Jedan od najčešćih materijala s kojima su ljudi oduvijek radije radili bio je metal. U svakoj eri prednost je davana različitim vrstama ovih nevjerovatnih supstanci. Dakle, IV-III milenijum prije Krista smatra se dobom halkolita, odnosno bakra. Kasnije je zamijenjena bronzom, a onda na snagu stupa ona koja je i danas aktuelna - željezo.

Danas je općenito teško zamisliti da se nekada moglo bez metalnih proizvoda, jer se gotovo sve, od predmeta za domaćinstvo, medicinskih instrumenata do teške i lake opreme, sastoji od ovog materijala ili uključuje zasebne dijelove od njega. Zašto su metali uspjeli steći toliku popularnost? Koje se karakteristike manifestiraju i kako je to svojstveno njihovoj strukturi, pokušajmo to dalje shvatiti.

Opšti koncept metala

"Hemija. 9. razred" je udžbenik za školsku djecu. U njemu se metali detaljno proučavaju. Veliko poglavlje posvećeno je razmatranju njihovih fizičkih i hemijskih svojstava, jer je njihova raznolikost izuzetno velika.

Od ovog uzrasta preporučuje se djeci dati ideju o ovim atomima i njihovim svojstvima, jer adolescenti već mogu u potpunosti cijeniti vrijednost takvog znanja. Oni savršeno vide da je raznolikost predmeta, automobila i drugih stvari koje ih okružuju zasnovana na metalnoj prirodi.

Šta je metal? Sa stanovišta hemije, uobičajeno je da se ti atomi nazivaju oni koji imaju:

• mali na eksternom nivou;
• pokazuju snažna regenerativna svojstva;
• imaju veliki atomski radijus;
• kao jednostavne supstance imaju niz specifičnih fizičkih svojstava.

Osnova znanja o ovim supstancama može se dobiti razmatranjem atomsko-kristalne strukture metala. To je ono što objašnjava sve karakteristike i svojstva ovih spojeva.

U periodnom sistemu, najveći deo čitavog sistema je namenjen metalima, jer oni čine sve sporedne podgrupe i glavne od prve do treće grupe. Stoga je njihova brojčana superiornost očigledna. Najčešći su:

• kalcijum;
• natrijum;
• titanijum;
• željezo;
• magnezijum;
• aluminijum;
• kalijum.

Svi metali imaju niz svojstava koja im omogućavaju da se kombinuju u jednu veliku grupu supstanci. Zauzvrat, kristalna struktura metala objašnjava ova svojstva.

Svojstva metala

Specifična svojstva tvari koje se razmatraju uključuju sljedeće.

1. Metalni sjaj. Imaju ga svi predstavnici jednostavnih supstanci, a većina je ista, a samo nekoliko (zlato, bakar, legure) se razlikuju.
2. Savitljivost i duktilnost - sposobnost deformacije i dovoljno lakog oporavka. Izražava se na različite načine kod različitih predstavnika.
3. Električna provodljivost i toplinska provodljivost su jedno od glavnih svojstava koja određuju područje primjene metala i njegovih legura.

Kristalna struktura metala i legura objašnjava razloge za svako od navedenih svojstava i govori o njihovoj ozbiljnosti kod svakog pojedinog predstavnika. Ako znate karakteristike takve strukture, onda možete utjecati na svojstva uzorka i prilagoditi ga željenim parametrima, što ljudi rade već desetljećima.

Atomsko-kristalna struktura metala

Šta je takva struktura, čime se odlikuje? Sam naziv sugeriše da su svi metali kristali u čvrstom stanju, odnosno u normalnim uslovima (osim žive, koja je tečnost). Šta je kristal?

Ovo je uslovna grafička slika, izgrađena ukrštanjem zamišljenih linija kroz atome koji se poređaju po tijelu. Drugim riječima, svaki metal se sastoji od atoma. U njemu se nalaze ne haotično, već vrlo ispravno i dosljedno. Dakle, ako mentalno spojite sve ove čestice u jednu strukturu, dobit ćete prekrasnu sliku u obliku pravilnog geometrijskog tijela bilo kojeg oblika.

To se zove kristalna rešetka metala. Vrlo je složena i prostorno obimna, stoga, radi jednostavnosti, nije prikazana sva, već samo dio, elementarna ćelija. Zbirka takvih ćelija, sakupljenih zajedno i reflektovanih u i formira kristalnu rešetku. Hemija, fizika i nauka o metalu su nauke koje proučavaju strukturne karakteristike takvih struktura.

Sam je skup atoma koji se nalaze na određenoj udaljenosti jedan od drugog i koordiniraju oko sebe strogo fiksiran broj drugih čestica. Karakterizira ga gustina pakiranja, udaljenost između sastavnih struktura i koordinacijski broj. Općenito, svi ovi parametri su karakteristični za cijeli kristal, te stoga odražavaju svojstva metala.

