Bir maddenin yapısı yalnızca kimyasal parçacıklardaki atomların göreceli düzeniyle değil, aynı zamanda bu kimyasal parçacıkların uzaydaki konumuyla da belirlenir. Atomların, moleküllerin ve iyonların en düzenli düzeni kristaller(Yunanca'dan " kristaller" - buz), burada kimyasal parçacıklar (atomlar, moleküller, iyonlar) belirli bir sırayla düzenlenerek uzayda bir kristal kafes oluşturur. Belirli oluşum koşulları altında, düzenli simetrik çokyüzlülerin doğal şekline sahip olabilirler. Kristal durumu parçacıkların düzenlenmesinde uzun menzilli düzenin varlığı ve simetri kristal kafesi ile karakterize edilir.
Amorf durum yalnızca kısa menzilli düzenin varlığıyla karakterize edilir. Amorf maddelerin yapıları sıvılara benzer ancak akışkanlığı çok daha azdır. Amorf durum genellikle kararsızdır. Mekanik yüklerin veya sıcaklık değişimlerinin etkisi altında amorf cisimler kristalleşebilir. Amorf durumdaki maddelerin reaktivitesi kristal duruma göre çok daha yüksektir.
Amorf maddeler
Ana işaret amorf(Yunanca'dan " şekilsiz" - biçimsiz) maddenin durumu - atomik veya moleküler bir kafesin yokluğu, yani kristal durumun karakteristik yapısının üç boyutlu periyodikliği.
Sıvı bir madde soğutulduğunda her zaman kristalleşmez. belirli koşullar altında dengesiz bir katı amorf (camsı) durum oluşabilir. Camsı hal, basit maddeler (karbon, fosfor, arsenik, kükürt, selenyum), oksitler (örneğin bor, silikon, fosfor), halojenürler, kalkojenitler ve birçok organik polimer içerebilir.
Bu durumda madde uzun süre stabil kalabilir; örneğin bazı volkanik camların yaşının milyonlarca yıl olduğu tahmin edilmektedir. Camsı amorf haldeki bir maddenin fiziksel ve kimyasal özellikleri, kristalli bir maddenin özelliklerinden önemli ölçüde farklı olabilir. Örneğin camsı germanyum dioksit kimyasal olarak kristal olandan daha aktiftir. Sıvı ve katı amorf halin özelliklerindeki farklılıklar, parçacıkların termal hareketinin doğası ile belirlenir: amorf durumda, parçacıklar yalnızca salınım ve dönme hareketleri yapabilir, ancak maddenin kalınlığı boyunca hareket edemezler.
Amorf bir durumda yalnızca katı halde bulunabilen maddeler vardır. Bu, düzensiz birim dizisine sahip polimerleri ifade eder.
Amorf cisimler izotropik yani mekanik, optik, elektriksel ve diğer özellikleri yöne bağlı değildir. Amorf cisimlerin sabit bir erime noktası yoktur; erime belirli bir sıcaklık aralığında meydana gelir. Amorf bir maddenin katı durumdan sıvı duruma geçişine özelliklerde ani bir değişiklik eşlik etmez. Amorf durumun fiziksel bir modeli henüz oluşturulmamıştır.
Kristal maddeler
Sağlam kristaller- aynı yapısal elemanın kesin tekrarlanabilirliği ile karakterize edilen üç boyutlu oluşumlar ( birim hücre) her yöne. Birim hücre, kristalde sonsuz sayıda tekrarlanan, paralel boru şeklindeki bir kristalin en küçük hacmidir.
Kristallerin geometrik olarak doğru şekli, her şeyden önce, kesinlikle düzenli iç yapıları ile belirlenir. Bir kristaldeki atomlar, iyonlar veya moleküller yerine, bu parçacıkların ağırlık merkezleri olarak noktaları gösterirsek, kristal kafes adı verilen bu tür noktaların üç boyutlu düzenli dağılımını elde ederiz. Noktaların kendilerine denir düğümler kristal kafes.
Kristal kafes türleri
Kristal kafesin hangi parçacıklardan yapıldığına ve aralarındaki kimyasal bağın niteliğine bağlı olarak farklı kristal türleri ayırt edilir.
İyonik kristaller katyonlar ve anyonlar (örneğin çoğu metalin tuzları ve hidroksitleri) tarafından oluşturulur. İçlerinde parçacıklar arasında iyonik bir bağ vardır.
İyonik kristaller şunlardan oluşabilir: tek atomlu iyonlar. Kristaller bu şekilde inşa edilir sodyum klorür, potasyum iyodür, kalsiyum florür.
Tek atomlu metal katyonları ve çok atomlu anyonlar, örneğin nitrat iyonu NO 3 -, sülfat iyonu SO 4 2−, karbonat iyonu CO 3 2−, birçok tuzun iyonik kristallerinin oluşumuna katılır.
İyonik bir kristalde tek molekülleri izole etmek imkansızdır. Her katyon, her anyon tarafından çekilir ve diğer katyonlar tarafından itilir. Kristalin tamamı devasa bir molekül olarak düşünülebilir. Böyle bir molekülün boyutu sınırlı değildir çünkü yeni katyonlar ve anyonlar eklenerek büyüyebilir.
İyonik bileşiklerin çoğu, koordinasyon sayısının değeri, yani belirli bir iyonun etrafındaki komşuların sayısı (4, 6 veya 8) bakımından birbirinden farklı olan yapısal tiplerden birinde kristalleşir. Eşit sayıda katyon ve anyon içeren iyonik bileşikler için dört ana kristal kafes türü bilinmektedir: sodyum klorür (her iki iyonun koordinasyon sayısı 6'dır), sezyum klorür (her iki iyonun koordinasyon sayısı 8'dir), sfalerit ve wurtzit (her iki yapısal tip de katyon ve anyonun 4'e eşit koordinasyon sayısı ile karakterize edilir). Katyon sayısı anyon sayısının yarısı ise katyonların koordinasyon sayısı anyonların koordinasyon sayısının iki katı olmalıdır. Bu durumda florit (koordinasyon numarası 8 ve 4), rutil (koordinasyon numarası 6 ve 3) ve kristobalitin (koordinasyon numarası 4 ve 2) yapısal tipleri gerçekleşir.
Tipik olarak iyonik kristaller sert fakat kırılgandır. Kırılganlıkları, kristalin hafif bir deformasyonuyla bile katyonların ve anyonların, benzer iyonlar arasındaki itici kuvvetlerin katyonlar ve anyonlar arasındaki çekici kuvvetlere üstün gelmeye başlayacak şekilde yer değiştirmesi ve kristalin yok edilmesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır.
İyonik kristallerin erime noktaları yüksektir. Erimiş halde iyonik kristalleri oluşturan maddeler elektriksel olarak iletkendir. Bu maddeler suda çözündüğünde katyonlara ve anyonlara ayrışır ve ortaya çıkan çözeltiler elektrik akımını iletir.
Elektrolitik ayrışmanın eşlik ettiği polar solventlerde yüksek çözünürlük, yüksek dielektrik sabiti ε olan bir solvent ortamında iyonlar arasındaki çekim enerjisinin azalmasından kaynaklanmaktadır. Suyun dielektrik sabiti vakumunkinden 82 kat daha yüksektir (şartlı olarak iyonik kristalde bulunur) ve sulu bir çözeltideki iyonlar arasındaki çekim aynı miktarda azalır. Etki iyonların çözülmesiyle arttırılır.
Atomik kristaller kovalent bağlarla bir arada tutulan bireysel atomlardan oluşur. Basit maddelerden yalnızca bor ve grup IVA elementleri bu tür kristal kafeslere sahiptir. Çoğunlukla metal olmayan bileşiklerin (örneğin silikon dioksit) birbirleriyle olan bileşikleri de atomik kristaller oluşturur.
İyonik kristaller gibi atomik kristaller de dev moleküller olarak kabul edilebilir. Çok dayanıklı ve serttirler, ısıyı ve elektriği iyi iletmezler. Atomik kristal kafeslere sahip maddeler yüksek sıcaklıklarda erir. Pratik olarak herhangi bir çözücüde çözünmezler. Düşük reaktivite ile karakterize edilirler.
Moleküler kristaller, atomların kovalent bağlarla bağlandığı ayrı moleküllerden oluşur. Moleküller arasında daha zayıf moleküller arası kuvvetler etki eder. Kolayca yok edilirler, bu nedenle moleküler kristaller düşük erime noktalarına, düşük sertliğe ve yüksek uçuculuğa sahiptir. Moleküler kristal kafesleri oluşturan maddelerin elektriksel iletkenliği yoktur ve bunların çözeltileri ve eriyikleri de elektrik akımını iletmez.
Moleküller arası kuvvetler, bir molekülün negatif yüklü elektronlarının komşu moleküllerin pozitif yüklü çekirdekleriyle elektrostatik etkileşimi nedeniyle ortaya çıkar. Moleküller arası etkileşimlerin gücü birçok faktörden etkilenir. Bunlardan en önemlisi polar bağların varlığı, yani elektron yoğunluğunun bir atomdan diğerine kaymasıdır. Ayrıca elektron sayısı fazla olan moleküller arasında moleküller arası etkileşimler daha güçlüdür.
Basit maddeler formundaki metal olmayanların çoğu (örneğin, iyot I2, argon Ar, kükürt S8) ve birbirleriyle olan bileşikler (örneğin, su, karbon dioksit, hidrojen klorür) ve hemen hemen tüm katı organik maddeler moleküler kristaller oluşturur.
Metaller metalik bir kristal kafes ile karakterize edilir. Atomlar arasında metalik bir bağ içerir. Metal kristallerinde atom çekirdekleri, paketlenmeleri mümkün olduğu kadar yoğun olacak şekilde düzenlenmiştir. Bu tür kristallerdeki bağlanma delokalizedir ve tüm kristal boyunca uzanır. Metal kristalleri yüksek elektriksel ve termal iletkenliğe, metalik parlaklığa ve opaklığa ve kolay deforme olabilirliğe sahiptir.
Kristal kafeslerin sınıflandırılması sınırlayıcı durumlara karşılık gelir. İnorganik maddelerin kristallerinin çoğu ara tiplere aittir - kovalent-iyonik, moleküler-kovalent, vb. Örneğin bir kristalde grafit Her katmanın içindeki bağlar kovalent-metaliktir ve katmanlar arasında moleküller arasıdır.
İzomorfizm ve polimorfizm
Birçok kristalli madde aynı yapıya sahiptir. Aynı zamanda aynı madde farklı kristal yapılar oluşturabilir. Bu, olaylara yansıyor izomorfizm Ve polimorfizm.
izomorfizm kristal yapılarda atomların, iyonların veya moleküllerin birbirini değiştirme yeteneğinde yatmaktadır. Bu terim (Yunancadan " ISO'lar" - eşittir ve " morfe" - form) 1819'da E. Mitscherlich tarafından önerildi. İzomorfizm yasası, 1821'de E. Mitscherlich tarafından şu şekilde formüle edildi: “Aynı şekilde bağlanan aynı sayıda atom, aynı kristal formları verir; Üstelik kristal form, atomların kimyasal yapısına bağlı değildir; yalnızca sayıları ve göreceli konumlarıyla belirlenir."
Berlin Üniversitesi kimya laboratuvarında çalışan Mitscherlich, kurşun, baryum ve stronsiyum sülfat kristallerinin tam benzerliğine ve diğer birçok maddenin kristal formlarının benzerliğine dikkat çekti. Gözlemleri ünlü İsveçli kimyager J.-Ya'nın dikkatini çekti. Mitscherlich'in gözlemlenen modelleri fosforik ve arsenik asit bileşikleri örneğini kullanarak doğruladığını öne süren Berzelius. Çalışma sonucunda "iki seri tuzun yalnızca birinin asit radikali olarak arsenik içermesi, diğerinin ise fosfor içermesi bakımından farklılık gösterdiği" sonucuna varıldı. Mitscherlich'in keşfi çok geçmeden mineralogların dikkatini çekti ve minerallerdeki elementlerin izomorfik yer değiştirmesi sorunu üzerine araştırmaya başladı.
İzomorfizme eğilimli maddelerin ortak kristalizasyonu sırasında ( izomorfik maddeler), karışık kristaller (izomorfik karışımlar) oluşur. Bu ancak birbirini değiştiren parçacıkların boyutlarının çok az (%15'ten fazla olmaması) farklı olması durumunda mümkündür. Ek olarak, izomorfik maddelerin atom veya iyonların benzer bir uzaysal düzenlemesine ve dolayısıyla dış şekli benzer kristallere sahip olması gerekir. Bu tür maddeler örneğin şapı içerir. Potasyum şap kristallerinde KAl(SO 4) 2 . 12H20 potasyum katyonları kısmen veya tamamen rubidyum veya amonyum katyonları ile ve alüminyum katyonları krom(III) veya demir(III) katyonları ile değiştirilebilir.
İzomorfizm doğada yaygındır. Çoğu mineral karmaşık, değişken bileşime sahip izomorfik karışımlardır. Örneğin, sfalerit ZnS mineralinde çinko atomlarının %20'ye kadarı demir atomları ile değiştirilebilir (ZnS ve FeS farklı kristal yapılara sahipken). İzomorfizm, nadir ve eser elementlerin jeokimyasal davranışları, bunların izomorfik safsızlıklar şeklinde içerildiği kaya ve cevherlerdeki dağılımı ile ilişkilidir.
İzomorfik ikame, modern teknolojinin yapay malzemelerinin (yarı iletkenler, ferromıknatıslar, lazer malzemeleri) birçok yararlı özelliğini belirler.
Birçok madde, farklı yapı ve özelliklere sahip ancak aynı bileşime sahip kristal formlar oluşturabilir ( polimorfik değişiklikler). Polimorfizm- katıların ve sıvı kristallerin, aynı kimyasal bileşime sahip, farklı kristal yapı ve özelliklere sahip iki veya daha fazla formda bulunabilme yeteneği. Bu kelime Yunancadan geliyor" polimorflar"- çeşitli. Polimorfizm fenomeni, 1798'de iki farklı mineralin (kalsit ve aragonit) aynı CaCO3 kimyasal bileşimine sahip olduğunu keşfeden M. Klaproth tarafından keşfedildi.
Basit maddelerin polimorfizmi genellikle allotropi olarak adlandırılırken, polimorfizm kavramı kristal olmayan allotropik formlar (örneğin gaz halindeki O2 ve O3) için geçerli değildir. Polimorfik formların tipik bir örneği, özelliklerinde keskin farklılıklar gösteren karbon modifikasyonlarıdır (elmas, lonsdaleit, grafit, karbinler ve fullerenler). Karbonun en kararlı varoluş şekli grafittir, ancak normal koşullar altında diğer modifikasyonları süresiz olarak devam edebilir. Yüksek sıcaklıklarda grafite dönüşürler. Elmas durumunda bu durum, oksijen yokluğunda 1000 o C'nin üzerine ısıtıldığında meydana gelir. Tersine geçişin başarılması çok daha zordur. Sadece yüksek sıcaklık (1200-1600 o C) değil, aynı zamanda 100 bin atmosfere kadar muazzam bir basınç da gereklidir. Grafitin elmasa dönüşümü, erimiş metallerin (demir, kobalt, krom ve diğerleri) varlığında daha kolaydır.
Moleküler kristaller söz konusu olduğunda, polimorfizm, kristal içindeki moleküllerin farklı paketlenmesinde veya moleküllerin şeklindeki değişikliklerde ve iyonik kristallerde - katyonların ve anyonların farklı göreceli konumlarında kendini gösterir. Bazı basit ve karmaşık maddelerin ikiden fazla polimorfu vardır. Örneğin silikon dioksitin on modifikasyonu vardır, kalsiyum florürün altı, amonyum nitratın dört modifikasyonu vardır. Polimorfik modifikasyonlar genellikle düşük sıcaklıklarda stabil olan modifikasyonlardan başlayarak α, β, γ, δ, ε,... Yunanca harfleriyle gösterilir.
Birkaç polimorfik modifikasyona sahip bir madde buhardan, çözeltiden veya eriyikten kristalleştirildiğinde, ilk önce belirli koşullar altında daha az stabil olan bir modifikasyon oluşur ve bu daha sonra daha stabil bir modifikasyona dönüşür. Örneğin, fosfor buharı yoğunlaştığında, normal koşullar altında ısıtıldığında yavaş yavaş kırmızı fosfora dönüşen beyaz fosfor oluşur. Kurşun hidroksit dehidre edildiğinde ilk önce (yaklaşık 70 o C) düşük sıcaklıklarda daha az kararlı olan sarı β-PbO oluşur, yaklaşık 100 o C'de kırmızı α-PbO'ya dönüşür, 540 o C'de ise kırmızı α-PbO'ya dönüşür. β-PbO'ya geri dönün.
Bir polimorftan diğerine geçişe polimorfik dönüşüm denir. Bu geçişler sıcaklık veya basınç değiştiğinde meydana gelir ve özelliklerde ani bir değişiklik eşlik eder.
Bir değişiklikten diğerine geçiş süreci geri döndürülebilir veya geri döndürülemez olabilir. Böylece, BN (bor nitrür) bileşimine sahip beyaz yumuşak grafit benzeri bir madde 1500-1800 o C'de ısıtıldığında ve onlarca atmosfer basıncında yüksek sıcaklık modifikasyonu oluşur - borazon Sertlik bakımından elmasa yakındır. Sıcaklık ve basınç normal şartlara karşılık gelen değerlere düştüğünde borazon yapısını korur. Tersine çevrilebilir bir geçiş örneği, 95 o C'de iki kükürt modifikasyonunun (ortorombik ve monoklinik) karşılıklı dönüşümleridir.
Polimorfik dönüşümler yapıda önemli değişiklikler olmadan gerçekleşebilir. Bazen kristal yapısında hiç bir değişiklik olmaz, örneğin 769 o C'de α-Fe'nin β-Fe'ye geçişi sırasında demirin yapısı değişmez ancak ferromanyetik özellikleri kaybolur.
İnsanların her zaman çalışmak için tercih ettiği en yaygın malzemelerden biri metal olmuştur. Her çağda bu şaşırtıcı maddelerin farklı türleri tercih edildi. Dolayısıyla MÖ IV-III binyıl Kalkolitik veya Bakır Çağı olarak kabul edilir. Daha sonra yerini bronz alır ve bugün hala geçerli olan demir yürürlüğe girer.
Bugün, bir zamanlar metal ürünler olmadan yapmanın mümkün olduğunu hayal etmek genellikle zordur, çünkü ev eşyalarından tıbbi aletlere, ağır ve hafif ekipmanlara kadar hemen hemen her şey bu malzemeden oluşur veya ondan ayrı parçalar içerir. Metaller neden bu kadar popülerlik kazanmayı başardı? Özelliklerin ne olduğunu ve bunun yapılarının doğasında nasıl olduğunu anlamaya çalışalım.
Metallerin genel kavramı
"Kimya. 9. sınıf" okul çocukları tarafından kullanılan bir ders kitabıdır. Metallerin detaylı olarak incelendiği yer burasıdır. Çeşitlilikleri son derece büyük olduğundan, fiziksel ve kimyasal özelliklerinin değerlendirilmesine büyük bir bölüm ayrılmıştır.
Bu yaştan itibaren çocuklara bu atomlar ve özellikleri hakkında fikir verilmesi tavsiye edilir, çünkü gençler bu tür bilgilerin önemini zaten tam olarak anlayabilirler. Etraflarındaki çeşitli nesnelerin, makinelerin ve diğer şeylerin metalik bir yapıya dayandığını çok iyi görürler.
Metal nedir? Kimya açısından bu atomlar genellikle aşağıdaki özelliklere sahip olanlar olarak sınıflandırılır:
- dış düzeyde küçük;
- güçlü onarıcı özellikler sergiler;
- büyük bir atom yarıçapına sahip;
- Basit maddeler olarak bir takım spesifik fiziksel özelliklere sahiptirler.
Bu maddeler hakkındaki bilginin temeli, metallerin atomik-kristal yapısı dikkate alınarak elde edilebilir. Bu bileşiklerin tüm özelliklerini ve özelliklerini açıklayan şey budur.
Periyodik tabloda, tablonun büyük bir kısmı metallere ayrılmıştır çünkü bunlar, birinci gruptan üçüncü gruba kadar tüm ikincil alt grupları ve ana grupları oluştururlar. Dolayısıyla sayısal üstünlükleri ortadadır. En yaygın olanları:
- kalsiyum;
- sodyum;
- titanyum;
- ütü;
- magnezyum;
- alüminyum;
- potasyum.
Tüm metaller, büyük bir madde grubunda birleşmelerine izin veren bir takım özelliklere sahiptir. Bu özellikler de tam olarak metallerin kristal yapısıyla açıklanmaktadır.
Metallerin özellikleri
Söz konusu maddelerin spesifik özellikleri arasında aşağıdakiler yer almaktadır.
- Metalik parlaklık. Basit maddelerin tüm temsilcilerinde bulunur ve çoğu aynıdır. Sadece birkaçı (altın, bakır, alaşımlar) farklıdır.
- Dövülebilirlik ve esneklik - oldukça kolay bir şekilde deforme olma ve iyileşme yeteneği. Farklı temsilcilerde farklı derecelerde ifade edilir.
- Elektriksel ve ısıl iletkenlik, metal ve alaşımlarının uygulama alanlarını belirleyen temel özelliklerden biridir.
Metallerin ve alaşımların kristal yapısı, belirtilen özelliklerin her birinin nedenini açıklar ve her bir spesifik temsilcideki ciddiyetinden bahseder. Böyle bir yapının özelliklerini biliyorsanız, numunenin özelliklerini etkileyebilir ve onu istenen parametrelere ayarlayabilirsiniz ki bu, insanların onlarca yıldır yaptığı şeydir.
Metallerin atomik kristal yapısı
Bu yapı nedir, ne ile karakterize edilir? İsmin kendisi, tüm metallerin katı halde, yani normal koşullar altında (sıvı olan cıva hariç) kristaller olduğunu öne sürüyor. Kristal nedir?
Bu, vücudu hizalayan atomlar boyunca hayali çizgilerin kesişmesiyle oluşturulan geleneksel bir grafik görüntüdür. Başka bir deyişle her metal atomlardan oluşur. Kaotik bir şekilde değil, çok doğru ve tutarlı bir şekilde yerleştirilmişler. Yani, tüm bu parçacıkları zihinsel olarak tek bir yapıda birleştirirseniz, belirli bir şekle sahip düzenli bir geometrik gövde şeklinde güzel bir görüntü elde edersiniz.
Bu genellikle bir metalin kristal kafesi olarak adlandırılan şeydir. Çok karmaşık ve mekansal olarak hacimlidir, bu nedenle basitlik için hepsi gösterilmemiştir, yalnızca bir kısmı, temel hücre gösterilmiştir. Bu tür hücrelerin bir araya toplanıp yansıtıldığı ve kristal kafesler oluşturduğu bir dizi. Kimya, fizik ve metalurji bu tür yapıların yapısal özelliklerini inceleyen bilimlerdir.
Kendisi, birbirinden belirli bir mesafede bulunan ve kendi etrafında kesin olarak sabit sayıda diğer parçacıkları koordine eden bir atom kümesidir. Paketleme yoğunluğu, kurucu yapılar arasındaki mesafe ve koordinasyon numarası ile karakterize edilir. Genel olarak tüm bu parametreler kristalin tamamının özellikleridir ve dolayısıyla metalin sergilediği özellikleri yansıtır.
Birkaç çeşidi vardır. Hepsinin ortak bir özelliği vardır - düğümler atom içerir ve içinde elektronların kristalin içindeki serbest hareketi ile oluşan bir elektron gazı bulutu vardır.
Kristal kafes türleri
On dört kafes yapısı seçeneği genellikle üç ana tipte birleştirilir. Bunlar aşağıdaki gibidir:
- Vücut merkezli kübik.
- Altıgen sıkı paketlenmiş.
- Yüz merkezli kübik.
Metallerin kristal yapısı ancak yüksek büyütmeli görüntüler elde etmek mümkün olduğunda incelenmiştir. Kafes türlerinin sınıflandırılması ilk kez Fransız bilim adamı Bravais tarafından yapıldı ve bazen adı da anılıyor.
Vücut merkezli kafes
Bu tip metallerin kristal kafesinin yapısı aşağıdaki yapıdır. Bu, düğümlerinde sekiz atom bulunan bir küp. Bir diğeri hücrenin serbest iç alanının merkezinde yer alır ve bu da “beden merkezli” adını açıklar.
Bu, birim hücrenin ve dolayısıyla bir bütün olarak kafesin en basit yapısı için seçeneklerden biridir. Aşağıdaki metaller bu türe sahiptir:
- molibden;
- vanadyum;
- krom;
- manganez;
- alfa demir;
- beta demir ve diğerleri.
Bu tür temsilcilerin temel özellikleri yüksek derecede işlenebilirlik ve süneklik, sertlik ve dayanıklılıktır.
Yüz merkezli kafes
Yüzey merkezli kübik kafese sahip metallerin kristal yapısı aşağıdaki yapıdır. Bu on dört atom içeren bir küp. Bunlardan sekizi kafes düğümleri oluşturur ve her bir yüzde birer tane olmak üzere altı tane daha bulunur.
Benzer bir yapıya sahiptirler:
- alüminyum;
- nikel;
- yol göstermek;
- gama demiri;
- bakır.
Başlıca ayırt edici özellikleri farklı renklerin parlaklığı, hafiflik, dayanıklılık, dövülebilirlik, korozyona karşı artan dirençtir.
Altıgen kafes
Kafesli metallerin kristal yapısı aşağıdaki gibidir. Birim hücre altıgen prizmaya dayanmaktadır. Düğümlerinde 12, tabanlarında iki atom daha vardır ve yapının merkezindeki boşlukta üç atom serbestçe bulunur. Toplamda on yedi atom vardır.
Aşağıdaki gibi metaller:
- alfa titanyum;
- magnezyum;
- alfa kobalt;
- çinko.
Ana özellikleri yüksek derecede dayanıklılık ve güçlü gümüş parlaklığıdır.
Metallerin kristal yapısındaki kusurlar
Bununla birlikte, dikkate alınan tüm hücre türlerinin aynı zamanda doğal kusurları veya sözde kusurları da olabilir. Bunun çeşitli nedenleri olabilir: metallerdeki yabancı atomlar ve safsızlıklar, dış etkiler vb.
Bu nedenle kristal kafeslerin sahip olabileceği kusurları yansıtan bir sınıflandırma vardır. Bir bilim olarak kimya, malzemenin özelliklerinin değişmemesi için nedenini ve ortadan kaldırma yöntemini belirlemek amacıyla her birini inceler. Yani kusurlar aşağıdaki gibidir.
- Leke. Üç ana tipte gelirler: boşluklar, safsızlıklar veya yerinden çıkmış atomlar. Metalin manyetik özelliklerinin, elektriksel ve termal iletkenliğinin bozulmasına yol açar.
- Doğrusal veya dislokasyon. Kenar ve vidalı olanları vardır. Malzemenin sağlamlığını ve kalitesini bozarlar.
- Yüzey kusurları. Metallerin görünümünü ve yapısını etkiler.
Günümüzde kusurları ortadan kaldırmak ve saf kristaller elde etmek için yöntemler geliştirilmiştir. Ancak bunları tamamen ortadan kaldırmak mümkün değildir; ideal bir kristal kafes mevcut değildir.
Metallerin kristal yapısı hakkında bilginin önemi
Yukarıdaki materyalden, ince yapı ve yapıya ilişkin bilginin, malzemenin özelliklerini tahmin etmeyi ve bunları etkilemeyi mümkün kıldığı açıktır. Ve kimya bilimi bunu yapmanıza izin veriyor. Genel eğitim okulunun 9. sınıfı, öğrenme sürecinde öğrencilerde temel mantıksal zincirin öneminin net bir şekilde anlaşılmasını geliştirmeye önem verir: kompozisyon - yapı - özellikler - uygulama.
Metallerin kristal yapısına ilişkin bilgiler çok net bir şekilde gösterilmiştir ve öğretmenin çocuklara tüm özellikleri doğru ve yetkin bir şekilde kullanabilmek için ince yapıyı bilmenin ne kadar önemli olduğunu net bir şekilde açıklamasına ve göstermesine olanak tanır.
Maddenin yapısı.
Kimyasal etkileşimlere giren tek tek atomlar veya moleküller değil, maddelerdir.
Görevimiz maddenin yapısını tanımaktır.
Düşük sıcaklıklarda maddeler kararlı katı haldedir.
☼ Doğadaki en sert madde elmastır. Tüm mücevherlerin ve değerli taşların kralı olarak kabul edilir. İsmi de Yunanca'da "yok edilemez" anlamına geliyor. Elmaslara uzun zamandır mucizevi taşlar olarak bakılıyor. Elmas takan kişinin mide hastalıklarını bilmediğine, zehirden etkilenmediğine, hafızasını ve neşeli ruh halini yaşlılığa kadar koruduğuna ve kraliyet iltifatına sahip olduğuna inanılıyordu.
☼ Takı işlemeye (kesme, cilalama) tabi tutulmuş bir elmasa elmas denir.
Termal titreşimler sonucu erirken parçacıkların düzeni bozulur, hareketli hale gelirken kimyasal bağın doğası bozulmaz. Dolayısıyla katı ve sıvı haller arasında temel bir fark yoktur.
Sıvı akışkanlık kazanır (yani bir kabın şeklini alma yeteneği).
Sıvı kristaller.
Sıvı kristaller 19. yüzyılın sonlarında keşfedildi ancak son 20-25 yılda üzerinde çalışılmaya başlandı. Modern teknolojiye sahip birçok görüntüleme cihazı, örneğin bazı elektronik saatler ve mini bilgisayarlar, sıvı kristallerle çalışır.
Genel olarak, "sıvı kristaller" kelimeleri "sıcak buz" kelimesinden daha az olağandışı değildir. Ancak gerçekte buz da sıcak olabilir çünkü... 10.000 atm'den fazla basınçta. su buzu 2000 C'nin üzerindeki sıcaklıklarda erir. "Sıvı kristaller" kombinasyonunun olağandışılığı, sıvı durumun yapının hareketliliğini göstermesi ve kristalin katı düzeni ima etmesidir.
Bir madde uzun veya katmanlı bir şekle sahip ve asimetrik bir yapıya sahip çok atomlu moleküllerden oluşuyorsa, eridiğinde bu moleküller birbirlerine göre belirli bir şekilde yönlendirilir (uzun eksenleri paraleldir). Bu durumda moleküller kendilerine paralel olarak serbestçe hareket edebilirler. sistem bir sıvının akışkanlık özelliği özelliğini kazanır. Aynı zamanda sistem, kristallerin karakteristik özelliklerini belirleyen düzenli bir yapıyı korur.
Böyle bir yapının yüksek hareketliliği, onu çok zayıf etkilerle (termal, elektriksel vb.) kontrol etmeyi mümkün kılar; Modern teknolojide kullanılan, çok az enerji harcamasıyla, optik olanlar da dahil olmak üzere bir maddenin özelliklerini kasıtlı olarak değiştirmek.
Kristal kafes çeşitleri.
Herhangi bir kimyasal madde, birbirine bağlı çok sayıda özdeş parçacıktan oluşur.
Düşük sıcaklıklarda, termal hareket zor olduğunda, parçacıklar uzayda sıkı bir şekilde yönlendirilir ve bir kristal kafes oluşturur.
Kristal kafes uzayda parçacıkların geometrik olarak doğru düzenlenmesine sahip bir yapıdır.
Kristal kafesin kendisinde düğümler ve düğümler arası boşluk ayırt edilir.
Aynı madde, koşullara (p, t,...) bağlı olarak farklı kristal formlarda bulunur (yani farklı kristal kafeslere sahiptirler) - özellikleri farklı olan allotropik modifikasyonlar.
Örneğin karbonun dört modifikasyonu bilinmektedir: grafit, elmas, karbin ve lonsdaleit.
☼ Kristalin karbonun dördüncü çeşidi olan “lonsdaleite” çok az bilinmektedir. Göktaşlarında keşfedilip yapay olarak elde edildi ve yapısı halen araştırılıyor.
☼ İs, kok ve kömür, karbonun amorf polimerleri olarak sınıflandırıldı. Ancak artık bunların da kristal maddeler olduğu anlaşılmıştır.
☼ Bu arada kurumda "ayna karbon" adı verilen parlak siyah parçacıklar bulundu. Ayna karbon kimyasal olarak inerttir, ısıya dayanıklıdır, gaz ve sıvılardan etkilenmez, pürüzsüz bir yüzeye sahiptir ve canlı dokularla kesinlikle uyumludur.
☼ Grafit adı İtalyanca “graffito”dan geliyor - Yazıyorum, çiziyorum. Grafit, zayıf metalik parlaklığa sahip koyu gri kristallerdir ve katmanlı bir kafese sahiptir. Bir grafit kristalinde birbirine nispeten zayıf bir şekilde bağlanan bireysel atom katmanları birbirinden kolaylıkla ayrılır.
KRİSTAL KAFES TÜRLERİ
Farklı kristal kafeslere sahip maddelerin özellikleri (tablo)
Soğuma sırasında kristal büyüme hızı düşükse camsı bir durum (amorf) oluşur.
Bir elementin Periyodik Tablodaki konumu ile basit maddesinin kristal kafesi arasındaki ilişki.
Periyodik tablodaki bir elementin konumu ile ona karşılık gelen elementel maddenin kristal kafesi arasında yakın bir ilişki vardır.
Geriye kalan elementlerin basit maddeleri metalik bir kristal kafese sahiptir.
SABİTLEME
Ders materyalini inceleyin ve aşağıdaki soruları not defterinize yazılı olarak yanıtlayın:
- Kristal kafes nedir?
- Ne tür kristal kafesler mevcuttur?
- Her kristal kafes tipini plana göre tanımlayın:
Kristal kafesin düğümlerinde neler var, yapısal birim → Düğümün parçacıkları arasındaki kimyasal bağ türü → Kristalin parçacıkları arasındaki etkileşim kuvvetleri → Kristal kafes tarafından belirlenen fiziksel özellikler → Normal koşullar altında maddenin toplam durumu → Örnekler
Bu konuyla ilgili görevleri tamamlayın:
- Günlük yaşamda yaygın olarak kullanılan aşağıdaki maddeler ne tür kristal kafese sahiptir: su, asetik asit (CH3 COOH), şeker (C12 H22 O11), potasyum gübre (KCl), nehir kumu (SiO2) - erime noktası 1710 0C, amonyak (NH3), sofra tuzu? Genel bir sonuç çıkarın: Bir maddenin hangi özelliklerine göre kristal kafesinin tipi belirlenebilir?
Verilen maddelerin formüllerini kullanarak: SiC, CS2, NaBr, C2 H2 - her bir bileşiğin kristal kafes tipini (iyonik, moleküler) belirleyin ve buna dayanarak dört maddenin her birinin fiziksel özelliklerini tanımlayın.
1 numaralı eğitmen. "Kristal kafesler"
2 numaralı eğitmen. "Test görevleri"
Test (öz kontrol):
1) Kural olarak moleküler kristal kafesi olan maddeler:
A). refrakter ve suda oldukça çözünür
B). eriyebilir ve uçucu
V). Katı ve elektriksel olarak iletken
G). Termal olarak iletken ve plastik
2) “Molekül” kavramı bir maddenin yapısal birimi için geçerli değildir:
B). oksijen
V). elmas
3) Atomik kristal kafes aşağıdakilerin karakteristiğidir:
A). alüminyum ve grafit
B). kükürt ve iyot
V). silikon oksit ve sodyum klorür
G). elmas ve bor
4) Bir madde suda yüksek oranda çözünürse, erime noktası yüksekse ve elektriksel olarak iletkense, kristal kafesi şöyledir:
A). moleküler
B). atomik
V). iyonik
G). maden
Antik çağlardan beri metaller insanlığın gelişiminde büyük rol oynamıştır. Günlük hayata girişleri, hem malzemeleri işleme yöntemlerinde hem de insanın çevredeki gerçekliğe ilişkin algısında gerçek bir devrim yarattı. Modern sanayi ve tarım, ulaşım ve altyapı, metal kullanılmadan ve bunların faydalı nitelikleri ve özellikleri kullanılmadan mümkün değildir. Bu nitelikler, kristal kafese dayanan belirli bir kimyasal bileşik sınıfının iç yapısı tarafından belirlenir.
Kristal kafesin kavramı ve özü
İç yapı açısından bakıldığında, herhangi bir madde sıvı, gaz ve katı olmak üzere üç durumdan birinde olabilir. Üstelik, kristal kafesin yalnızca atomların veya moleküllerin kesin olarak tanımlanmış yerlerde net bir şekilde düzenlenmesini değil, aynı zamanda yeterince büyük bir kuvvet uygulama ihtiyacını da ima etmesi nedeniyle en büyük stabilite ile karakterize edilen ikincisidir. Bu temel parçacıklar arasındaki bağları kırın.
İyonik kafesin özellikleri
Katı haldeki herhangi bir maddenin yapısı zorunlu olarak moleküllerin ve atomların aynı anda üç boyutta periyodik tekrarını içerir. Ayrıca düğüm noktalarında bulunanlara bağlı olarak kristal kafes iyonik, atomik, moleküler ve metalik olabilir. İlk tipe gelince, buradaki temel bileşenler, Coulomb kuvvetlerinin ortaya çıktığı ve etki ettiği zıt yüklü iyonlardır. Bu durumda etkileşimin kuvveti doğrudan yüklü parçacıkların yarıçapına bağlıdır.
Böyle bir kafes, aralarında negatif yüklü elektronların hareket ettiği boşlukta metal katyonlardan oluşan karmaşık bir sistemdir. Kafesin stabilitesini ve sertliğini veren bu temel parçacıkların varlığıdır, çünkü pozitif yüklü katyonlar için bir tür dengeleyici görevi görürler.
Atom kafesinin gücü ve zayıflığı
Atomik kristal kafes, yapı açısından oldukça ilginçtir. Zaten isminden de düğümlerinin kovalent bağlarla bir arada tutulan atomlar içerdiği sonucuna varabiliriz. Son yıllarda birçok bilim adamı, belirli bir molekülün yapısı büyük ölçüde onu oluşturan atomların değerliği tarafından belirlendiğinden, bu tür etkileşimi inorganik polimerler ailesine bağlamıştır.
Moleküler bir kafesin temel özellikleri
Moleküler kristal kafes, sunulanlar arasında en az kararlı olanıdır. Mesele şu ki, düğümlerinde bulunan moleküller arasındaki etkileşim seviyesi son derece düşüktür ve enerji potansiyeli, asıl rolü dağılım, indüksiyon ve yönlendirme kuvvetlerinin oynadığı bir dizi faktör tarafından belirlenir.
Kristal kafesin nesnelerin özellikleri üzerindeki etkisi
Böylece kristal kafes, belirli bir maddenin özelliklerini büyük ölçüde belirler. Örneğin atom kristalleri aşırı yüksek sıcaklıklarda erir ve sertliği artar ve metal kafesli maddeler mükemmel iletkenlerdir.
Çoğu katı madde var kristalimsi karakterize edilen yapı parçacıkların kesin olarak tanımlanmış düzeni. Parçacıkları geleneksel çizgilerle bağlarsanız, uzaysal bir çerçeve elde edersiniz. kristal kafes. Kristal parçacıklarının bulunduğu noktalara kafes düğümleri denir. Hayali bir kafesin düğümleri atomlar, iyonlar veya moleküller içerebilir.
Düğümlerde bulunan parçacıkların doğasına ve aralarındaki bağlantının doğasına bağlı olarak dört tip kristal kafes ayırt edilir: iyonik, metalik, atomik ve moleküler.
İyonik düğümlerinde iyonların bulunduğu kafesler denir.
İyonik bağa sahip maddelerden oluşurlar. Böyle bir kafesin düğümlerinde elektrostatik etkileşimle birbirine bağlanan pozitif ve negatif iyonlar vardır.
İyonik kristal kafeslerde tuzlar, alkaliler, aktif metal oksitler. İyonlar basit veya karmaşık olabilir. Örneğin, sodyum klorürün kafes bölgelerinde basit sodyum iyonları Na ve klor Cl - bulunur ve potasyum sülfatın kafes bölgelerinde basit potasyum iyonları K ve karmaşık sülfat iyonları S O 4 2 - dönüşümlüdür.
Bu tür kristallerdeki iyonlar arasındaki bağlar güçlüdür. Bu nedenle iyonik maddeler katıdır, refrakterdir ve uçucu değildir. Bu tür maddeler iyidir suda çözünmek.
Sodyum klorürün kristal kafesi
Sodyum klorür kristali
maden pozitif iyonlardan, metal atomlarından ve serbest elektronlardan oluşan kafesler denir.
Metalik bağları olan maddelerden oluşurlar. Metal bir kafesin düğüm noktalarında atomlar ve iyonlar bulunur (atomların kolayca dönüştüğü atomlar veya iyonlar, dış elektronlarını ortak kullanım için bırakırlar).
Bu tür kristal kafesler, basit metal ve alaşım maddelerinin karakteristiğidir.
Metallerin erime noktaları farklı olabilir (cıva için \(–37\) °C'den iki ila üç bin dereceye kadar). Ancak tüm metallerin bir özelliği vardır metalik parlaklık dövülebilirlik, süneklik, elektriği iyi iletir ve sıcaklık.
Metal kristal kafes
Donanım
Atomik kafeslere, düğümlerinde kovalent bağlarla bağlanan ayrı atomların bulunduğu kristal kafesler denir.
Elmas, karbonun allotropik modifikasyonlarından biri olan bu tür bir kafese sahiptir. Atomik kristal kafesi olan maddeler şunları içerir: Grafit, silikon, bor ve germanyum, ayrıca karmaşık maddelerin yanı sıra, örneğin karborundum SiC ve silika, kuvars, kaya kristali, kum silikon oksit (\(IV\)) Si O2'yi içerir.
Bu tür maddeler karakterize edilir yüksek mukavemet ve sertlik. Bu nedenle elmas en sert doğal maddedir. Atomik kristal kafesi olan maddeler çok yüksek erime noktaları ve kaynatılıyor.Örneğin silikanın erime noktası \(1728\) °C iken grafitin erime noktası daha yüksektir - \(4000\) °C. Atomik kristaller pratik olarak çözünmez.
Elmas kristal kafes
Elmas
Moleküler düğümlerinde zayıf moleküller arası etkileşimlerle bağlanan moleküllerin bulunduğu kafesler denir.
Moleküllerin içindeki atomların çok güçlü kovalent bağlarla bağlı olmasına rağmen, moleküllerin kendi aralarında zayıf moleküller arası çekim kuvvetleri etki eder. Bu nedenle moleküler kristaller düşük güç ve sertlik, düşük erime noktaları ve kaynatılıyor. Birçok moleküler madde oda sıcaklığında sıvı ve gaz halindedir. Bu tür maddeler uçucudur. Örneğin, kristalin iyot ve katı karbon monoksit (\(IV\)) ("kuru buz") sıvı hale dönüşmeden buharlaşır. Bazı moleküler maddeler koku .
Bu tür kafes, katı bir toplanma halindeki basit maddelere sahiptir: tek atomlu moleküllere sahip soy gazlar (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) ), yanı sıra iki ve metal olmayanlar çok atomlu moleküller (H 2, O 2, N 2, Cl 2, I 2, O 3, P 4, S 8).
Moleküler kristal kafesleri var ayrıca kovalent polar bağları olan maddeler: su - buz, katı amonyak, asitler, metal olmayan oksitler. Çoğunluk organik bileşikler aynı zamanda moleküler kristallerdir (naftalin, şeker, glikoz).
