1.4. Galvenie kristāla struktūru veidi

Atomu punktveida izkārtojums telpiskajos režģos ir vienkāršots un nepiemērots kristāla struktūru pētīšanai, kad tiek noteikts attālums starp tuvākajiem atomiem vai joniem. Tomēr kristālisko struktūru fizikālās īpašības ir atkarīgas no vielu ķīmiskās dabas, atomu (jonu) lieluma un to savstarpējās mijiedarbības spēkiem. Tāpēc nākotnē pieņemsim, ka atomiem vai joniem ir bumbiņas forma un tos raksturo efektīvais rādiuss, ar to saprotot to ietekmes sfēras rādiusu, kas vienāds ar pusi no attāluma starp diviem tuvākajiem blakus esošajiem viena veida atomiem vai joniem. Kubiskajā režģī efektīvais atomu rādiuss ir 0 /2.

Efektīvajam rādiusam ir dažādas īpašvērtības katrā konkrētajā struktūrā, un tas ir atkarīgs no blakus esošo atomu rakstura un skaita. Dažādu elementu atomu rādiusus var salīdzināt tikai tad, ja tie veido kristālus ar vienādu koordinācijas numuru. Koordinācijas numurs z dotā atoma (jona) ir tuvāko līdzīgo atomu (jonu) skaits, kas to ieskauj kristāla struktūrā. Garīgi savienojot blakus esošo daļiņu centrus savā starpā ar taisnām līnijām, mēs iegūstam

koordinācijas daudzskaldnis; šajā gadījumā atoms (jons), kuram konstruēts šāds daudzskaldnis, atrodas tā centrā.

Koordinācijas skaitlis un efektīvo daļiņu rādiusu attiecība ir savstarpēji saistīti noteiktā veidā: jo mazāka ir daļiņu izmēru atšķirība, jo lielāks z.

Atkarībā no kristāla struktūras (režģa tipa) z var mainīties no 3 līdz 12. Kā tiks parādīts tālāk, dimanta struktūrā z = 4, akmeņsālī z = 6 (katru nātrija jonu ieskauj seši hlorīda joni) . Metāliem raksturīgs koordinācijas skaitlis z = 12, kristāliskiem pusvadītājiem z = 4 vai z = 6. Šķidrumiem koordinācijas skaitli nosaka statistiski kā jebkura atoma tuvāko kaimiņu vidējo skaitu.

Koordinācijas numurs ir saistīts ar atomu blīvumu kristāla struktūrā. Relatīvais iepakojuma blīvums–

tā ir atomu aizņemtā tilpuma attiecība pret kopējo struktūras tilpumu. Jo lielāks koordinācijas skaitlis, jo lielāks ir relatīvais iepakojuma blīvums.

1. sadaļa. Fizikāli ķīmiskās kristalogrāfijas pamati

Kristāla režģim mēdz būt minimāla brīvā enerģija. Tas ir iespējams tikai tad, ja katra daļiņa mijiedarbojas ar maksimāli iespējamo citu daļiņu skaitu. Citiem vārdiem sakot, koordinācijas skaitlim jābūt maksimālajam m. Tendence slēgt iepakojumu ir raksturīga visu veidu kristāla struktūrām.

Apsveriet plakanu struktūru, kas sastāv no viena veida atomiem, kas pieskaras viens otram un aizpilda lielāko daļu telpas. Šajā gadījumā ir iespējams tikai viens veids, kā vistuvāk novietot blakus esošos atomus: ap centrālo

smaguma centri krīt uz pirmā slāņa tukšumiem. Tas ir skaidri redzams labajā attēlā attēlā. 1.10, a (skats no augšas), kur otrā slāņa atomu projekcijas nokrāsotas gaiši pelēkā krāsā. Otrā slāņa atomi veido pamata trīsstūri (parādīts ar nepārtrauktu līniju), kura augšdaļa ir vērsta uz augšu.

Rīsi. 1.10. Slāņu secība, iesaiņojot viena izmēra bumbiņas divu veidu konstrukcijās: (a) ABAB... ar sešstūra blīvumu (HCP); b - ABSABC... ar blīvāko kubisko paketi (K PU), kas nodrošina seju centrētu kubisko (fcc) režģi. Skaidrības labad trešais un ceturtais slānis ir parādīti nepilnīgi aizpildīti.

1. nodaļa. Kristālu fizikas elementi

Trešā slāņa atomus var izkārtot divējādi. Ja trešā slāņa atomu smaguma centri atrodas virs pirmā slāņa atomu smaguma centriem, tad pirmā slāņa klāšana tiks atkārtota (1.10. att., a). Iegūtā struktūra ir sešstūra blīvs iepakojums(GPU). To var attēlot kā slāņu secību ABABABAB ... Z ass virzienā.

Ja trešā slāņa C atomi (att. 1.10., b parādīti pa labi tumši pelēkā krāsā) atrodas virs citiem pirmā slāņa tukšumiem un veido pamata trīsstūri, kas pagriezts par 180º attiecībā pret slāni B (parādīts ar punktētu līniju), , un ceturtais slānis ir identisks pirmajam, tad tiek attēlota iegūtā struktūra kubikblīvākais iepakojums(FCC), kas atbilst seju centrētai kubiskajai struktūrai (FCC) ar slāņu secību ABSABCABSABC ... Z ass virzienā.

Blīvākajiem iepakojumiem z = 12. Tas ir skaidri redzams centrālās bumbiņas piemērā B slānī: tās tuvāko vidi veido sešas A slāņa bumbiņas un trīs bumbiņas zem un virs tās B slāņos.

(1.10. att., a).

Papildus koordinācijas skaitlim z dažādas struktūras raksturo arī iepakojuma blīvums, kas tiek ievadīts kā tilpuma V attiecība, ko aizņem atomi, pret visas Bravais šūnas V šūnas tilpumu. Atomi ir attēloti ar cietām lodītēm ar rādiusu r, tāpēc V at = n (4π/3)r 3, kur n ir atomu skaits šūnā.

