10 -3 cm), düzensiz yönlendirilmiş kristallerden oluşur. Tanelerin kristalografik düzlemleri birbirine göre bir b açısı kadar döndürüldüğünden (bakınız Şekil 1.2.9), her bir taneciğin (tek kristal) doğasında bulunan kafes periyodikliğinin böyle bir malzemede kırıldığı açıktır (bkz. Şekil 1.2.9), değer kesirlerden birkaç on dereceye kadar değişir.

Pirinç. 1.2.9. Çok kristalli bir malzemede tane sınırlarının yapısının şeması

Taneler arasındaki sınır, genellikle düzensiz atom düzenine sahip, 10 atom arası mesafeye kadar genişliğe sahip bir geçiş katmanıdır. Burası dislokasyonların, boşlukların ve safsızlık atomlarının biriktiği yerdir. Bu nedenle, çok kristalli bir malzemenin büyük kısmında tane sınırları iki boyutlu yüzey kusurlarıdır.

Kafes kusurlarının kristallerin mekanik özellikleri üzerindeki etkisi. Metallerin mukavemetini arttırmanın yolları.

Mukavemet, bir malzemenin dış yükün etkisi altında deformasyona ve tahribata direnme yeteneğidir.

Kristalin gövdelerin gücü, uygulanan bir yüke karşı dirençleri, hareket etme eğilimi veya kristalin bir kısmını diğerine göre sınırda yırtma eğilimi olarak anlaşılmaktadır.

Metallerde hareketli dislokasyonların varlığı (zaten kristalizasyon işlemi sırasında 1 cm2'ye eşit bir kesitte 10 6 ... 10 8'e kadar dislokasyon ortaya çıkar), yüklenmeye karşı dirençlerinin azalmasına yol açar, yani. yüksek süneklik ve düşük mukavemet.

Açıkçası, mukavemeti arttırmanın en etkili yolu metaldeki dislokasyonları ortadan kaldırmaktır. Ancak bu yol teknolojik açıdan ileri düzeyde değildir, çünkü dislokasyonsuz metaller yalnızca birkaç mikron çapında ve 10 mikrona kadar uzunlukta ince iplikler ("bıyık" adı verilen) şeklinde elde edilebilir.

Bu yüzden pratik yollar güçlendirme, frenlemeye, kafes kusurlarının sayısını (öncelikle doğrusal ve yüzey!) keskin bir şekilde artırarak mobil çıkıkları engellemeye ve ayrıca çok fazlı malzemeler oluşturmaya dayanır.

Çok geleneksel yöntemler metallerin mukavemetini arttırmak:

– plastik deformasyon (işin sertleşmesi veya sertleşmesi olgusu),

– termal (ve kimyasal-termal) arıtma,

– alaşımlama (özel yabancı maddelerin eklenmesi) ve en yaygın yaklaşım alaşımların oluşturulmasıdır.

Sonuç olarak, mobil dislokasyonların engellenmesine dayalı mukavemet artışının, süneklik ve darbe mukavemetinde ve buna bağlı olarak malzemenin operasyonel güvenilirliğinde bir azalmaya yol açtığı unutulmamalıdır.

Bu nedenle sertleşme derecesi sorununa, ürünün amacına ve çalışma koşullarına göre ayrı ayrı karar verilmelidir.

Kelimenin tam anlamıyla polimorfizm çok biçimlilik anlamına gelir, yani. aynı kimyasal bileşime sahip maddelerin farklı yapılarda kristalleştiği ve farklı singojilerin kristallerini oluşturduğu bir olgudur. Örneğin, elmas ve grafit aynı kimyasal bileşime sahiptir ancak yapıları farklıdır; her iki mineralin de fiziksel özellikleri keskin bir şekilde farklılık gösterir. özellikler. Başka bir örnek kalsit ve aragonittir; bunlar aynı CaCO3 bileşimine sahiptirler, ancak farklı polimorfları temsil ederler.

Polimorfizm olgusu, kristalli maddelerin oluşma koşullarıyla ilişkilidir ve yalnızca belirli yapıların çeşitli termodinamik koşullar altında kararlı olması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Böylece, sıcaklık -18 C 0'ın altına düştüğünde metal kalay (beyaz kalay olarak adlandırılır) kararsız hale gelir ve parçalanarak farklı bir yapıda "gri kalay" oluşturur.

İzomorfizm. Metal alaşımları, bir elementin atomlarının diğerinin kristal kafesinin aralıklarına yerleştirildiği değişken bileşimli kristal yapılardır. Bunlar ikinci türden katı çözümler olarak adlandırılanlardır.

İkinci türdeki katı çözeltilerin aksine, birinci türdeki katı çözeltilerde, bir kristalin maddenin atomları veya iyonları, başka bir maddenin atomları veya iyonları ile değiştirilebilir. İkincisi kristal kafesin düğümlerinde bulunur. Bu tür çözümlere izomorfik karışımlar denir.

İzomorfizmin ortaya çıkması için gerekli koşullar:

1) Yalnızca aynı işarete sahip iyonlar değiştirilebilir, yani katyon katyonla ve anyon anyonla değiştirilebilir

2) Yalnızca benzer büyüklükteki atomlar veya iyonlar değiştirilebilir; iyon yarıçaplarındaki fark mükemmel izomorfizm için %15'i ve kusurlu izomorfizm için %25'i geçmemelidir (örneğin, Mg 2+ üzerinde Ca 2+)

3) Yalnızca polarizasyon derecesi (yani bağın iyoniklik-kovalans derecesi) bakımından yakın olan iyonlar değiştirilebilir.

4) Belirli bir kristal yapıda yalnızca aynı koordinasyon numarasına sahip olan elementler değiştirilebilir

5) İzomorfik yer değiştirmeler bu şekilde gerçekleşmelidir. Böylece kristal kafesin elektrostatik dengesi bozulmaz.