Postoji nekoliko varijanti.Sve ih objedinjuje jedna karakteristika - postoje atomi u čvorovima, a unutra je oblak elektronskog plina koji nastaje slobodnim kretanjem elektrona unutar kristala.

Vrste kristalnih rešetki

Četrnaest opcija za strukturu rešetke obično se kombiniraju u tri glavna tipa. One su sljedeće:

1. Tijelo-centrirana kubika.
2. Heksagonalno zbijeno.
3. Lice-centrirana kubika.

Kristalna struktura metala proučavana je tek kada je postalo moguće dobiti velika uvećanja slika. A klasifikaciju tipova rešetki prvi je vodio francuski naučnik Bravais, po čijem se imenu ponekad nazivaju.

Volumensko centrirana rešetka

Struktura kristalne rešetke metala ovog tipa je sljedeća struktura. To je kocka sa osam atoma u čvorovima. Drugi se nalazi u centru slobodnog unutrašnjeg prostora ćelije, što objašnjava naziv "telesno centriran".

Ovo je jedna od varijanti najjednostavnije strukture jedinične ćelije, a time i cijele rešetke u cjelini. Sljedeći metali imaju ovu vrstu:

• molibden;
• vanadij;
• hrom;
• mangan;
• alfa gvožđe;
• beta gvožđe i drugi.

Glavna svojstva ovakvih predstavnika su visoki stupanj savitljivosti i duktilnosti, tvrdoća i čvrstoća.

Rešetka usmjerena na lice

Kristalna struktura metala s kubičnom rešetkom usmjerenom na lice je sljedeća struktura. To je kocka koja sadrži četrnaest atoma. Osam ih formira rešetkaste čvorove, a još šest se nalazi, po jedan na svakoj strani.

Slična struktura ima:

• aluminijum;
• nikal;
• olovo;
• gama gvožđe;
• bakar.

Glavna prepoznatljiva svojstva su sjaj različitih boja, lakoća, čvrstoća, savitljivost, povećana otpornost na koroziju.

Heksagonalna rešetka

Kristalna struktura metala koji posjeduju rešetku je sljedeća. Jedinična ćelija je zasnovana na heksagonalnoj prizmi. U njegovim čvorovima ima 12 atoma, još dva u bazama i tri atoma slobodno leže unutar prostora u centru strukture. Ukupno sedamnaest atoma.

Ovako složena konfiguracija ima metale kao što su:

• alfa titanijum;
• magnezijum;
• alfa kobalt;
• cink.

Glavna svojstva su visok stepen čvrstoće, jak srebrnasti sjaj.

Defekti kristalne strukture metala

Međutim, sve vrste ćelija koje se razmatraju mogu imati prirodne nedostatke, ili takozvane defekte. To može biti zbog različitih razloga: stranih atoma i nečistoća u metalima, vanjskih utjecaja i drugih.

Stoga postoji klasifikacija koja odražava defekte koje kristalna rešetka može imati. Hemija kao nauka proučava svaku od njih kako bi identificirala uzrok i lijek kako se svojstva materijala ne bi promijenila. Dakle, nedostaci su sljedeći.

1. Tacka. Dolaze u tri glavna tipa: prazna mjesta, nečistoće ili dislocirani atomi. Dovode do pogoršanja magnetnih svojstava metala, njegove električne i toplotne provodljivosti.
2. Linearni ili dislokacijski. Odredite rub i vijak. Odredite snagu i kvalitetu materijala.
3. Površinski defekti. Oni utiču na izgled i strukturu metala.

Trenutno su razvijene metode za uklanjanje defekata i dobijanje čistih kristala. Međutim, nije ih moguće potpuno iskorijeniti; idealna kristalna rešetka ne postoji.

Vrijednost znanja o kristalnoj strukturi metala

Iz navedenog materijala vidljivo je da poznavanje fine strukture i strukture omogućava predviđanje svojstava materijala i utjecaj na njih. A nauka o hemiji vam to omogućava. 9. razred opšteobrazovne škole stavlja akcenat u proces učenja kako bi se kod učenika formiralo jasno razumevanje značaja osnovnog logičkog lanca: sastav – struktura – svojstva – primena.

Informacije o kristalnoj strukturi metala vrlo jasno ilustruju i omogućavaju nastavniku da jasno objasni i pokaže djeci koliko je važno poznavati finu strukturu kako bi pravilno i kompetentno koristili sva svojstva.