Kubiskās šūnas V šūnas tilpums \u003d a 0 3, kur a 0 ir režģa periods. HCP šūnai ar sešstūra pamatnes laukumu S = 3a 0 2 2 3

un augstums c = 2a 0 23 iegūstam V šūnu = 3a 0 3 2 .

Atbilstošie kristāla struktūru parametri - primitīvais kubiskais (PC), ķermenis centrētais kubs (BCC), seju centrētais kubs (FCC), sešstūris cieši iepakots (HCP) - ir norādīti tabulā. 1.2. Atomu rādiusus raksta, ņemot vērā, ka tie saskaras gar kuba malām PC struktūrā (2r = a 0 ), gar telpiskajām diagonālēm (4r = a 0 3) bcc struktūrā un gar kuba diagonālēm. sejas (4r = a 0 2)

fcc struktūrā.

Tādējādi tuvākajās iesaiņotajās struktūrās (fcc un hcp) ar z = 12 šūnu tilpumu 74% aizņem atomi. Koordinācijas skaitlim samazinoties līdz 8 un 6, iepakojuma blīvums samazinās attiecīgi līdz 68 (bcc) un 52% (PC).

1.2. tabula

Kubisko un sešstūra kristālu parametri

Kristāla parametri
Koordinācijas numurs z
Atomu skaits n šūnā
Atomu rādiuss r	a 0/2			a 24	a 0/2
Viena atoma tilpums, V pie / n
	a 0 3 π 6	a3 π		a 3 π 2 24	π a 0 3 6
iepakojuma blīvums,
		π 3 8 \u003d 0,6		π 2 6 \u003d 0,74	π 2 6 \u003d 0,74
V at / V šūna

Jau tika atzīmēts, ka vielas kristalizācijas laikā sistēmai ir tendence nodrošināt minimālu brīvo enerģiju. Viens no faktoriem, kas samazina daļiņu mijiedarbības potenciālo enerģiju, ir to maksimālā pieeja un savstarpējās saiknes izveidošana ar pēc iespējas lielāku daļiņu skaitu, t.i., vēlme pēc blīvāka iepakojuma ar lielāko koordinācijas skaitli.

Tieksme uz tuvāko blīvējumu ir raksturīga visu veidu struktūrām, bet visizteiktākā tā ir metāliskajos, jonu un molekulārajos kristālos. Tajās saites ir nevirzītas vai vāji virzītas (skat. 2. nod.), tā ka atomiem joni.

Un molekulas, cieto nesaspiežamo sfēru modelis ir diezgan pieņemams.

Attēlā parādītie Bravais tulkošanas režģi. 1.3

Un tabulā. 1.1, nav izsmeltas visas iespējamās kristāla struktūru konstruēšanas iespējas, galvenokārt ķīmiskajiem savienojumiem. Lieta ir tāda, ka Bravais šūnas periodiska atkārtošanās rada translācijas režģi, kas sastāv tikai no viena veida daļiņām (molekulām, atomiem, joniem). Tāpēc kompleksa savienojuma struktūru var konstruēt, kombinējot Bravai režģus, kas noteiktā veidā ievietoti viens otrā. Tātad pusvadītāju kristālos tiek izmantota virzīta kovalentā (nepolārā vai polārā) saite, ko parasti realizē vismaz divu režģu kombinācija, kas atsevišķi ir diezgan blīvi iesaiņoti, bet galu galā nodrošina nelielus koordinācijas skaitļus no “kopējā” režģa (līdz z = 4).

Ir vielu grupas, kurām raksturīgs identisks atomu telpiskais izkārtojums un kas viena no otras atšķiras tikai pēc kristālrežģa parametriem (bet ne pēc veida).

Tāpēc to struktūru var aprakstīt, izmantojot vienu telpisko modeli ( viens struktūras veids), norādot katras vielas režģa parametru īpašās vērtības. Tādējādi dažādu vielu kristāli pieder ierobežotam skaitam strukturālo tipu.

Visizplatītākie konstrukciju veidi ir:

metāla kristālos:

volframa struktūra (OC-režģis); vara struktūra (fcc režģis), magnija struktūra (hcp režģis);

dielektriskos kristālos:

nātrija hlorīda struktūra (dubultā HCC režģis); cēzija hlorīda struktūra (dubultā PC-režģis);

pusvadītāju kristālos:

dimanta struktūra (dubultā fcc režģis); sfalerīta struktūra (dubultais GCC režģis); wurtzite struktūra (dubultā HP U-režģis).

Īsi apskatīsim iepriekš uzskaitīto konstrukciju un tām atbilstošo Bravai režģu īpašības un realizējamību.

1.4.1. Metāliski kristāli

Volframa struktūra(1.1 att. 1, bet). Uz ķermeni centrētais kubiskais režģis nav visblīvāk iesaiņota struktūra, tā relatīvais blīvums ir 0,6 8 un koordinācijas skaitlis z = 8. Plaknes (11 1) ir visblīvāk.

Rīsi. 1.11. Kubisko režģu veidi: a) kubiskais korpuss (BCC); b - vienkāršs kubisks

1. sadaļa. Fizikāli ķīmiskās kristalogrāfijas pamati

Papildus volframam W visiem sārmu un sārmzemju metāliem, kā arī lielākajai daļai ugunsizturīgo metālu ir bcc režģis: hroms Cr, dzelzs Fe, molibdēns Mo, cirkonijs Zr, tantals Ta, niobijs Nb utt. skaidrojums. Centrālā atoma bcc šūnā tuvākie kaimiņi ir atomi kuba virsotnēs (z = 8). Tie atrodas attālumā viens no otra

seši centrālie atomi blakus šūnās (otrā koordinācijas sfēra), kas praktiski palielina koordinācijas skaitli līdz z 14. Tas dod kopējo enerģijas pieaugumu, kas kompensē negatīvo ieguldījumu no neliela vidējā attāluma starp atomiem pieauguma salīdzinājumā ar fcc režģi, kur atomi atrodas attālumā d = a 0 ( 2) 2 = 0.707a 0 . Tā rezultātā,

kristalizācija, kas izpaužas to augstajā kušanas temperatūrā, volframam sasniedzot 3422 ºС. Salīdzinājumam: vienkāršai kubiskajai struktūrai (1.11. att., b) ar z = 8 ir vaļīgs blīvējums un tā sastopama tikai Po polonijā.