6) Kafes enerjisinin artması yönünde izomorfik ikameler meydana gelir.

İzomorfizm türleri. 4 tür izomorfizm vardır:

1) izovalent izomorfizm, bu durumda aynı değerde iyonların bulunması ve iyon yarıçaplarının boyutlarındaki farkın% 15'ten fazla olmaması gerektiği ile karakterize edilir

2) heterovalent izomorfizm. Bu durumda farklı değerliklerdeki iyonların yer değiştirmesi meydana gelir. Böyle bir ikame ile, kristal kafesin elektrostatik dengesini bozmadan bir iyon başka biriyle değiştirilemez, bu nedenle, heterovalent izomorfizmde, heterovalent izomorfizmde olduğu gibi bir iyon değiştirilmez, ancak belirli bir değerliliğe sahip bir grup iyon değiştirilir. aynı toplam değerliliği korurken başka bir iyon grubu tarafından.

Bu durumda, bir değerlik iyonunun bir başka değerlik iyonuyla değiştirilmesinin her zaman değerlik telafisi ile ilişkili olduğunu her zaman hatırlamak gerekir. Bu dengeleme, bileşiklerin hem katyonik hem de anyonik kısımlarında meydana gelebilir. Bu durumda aşağıdaki koşulların karşılanması gerekir:

A) Değiştirilen iyonların değerlerinin toplamı, değiştirilen iyonların değerlerinin toplamına eşit olmalıdır.

B) değiştirilen iyonların iyonik yarıçaplarının toplamı, değiştirilen iyonların iyonik yarıçaplarının toplamına yakın olmalıdır ve bundan %15'ten fazla farklılık göstermemelidir (mükemmel izomorfizm için)

3) eşyapısal. Meydana gelen, bir iyonun başka bir iyonla veya bir grup iyonun başka bir grupla değiştirilmesi değil, bir kristal kafesin bütün bir "bloğunun" başka bir benzer "blok" ile değiştirilmesidir. Bu ancak minerallerin yapılarının aynı tipte olması ve birim hücre boyutlarının benzer olması durumunda gerçekleşebilir.

4) özel türden izomorfizm.

kristal kafes kusuru çıkığı

Allbest.ru'da yayınlandı

Benzer belgeler

Piezoelektrik etkinin özellikleri. Etkinin kristal yapısının incelenmesi: model değerlendirmesi, kristal deformasyonları. Fiziksel mekanizma ters piezoelektrik etki. Piezoelektrik kristallerin özellikleri. Bir efekt uygulama.

kurs çalışması, eklendi 12/09/2010


Kristal kafeslerin titreşimleri hakkında bilgi, fiziksel büyüklüklerini açıklayan fonksiyonlar. Kristalografik koordinat sistemleri. Kovalent kristallerdeki atomların etkileşim enerjisinin hesaplanması, baryum tungstat kristal kafesinin titreşim spektrumu.

tez, 01/09/2014 eklendi


Akımın elektrolitlerden geçişi. Elektrik iletkenliğinin fiziksel doğası. Safsızlıkların ve kristal yapı kusurlarının metallerin direnci üzerindeki etkisi. İnce metal filmlerin direnci. Temas olayları ve termoelektromotor kuvvet.

özet, 29.08.2010 eklendi


Kristallerdeki kusurların kavramı ve sınıflandırılması: enerji, elektronik ve atomik. Kristallerin ana kusurları, nokta kusurlarının oluşumu, konsantrasyonları ve kristal boyunca hareket hızı. Boşluk hareketlerinden dolayı parçacık difüzyonu.

özet, 19.01.2011 eklendi


Polimorfizmin özü, keşfinin tarihi. Fiziksel ve Kimyasal özellikler Karbonun polimorfik modifikasyonları: elmas ve grafit, bunların karşılaştırmalı analizi. Sıvı kristallerin, kalay diiyodürün ince filmlerinin, metallerin ve alaşımların polimorfik dönüşümleri.

kurs çalışması, eklendi 04/12/2012


Katıların kristal ve amorf halleri, noktasal ve doğrusal kusurların nedenleri. Kristallerin çekirdeklenmesi ve büyümesi. Yapay edinim değerli taşlar, katı çözeltiler ve sıvı kristaller. Kolesterik sıvı kristallerin optik özellikleri.

özet, 26.04.2010 eklendi


Sıvı kristal kavramının gelişim tarihi. Sıvı kristaller, çeşitleri ve temel özellikleri. Sıvı kristallerin optik aktiviteleri ve yapısal özellikleri. Frederick etkisi. LCD cihazların fiziksel çalışma prensibi. Optik mikrofon.

öğretici, 12/14/2010 eklendi


Kristalizasyon, bir metalin kristalli bir yapının oluşmasıyla sıvı durumdan katı duruma geçiş sürecidir. Ark kaynağı sırasında dikiş oluşumunun şeması. Sıvı metal kristallerinin büyümesinin başlaması için gerekli temel faktörler ve koşullar.

sunum, 26.04.2015 eklendi


Camların yapısının (kaotik bir şekilde düzenlenmiş kristalitler tarafından oluşumu) ve üretim yöntemlerinin (eriyik soğutma, buhar biriktirme, kristallerin nöronlarla bombardımanı) incelenmesi. Kristalleşme ve cam geçiş süreçlerine aşinalık.

özet, 18.05.2010 eklendi


Gerçek kristallerdeki kusurlar, bipolar transistörlerin çalışma prensibi. Arayer ve ikame katı çözeltilerde kristal kafesin bozulması. Yarıiletkenlerde yüzey olayları. Transistör parametreleri ve emitör akım aktarım katsayısı.