1.4. Glavne vrste kristalnih struktura

Tačkasti raspored atoma u prostornim rešetkama je pojednostavljen i neprikladan za proučavanje kristalnih struktura, kada se odredi udaljenost između najbližih atoma ili jona. Međutim, fizička svojstva kristalnih struktura ovise o kemijskoj prirodi tvari, veličini atoma (jona) i silama interakcije između njih. Stoga ćemo u nastavku pretpostaviti da atomi ili ioni imaju oblik kugle i da ih karakteriziraju efektivni radijus, što znači poluprečnik sfere njihovog uticaja, jednak polovini udaljenosti između dva najbliža susedna atoma ili jona istog tipa. U kubičnoj rešetki, efektivni atomski radijus je jednak 0/2.

Efektivni radijus ima različite vlastite vrijednosti u svakoj pojedinoj strukturi i ovisi o prirodi i broju susjednih atoma. Atomski radijusi različitih elemenata mogu se porediti samo kada formiraju kristale sa istim koordinacionim brojem. Koordinacioni broj z datog atoma (jona) naziva se broj okolnih najbližih atoma istog tipa (jona) u kristalnoj strukturi. Mentalno povezujemo centre susjednih čestica ravnim linijama jedna s drugom, dobivamo

koordinacijski poliedar; atom (jon) za koji je takav poliedar konstruisan nalazi se u njegovom centru.

Koordinacioni broj i odnos efektivnih poluprečnika čestica su međusobno povezani na određeni način: što je manja razlika u veličinama čestica, to je veći z.

U zavisnosti od kristalne strukture (vrste rešetke), z može varirati od 3 do 12. Kao što će biti prikazano u nastavku, u strukturi dijamanta z = 4, u kamenoj soli z = 6 (svaki natrijev ion je okružen sa šest jona hlora) . Za metale je karakterističan koordinacijski broj z = 12, za kristalne poluprovodnike z = 4 ili z = 6. Za tečnosti, koordinacijski broj se određuje statistički kao prosječan broj najbližih susjeda bilo kojeg atoma.

Koordinacioni broj je povezan sa gustinom pakovanja atoma u kristalnoj strukturi. Relativna gustina pakovanja–

to je omjer zapremine koju zauzimaju atomi i ukupnog volumena strukture. Što je veći koordinacioni broj, veća je relativna gustina pakovanja.

Odjeljak 1. Osnovni principi fizičko-hemijske kristalografije

Kristalna rešetka teži da ima minimum slobodne energije. Ovo je moguće samo ako svaka čestica stupa u interakciju s najvećim mogućim brojem drugih čestica. Drugim riječima, koordinacijski broj treba biti maksimalan m. Težnja za što čvršćim pakovanjem karakteristična je za sve vrste kristalnih struktura.

Zamislite ravnu strukturu koja se sastoji od atoma iste prirode koji se međusobno dodiruju i ispunjavaju većinu prostora. U ovom slučaju, moguć je samo jedan način što bližeg pakovanja atoma jedan uz drugog: oko centralnog

centri gravitacije padaju na praznine prvog sloja. Ovo se jasno vidi na desnoj slici na sl. 1.10, a (pogled odozgo), gdje su projekcije atoma drugog sloja obojene blijedosivom bojom. Atomi drugog sloja formiraju osnovni trokut (prikazano punom linijom) sa vrhom usmjerenim prema gore.

Rice. 1.10. Redoslijed slojeva pri pakovanju kuglica iste veličine u strukturama dva tipa: a - ABAB ... sa heksagonalnim najbližim pakovanjem (HCP); b - AVSAVS ... pr i kubno najgušći na pakovanju (K PU), dajući lice centriranu kubnu (fcc) rešetku. Radi jasnoće, treći i četvrti sloj su prikazani nepotpuno popunjeni.

Poglavlje 1. Elementi kristalne fizike

Atomi trećeg sloja mogu se rasporediti na dva načina. Ako su težišta atoma trećeg sloja iznad težišta atoma prvog sloja, onda će se pakovanje prvog sloja ponoviti (slika 1.10, a). Rezultirajuća struktura je heksagonalno najbliže pakovanje(GPU). Može se predstaviti kao niz slojeva ABABABAB ... u smjeru Z ose.

Ako se atomi trećeg sloja C (prikazano tamno sivom na desnoj strani na slici 1.10, b) nalaze iznad ostalih praznina prvog sloja i formiraju osnovni trokut okrenut za 180° u odnosu na sloj B (prikazano isprekidanom linija), a četvrti sloj je identičan prvom, tada rezultirajuća struktura predstavlja kubično najteže pakovanje(FCC), što odgovara kubičnoj strukturi usmjerenoj na lice (FCC) sa nizom slojeva ABCABCABCAB... u smjeru Z ose.

Za najbliža pakovanja, z = 12. To se jasno vidi na primeru centralne lopte u sloju B: njeno neposredno okruženje se sastoji od šest kuglica sloja A i po tri lopte ispod i iznad nje u slojevima B

(sl. 1.10, a).

Pored koordinacionog broja z, različite strukture karakteriše i gustina pakovanja uvedena kao odnos zapremine V at koju zauzimaju atomi i zapremine cele Bravaisove ćelije V ćelije. Atomi su predstavljeni čvrstim kuglicama poluprečnika r, dakle V at = n (4π / 3) r 3, gde je n broj atoma u ćeliji.

Volumen kubične ćelije je V ćelija = a 0 3, gdje je a 0 period rešetke. Za hcp ćeliju sa heksagonalnom baznom površinom S = 3a 0 2 2 3

i visine c = 2a 0 23 dobijamo V ych = 3a 0 3 2.

Odgovarajući parametri kristalnih struktura - primitivna kubična (PC), kubna centrirana (BCC), kubna centrirana na lice (FCC), heksagonalno zbijena (HCP) - dati su u tabeli. 1.2. Polumjeri atoma su zapisani uzimajući u obzir da se dodiruju duž ivica kocke u PC strukturi (2r = a 0), duž prostornih dijagonala (4r = a 0 3) u bcc strukturi i duž dijagonala lica (4r = a 0 2)

u fcc strukturi.

Dakle, u strukturama sa najbližim pakovanjem (fcc i hcp) sa z = 12, zapremina ćelije je 74% zauzeta atomima. Sa smanjenjem koordinacionog broja na 8 i 6, gustina pakovanja se smanjuje na 68 (BCC) i 52% (PC), respektivno.

Tabela 1.2

Parametri kubnih i heksagonalnih kristala

Parametri kristala
Koordinacioni broj z
Broj atoma n u ćeliji
Radijus atoma r	a 0/2			a 2 4	a 0/2
Volumen jednog atoma, V at / n
	a 0 3 π 6	a3 π		a 3 π 2 24	π a 0 3 6
Gustina pakovanja,
		π 3 8 = 0,6		π 2 6 = 0,74	π 2 6 = 0,74
V at / V ćelija

Već je napomenuto da tokom kristalizacije supstance sistem teži da obezbedi minimum slobodne energije. Jedan od faktora koji smanjuje potencijalnu energiju interakcije između čestica je njihovo maksimalno približavanje i uspostavljanje međusobne komunikacije sa najvećim mogućim brojem čestica, odnosno tendencija gušćeg pakovanja sa najvećim koordinacionim brojem.

Tendencija ka ostvarenju što bližeg pakovanja svojstvena je svim vrstama struktura, ali je najizraženija kod metalnih, jonskih i molekularnih kristala. U njima su veze neusmjerene ili slabo usmjerene (vidi Poglavlje 2), tako da za atome, joni

i molekula, model čvrstih nestišljivih sfera je sasvim prihvatljiv.

Translatorne Bravaisove rešetke prikazane na Sl. 1.3

i u tabeli. 1.1, nisu iscrpljene sve moguće opcije za izgradnju kristalnih struktura, prvenstveno za hemijska jedinjenja. Stvar je u tome da periodično ponavljanje Bravaisove ćelije stvara translacionu rešetku koja se sastoji samo od čestica (molekula, atoma, jona) iste vrste. Stoga se struktura složene veze može izgraditi kombinacijom Bravaisovih rešetki, umetnutih na određeni način jedna u drugu. Na primjer, poluvodički kristali koriste usmjerenu kovalentnu (nepolarnu ili polarnu) vezu, koja se obično ostvaruje kombinacijom najmanje dvije rešetke, odvojeno prilično zbijene, ali u konačnici osiguravaju male koordinacijske brojeve "ukupne" rešetke (gore to z = 4).

Postoje grupe tvari koje karakterizira identičan prostorni raspored atoma i koje se međusobno razlikuju samo po parametrima (ali ne i po vrsti) kristalne rešetke.

Stoga se njihova struktura može opisati pomoću jednog prostornog modela ( jedan strukturalni tip) koji označava specifične vrijednosti parametara rešetke za svaku tvar. Dakle, kristali različitih supstanci pripadaju ograničenom broju strukturnih tipova.

Najčešći tipovi konstrukcija su:

u metalnim kristalima:

struktura od volframa (OC K-rešetka); struktura bakra (fcc rešetka), struktura magnezijuma (hcp rešetka);

u dielektričnim kristalima:

struktura natrijum hlorida (dvostruka G CK-rešetka); struktura cezijum hlorida (dvostruka PC-rešetka);

u poluvodičkim kristalima:

dijamantska struktura (dvostruka fcc rešetka); struktura sfalerita (dvostruka CK-rešetka); struktura wurtzita (dvostruka HZ U-rešetka).

Razmotrimo ukratko karakteristike i ostvarivost gore navedenih struktura i odgovarajućih Bravaisovih rešetki.

1.4.1. Metalni kristali

Struktura volframa(Sl. 1.1 1, a). Tijelocentrirana kubična rešetka nije struktura s najbližim pakiranjem, ona ima relativnu gustoću pakiranja od 0,6 8 i koordinacijski broj z = 8. Najgušće zbijene ravni su (11 1).

Rice. 1.11. Tipovi kubnih rešetki: a - kubni centrirani (BCC); b - prosta kubna

Odjeljak 1. Osnovni principi fizičko-hemijske kristalografije

Pored volframa W, svi alkalni i zemnoalkalni metali imaju bcc rešetku, kao i većina vatrostalnih metala: hrom Cr, gvožđe Fe, molibden Mo, cirkonijum Zr, tantal Ta, niobijum Nb, itd. Ovo poslednje se objašnjava kao slijedi. U bcc ćeliji za centralni atom, najbliži susjedi su atomi na vrhovima kocke (z = 8). Razmaknute su jedna od druge

šest centralnih atoma u susjednim ćelijama (druga koordinaciona sfera), što praktično povećava koordinacijski broj na z 14. Ovo daje ukupni energetski dobitak kompenzirajući negativan doprinos malog povećanja prosječne udaljenosti između atoma u odnosu na fcc rešetku , gdje se atomi nalaze na udaljenosti d = a 0 (2) 2 = 0,707a 0. Kao rezultat, povećava se trajnost.

kristala, koja se manifestuje u njihovoj visokoj temperaturi topljenja, koja za volfram dostiže 3422 ºS. Za poređenje: jednostavna kubična struktura (slika 1.11, b) sa z = 8 ima labavo pakovanje i nalazi se samo u polonijumu Po.

Struktura bakra (fcc rešetka) prikazana na Sl. 1.12, a, odnosi se na čvrsto zbijene strukture, ima relativnu gustinu pakovanja od 0,74 i koordinacioni broj z = 12. Pored bakra Cu, karakterističan je za mnoge metale, kao što su zlato Au, srebro Ag, platina Pt, nikl Ni, aluminijum Al, olovo Pb, paladijum Pd, torijum Th, itd.

Rice. 1.12. Strukture zbijeno zbijenih kristalnih rešetki: a - licecentrirana kubna (struktura bakra); b - heksagonalno zbijeno (struktura magnezijuma)

Poglavlje 1: Elementi fizike kristala

Navedeni metali su relativno mekani i duktilni. Poenta je da u strukturama kao što su bakar, tetraedarske i oktaedarske šupljine u fcc rešetki nisu ispunjene drugim česticama. To omogućava, zbog neusmjerene prirode veza između atoma, njihovo pomicanje duž tzv. klizna ravnina... U fcc rešetki, to su ravni najvećeg pakovanja (111), od kojih je jedna prikazana osenčena na Sl. 1.12, a.

Struktura magnezijuma(Hcp rešetka) prikazana na Sl. 1.12, b, tipičan je ne samo za magnezijum Mg, već i za kadmijum Cd, cink Zn, titanijum Ti, talijum Tl, berilijum Be itd., kao i za većinu retkozemnih elemenata. Za razliku od PC rešetke, hcp rešetka na Sl. 1 .12, b ima sloj B (zasjenjen) koji se nalazi u sredini između osnovnih slojeva A na fiksnoj udaljenosti

s 2 = a 0 2 3 (sa uočenim odstupanjem do 10% za neke

neki metali). Atomi u slojevima B nalaze se iznad centara trouglova u bazalnoj ravni (0001) sa najbližim pakiranjem.

1.4.2. Dielektrični kristali

Struktura natrijum hlorida(Sl. 1.13, a) može se opisati

sana kao dvije kubične rešetke sa središtem lica (strukturni tip bakra), pomaknute za polovicu perioda rešetke (a 0/2) duž bilo kojeg ruba<100>.

Veliki anjoni hlora Cl− zauzimaju mesta fcc ćelije i formiraju kubično najbliže pakiranje u kojem katjoni natrijuma Na+, koji imaju manju veličinu, ispunjavaju samo oktaedarske praznine. Drugim riječima, u strukturi NaCl, svaki kation je okružen sa četiri anjona u (100) ravni i dva jona u okomitoj ravni, koji su jednako udaljeni od kationa. Kao rezultat, dolazi do oktaedarske koordinacije. Ovo podjednako važi i za anjone. Dakle, omjer koordinacijskih brojeva podrešeta je 6:6.

Struktura cezijum hlorida CsCl (dvostruka PC rešetka),

prikazano na sl. 1.13, b, sastoji se od dvije primitivne kubične rešetke, pomaknute za polovinu dijagonale volumena. Činjenica je da su joni cezijuma veći od iona natrija i da ne mogu stati u oktaedarske (a još više u tetraedarske) šupljine hlorne rešetke da je fcc tipa, kao u strukturi NaCl. U strukturi CsCl, svaki cezijev jon je okružen sa osam jona hlora i obrnuto.

Drugi halogenidi kristaliziraju u strukture ovog tipa, na primjer, Cs (Br, I), Rb (Br, I), Tl (Br, Cl), poluvodička jedinjenja tipa AIV BVI i mnoge legure rijetkih zemnih elemenata. Slične strukture su uočene u heteropolarnim ionskim jedinjenjima.

1.4.3. Poluprovodnički kristali

Struktura dijamanta je kombinacija dvije fcc rešetke umetnute jedna u drugu i pomaknute duž prostorne dijagonale za četvrtinu svoje dužine (slika 1.14, a). Svaki atom je okružen sa četiri, koja se nalaze na vrhovima tetraedra (podebljane linije na slici 1.14, a). Sve veze u strukturi dijamanta su jednake, usmjerene duž<111>i čine uglove međusobno 109º 28". Dijamantska rešetka se odnosi na labavo zbijene strukture sa koordinacionim brojem z = 4. U strukturi dijamanta kristališu germanijum, silicijum, sivi kalaj. Pored dijamanta, u strukturi ovog tipa i kristalizuje elementarne poluprovodnike - silicijum Si, germanijum Ge , sivi kalaj Sn.

Struktura sfalerita(dvostruka fcc rešetka). Ako su dvije pomoćne kubične rešetke usmjerene na lice formirane od različitih atoma, tada nastaje nova struktura koja se naziva struktura sfalerita ZnS ili cink blende(Slika 1.14, b).

Poglavlje 1: Elementi fizike kristala

Rice. 1 .14. Strukture dijamanta (a), c od falerita (b), vurcita (c). Podebljane linije pokazuju tetraedarske veze

Takvu strukturu poseduju mnoga poluprovodnička jedinjenja tipa AIII BV (galijum arsenid GaA s, galijum fosfid GaP, indijum fosfid InP, indijum antimonid I nSb, itd.) i tipa AII BVI (cink selenid ZnSe, cink telurid ZnTe su, CdS, selenid kadmijum

Struktura sfalerita je identična strukturi dijamanta sa tetraedarskim okruženjem atoma (slika 1.14, a), samo jednu fcc podrešetku zauzimaju atomi galija Ga, a drugu atomi arsena As. GaAs ćeliji nedostaje centar simetrije, tj. struktura je polarna u četiri smjera.< 111 >... Uočena je razlika između blisko zbijenih ravnina 111) i (111): ako jedna od njih sadrži atome Ga, druga sadrži atome As. Ovo određuje anizotropiju svojstava površine (mikrotvrdoća, adsorpcija, hemijsko jetkanje, itd.).

U strukturi sfalerita, trokutaste baze tetraedara bilo kojeg sloja su orijentirane na isti način kao i baze tetraedara prethodnog sloja.

Wurtzite struktura(dvostruka hcp rešetka) prikazana na sl. 1.14, c, karakterističan je za heksagonalnu modifikaciju cink sulfida. Takvu strukturu poseduju poluprovodnici koji su slabi na ZnS, na primer, kadmijum sulfid CdS i kadmijum selenid CdSe. Za većinu spojeva AII B VI karakterističan je fazni prijelaz sphalerit - wurtzit. Struktura wurtzita se ostvaruje ako je atom nemetala male veličine i velikog električnog otpora.

Na sl. 1.14, c prikazuje primitivnu vircitnu ćeliju za ZnS u obliku ravne prizme s rombom u osnovi i uglom od 120° u središtu šesterokuta kojeg čine tri takve prizme (od kojih su dvije prikazane na slici) .

Kristalografijom se proučavaju različite vrste kristala i mogući raspored čvorova u prostornoj rešetki. U fizici se kristalne strukture ne razmatraju sa stanovišta njihove geometrije, već prema prirodi sila koje djeluju između čestica kristala, odnosno prema vrsti veza između čestica. Po prirodi sila koje djeluju između čestica smještenih u rešetkastim mjestima kristala, razlikuju se četiri tipične kristalne strukture - ionska, atomska, molekularna i metalna. Hajde da saznamo koja je suština razlike između ovih struktura.

Jonsku kristalnu strukturu karakterizira prisustvo pozitivnih i negativnih jona na mjestima rešetke. Sile koje drže ione u čvorovima takve rešetke su sile električnog privlačenja i odbijanja između njih. Na sl. 11.6, a prikazuje kristalnu rešetku natrijum hlorida (kuhinjska so), a na Sl. 11.6, b - pakovanje jona u takvu rešetku.

Nevjerovatno nabijeni ioni u ionskoj rešetki nalaze se bliže jedan drugom nego slično nabijeni ioni, stoga sile privlačenja između različitih jona prevladavaju nad silama odbijanja sličnih jona. To je razlog značajne čvrstoće kristala sa jonskom rešetkom.

Kada se tvari s ionskom kristalnom rešetkom tope, ioni prelaze sa mjesta rešetke do taline i postaju mobilni nosioci naboja. Stoga su takve taline dobri provodnici električne struje. Ovo važi i za vodene rastvore kristalnih supstanci sa jonskom rešetkom

Na primjer, otopina natrijum hlorida u vodi je dobar provodnik električne struje.

Atomsku kristalnu strukturu karakterizira prisustvo neutralnih atoma na mjestima rešetke, između kojih postoji kovalentna veza. Kovalentna veza je veza u kojoj se svaka dva susjedna atoma drže zajedno silama privlačenja koje proizlaze iz međusobne izmjene dva valentna elektrona između ovih atoma.

Ovdje treba imati na umu sljedeće. Savremeni nivo fizike omogućava izračunavanje vjerovatnoće da se elektron nalazi u određenom području prostora koji zauzima atom. Ovo područje prostora može se prikazati u obliku elektronskog oblaka, koji je deblji tamo gdje je elektron češći, odnosno gdje je vjerovatnoća da će elektron ostati veća (slika 11.7, a).

Elektronski oblaci valentnih elektrona dva atoma koji formiraju molekul sa kovalentnom vezom se preklapaju. To znači da su oba valentna elektrona (po jedan iz svakog atoma) socijalizirana, odnosno pripadaju oba atoma u isto vrijeme i većinu vremena provode između atoma, povezujući ih u molekulu (slika 11.7, b) . Primjer ove vrste molekula su molekuli

Kovalentna veza također povezuje različite atome u molekule:

Mnoge čvrste materije imaju atomsku kristalnu strukturu. Na sl. 11.8 prikazuje dijamantsku rešetku i pakiranje atoma u njoj. U ovoj rešetki svaki atom formira kovalentne veze sa četiri susjedna atoma. Germanijum i silicijum takođe imaju rešetku tipa dijamanta. Kovalentna veza stvara

veoma jaki kristali. Stoga takve tvari imaju veliku mehaničku čvrstoću i tope se samo na visokim temperaturama.

Molekularnu kristalnu strukturu odlikuje prostorna rešetka, u čijim se čvorovima nalaze neutralni molekuli tvari. Sile koje drže molekule na mjestima ove rešetke su sile međumolekularne interakcije. Na sl. 11.9 prikazuje kristalnu rešetku čvrstog ugljičnog dioksida ("suhi led"), u čijim se čvorovima nalaze molekuli (sami molekuli nastaju kovalentnim vezama). Sile međumolekulske interakcije su relativno slabe; stoga se čvrste tvari s molekularnom rešetkom lako uništavaju mehaničkim djelovanjem i imaju nisku tačku topljenja. Primjeri tvari s molekularnom prostornom rešetkom su led, naftalen, čvrsti dušik i većina organskih spojeva.

Kristalnu strukturu metala (slika 11.10) karakterizira prisustvo pozitivno nabijenih metalnih jona na mjestima rešetke. Atomi svih metala imaju valentne elektrone, odnosno oni koji su najudaljeniji od jezgra atoma, slabo su vezani za atome. Elektronski oblaci takvih perifernih elektrona preklapaju mnogo atoma odjednom u kristalnoj rešetki metala. To znači da valentni elektroni u kristalnoj rešetki metala ne mogu pripadati jednom ili čak dva atoma, već ih dijele više atoma odjednom. Takvi elektroni mogu se kretati praktički nesmetano između atoma.

Dakle, svaki atom u čvrstom metalu gubi svoje periferne elektrone, a atomi se pretvaraju u pozitivno nabijene ione. Elektroni odvojeni od njih kreću se između jona kroz čitav volumen kristala i predstavljaju "cement" koji drži ione na mjestima rešetke i daje veću čvrstoću metalu.

U prvoj aproksimaciji, haotično kretanje slobodnih elektrona u metalu može se smatrati sličnim kretanju molekula idealnog plina. Dakle, skup slobodnih elektrona u

metal se ponekad naziva elektronskim gasom, a u proračunima se na njega primenjuju formule izvedene za idealni gas. (Izračunajte na ovaj način prosječnu brzinu toplinskog kretanja elektrona u metalu na 0 °C.) Postojanje elektronskog plina u metalima objašnjava i visoku toplinsku provodljivost i visoku električnu provodljivost svih metala.

Prethodno nam omogućava da damo sljedeću definiciju pojma "kristalne strukture". Kristalna struktura je struktura koju karakterizira uređen raspored čestica na strogo definiranim tačkama u prostoru koje formiraju kristalnu rešetku. Ovaj poredak omogućava da se eksperimentalno i teorijski u potpunosti prouči struktura čvrstog stanja i fenomeni povezani s prirodom interakcijskih sila u kristalnim tijelima.

Svaki kristal karakteriše anizotropija i izraženu temperaturu prijelaza u tečno stanje. Kristale karakterizira vanjska simetrija u rasporedu čestica, koja se izražava prisustvom tri elementa simetrije: centra, ose i ravni simetrije. Centar simetrije - tačka koja na pola dijeli sve ravne linije koje spajaju vanjske površine kristala, povučene kroz nju u bilo kojem smjeru. Ravan simetrije dijeli kristal na dva dijela povezana jedan s drugim, poput objekta na njegovu sliku u ogledalu. Osa simetrije- ovo je takva linija, kada se okrene oko koje se pod određenim uglom dobija potpuna podudarnost novog položaja sa prethodnim. Što je više elemenata simetrije, veća je vanjska simetrija kristala. Lopta je savršeno simetričnog oblika.

Trenutno se čitava raznolikost kristalnih oblika kombinacijom elemenata simetrije (singonija) svela na sedam tipova: pravilne (kubične), trigonalne, heksagonalne, tetragonalne, rombične, monoklinske i triklinske. Tabela 3.2. data je klasifikacija kristala po kristalnom sistemu.

Tabela 3.2. Klasifikacija kristala po kristalnom sistemu

Kristali donjeg sistema se odlikuju manjom simetrijom; Kristali više kategorije sistema imaju savršeniji oblik kristalne rešetke i stoga su stabilniji u određenim uslovima postojanja.

Mnoge tvari u kristalnom stanju karakteriziraju polimorfizam, tj. sposobnost supstance da postoji u obliku nekoliko kristalnih struktura sa različitim svojstvima. Polimorfizam jednostavnih supstanci naziva se alotropija... Poznate polimorfne modifikacije ugljenika (dijamant, grafit), kvarca (α-kvarc, β-kvarc), gvožđa, volframa itd.

Ako dvije različite tvari imaju istu kristalnu strukturu, sličnu kemijsku formulu i ne razlikuju se mnogo po veličini čestica svojih sastavnih dijelova, tada mogu formirati miješane kristale. Takve tvari se nazivaju izomorfne, a njihova sposobnost formiranja miješanih kristala naziva se izomorfizam. Primjer: kristali kaolinita Al 2 O 3 su slični po sastavu i strukturi, ali različiti po svojstvima. 2SiO 2. 2H 2 O, pirofilit Al 2 O 3. 4SiO 2. 2H 2 O i montmorilonit Al 2 O 3. 4SiO 2. 3H 2 O.

Pravi kristali. U našoj praksi imamo posla sa pravim kristalima, koji se od idealnih razlikuju po kršenjima (defektima) kristalne rešetke nastalih kao rezultat promene ravnotežnih uslova rasta kristala, hvatanja nečistoća tokom kristalizacije, a takođe i pod uticajem raznih vrsta spoljnih uticaja.

Amorfna struktura

Amorfna struktura je jedno od fizičkih stanja čvrstih tijela.Amorfne tvari karakteriziraju dvije karakteristike. Prvo, svojstva takvih tvari u normalnim uvjetima ne zavise od odabranog smjera, tj. oni - izotropna... Drugo, kako temperatura raste, amorfna tvar omekšava i njen postepeni prijelaz u tekuće stanje. Ne postoji tačna vrijednost za tačku topljenja.

Zajedničko za kristalna i amorfna stanja supstanci je odsustvo translacionog kretanja čestica i očuvanje samo njihovog vibracionog kretanja oko ravnotežnog položaja. Razlika između njih leži u prisutnosti geometrijski ispravne rešetke u kristalima i odsustvu dalekosežnog reda u rasporedu atoma u amorfnim supstancama.

Amorfno stanje materije, u poređenju sa kristalnim, uvek je manje stabilno i ima višak unutrašnje energije. U tom smislu, pod određenim uslovima, prelazak iz amorfnog stanja u kristalno stanje se dešava spontano.

Amorfne čvrste materije se mogu dobiti na dva načina. Prvi način je brzo hlađenje kristalnih talina, uglavnom jonske i kovalentne strukture. Tipični predstavnik ovakvih amorfnih tijela su silikatna stakla, bitumen, smole itd.

Drugi način je disperzija kristalnih struktura. Kao rezultat disperzije kristalnih tijela nastaju amorfne disperzije u obliku koloida i otopina. Dezintegrirajući ili kondenzirajući, disperzije mijenjaju svoje agregacijsko stanje. Prezasićene otopine, na primjer, mogu gelirati i formirati polimer ili kristalizirati.

Amorfne tvari se dijele na vitroide (čaše), dispergirane sisteme i polimere.

Vitroidi To su čvrsta tijela u amorfnom stanju sa staklastom strukturom. Kao što je već napomenuto, stakla nastaju kao rezultat brzog hlađenja, pretežno silikatnih talina. Brzo hlađenje sprečava stvaranje uređene strukture. Pogotovo ako su molekuli glomazni i brzina hlađenja visoka.