Attēlā parādītā vara struktūra (fcc režģis). 1.12, a, attiecas uz cieši iesaiņotām konstrukcijām, relatīvais iepakojuma blīvums ir 0,74 un koordinācijas skaitlis z = 12. Papildus vara Cu tas raksturīgs daudziem metāliem, piemēram, zeltam Au, sudrabam Ag, platīnam Pt, niķelim. Ni, alumīnijs Al, svins Pb, pallādijs Pd, torijs Th utt.

Rīsi. 1.12. Cieši saspiestu kristāla režģu konstrukcijas: a – seju centrēts kubisks (vara struktūra); b - sešstūrains, cieši iesaiņots (magnija struktūra)

1. nodaļa. Kristālu fizikas elementi

Šie metāli ir salīdzinoši mīksti un elastīgi. Lieta ir tāda, ka vara tipa konstrukcijās tetraedriska un oktaedra tukšumi fcc režģī nav piepildīti ar citām daļiņām. Tas ļauj, pateicoties saišu nevirzīšanai starp atomiem, to pārvietošanu pa t.s. bīdāmās plaknes. Fcc režģī tās ir maksimālā blīvējuma plaknes (111), no kurām viena ir iekrāsota attēlā. 1.12., a.

Magnija struktūra(hcp režģis), kas parādīts attēlā. 1.12, b, ir raksturīga ne tikai magnija Mg, bet arī kadmijam Cd, cinkam Zn, titānam Ti, tallijam Tl, berilijam Be u.c., kā arī lielākajai daļai retzemju elementu. Atšķirībā no PC režģa, hcp režģis attēlā. 1.12, b ir slānis B (ēnots), kas atrodas vidū starp pamata slāņiem A noteiktā attālumā

ar 2 = a 0 2 3 (ar novēroto novirzi līdz 10% dažiem

citi metāli). Atomi slāņos B ir novietoti virs trīsstūru centriem pamatplaknē (0001) ar ciešu blīvējumu.

1.4.2. Dielektriskie kristāli

Nātrija hlorīda struktūra(1.13. att., bet) var aprakstīt

san kā divi uz seju vērsti kubiskie režģi (vara struktūras tips), kas nobīdīti par pusi režģa perioda (a 0/2) gar jebkuru no malām<100>.

Lielie hlora anjoni Cl– aizņem fcc šūnas vietas un veido kubisku ciešu blīvējumu, kurā mazāka izmēra nātrija katjoni Na+ aizpilda tikai oktaedriskus tukšumus. Citiem vārdiem sakot, NaCl struktūrā katru katjonu ieskauj četri anjoni (100) plaknē un divi joni perpendikulārajā plaknē, kas atrodas vienādā attālumā no katjona. Rezultātā notiek oktaedriskā koordinācija. Tas vienlīdz attiecas uz anjoniem. Tāpēc apakšrežģu koordinācijas skaitļu attiecība ir 6:6.

Cēzija hlorīda struktūra CsCl (dubultā datora režģis),

attēlā parādīts. 1.13, b, sastāv no diviem primitīviem kubiskajiem režģiem, kas nobīdīti par pusi no tilpuma diagonāles. Fakts ir tāds, ka cēzija joni ir lielāki par nātrija joniem un nevar ietilpt hlora režģa oktaedriskos (un vēl jo vairāk tetraedriskos) tukšumos, ja tie būtu fcc tipa, kā tas ir NaCl struktūrā. CsCl struktūrā katru cēzija jonu ieskauj astoņi hlorīda joni un otrādi.

Arī citi halogenīdi kristalizējas šāda veida struktūrās, piemēram, Cs (Br, I), Rb (Br, I), Tl (Br, Cl), AIV BVI tipa pusvadītāju savienojumi un daudzi retzemju elementu sakausējumi. Līdzīgas struktūras ir novērojamas arī heteropolāros jonu savienojumos.

1.4.3. pusvadītāju kristāli

Dimanta uzbūve ir divu FCC režģu kombinācija, kas ievietota viena otrā un nobīdīta pa telpisko diagonāli par ceturtdaļu garuma (1.14. att., a). Katru atomu ieskauj četri, kas atrodas tetraedra virsotnēs (resnas līnijas 1.14. att., a). Visas saites dimanta struktūrā ir vienādas, vērstas gar<111>un veido 109º 28 " leņķus savā starpā. Dimanta režģis pieder pie brīvi noblīvētām konstrukcijām ar koordinācijas skaitli z = 4. Dimanta struktūrā kristalizējas ģermānijs, silīcijs, pelēkā alva. Papildus dimantam šajā kristalizējas arī elementārie pusvadītāji. struktūras veids - silīcijs Si, germānija Ge , alvas pelēks Sn.

Sfalerīta uzbūve(dubultā fcc režģis). Ja divus papildu seju centrētus kubiskos režģus veido dažādi atomi, tad rodas jauna struktūra, ko sauc par ZnS sfalerīta struktūru vai cinka maisījums(1.14. att., b).

1. nodaļa. Kristālu fizikas elementi

Rīsi. 1.14. Dimanta (a), falerīta (b) un vurcīta (c) struktūras. Treknās līnijas parāda t tetraedriskās saites

Daudzi AIII BV tipa pusvadītāju savienojumi (gallija arsenīds GaA s, gallija fosfīds GaP, indija fosfīds InP, indija antimonīds I nSb utt.) un AII BVI tipa (cinka selenīds ZnSe, telūra cinks ZnTe, kadmija sulfīds CdS, selēns CdS,

Sfalerīta uzbūve ir identiska dimanta uzbūvei ar tetraedrisku atomu vidi (1.14. att., a), tikai vienu fcc apakšrežģi aizņem gallija Ga atomi, bet otru arsēna As atomi. GaAs šūnā nav simetrijas centra, t.i., struktūra ir polāra četros virzienos m< 111 >. Tiek novērota atšķirība starp cieši saspiestām 111) un (111 ) plaknēm: ja vienā no tām ir Ga atomi, otrā satur As atomi. Tas izraisa virsmas īpašību anizotropiju (mikrocietību, adsorbciju, ķīmisko kodināšanu utt.).

Sfalerīta struktūrā jebkura slāņa tetraedru trīsstūrveida pamatnes ir orientētas tāpat kā iepriekšējā slāņa tetraedru pamatnes.

Vurcīta struktūra(dubultā hcp režģis), kas parādīts attēlā. 1.14, c, ir raksturīga cinka sulfīda sešstūra modifikācijai. Šāda struktūra ir pusvadītājiem, kas līdzīgi ZnS, piemēram, kadmija sulfīdam CdS un kadmija selenīdam CdSe. Lielākajai daļai AII B VI savienojumu ir raksturīga “sfalerīta–vurcīta” fāzes pāreja. Vurcīta struktūra tiek realizēta, ja nemetāla atomam ir mazi izmēri un augsta elektronegativitāte.

Uz att. Attēlā 1.14c ir parādīta primitīva vurcīta šūna ZnS taisnas prizmas formā ar rombu pie pamatnes un 120° leņķi sešstūra centrā, ko veido trīs šādas prizmas (no kurām divas ir parādītas attēlā). .

Cietās vielas iedala amorfos ķermeņos un kristālos. Atšķirība starp pēdējo un pirmo ir tāda, ka kristālu atomi ir sakārtoti saskaņā ar noteiktu likumu, tādējādi veidojot trīsdimensiju periodisku sakraušanu, ko sauc par kristāla režģi.

Zīmīgi, ka kristālu nosaukums cēlies no grieķu vārdiem “sacietēt” un “auksts”, un Homēra laikā šo vārdu sauca par kalnu kristālu, ko tad uzskatīja par “sasalušu ledu”. Sākumā ar šo terminu sauca tikai slīpētus caurspīdīgus veidojumus. Bet vēlāk necaurspīdīgus un negrieztus dabiskas izcelsmes ķermeņus sauca arī par kristāliem.

Kristāla struktūra un režģis

Ideāls kristāls tiek parādīts periodiski atkārtojošu identisku struktūru veidā - tā sauktās kristāla elementārās šūnas. Vispārīgā gadījumā šādas šūnas forma ir slīps paralēlskaldnis.

Ir jānošķir tādi jēdzieni kā kristāla režģis un kristāla struktūra. Pirmā ir matemātiska abstrakcija, kas attēlo noteiktu telpas punktu regulāru izvietojumu. Kamēr kristāla struktūra ir reāls fizisks objekts, kristāls, kurā noteikta atomu vai molekulu grupa ir saistīta ar katru kristāla režģa punktu.

Granāta kristāla struktūra - rombs un dodekaedrs

Galvenais faktors, kas nosaka kristāla elektromagnētiskās un mehāniskās īpašības, ir elementāršūnas struktūra un ar to saistītie atomi (molekulas).

Kristālu anizotropija

Galvenā kristālu īpašība, kas tos atšķir no amorfiem ķermeņiem, ir anizotropija. Tas nozīmē, ka kristāla īpašības ir dažādas, atkarībā no virziena. Tā, piemēram, neelastīga (neatgriezeniska) deformācija tiek veikta tikai pa noteiktām kristāla plaknēm un noteiktā virzienā. Anizotropijas dēļ kristāli atšķirīgi reaģē uz deformāciju atkarībā no tās virziena.

Tomēr ir kristāli, kuriem nav anizotropijas.

Kristālu veidi

Kristālus iedala monokristālos un polikristālos. Par monokristāliem sauc vielas, kuru kristāliskā struktūra sniedzas uz visu ķermeni. Šādi ķermeņi ir viendabīgi un tiem ir nepārtraukts kristāliskais režģis. Parasti šādam kristālam ir izteikts griezums. Dabiskā monokristāla piemēri ir akmeņsāls, dimanta un topāza monokristāli, kā arī kvarcs.

Daudzām vielām ir kristāliska struktūra, lai gan tām parasti nav kristāliem raksturīgas formas. Šādas vielas ietver, piemēram, metālus. Pētījumi liecina, ka šādas vielas sastāv no liela skaita ļoti mazu monokristālu – kristāliskiem graudiņiem jeb kristalītiem. Vielu, kas sastāv no daudziem šādiem atšķirīgi orientētiem monokristāliem, sauc par polikristāliskiem. Polikristāliem bieži vien nav slīpēšanas, un to īpašības ir atkarīgas no kristālisko graudu vidējā izmēra, to savstarpējā izkārtojuma un arī starpgraudu robežu struktūras. Pie polikristāliem pieder tādas vielas kā metāli un sakausējumi, keramika un minerāli, kā arī citas.

Nosūtiet savu labo darbu zināšanu bāzē ir vienkārši. Izmantojiet zemāk esošo veidlapu

Studenti, maģistranti, jaunie zinātnieki, kuri izmanto zināšanu bāzi savās studijās un darbā, būs jums ļoti pateicīgi.

Kristāli (no grieķu kseufbllt, sākotnēji - ledus, vēlāk - kalnu kristāls, kristāls) - cieti ķermeņi, kuros atomi izkārtojušies regulāri, veidojot trīsdimensiju periodisku telpisku izkārtojumu - kristāla režģi.

Kristāli ir cietas vielas, kurām ir dabiska regulāru simetrisku daudzskaldņu ārējā forma, kuras pamatā ir to iekšējā struktūra, tas ir, viens no vairākiem noteiktiem regulāriem izkārtojumiem, kas veido daļiņu vielu (atomi, molekulas, joni).

Īpašības:

Vienveidība. Šī īpašība izpaužas apstāklī, ka divi identiski kristāliskas vielas elementārie tilpumi, kas vienādi orientēti telpā, bet izgriezti dažādos šīs vielas punktos, ir absolūti identiski visās to īpašībās: tiem ir vienāda krāsa, īpatnējais svars, cietība. , siltumvadītspēja, elektrovadītspēja un citi

Jāpatur prātā, ka īstas kristāliskas vielas ļoti bieži satur paliekošus piemaisījumus un ieslēgumus, kas deformē to kristāliskos režģus. Tāpēc absolūta viendabība reālos kristālos bieži nenotiek.

Kristālu anizotropija

Daudzi kristāli ir raksturīgi anizotropijas īpašībai, tas ir, to īpašību atkarībai no virziena, savukārt izotropu vielu (lielākā daļa gāzu, šķidrumu, amorfu cietvielu) vai pseidoizotropu (polikristālu) ķermeņu īpašības nav atkarīgas no norādes. Kristālu neelastīgās deformācijas process vienmēr tiek veikts pa labi definētām slīdēšanas sistēmām, tas ir, tikai pa noteiktām kristalogrāfiskajām plaknēm un tikai noteiktā kristalogrāfiskā virzienā. Sakarā ar deformāciju neviendabīgu un nevienlīdzīgu attīstību dažādās kristāliskās vides daļās, starp šīm daļām notiek intensīva mijiedarbība, evolūcijas ceļā mikrostresa laukiem.

Tajā pašā laikā ir kristāli, kuros nav anizotropijas.

Martensīta neelastības fizikā ir uzkrāts daudz eksperimentālu materiālu, īpaši jautājumos par formas atmiņas efektu un transformācijas plastiskumu. Eksperimentāli pierādīja kristāla fizikas svarīgāko nostāju par neelastīgo deformāciju dominējošo attīstību gandrīz tikai martensīta reakciju rezultātā. Bet martensīta neelastības fizikālās teorijas konstruēšanas principi nav skaidri. Līdzīga situācija notiek kristālu deformācijas gadījumā mehāniskās sadraudzības rezultātā.

Būtisks progress panākts metālu dislokācijas plastiskuma izpētē. Šeit ir izprasti ne tikai pamata strukturālie un fizikālie mehānismi neelastīgo deformāciju procesu īstenošanai, bet arī radītas efektīvas parādību aprēķināšanas metodes.

Pašdestilācijas spēja ir kristālu īpašība brīvas augšanas laikā veidot sejas. ja bumbiņu, piemēram, no kādas vielas izgrebtu galda sāli, ievieto tās pārsātinātajā šķīdumā, tad pēc kāda laika šī bumbiņa iegūs kuba formu. Turpretim stikla lodītes nemainīs savu formu, jo amorfa viela nevar pašdestilēties.

pastāvīga kušanas temperatūra. Ja jūs karsējat kristālisku ķermeni, tad tā temperatūra paaugstināsies līdz noteiktai robežai, turpinot karsēšanu, viela sāks kust, un temperatūra kādu laiku paliks nemainīga, jo viss siltums nonāks kristāla iznīcināšanā. režģis. Temperatūru, kurā sākas kušana, sauc par kušanas temperatūru.

Kristālu sistemātika

Kristāla struktūra

Kristāla struktūra, kas katrai vielai ir individuāla, attiecas uz šīs vielas fizikālajām un ķīmiskajām pamatīpašībām. Kristāliskā struktūra ir tāds atomu kopums, kurā ar katru kristāla režģa punktu ir saistīta noteikta atomu grupa, ko sauc par motīvu vienību, un visas šādas grupas pēc sastāva, struktūras un orientācijas attiecībā pret režģi ir vienādas. Var pieņemt, ka struktūra rodas režģa un motīvu vienības sintēzes rezultātā, motīvu vienības reizināšanas rezultātā ar tulkošanas grupu.

Vienkāršākajā gadījumā motīvu vienība sastāv no viena atoma, piemēram, vara vai dzelzs kristālos. Struktūra, kas rodas, pamatojoties uz šādu motīvu vienību, ir ģeometriski ļoti līdzīga režģim, bet tomēr atšķiras ar to, ka tā sastāv no atomiem, nevis punktiem. Bieži vien šis apstāklis ​​netiek ņemts vērā, un termini "kristālu režģis" un "kristāla struktūra" šādiem kristāliem tiek lietoti kā sinonīmi, kas nav strikti. Gadījumos, kad motīvu vienība ir sarežģītāka pēc sastāva - tā sastāv no diviem vai vairākiem atomiem, nav režģa un struktūras ģeometriskas līdzības, un šo jēdzienu nobīde rada kļūdas. Tātad, piemēram, magnija vai dimanta struktūra ģeometriski nesakrīt ar režģi: šajās struktūrās motīvu vienības sastāv no diviem atomiem.

Galvenie kristāla struktūru raksturojošie parametri, no kuriem daži ir savstarpēji saistīti, ir šādi:

§ kristāla režģa veids (syringony, Bravais režģis);

§ formulas vienību skaits elementāršūnā;

§ telpu grupa;

§ vienības šūnu parametri (lineārie izmēri un leņķi);

§ atomu koordinātes šūnā;

§ visu atomu koordinācijas numuri.

Strukturālais tips

Kristālu struktūras, kurām ir vienāda telpas grupa un vienāds atomu izvietojums kristāla ķīmiskajās pozīcijās (orbītās), tiek apvienotas struktūras tipos.

Pazīstamākie strukturālie veidi ir varš, magnijs, b-dzelzs, dimants (vienkāršas vielas), nātrija hlorīds, sfalerīts, vurcīts, cēzija hlorīds, fluorīts (binārie savienojumi), perovskīts, spinelis (trīskomponenti savienojumi).

Kristāla šūna

Daļiņas, kas veido šo cieto vielu, veido kristāla režģi. Ja kristāla režģi stereometriski (telpiski) ir vienādi vai līdzīgi (ar vienādu simetriju), tad ģeometriskā atšķirība starp tiem jo īpaši slēpjas dažādos attālumos starp daļiņām, kas aizņem režģa mezglus. Attālumus starp pašām daļiņām sauc par režģa parametriem. Režģa parametrus, kā arī ģeometrisko daudzskaldņu leņķus nosaka ar fizikālām strukturālās analīzes metodēm, piemēram, ar rentgenstaru struktūras analīzes metodēm.

Izmitināts vietnē http://www.allbest.ru/

Rīsi. Kristāla šūna

Bieži vien cietas vielas veido (atkarībā no apstākļiem) vairāk nekā vienu kristāliskā režģa formu; šādas formas sauc par polimorfām modifikācijām. Piemēram, no vienkāršām vielām ir zināms rombiskais un monoklīniskais sērs, grafīts un dimants, kas ir oglekļa sešstūra un kubiskās modifikācijas, no sarežģītām vielām kvarcs, tridimīts un kristobalīts ir dažādas silīcija dioksīda modifikācijas.

Kristālu veidi

Ir nepieciešams nodalīt ideālo un īsto kristālu.

Perfekts kristāls

Faktiski tas ir matemātisks objekts, kam piemīt pilnīga simetrija, ideāli gludas, gludas malas.

īsts kristāls

Tam vienmēr ir dažādi defekti režģa iekšējā struktūrā, kropļojumi un nelīdzenumi uz virsmām, un tam ir samazināta daudzskaldņa simetrija īpašo augšanas apstākļu, barotnes neviendabīguma, bojājumu un deformācijas dēļ. Īstam kristālam nav obligāti jābūt ar kristalogrāfiskām malām un regulāru formu, bet tas saglabā savu galveno īpašību – atomu regulāro novietojumu kristāla režģī.

Kristālu režģa defekti (reālā kristālu struktūra)

Reālos kristālos vienmēr pastāv novirzes no ideālās atomu izkārtojuma secības, ko sauc par nepilnībām vai režģa defektiem. Pēc to radīto režģa traucējumu ģeometrijas defektus iedala punktveida, lineārajos un virsmas defektos.

Punktu defekti

Uz att. 1.2.5 parāda dažāda veida punktu defektus. Tās ir vakances – tukšas režģa vietas, "savējie" atomi starplīmeņos un piemaisījumu atomi režģu vietās un starpposmos. Galvenais pirmo divu veidu defektu veidošanās iemesls ir atomu kustība, kuras intensitāte palielinās, palielinoties temperatūrai.

Rīsi. 1.2.5. Punktu defektu veidi kristāla režģī: 1 - vakance, 2 - atoms starpposmos, 3 un 4 - piemaisījumu atomi attiecīgi vietā un starpposmos

Ap jebkuru punktu defektu rodas lokāls režģa kropļojums ar rādiusu R 1 ... 2 režģa periodi (sk. 1.2.6. att.), tādēļ, ja šādu defektu ir daudz, tie ietekmē starpatomu saites sadalījuma raksturu. spēki un attiecīgi kristālu īpašības.

Rīsi. 1.2.6. Kristāla režģa lokāli kropļojumi ap vakanci (a) un piemaisījuma atomu režģa vietā (b)

Līnijas defekti

Lineāros defektus sauc par dislokācijām. To izskatu izraisa "papildu" atomu pusplakņu (papildu plakņu) klātbūtne atsevišķās kristāla daļās. Tie rodas metālu kristalizācijas laikā (atomu slāņu piepildīšanas kārtības pārkāpuma dēļ) vai to plastiskās deformācijas rezultātā, kā parādīts attēlā. 1.2.7.

Rīsi. 1.2.7. Malas dislokācijas veidošanās () kristāla augšējās daļas daļējas nobīdes rezultātā spēka iedarbībā: ABCD - slīdēšanas plakne; EFGH - papildu plakne; LV - malas dislokācijas līnija

Redzams, ka bīdes spēka ietekmē notika kristāla augšējās daļas daļēja nobīde pa noteiktu slīdēšanas plakni (“light shear”) ABCD. Rezultātā izveidojās ekstraplakne EFGH. Tā kā tas neturpinās uz leju, ap tā malu EH rodas elastīgs režģa kropļojums ar vairāku starpatomu attālumu rādiusu (t.i., 10 -7 cm - skatīt 1.2.1. tēmu), taču šī kropļojuma apjoms ir daudzkārt lielāks (var sasniedz 0,1 ... 1 cm).

Šāda kristāla nepilnība ap ekstraplaknes malu ir lineāra režģa defekts, un to sauc par malas dislokāciju.

Metālu svarīgākās mehāniskās īpašības - stiprību un plastiskumu (skat. 1.1. tēmu) - nosaka dislokāciju esamība un to uzvedība, kad ķermenis ir noslogots.

Pakavēsimies pie divām dislokāciju pārvietošanas mehānisma iezīmēm.

1. Izmežģījumi var ļoti viegli (pie mazas slodzes) pārvietoties pa slīdēšanas plakni, izmantojot ārpusplaknes "stafetes-skrējiena" kustību. Uz att. 1.2.8 parāda šādas kustības sākuma stadiju (divdimensiju rasējums plaknē, kas ir perpendikulāra malas dislokācijas līnijai).

Rīsi. 1.2.8. Malas dislokācijas stafetes kustības sākuma stadija (). A-A - slīdēšanas plakne, 1-1 papildu plakne (sākuma pozīcija)

Spēka iedarbībā ārplaknes atomi (1-1) no plaknes (2-3) norauj atomus (2-2), kas atrodas virs slīdēšanas plaknes. Rezultātā šie atomi veido jaunu ekstraplakni (2-2); "vecās" ekstraplānas atomi (1-1) ieņem atbrīvotās vietas, pabeidzot plakni (1-1-3). Šis akts nozīmē "vecās" dislokācijas pazušanu, kas saistīta ar papildu plakni (1-1), un "jaunas" rašanos, kas saistīta ar papildu plakni (2-2), vai, citiem vārdiem sakot, "stafetes stafetes" nodošana - dislokācija uz vienu starpplanāru attālumu. Šāda dislokācijas stafetes kustība turpināsies līdz tā sasniegs kristāla malu, kas nozīmēs tā augšējās daļas nobīdi par vienu starpplakņu attālumu (t.i. plastisko deformāciju).

Šis mehānisms neprasa daudz pūļu, jo. sastāv no secīgiem mikropārvietojumiem, kas ietekmē tikai ierobežotu skaitu atomu, kas ieskauj ārpusplakni.

2. Ir taču acīmredzams, ka šāds dislokāciju slīdēšanas vieglums būs vērojams tikai tad, kad to ceļā nebūs šķēršļu. Tādi šķēršļi ir jebkuri režģu defekti (īpaši lineāri un virsmas!), kā arī citu fāžu daļiņas, ja tādas ir materiālā. Šie šķēršļi rada režģa kropļojumus, kuru pārvarēšana prasa papildu ārēju piepūli, tāpēc tie var bloķēt dislokāciju kustību, t.i. padarīt tos nekustīgus.

Virsmas defekti

Visi rūpnieciskie metāli (sakausējumi) ir polikristāliski materiāli, t.i. sastāv no milzīga skaita mazu (parasti 10 -2 ... 10 -3 cm), nejauši orientētu kristālu, ko sauc par graudiņiem. Acīmredzot šādā materiālā tiek pārkāpta katram graudam (vienkristālam) piemītošā režģa periodiskums, jo graudu kristalogrāfiskās plaknes viena pret otru ir pagrieztas par leņķi 6 (sk. 1.2.9. att.), kura vērtība svārstās no frakcijām līdz vairākiem desmitiem grādu.

Rīsi. 1.2.9. Graudu robežu struktūras shēma polikristāliskā materiālā

Robeža starp graudiem ir pārejas slānis līdz 10 starpatomu attālumiem, parasti ar nesakārtotu atomu izvietojumu. Šī ir dislokāciju, vakanču, piemaisījumu atomu uzkrāšanās vieta. Tāpēc lielākajā daļā polikristālisko materiālu graudu robežas ir divdimensiju virsmas defekti.

Režģa defektu ietekme uz kristālu mehāniskajām īpašībām. Metālu stiprības palielināšanas veidi.

Izturība ir materiāla spēja pretoties deformācijai un iznīcināšanai ārējās slodzes ietekmē.

Ar kristālisko ķermeņu izturību saprot to izturību pret pielikto slodzi, kurai ir tendence kustēties vai robežās noplēst vienu kristāla daļu attiecībā pret otru.

Mobilo dislokāciju klātbūtne metālos (jau kristalizācijas procesā šķērsgriezumā, kas vienāds ar 1 cm 2, parādās līdz 10 6 ... 10 8 dislokācijām) noved pie to slodzes pretestības samazināšanās, t.i. augsta elastība un zema izturība.

Acīmredzot visefektīvākais veids, kā palielināt spēku, ir noņemt metāla dislokācijas. Tomēr šis veids nav tehnoloģiski attīstīts, jo metālus bez dislokācijas var iegūt tikai plānu pavedienu (tā saukto "ūsu") veidā, kuru diametrs ir vairāki mikroni un garums līdz 10 mikroniem.

Tāpēc praktisko rūdīšanas metožu pamatā ir palēninājums, mobilo dislokāciju bloķēšana, strauji palielinot režģa defektu skaitu (galvenokārt lineāro un virsmas defektu!), kā arī daudzfāzu materiālu radīšanu.

Šādas tradicionālās metodes metālu stiprības palielināšanai ir:

- plastiskā deformācija (darba sacietēšanas vai sacietēšanas parādība),

- termiskā (un ķīmiski termiskā) apstrāde,

- leģēšana (īpašu piemaisījumu ievadīšana) un visizplatītākā pieeja ir sakausējumu radīšana.

Noslēgumā jāatzīmē, ka stiprības palielināšanās, kuras pamatā ir mobilo dislokāciju bloķēšana, samazina elastību un triecienizturību un attiecīgi arī materiāla ekspluatācijas uzticamību.

Tāpēc jautājums par sacietēšanas pakāpi ir jārisina individuāli, pamatojoties uz produkta mērķi un ekspluatācijas apstākļiem.

Polimorfisms vārda tiešajā nozīmē nozīmē daudzveidību, t.i. parādība, kad viena ķīmiskā sastāva vielas kristalizējas dažādās struktūrās un veido dažādu singoģiju kristālus. Piemēram, dimantam un grafītam ir vienāds ķīmiskais sastāvs, bet dažādas struktūras, abi minerāli fizikāli krasi atšķiras. īpašības. Vēl viens piemērs ir kalcīts un aragonīts – tiem ir vienāds CaCO 3 sastāvs, bet tie pārstāv dažādas polimorfās modifikācijas.

Polimorfisma parādība ir saistīta ar kristālisku vielu veidošanās apstākļiem un ir saistīta ar to, ka tikai noteiktas struktūras ir stabilas dažādos termodinamiskos apstākļos. Tātad metāliskā alva (tā sauktā baltā alva), temperatūrai nokrītot zem -18 C 0, kļūst nestabila un drūp, veidojot citas struktūras “pelēko skārdu”.

Izomorfisms. Metālu sakausējumi ir mainīga sastāva kristāliskas struktūras, kurās viena elementa atomi atrodas cita kristāla režģa spraugās. Tie ir tā sauktie otrā veida cietie šķīdumi.

Atšķirībā no otrā veida cietajiem šķīdumiem, pirmā veida cietos šķīdumos vienas kristāliskas vielas atomus vai jonus var aizstāt ar citas vielas atomiem vai joniem. Pēdējie atrodas kristāla režģa mezglos. Šāda veida šķīdumus sauc par izomorfiem maisījumiem.

Izomorfisma izpausmei nepieciešamie nosacījumi:

1) Var aizstāt tikai tās pašas zīmes jonus, t.i., katjonu par katjonu un anjonu pret anjonu

2) Var aizstāt tikai līdzīga izmēra atomus vai jonus, t.i. jonu rādiusu atšķirība nedrīkst pārsniegt 15% ideālam izomorfismam un 25% nepilnīgam izomorfismam (piemēram, Ca 2+ līdz Mg 2+)

3) Var aizstāt tikai tos jonus, kas ir tuvu polarizācijas pakāpei (t.i., jonu-kovalentās saites pakāpei).

4) Var aizstāt tikai elementus, kuriem ir vienāds koordinācijas numurs dotajā kristāla struktūrā

5) šādā veidā jānotiek izomorfām aizstāšanām. Lai netiktu izjaukts kristāliskā režģa elektrostatiskais līdzsvars.

6) izomorfās aizvietošanas notiek režģa enerģijas pieauguma virzienā.

Izomorfisma veidi. Ir 4 izomorfisma veidi:

1) izovalentais izomorfisms ir raksturīgs ar to, ka šajā gadījumā rodas vienādas valences joni, un jonu rādiusu izmēru atšķirība nedrīkst būt lielāka par 15%.

2) heterovalentais izomorfisms. Šajā gadījumā notiek dažādas valences jonu aizstāšana. Ar šādu aizvietošanu vienu jonu nevar aizstāt ar citu, neizjaucot kristāla režģa elektrostatisko līdzsvaru, tāpēc ar heterovalentu izomorfismu tiek aizstāts nevis jons, kā heterovalentā izomorfismā, bet gan noteikta valences jonu grupa ar citu. jonu grupa, saglabājot to pašu kopējo valenci.

Šajā gadījumā vienmēr jāatceras, ka vienas valences jonu aizstāšana ar cita valences jonu vienmēr ir saistīta ar valences kompensāciju. Šī kompensācija var notikt gan savienojumu katjonu, gan anjonu daļās. Šajā gadījumā ir jāievēro šādi nosacījumi:

A) aizvietoto jonu valenču summai jābūt vienādai ar aizvietojošo jonu valenču summu.

B) aizvietojošo jonu jonu rādiusu summai jābūt tuvu aizvietojošo jonu jonu rādiusu summai un var atšķirties no tās ne vairāk kā par 15% (ideālam izomorfismam)

3) izostrukturāls. Notiek nevis viena jona aizstāšana ar citu vai jonu grupa ar citu grupu, bet visa viena kristāla režģa "bloka" aizstāšana ar citu tā paša "bloka". Tas var notikt tikai tad, ja minerālu struktūras ir viena veida un tām ir līdzīgi vienības šūnu izmēri.

4) īpaša veida izomorfisms.

kristāla režģa defekta dislokācija

Mitināts vietnē Allbest.ru

Līdzīgi dokumenti

Pjezoelektriskā efekta raksturojums. Ietekmes kristāliskās struktūras izpēte: modeļa apsvēršana, kristāla deformācijas. Apgrieztā pjezoelektriskā efekta fiziskais mehānisms. Pjezoelektrisko kristālu īpašības. Efekta pielietošana.

kursa darbs, pievienots 09.12.2010


Informācija par kristāla režģu vibrācijām, funkcijām, kas raksturo to fiziskos lielumus. Kristalogrāfiskās koordinātu sistēmas. Atomu mijiedarbības enerģijas aprēķins kovalentos kristālos, bārija volframāta kristāliskā režģa vibrāciju spektrs.

diplomdarbs, pievienots 01.09.2014


Strāvas pāreja caur elektrolītiem. Elektriskās vadītspējas fizikālā būtība. Piemaisījumu, kristāla struktūras defektu ietekme uz metālu pretestību. Plānu metāla plēvju izturība. Kontakta parādības un termoelektromotīves spēks.

abstrakts, pievienots 29.08.2010


Kristālu defektu jēdziens un klasifikācija: enerģētiskā, elektroniskā un atomu. Galvenās kristālu nepilnības, punktveida defektu veidošanās, to koncentrācija un kustības ātrums caur kristālu. Daļiņu difūzija vakanču kustības dēļ.

abstrakts, pievienots 19.01.2011


Polimorfisma būtība, tā atklāšanas vēsture. Oglekļa polimorfu fizikālās un ķīmiskās īpašības: dimants un grafīts, to salīdzinošā analīze. Šķidro kristālu, alvas dijodīda plānu kārtiņu, metālu un sakausējumu polimorfās pārvērtības.

kursa darbs, pievienots 12.04.2012


Cietvielu kristāliskie un amorfie stāvokļi, punktu un līniju defektu cēloņi. Kristālu izcelsme un augšana. Mākslīgā dārgakmeņu, cieto šķīdumu un šķidro kristālu ražošana. Holesterisko šķidro kristālu optiskās īpašības.

abstrakts, pievienots 26.04.2010


Šķidro kristālu jēdziena attīstības vēsture. Šķidrie kristāli, to veidi un galvenās īpašības. Šķidro kristālu optiskā aktivitāte un to strukturālās īpašības. Freedericksz efekts. Ierīču fiziskais darbības princips LCD. Optiskais mikrofons.

apmācība, pievienota 14.12.2010


Kristalizācija kā metāla pārejas process no šķidruma uz cietu stāvokli, veidojot kristālisku struktūru. Šuves veidošanas shēma loka metināšanā. Galvenie faktori un nosacījumi, kas nepieciešami šķidro metālu kristālu augšanas uzsākšanai.

prezentācija, pievienota 26.04.2015


Stiklu struktūras (veidošanās ar haotiski sakārtotiem kristalītiem) un iegūšanas metožu (kausējuma dzesēšana, izsmidzināšana no gāzes fāzes, kristālu bombardēšana ar neironiem) izpēte. Iepazīšanās ar kristalizācijas un stiklošanās procesiem.

abstrakts, pievienots 18.05.2010


Reālu kristālu defekti, bipolāro tranzistoru darbības princips. Kristāla režģa kropļojumi intersticiālos un aizvietojošos cietos šķīdumos. