Et av de vanligste materialene som folk alltid har foretrukket å jobbe med var metall. I hver epoke ble det gitt preferanse til forskjellige typer av disse fantastiske stoffene. Så IV-III årtusener f.Kr. anses å være Chalcoliths alder, eller kobber. Senere erstattes det av bronse, og da trer den som fortsatt er aktuelt i dag - jern i kraft.

I dag er det generelt vanskelig å forestille seg at det en gang var mulig å klare seg uten metallprodukter, fordi nesten alt, fra husholdningsartikler, medisinske instrumenter og slutter med tungt og lett utstyr, består av dette materialet eller inkluderer separate deler fra det. Hvorfor klarte metaller å få en slik popularitet? Hva er funksjonene og hvordan det er iboende i strukturen deres, la oss prøve å finne det ut ytterligere.

Generelt konsept for metaller

"Kjemi. 9. klasse" er en lærebok som brukes av skoleelever. Det er i det metaller studeres i detalj. Betraktning av deres fysiske og kjemiske egenskaper er viet et stort kapittel, fordi deres mangfold er ekstremt stort.

Det er fra denne alderen det anbefales å gi barn en ide om disse atomene og deres egenskaper, fordi ungdommer allerede fullt ut kan sette pris på verdien av slik kunnskap. De ser perfekt at variasjonen av gjenstander, maskiner og andre ting som omgir dem er basert på bare en metallisk natur.

Hva er et metall? Fra et kjemisynspunkt er det vanlig å referere til disse atomene som har:

• liten på det ytre nivå;
• viser sterke gjenopprettende egenskaper;
• har en stor atomradius;
• hvordan enkle stoffer har en rekke spesifikke fysiske egenskaper.

Grunnlaget for kunnskap om disse stoffene kan oppnås ved å vurdere den atom-krystallinske strukturen til metaller. Den forklarer alle funksjonene og egenskapene til disse forbindelsene.

I det periodiske systemet er det meste av hele tabellen tildelt metaller, fordi de danner alle sekundære undergrupper og de viktigste fra den første til den tredje gruppen. Derfor er deres numeriske overlegenhet åpenbar. De vanligste er:

• kalsium;
• natrium;
• titan;
• jern;
• magnesium;
• aluminium;
• kalium.

Alle metaller har en rekke egenskaper som gjør at de kan kombineres til én stor gruppe stoffer. I sin tur forklares disse egenskapene nøyaktig av den krystallinske strukturen til metaller.

Metallegenskaper

De spesifikke egenskapene til stoffene som vurderes inkluderer følgende.

1. Metallisk glans. Alle representanter for enkle stoffer har det, og de fleste av dem er de samme. Bare noen (gull, kobber, legeringer) er forskjellige.
2. Formbarhet og plastisitet - evnen til å deformere og gjenopprette ganske enkelt. I ulike representanter kommer det til uttrykk i ulik grad.
3. Elektrisk og termisk ledningsevne er en av hovedegenskapene som bestemmer omfanget av metallet og dets legeringer.

Den krystallinske strukturen til metaller og legeringer forklarer årsaken til hver av de angitte egenskapene og snakker om deres alvorlighetsgrad i hver spesifikke representant. Hvis du kjenner funksjonene til en slik struktur, kan du påvirke egenskapene til prøven og justere den til de ønskede parameterne, som folk har gjort i mange tiår.

Atomisk-krystallinsk struktur av metaller

Hva er en slik struktur, hva kjennetegnes den av? Selve navnet antyder at alle metaller er krystaller i fast tilstand, det vil si under normale forhold (bortsett fra kvikksølv, som er en væske). Hva er en krystall?

Dette er et konvensjonelt grafisk bilde som er konstruert ved å krysse imaginære linjer gjennom atomene som står på linje med kroppen. Med andre ord består hvert metall av atomer. De er plassert i den ikke tilfeldig, men veldig regelmessig og konsekvent. Så hvis du mentalt kombinerer alle disse partiklene i en struktur, vil du få et vakkert bilde i form av en vanlig geometrisk kropp av hvilken som helst form.

Dette kalles metallets krystallgitter. Det er veldig komplekst og romlig voluminøst, derfor vises for enkelhets skyld ikke alt, men bare en del, en elementær celle. Settet med slike celler, samlet og reflektert i og danner krystallgitter. Kjemi, fysikk og metallvitenskap er vitenskaper som studerer de strukturelle egenskapene til slike strukturer.

Sama er et sett med atomer som befinner seg i en viss avstand fra hverandre og koordinerer et strengt fastsatt antall andre partikler rundt dem. Det er preget av pakkingstettheten, avstanden mellom de inngående strukturene og koordinasjonsnummeret. Generelt er alle disse parametrene karakteristiske for hele krystallen, og gjenspeiler derfor egenskapene metallet viser.

Det er flere varianter.De er alle forent av ett trekk - det er atomer i nodene, og inne er det en sky av elektrongass, som dannes ved fri bevegelse av elektroner inne i krystallen.

Typer krystallgitter

Fjorten alternativer for strukturen til gitteret er vanligvis kombinert i tre hovedtyper. De er følgende:

1. Kroppssentrert kubikk.
2. Sekskantet tettpakket.
3. Ansiktssentrert kubikk.

Krystallstrukturen til metaller ble studert først da det ble mulig å oppnå store forstørrelser av bilder. Og klassifiseringen av typene gitter ble først introdusert av den franske forskeren Bravais, hvis navn de noen ganger kalles.

Kroppssentrert gitter

Strukturen til krystallgitteret av metaller av denne typen er følgende struktur. Dette er en kube, ved nodene der det er åtte atomer. En annen er plassert i midten av det frie indre rommet i cellen, noe som forklarer navnet "kroppssentrert".

Dette er en av variantene av den enkleste strukturen til elementærcellen, og derav hele gitteret som helhet. Følgende metaller er av denne typen:

• molybden;
• vanadium;
• krom;
• mangan;
• alfa jern;
• betajern og andre.

Hovedegenskapene til slike representanter er en høy grad av formbarhet og plastisitet, hardhet og styrke.

ansiktssentrert gitter

Krystallstrukturen til metaller som har et ansiktssentrert kubisk gitter er følgende struktur. Dette er en kube, som inkluderer fjorten atomer. Åtte av dem danner gitternoder, og seks til er plassert en på hver side.

De har en lignende struktur:

• aluminium;
• nikkel;
• lede;
• gamma jern;
• kobber.

De viktigste kjennetegnene er glans av forskjellige farger, letthet, styrke, formbarhet, økt motstand mot korrosjon.

Sekskantet gitter

Krystallstrukturen til metaller med gitter er som følger. Elementærcellen er basert på et sekskantet prisme. Det er 12 atomer i nodene, to til ved basene og tre atomer ligger fritt inne i rommet i midten av strukturen. Bare sytten atomer.

Metaller som:

• alfa titan;
• magnesium;
• alfa kobolt;
• sink.

Hovedegenskapene er en høy grad av styrke, en sterk sølvskinnende glans.

Defekter i krystallstrukturen til metaller

Men alle betraktede typer celler kan også ha naturlige feil, eller såkalte defekter. Dette kan skyldes ulike årsaker: fremmede atomer og urenheter i metaller, ytre påvirkninger og så videre.

Derfor er det en klassifisering som gjenspeiler de defektene som krystallgitter kan ha. Kjemi som vitenskap studerer hver av dem for å identifisere årsaken og rette slik at egenskapene til materialet ikke endres. Så feilene er som følger.

1. Punkt. De kommer i tre hovedtyper: ledige stillinger, urenheter eller dislokerte atomer. De fører til en forringelse av de magnetiske egenskapene til metallet, dets elektriske og termiske ledningsevne.
2. Lineær, eller dislokasjon. Tildel marginal og skru. Forringe styrken og kvaliteten på materialet.
3. overflatedefekter. De påvirker utseendet og strukturen til metaller.

For tiden er det utviklet metoder for å eliminere defekter og oppnå rene krystaller. Det er imidlertid ikke mulig å utrydde dem fullstendig; det ideelle krystallgitteret eksisterer ikke.

Verdien av kunnskap om krystallstrukturen til metaller

Fra ovennevnte materiale er det åpenbart at kunnskap om finstrukturen og strukturen gjør det mulig å forutsi egenskapene til materialet og påvirke dem. Og dette lar deg gjøre vitenskapen om kjemi. Grad 9 ved en allmennutdanningsskole fokuserer på å lære elevene en klar forståelse av viktigheten av den grunnleggende logiske kjeden: sammensetning - struktur - egenskaper - anvendelse.

Informasjon om krystallstrukturen til metaller illustrerer og lar læreren tydelig forklare og vise barn hvor viktig det er å kjenne til den fine strukturen for å kunne bruke alle egenskaper riktig og kompetent.

1.4. Hovedtyper av krystallstrukturer

Punktarrangementet av atomer i romlige gitter er forenklet og uegnet for å studere krystallstrukturer når avstanden mellom de nærmeste atomene eller ionene er bestemt. Imidlertid avhenger de fysiske egenskapene til krystallinske strukturer av den kjemiske naturen til stoffer, størrelsen på atomer (ioner) og kreftene i samspillet mellom dem. Derfor vil vi i fremtiden anta at atomer eller ioner har form som en kule og er preget av effektiv radius, forstå med det radius av sfæren av deres innflytelse, lik halvparten av avstanden mellom de to nærmeste naboatomer eller ioner av samme type. I et kubisk gitter er den effektive atomradiusen 0/2.

Den effektive radiusen har forskjellige egenverdier i hver enkelt struktur og avhenger av arten og antall naboatomer. Atomradiusene til forskjellige grunnstoffer kan bare sammenlignes når de danner krystaller med samme koordinasjonsnummer. Koordinasjonsnummer z av et gitt atom (ion) er antallet av de nærmeste like atomer (ioner) som omgir det i krystallstrukturen. Mentalt forbinder sentrene til nabopartikler med hverandre med rette linjer, får vi

koordinasjonspolyeder; i dette tilfellet er atomet (ionet), som et slikt polyeder er konstruert for, plassert i sentrum.

Koordinasjonstallet og forholdet mellom effektive partikkelradier er relatert til hverandre på en bestemt måte: jo mindre forskjellen i partikkelstørrelser er, jo større z.

Avhengig av krystallstrukturen (gittertype), kan z variere fra 3 til 12. Som det vil bli vist nedenfor, i strukturen til diamant z = 4, i steinsalt z = 6 (hvert natriumion er omgitt av seks kloridioner) . For metaller er koordinasjonstallet z = 12 typisk, for krystallinske halvledere er z = 4 eller z = 6. For væsker bestemmes koordinasjonstallet statistisk som gjennomsnittlig antall nærmeste naboer til ethvert atom.

Koordinasjonstallet er relatert til pakkingstettheten til atomer i krystallstrukturen. Relativ pakkingstetthet–

det er forholdet mellom volumet okkupert av atomene og det totale volumet av strukturen. Jo høyere koordinasjonsnummer, jo høyere er den relative pakningstettheten.

Seksjon 1. Grunnleggende om fysisk-kjemisk krystallografi

Krystallgitteret har en tendens til å ha et minimum av fri energi. Dette er bare mulig hvis hver partikkel interagerer med maksimalt mulig antall andre partikler. Med andre ord skal koordinasjonstallet være maksimalt m. ​​Tendensen til tette pakking er karakteristisk for alle typer krystallstrukturer.

Tenk på en plan struktur som består av atomer av samme natur som berører hverandre og fyller det meste av rommet. I dette tilfellet er bare én måte å oppnå den nærmeste pakkingen av atomer ved siden av hverandre: rundt den sentrale

tyngdepunktene faller på hulrommene i det første laget. Dette er tydelig sett på bildet til høyre i fig. 1.10, et (ovenfra) hvor projeksjonene av atomene i det andre laget er malt i blekgrå. Atomene i det andre laget danner en grunnleggende trekant (vist med en heltrukket linje) med toppen pekende oppover.

Ris. 1.10. Sekvensen av lag ved pakking av baller av samme størrelse i strukturer av to typer: (a) ABAB... med sekskantet tett pakking (HCP); b - ABSABC... med den tetteste kubikkpakken (K PU), som gir et ansiktssentrert kubisk (fcc) gitter. For klarhetens skyld er det tredje og fjerde laget vist ufullstendig fylt.

Kapittel 1. Elementer i krystallfysikk

Atomene i det tredje laget kan ordnes på to måter. Hvis tyngdepunktene til atomene i det tredje laget er over tyngdepunktene til atomene i det første laget, vil leggingen av det første laget gjentas (fig. 1.10, a). Den resulterende strukturen er sekskantet tett pakning(GPU). Det kan representeres som en sekvens av lag ABABABAB ... i retning av Z-aksen.

Hvis atomene i det tredje laget C (vist i mørkegrå til høyre i fig. 1.10, b) er plassert over andre hulrom i det første laget og danner en grunnleggende trekant, rotert 180º i forhold til lag B (vist med en stiplet linje) ), og det fjerde laget er identisk med det første, så representerer den resulterende strukturen kubikk tetteste pakking(FCC), som tilsvarer en ansiktssentrert kubisk struktur (FCC) med en sekvens av lag ABSABCABSABC ... i retning av Z-aksen.

For de tetteste pakningene er z = 12. Dette er tydelig sett i eksemplet med den sentrale kulen i lag B: dens nærmeste miljø består av seks kuler av lag A og tre kuler under og over den i lag B

(Fig. 1.10, a).

I tillegg til koordinasjonstallet z, er forskjellige strukturer også karakterisert ved pakkingstettheten, introdusert som forholdet mellom volumet V ved okkupert av atomer og volumet til hele Bravais-cellens V-celle. Atomer er representert av solide kuler med radius r, derfor V at = n (4π/3)r 3, hvor n er antall atomer i en celle.

Volumet til den kubiske cellen V-cellen \u003d a 0 3, der a 0 er gitterperioden. For en HCP-celle med et sekskantet grunnareal S = 3a 0 2 2 3

og høyde c = 2a 0 23 får vi V-celle = 3a 0 3 2.

De tilsvarende parameterne for krystallstrukturene - primitiv kubikk (PC), kroppssentrert kubikk (BCC), ansiktssentrert kubikk (FCC), sekskantet tettpakket (HCP) - er gitt i tabell. 1.2. Atomradiene er skrevet under hensyntagen til at de berører langs kantene på kuben i PC-strukturen (2r = a 0 ), langs de romlige diagonalene (4r = a 0 3) i bcc-strukturen, og langs diagonalene til ansikter (4r = a 0 2)

i fcc-strukturen.

Således, i de nærmest pakkede strukturene (fcc og hcp) med z = 12, er cellevolumet 74 % okkupert av atomer. Når koordinasjonstallet synker til 8 og 6, synker pakningstettheten til henholdsvis 68 (bcc) og 52 % (PC).

Tabell 1.2

Parametre for kubiske og sekskantede krystaller

Krystallparametere
Koordinasjonsnummer z
Antall atomer n i en celle
Atomradius r	en 0/2			en 2 4	en 0/2
Volumet av ett atom, V at / n
	a 0 3 π 6	a3 π		a 3 π 2 24	π a 0 3 6
pakningstetthet,
		π 3 8 \u003d 0,6		π 2 6 \u003d 0,74	π 2 6 \u003d 0,74
V at / V celle

Det har allerede blitt bemerket at under krystalliseringen av et stoff har systemet en tendens til å gi et minimum av fri energi. En av faktorene som reduserer den potensielle energien til interaksjon mellom partikler er deres maksimale tilnærming og etablering av gjensidig forbindelse med størst mulig antall partikler, dvs. ønsket om en tettere pakking med det største koordinasjonstallet.

Tendensen til tettest pakking er karakteristisk for alle typer strukturer, men den er mest uttalt i metalliske, ioniske og molekylære krystaller. I dem er bindingene urettet eller svakt rettet (se kap. 2), slik at for atomer, ioner

og molekyler, er modellen av solide inkomprimerbare kuler ganske akseptabel.

Bravais-translasjonsristene vist i fig. 1.3

og i tabellen. 1.1, alle mulige alternativer for å konstruere krystallstrukturer er ikke oppbrukt, først og fremst for kjemiske forbindelser. Poenget er at den periodiske repetisjonen av Bravais-cellen gir et translasjonsgitter som kun består av partikler (molekyler, atomer, ioner) av samme type. Derfor kan strukturen til en kompleks forbindelse konstrueres av en kombinasjon av Bravais-gitter satt inn i hverandre på en bestemt måte. Så, halvlederkrystaller bruker en rettet kovalent (ikke-polar eller polar) binding, som vanligvis realiseres ved en kombinasjon av minst to gitter, som hver for seg er ganske tettpakket, men til slutt gir små koordinasjonstall av det "totale" gitteret (opp til z = 4).

Det er grupper av stoffer preget av et identisk romlig arrangement av atomer og som skiller seg fra hverandre bare i parametrene (men ikke i typen) til krystallgitteret.

Derfor kan deres struktur beskrives ved hjelp av en enkelt romlig modell ( én strukturtype) som indikerer de spesifikke verdiene til gitterparametrene for hvert stoff. Således tilhører krystaller av ulike stoffer et begrenset antall strukturelle typer.

De vanligste typene strukturer er:

i metallkrystaller:

struktur av wolfram (OC-gitter); kobberstruktur (fcc-gitter), magnesiumstruktur (hcp-gitter);

i dielektriske krystaller:

struktur av natriumklorid (dobbelt HCC-gitter); struktur av cesiumklorid (dobbelt PC-gitter);

i halvlederkrystaller:

diamantstruktur (dobbelt fcc-gitter); sfalerittstruktur (dobbelt GCC-gitter); wurtzittstruktur (dobbel HP U-gitter).

La oss kort vurdere funksjonene og realiserbarheten til strukturene som er oppført ovenfor og Bravais-gittrene som tilsvarer dem.

1.4.1. Metalliske krystaller

Struktur av wolfram(Fig. 1.1 1, men). Det kroppssentrerte kubiske gitteret er ikke en tettestpakket struktur, det har en relativ pakkingstetthet på 0,6 8 og et koordinasjonsnummer z = 8. (11 1)-planene er tettest pakket.

Ris. 1.11. Typer kubiske gitter: (a) kroppssentrert kubikk (BCC); b - enkel kubikk

Seksjon 1. Grunnleggende om fysisk-kjemisk krystallografi

I tillegg til wolfram W har alle alkali- og jordalkalimetaller, samt de fleste ildfaste metaller, et bcc-gitter: krom Cr, jern Fe, molybden Mo, zirkonium Zr, tantal Ta, niob Nb osv. Sistnevnte finner følgende forklaring. I bcc-cellen for det sentrale atomet er de nærmeste naboene atomene i hjørnene av kuben (z = 8). De er på avstand fra hverandre

seks sentrale atomer i naboceller (andre koordinasjonssfære), som praktisk talt øker koordinasjonstallet til z 14. Dette gir en total energigevinst som kompenserer for det negative bidraget fra en liten økning i de gjennomsnittlige avstandene mellom atomene sammenlignet med fcc-gitteret, hvor atomene er i en avstand på d = a 0 ( 2) 2 = 0,707a 0 . Som et resultat har

krystallisering, som manifesterer seg i deres høye smeltepunkt, og når 3422 ºС for wolfram. Til sammenligning: en enkel kubisk struktur (fig. 1.11, b) med z = 8 har løs pakning og finnes kun i Po polonium.

Kobberstrukturen (fcc gitter) vist i fig. 1.12, a, refererer til tettpakkede strukturer, har en relativ pakningstetthet på 0,74 og et koordinasjonsnummer z = 12. I tillegg til kobber Cu er det karakteristisk for mange metaller, som gull Au, sølv Ag, platina Pt, nikkel Ni, aluminium Al, bly Pb, palladium Pd, thorium Th, etc.

Ris. 1.12. Strukturer av tettpakkede krystallgitter: a – ansiktssentrert kubikk (kobberstruktur); b - sekskantet tettpakket (magnesiumstruktur)

Kapittel 1. Elementer i krystallfysikk

Disse metallene er relativt myke og formbare. Poenget er at i kobber-type strukturer er de tetraedriske og oktaedriske hulrommene i fcc-gitteret ikke fylt med andre partikler. Dette tillater, på grunn av ikke-retningen av bindinger mellom atomer, deres forskyvning langs den s.k. glideplan. I fcc-gitteret er dette planene med maksimal pakking (111), hvorav ett er skyggelagt i fig. 1.12, a.

Struktur av magnesium(hcp-gitter) vist i fig. 1.12, b, er karakteristisk ikke bare for magnesium Mg, men også for kadmium Cd, sink Zn, titan Ti, thallium Tl, beryllium Be, etc., så vel som for de fleste sjeldne jordarter. I motsetning til PC-gitteret, er hcp-gitteret i fig. 1.12, b har et lag B (skyggelagt), plassert midt mellom grunnlagene A i en fast avstand

med 2 = a 0 2 3 (med et observert avvik på opptil 10 % for noen

andre metaller). Atomene i lag B er plassert over midten av trekantene i basalplanet (0001) med tett pakking.

1.4.2. Dielektriske krystaller

Struktur av natriumklorid(Fig. 1.13, men) kan beskrives

san som to flatesentrerte kubiske gitter (strukturell type kobber) forskjøvet med en halv gitterperiode (a 0 /2) langs hvilken som helst av kantene<100>.

Store kloranioner Cl− okkuperer stedene til fcc-cellen og danner en kubisk tett pakking, der natriumkationer Na+, som har en mindre størrelse, bare fyller oktaedriske hulrom. Med andre ord, i NaCl-strukturen er hver kation omgitt av fire anioner i (100)-planet og to ioner i det perpendikulære planet, som er i lik avstand fra kationen. Som et resultat finner oktaedrisk koordinering sted. Dette er like sant for anioner. Derfor er forholdet mellom koordinasjonsnummer for subgitter 6:6.

Struktur av cesiumklorid CsCl (dobbelt PC-gitter),

vist i fig. 1.13, b, består av to primitive kubiske gitter forskjøvet med halve volumdiagonalen. Faktum er at cesiumioner er større enn natriumioner og ikke kan passe inn i oktaedriske (og enda mer i tetraedriske) hulrom i klorgitteret hvis det var av typen fcc, som i strukturen til NaCl. I CsCl-strukturen er hvert cesiumion omgitt av åtte kloridioner og omvendt.

Andre halogenider krystalliserer også til strukturer av denne typen, for eksempel Cs (Br, I), Rb (Br, I), Tl (Br, Cl), halvlederforbindelser av typen AIV BVI og mange legeringer av sjeldne jordartsmetaller. Lignende strukturer er også observert i heteropolare ioniske forbindelser.

1.4.3. halvlederkrystaller

Strukturen til en diamant er en kombinasjon av to FCC-gitter satt inn i hverandre og forskjøvet langs den romlige diagonalen med en fjerdedel av lengden (fig. 1.14, a). Hvert atom er omgitt av fire, som er plassert ved toppene til tetraederet (tykke linjer i fig. 1.14, a). Alle bindinger i diamantstrukturen er like, rettet langs<111>og lag vinkler på 109º 28 " med hverandre. Diamantgitteret tilhører løst pakkede strukturer med et koordinasjonsnummer z = 4. Germanium, silisium, grått tinn krystalliserer i diamantstrukturen. I tillegg til diamant, elementære halvledere - silisium Si, germanium Ge , tinngrå Sn.

Struktur av sphaleritt(dobbelt fcc gitter). Hvis to hjelpeflatesentrerte kubiske gitter dannes av forskjellige atomer, oppstår en ny struktur, kalt ZnS-sfalerittstrukturen eller sinkblanding(Fig. 1.14, b).

Kapittel 1. Elementer i krystallfysikk

Ris. 1.14. Strukturer av diamant (a), faleritt (b) og wurtzite (c). Fete linjer viser t tetraedriske bindinger

Mange halvlederforbindelser av type AIII BV (galliumarsenid GaA s, galliumfosfid GaP, indiumfosfid InP, indiumantimonid I nSb, etc.) og type AII BVI (sinkselenid ZnSe, tellursink ZnTe, kadmiumsulfid CdS, selenium-CdS,

Strukturen til sphaleritt er identisk med strukturen til diamant med et tetraedrisk miljø av atomer (fig. 1.14, a), bare ett fcc-undergitter er okkupert av gallium Ga-atomer, og det andre av arsen-As-atomer. Det er ikke noe symmetrisenter i GaAs-cellen, dvs. strukturen er polar i fire retninger m< 111 >. En forskjell observeres mellom tettpakkede 111) og (111 ) plan: hvis ett av dem inneholder Ga-atomer, inneholder det andre As-atomer. Dette forårsaker anisotropi av overflateegenskapene (mikrohardhet, adsorpsjon, kjemisk etsing, etc.).

I sphalerittstrukturen er de trekantede basene til tetraedrene til ethvert lag orientert på samme måte som basene til tetraedrene til det forrige laget.

Struktur av wurtzite(dobbel hcp-rist) vist i fig. 1.14, c, er karakteristisk for den sekskantede modifikasjonen av sinksulfid. Halvledere som ligner på ZnS, slik som kadmiumsulfid CdS og kadmiumselenid CdSe, har en slik struktur. De fleste av AII B VI-forbindelsene er preget av faseovergangen "sfaleritt-wurtzitt". Wurtzittstrukturen realiseres hvis det ikke-metalliske atomet har små dimensjoner og høy elektronegativitet.

På fig. Figur 1.14c viser en primitiv wurtzittcelle for ZnS i form av et rett prisme med en rombe ved bunnen og en vinkel på 120° i sentrum av en sekskant dannet av tre slike prismer (hvorav to er vist på figuren) .

Ulike typer krystaller og mulig arrangement av noder i et romlig gitter studeres ved krystallografi. I fysikk betraktes krystallstrukturer ikke ut fra deres geometri, men i henhold til arten av kreftene som virker mellom partiklene i en krystall, det vil si i henhold til typen bindinger mellom partiklene. I henhold til arten av kreftene som virker mellom partiklene som befinner seg ved nodene til krystallgitteret, skilles fire typiske krystallstrukturer - ioniske, atomære, molekylære og metalliske. La oss finne ut hva som er essensen av forskjellen mellom disse strukturene.

Den ioniske krystallstrukturen er preget av tilstedeværelsen av positive og negative ioner på gitterstedene. Kreftene som holder ioner i nodene til et slikt gitter er kreftene for elektrisk tiltrekning og frastøting mellom dem. På fig. 11.6 viser a krystallgitteret til natriumklorid (vanlig salt), og i fig. 11.6, b - pakking av ioner i et slikt gitter.

Motsatt ladede ioner i ionegitteret er plassert nærmere hverandre enn tilsvarende ladede, så tiltrekningskreftene mellom ulikt ioner råder over frastøtende krefter til like ioner. Dette er grunnen til den betydelige styrken til krystaller med et ionisk gitter.

Under smelting av stoffer med et ionisk krystallgitter går ioner fra gitternodene inn i smelten, som blir mobile ladningsbærere. Derfor er slike smelter gode ledere av elektrisk strøm. Dette gjelder også for vandige løsninger av krystallinske stoffer med et ionegitter

For eksempel er en løsning av natriumklorid i vann en god leder av elektrisitet.

Den atomære krystallstrukturen er preget av tilstedeværelsen av nøytrale atomer på gitterstedene, mellom hvilke det er en kovalent binding. En kovalent binding er en slik binding der hvert to naboatomer holdes side om side av tiltrekningskrefter som oppstår fra gjensidig utveksling av to valenselektroner mellom disse atomene.

Her må vi huske på følgende. Det moderne fysikknivået gjør det mulig å beregne sannsynligheten for at et elektron befinner seg i et bestemt område i rommet okkupert av et atom. Dette området av rommet kan avbildes som en elektronsky, som er tykkere der elektronet er oftere, dvs. hvor elektronet er mer sannsynlig å oppholde seg (fig. 11.7, a).

Elektronskyene av valenselektroner av to atomer som danner et molekyl med en kovalent binding overlapper hverandre. Dette betyr at begge valenselektronene (en fra hvert atom) er sosialiserte, det vil si at de tilhører begge atomene samtidig, og tilbringer mesteparten av tiden mellom atomene og knytter dem til et molekyl (fig. 11.7, b). Molekyler er et eksempel på denne typen molekyler.

En kovalent binding forbinder også forskjellige atomer til molekyler:

Mange faste stoffer har en atomisk krystallstruktur. På fig. 11.8 viser diamantgitteret og pakkingen av atomer i det. I dette gitteret danner hvert atom kovalente bindinger med fire naboatomer. Germanium og silisium har også et gitter av diamanttypen. Den kovalente bindingen skaper

veldig sterke krystaller. Derfor har slike stoffer høy mekanisk styrke og smelter bare ved høye temperaturer.

Den molekylære krystallstrukturen kjennetegnes av et romlig gitter, i nodene som det er nøytrale molekyler av et stoff. Kreftene som holder molekylene i nodene til dette gitteret er kreftene til intermolekylær interaksjon. På fig. 11.9 viser krystallgitteret av fast karbondioksid ("tørris"), i knutepunktene som det er molekyler (molekylene i seg selv er dannet av kovalente bindinger). Kreftene til intermolekylær interaksjon er relativt svake, så faste stoffer med et molekylært gitter blir lett ødelagt av mekanisk handling og har et lavt smeltepunkt. Eksempler på stoffer med et molekylært romlig gitter er is, naftalen, fast nitrogen og de fleste organiske forbindelser.

Metallkrystallstrukturen (fig. 11.10) utmerker seg ved tilstedeværelsen av positivt ladede metallioner på gitterstedene. I atomene til alle metaller er valenselektronene, dvs. de som er fjernest fra atomkjernen, svakt bundet til atomene. Elektronskyene til slike perifere elektroner overlapper mange atomer samtidig i metallets krystallgitter. Dette betyr at valenselektronene i krystallgitteret til et metall ikke kan tilhøre ett eller to atomer, men deles av mange atomer samtidig. Slike elektroner kan praktisk talt bevege seg fritt mellom atomer.

Dermed mister hvert atom i et fast metall sine perifere elektroner og atomene blir til positivt ladede ioner. Elektronene som er revet av fra dem beveger seg mellom ionene gjennom hele volumet av krystallen og er "sementen" som holder ionene i gitternodene og gir større styrke til metallet.

I den første tilnærmingen kan den kaotiske bevegelsen til frie elektroner i et metall betraktes som lik bevegelsen til ideelle gassmolekyler. Derfor er totalen av frie elektroner i

metall kalles noen ganger en elektrongass, og i beregninger brukes formler utledet for en ideell gass på den. (Beregn på denne måten gjennomsnittshastigheten for den termiske bevegelsen til elektroner i et metall ved 0°C.) Eksistensen av en elektrongass i metaller forklarer både den høye termiske ledningsevnen og den høye elektriske ledningsevnen til alle metaller.

Det foregående lar oss gi følgende definisjon av begrepet "krystallstruktur". En krystallstruktur er en slik struktur, som er preget av et ordnet arrangement av partikler på strengt definerte punkter i rommet, som danner et krystallgitter. Denne rekkefølgen gjør det mulig eksperimentelt og teoretisk å fullt ut studere strukturen til den faste tilstanden og fenomenene knyttet til naturen til vekselvirkningskreftene i krystallinske legemer.

Hver krystall er karakterisert anisotropi og en uttalt væskeovergangstemperatur. Krystaller er preget av ytre symmetri i arrangementet av partikler, som uttrykkes ved tilstedeværelsen av tre symmetrielementer: senter, akse og symmetriplan. Sentrum av symmetri - et punkt som deler alle rette linjer som forbinder mellom de ytre overflatene av krystallen, trukket gjennom den i alle retninger. Symmetriplan deler krystallen i to deler relatert til hverandre, som et objekt til speilbildet. Symmetriakse- dette er en slik linje, når du snur deg rundt som i en viss vinkel, oppnås et fullstendig sammentreff av den nye posisjonen med den forrige. Jo flere symmetrielementer, desto høyere er den ytre symmetrien til krystallen. En ball er en perfekt symmetrisk figur.

For tiden er hele utvalget av krystallinske former i henhold til kombinasjonen av symmetrielementer (syringony) redusert til syv typer: vanlig (kubisk), trigonal, sekskantet, tetragonal, rombisk, monoklinisk og triklinisk. Tabell 3.2. klassifiseringen av krystaller i henhold til syngoni er gitt.

Tabell 3.2. Klassifisering av krystaller etter syngoni

Krystaller av den nedre syngonien er preget av mindre symmetri; krystaller av en høyere kategori syngony har en mer perfekt form av krystallgitteret og er derfor mer stabile under visse eksistensforhold.

Mange stoffer i krystallinsk tilstand er preget av polymorfisme, dvs. et stoffs evne til å eksistere i form av flere krystallinske strukturer med ulike egenskaper. Polymorfismen til enkle stoffer kalles allotropi. Kjente polymorfe modifikasjoner av karbon (diamant, grafitt), kvarts (α-kvarts, β-kvarts), jern, wolfram, etc.

Hvis to forskjellige stoffer har samme krystallstruktur, lignende kjemiske formel, og ikke avviker veldig mye i størrelsen på partikler, kan de danne blandede krystaller. Slike stoffer kalles isomorfe, deres evne til å danne blandede krystaller kalles isomorfisme. Eksempel: kaolinittkrystaller Al 2 O 3 er like i sammensetning og struktur, men forskjellige i egenskaper. 2SiO2. 2H 2 O, pyrofyllitt Al 2 O 3. 4SiO2. 2H20 og montmorillonitt Al203. 4SiO2. 3H2O.

ekte krystaller. I vår praktiske aktivitet har vi å gjøre med ekte krystaller, som skiller seg fra ideelle ved brudd (defekter) av krystallgitteret, som dannes som et resultat av endringer i likevektsforholdene for krystallvekst, fangst av urenheter under krystallisering, og også under påvirkning av ulike typer ytre påvirkninger.

Amorf struktur

Amorf struktur er en av de fysiske tilstandene til faste stoffer Amorfe stoffer er karakterisert ved to trekk. For det første avhenger ikke egenskapene til slike stoffer under normale forhold av den valgte retningen, dvs. de - isotropisk. For det andre, når temperaturen stiger, mykner det amorfe stoffet og går gradvis over i flytende tilstand. Den nøyaktige verdien av smeltepunktet er ikke tilgjengelig.

Felles for materiens krystallinske og amorfe tilstander er fraværet av translasjonsbevegelse av partikler og bevaring av kun deres oscillerende bevegelse rundt likevektsposisjonen. Forskjellen mellom dem ligger i tilstedeværelsen av et geometrisk regelmessig gitter i krystaller og fraværet av lang rekkefølge i arrangementet av atomer i amorfe stoffer.

Den amorfe tilstanden til stoffet, sammenlignet med den krystallinske tilstanden, er alltid mindre stabil og har overskudd av intern energi. I denne forbindelse, under visse forhold, skjer overgangen fra den amorfe tilstanden til den krystallinske tilstanden spontant.

Faste stoffer i amorf tilstand kan oppnås på to måter. Den første måten er rask avkjøling av smelter av krystallinske stoffer, hovedsakelig av ionisk og kovalent struktur. En typisk representant for slike amorfe kropper er silikatglass, bitumen, harpiks, etc.

Den andre måten er spredning av krystallstrukturer. Som et resultat av dispergeringen av krystallinske legemer dannes amorfe dispersjoner i form av kolloider og løsninger. Når de blir ødelagt eller kondensert, endrer dispersjoner sin aggregeringstilstand. Overmettede løsninger kan for eksempel gelere og danne en polymer eller krystallisere.

Amorfe stoffer er delt inn i vitroider (glass), dispergerte systemer og polymerer.

vitroider er faste stoffer i amorf tilstand med en glassaktig struktur. Som allerede nevnt, dannes glass som et resultat av rask avkjøling, hovedsakelig av silikatsmelter. Rask avkjøling forhindrer opprettelsen av en ordnet struktur. Spesielt hvis molekylene er store og kjølehastigheten er høy.