Krystaly – Rostoucí krystaly

1. Pevné látky se obvykle dělí do tří skupin: amorfní tělesa, kompozity a krystaly. Amorfní tělesa nemají objednal vnitřní struktura, jejich struktura je podobná kapalinám; Příklady amorfních těles: sklo, ebonit, homogenní plasty. Kompozity mají uspořádané makroskopické struktura; Příklady kompozitů: dřevo, getenak, sklolaminát. Krystaly mají uspořádané mikroskopické strukturou tvoří strukturní prvky krystalů (ionty, atomy nebo molekuly) pravidelnou krystalovou mřížku. Krystalická těla jsou v současnosti hlavním materiálem pro moderní elektronická zařízení.

2. Krystaly se dělí podle typu chemické vazby na následující typy:

а) iontové krystaly; б) kovalentní krystaly; в) krystaly se smíšenou (kovalentní + iontovou) vazbou; г) kovové krystaly; д) atomové (molekulární) krystaly.

Iontový Krystaly se skládají z kladných a záporných iontů spojených iontovými (heteropolárními) vazbami. Příkladem iontových krystalů jsou sloučeniny prvků skupiny I a VII periodické tabulky (A I B VII): NaCl, KF, LiJ a tak dále.

Kovalentní Krystaly se skládají z atomů stejného typu, spojených kovalentními (homeopolárními) vazbami. Příkladem kovalentních krystalů jsou tělesa skládající se z atomů skupiny IV (С – diamant, Si – křemík, Ge – germanium), skupiny V (Р – fosfor, As – arsen, Sb – antimon) a skupina VI (S – síra, Se – selen, Te – telur).

S krystaly smíšený spojením jsou například binární spojení typu (A II B VI – ZnS, ZnSe, CdS) a (A III B V – AlN, Mezera, GaAs, InSb). V krystalech A II B V krystalech převládá VI heteropolární vazba A III B V – homeopolární spojení.

Metal Krystaly se skládají z mřížky tvořené kladnými kovovými ionty a elektronovým plynem valenčních elektronů. Přítomnost elektronového plynu určuje vysokou elektrickou a tepelnou vodivost kovů.

В jaderné и molekulární V krystalech se krystalová mřížka skládá z atomů nebo molekul spojených dohromady různými typy van der Waalsových interakcí. Příkladem atomových krystalů jsou krystaly vzácných plynů (Ne, Ar, Kr); ledové krystaly jsou molekulární (H₂O), pevný oxid uhličitý (CO₂) a dalších.

3. Klasifikace krystalů podle typu krystalové mřížky. Krystalovou mřížku lze získat vysíláním jednotková buňka krystal, což je rovnoběžnostěn se specifickým uspořádáním konstrukčních prvků pro daný krystal (na obr. 1.1 označeno tmavými kroužky). Typ krystalové mřížky je určen krystalografickými úhly a, b, g, definující krystalografické osy a krystalografické vzdálenosti a, b, c. Existuje 7 krystalových systémů (singonie): triklinické (a ¹ b ¹ c; a ¹ b ¹ g); monoklinika (a ¹ b ¹ c; a = g, b > 90°); kosočtverec (a ¹ b ¹ c; a = b =g = 90°); šestiúhelníkový (a = b ¹ c; a = b = 90°, g = 120°); romboedrický (a = b ¹ c; a = b = g 90 XNUMX°); čtyřúhelníkový (a = b ¹ c; a = b = g = 90°); krychlový (a = b = c; a = b =g = 90°).

Na obr. 1.1 je znázorněna nejjednodušší buňka. Existují také složitější buňky: zaměřený na tělo (obr. 1.2а), základna-střed (obr. 1.2б) A zaměřený na obličej (obr. 1.2в). Celkem je pozorováno 14 typů krystalových mřížek, které poprvé popsal francouzský vědec Bravais.

Je vhodné znázornit konstrukční prvky mřížky jako model pevných koulí, které jsou ve vzájemném kontaktu. V rámci tohoto modelu je „nejvolnější“ mřížkou jednoduchá krychlová mřížka a nejhustěji zaplněné jsou plošně centrované krychlové a šestiúhelníkové mřížky.

Rýže. 1.2. Typy elementárních krychlových buněk:

a – zaměřený na tělo; б – centrovaný na základnu; в – zaměřený na obličej

Periodicitu krystalové struktury ve velkých monokrystalech lze pozorovat přes miliarda (10 9 ) meziatomové vzdálenosti.

Fyzikální vlastnosti krystalů (elektrická vodivost, permitivita a další) závisí na směru v krystalu. Směry v krystalech jsou označeny pomocí Millerových indexů: osa х má indexy [100], у – [010], z – [001]. Směr úhlopříčky základní buňky v rovině hu označené symboly [110]; Prostorová úhlopříčka základní buňky má indexy [111] atd. Krystalografické roviny jsou také označeny pomocí Millerových indexů. V krystalech kubické syngonie jsou roviny kolmé ke směrům označeny stejnými indexy. Například letadlo hu má indexy (001), protože je kolmá na směr [001] (osa z); rovina (111) je kolmá ke směru [111] a tak dále.

Datum přidání: 2016. 09. 26 ; zobrazení: 4365 ;

Krystal – fyzikální termín označující pevné látky, jejichž jednotlivé částice jsou umístěny v prostoru v souladu s jasnou periodickou strukturou.

Příběh

Již ve starověku si lidé všimli mnoha minerálů pro jejich neobvyklý vzhled pravidelných nebo podobných mnohostěnů ve tvaru, které se nápadně lišily od vzhledu mnoha jiných přírodních materiálů, které je obklopovaly. Některé podobné minerály, jako je křemen, se nazývaly κρισταλλος – ledkvůli jejich přirozené průhlednosti. Postupem času se tímto pojmem začala označovat širší třída minerálů a následně všechna přírodní tělesa, která mají svůj přirozený mnohostěnný tvar.

Druhy látek

Abychom pochopili, proč krystaly vyčnívají z celé řady látek a materiálů, uvažujme o struktuře jakékoli látky na molekulární (nebo atomové) úrovni. Typicky se takové studie provádějí pomocí rentgenové difrakční analýzy.

Vidíte, že některé látky, jako med, sklo, různé druhy kaučuku, při jakémkoliv přiblížení v relativním uspořádání částic nemají žádnou strukturu, tzn. všechny částice jsou uspořádány náhodně, chaoticky.
Když se takové látky zahřejí, jejich částice se postupně začnou pohybovat dále a dále od svých předchozích náhodných míst v důsledku stále se zvyšujících teplotních výkyvů – proces začíná měknutí látek. Vzdálenost mezi částicemi se postupně zvětšuje, ale je těžké naznačit, zda látka přesně přešla do kapalného stavu, nebo zda jde stále o pevnou látku, je zde tato hranice příliš nejasná. Kvůli tomuto chování se tyto látky nazývají amorfní – bez konkrétní formy, bez struktury.

Zároveň se můžete setkat s dalšími látkami, jako je led, kovy, soli, u kterých zahřívání vede ke zvýšení teploty jen do určité meze a poté začíná přechod pevné látky na kapalinu při zachování konstantní teplota. A teprve když se při jejím dalším zahřívání začne teplota látky opět zvyšovat, lze konstatovat, že celé těleso přešlo do kapalného stavu a nikde v tavenině nezůstaly žádné úlomky pevné látky.

Někoho hned napadají otázky ze školního kurzu fyziky – pokud byla do těla přenášena energie k ohřevu a jeho teplota byla v tu chvíli konstantní, kam se pak tato energie poděla?

Abychom na tuto otázku odpověděli, podívejme se znovu do struktury takových látek a podívejme se, že všechny jejich částice jsou umístěny v přísném pořadí, podél nekonečných pravidelných řad táhnoucích se celým objemem látky, jako periodická prostorová mřížka. V uzlech takových mřížek jsou částice hmoty, které tam nejsou stacionární, ale podléhají velmi malým teplotním výkyvům, udržované na místě silami elektromagnetické přitažlivosti a odpuzování.
Pokud látku postupně zahříváte, můžete si všimnout, jak částice, když dosáhnou určité rychlosti vibrací, již tyto síly nemohou být drženy a začnou opouštět své místo. Jednotlivé částice mohou mít rychlost mnohem vyšší, než je průměr, ale po krátké době narazí na pomalé částice, čímž jim udělí část jejich rychlosti a pomohou jim opustit mřížku. Proto se teplota takových těles při tavení nemění a energie na ně přenesená směřuje k postupné destrukci mřížky. Teprve po dokončení procesu začne rychlost částic opět v průměru stoupat – je to tato hranice, která označuje přechod tělesa do kapalného stavu. Historicky se takové mřížky nazývají krystalickýa samotné látky – krystaly.

Stojí za zmínku, že jelikož částice v mřížce jsou v jakési kvantově mechanické pasti způsobené interakcí se sousedními částicemi, je krystalová mřížka stavem s nižší energií než volně se pohybující částice hmoty. To vysvětluje efekt, ke kterému dochází při procesu opačném k tání – krystalizaci látky z taveniny nebo roztoku, při které přechod z volného stavu částic do periodické struktury způsobí uvolňování tepla při zachování stejné konstantní teploty.

Typy krystalů

Krystaly mají zase svou vlastní klasifikaci. Ve skutečnosti se nejedná o jednu, ale o celý soubor klasifikací – podle tvaru minimálního prvku mřížky, podle částic, které takovou mřížku tvoří, podle typů symetrie samotných mřížek. Ale abychom se seznámili s některými vlastnostmi krystalů, má smysl zvážit prostorovou klasifikaci.

Uvažujme znovu strukturu látek na úrovni skupin molekul nebo atomů.
U některých krystalů, když se měřítko zvětší na velikosti nanometrů a milimetrů, je stále viditelná hladká prostorová mřížka, která je tvoří. Krystal i při takovém zvětšení stále vykazuje stejnou jednotnou strukturu a řídí se svými vlastnostmi. Takové krystaly jsou zcela ve tvaru mnohostěnu a neskládají se z jednotlivých částí, nazývají se monokrystaly – jednotlivé pevné krystaly látky.

U některých krystalů je naopak zřejmé, že se skládají z malých pravidelných mřížek, které jsou na velkých měřítcích již chaoticky rozptýleny po celém objemu – krystal jako by sestával ze smíšených úlomků pravidelných mřížek. Takové krystaly vykazují správný tvar pouze na malých plochách, přičemž celkově představují beztvarý kus. Mohou se i s trochou snahy rozdělit na malé, pravidelnější částice. Takové krystaly se nazývají polykrystaly – mnoho malých, prorostlých monokrystalů.

Monokrystaly i polykrystaly vykazují mnoho stejných vlastností, které určuje elementární mřížka a jejich částice – bod tání, hustota, schopnost vstupovat do chemických reakcí, vést elektřinu a mnoho dalších.
Zároveň jsou díky znatelným strukturálním rozdílům některé jejich vlastnosti specifické pro každý druh.

Vlastnosti krystalů

Anizotropie

Mezi speciální vlastnosti krystalů patří především anizotropie – schopnost prokázat různé kvalitativní a kvantitativní vlastnosti v závislosti na směru jejich měření.

Příkladem je měření tepelné vodivosti na krystalu sádrovce – jedna hodnota bude zaznamenána v podélném směru, a zcela jiná hodnota v příčném směru. Dalším příkladem je efekt dvojlomu. Spočívá v tom, že nakreslíte-li například čáru na list papíru a navrch položíte monokrystal uhličitanu vápenatého nebo nějaké jiné látky, pak se obraz, procházející krystalem k pozorovateli, rozdělí. dva – jeden obraz bude skutečný a projde do oka pozorovatele, trochu se láme od přímého směru. Druhý, který prošel ve směru pod úhlem k pozorovateli v důsledku odlišného indexu lomu v tomto směru, bude viditelný pro oko pozorovatele, ale s mírným posunem nahoru nebo dolů.

Také díky této vlastnosti mají monokrystaly určitý tvar – v různých směrech krystal roste různou rychlostí. Experiment lze provést pěstováním krystalu na kulovitém semínku, což povede k výraznému růstu obličeje v jednom směru a prakticky žádnému růstu v druhém, což nakonec povede k růstu krystalu určitého tvaru. A to vše díky projevu krystalické struktury ve velkém měřítku.

Izotropie

Tato vlastnost je opakem anizotropie a platí pro polykrystaly.

Izotropie – schopnost polykrystalů vykazovat stejné vlastnosti ve všech směrech měření.
Příkladem může být stejný elektrický odpor kovů při průchodu proudu různými směry nebo jejich stejná pevnost při mechanickém namáhání.
Důvodem je velmi jemná krystalická struktura kovů, která rozptyluje působící napětí a rázy ve všech směrech, s vyloučením jejich převahy v kterémkoli z nich.

Zdá se paradoxní, že ne nejvýraznější rozdíly ve struktuře nemění vlastnosti na opak, ale právě díky nim máme elektroniku, architekturu a mnoho dalších oborů činnosti.

Polymorfismus

Obecná vlastnost krystalických látek, polymorfismus – schopnost téže látky tvořit několik různých krystalových mřížek za různých nebo stejných podmínek.

Tato vlastnost určuje existenci některých alotropních modifikací chemických prvků – stejné atomy a molekuly při různých teplotách nebo tlacích jsou uspořádány v různých krystalových mřížkách, které se mohou radikálně lišit jak ve fyzikálních, tak chemických vlastnostech.
Tato vlastnost umožňuje, aby se některé vlastnosti při zachování stejného chemického složení látky projevily zcela jiným způsobem. Síra kosočtverečná tvoří krystaly ve formě bipyramid a jednoklonná síra tvoří krystaly ve formě tyčí nebo hranolů, diamant je tvrdý a nevede elektřinu a grafit se snadno drolí a je dobrým vodičem, bílý fosfor se oxiduje vzduchem kyslík při pokojové teplotě a červený fosfor je stabilní.

Izomorfismus

Izomorfismus (dokonalý izomorfismus) – schopnost některých látek s identickými krystalovými mřížkami tvořit smíšené krystaly v jakémkoli koncentračním rozmezí.

Tato vlastnost umožňuje růst krystalů různých kamenců na sobě, přičemž krystaly v nasyceném roztoku jiné látky se nerozpustí, ale budou se chovat, jako by šlo o roztok jejich vlastní látky.
Tato vlastnost je spojena nejen se shodným uspořádáním částic v mřížce, ale také s blízkými poloměry iontů těchto látek, díky čemuž jsou jejich mřížky téměř totožné.

Někdy o tom mluví nedokonalý izomorfismus, kdy jsou mřížky podobné, ale iontové poloměry částic jsou stále znatelně odlišné. V tomto případě látky tvoří běžné krystaly pouze v určitém úzkém teplotním rozmezí.

Izomorfismus

Soubor:Ya.zavada.copper.iron ii.sulfate.5.jpg Isodimorfismus krystalů síranu mědi a železa

Izomorfismus (vynucený izomorfismus) – typ nedokonalého izomorfismu, schopnost některých látek tvořit smíšené krystaly s různými mřížkami v závislosti na jejich poměru. Jsou vlastní látkám, které jsou v jednom teplotním rozsahu izomorfní, v jiném podléhají přechodu na jiný typ mřížky, ale mohou si ji udržet, pokud jsou ve formě směsi.

Díky této vlastnosti mohou síran měďnatý a železitý v různých koncentracích tvořit krystaly s různými tvary a stabilitou, přičemž mají zcela odlišné mřížky.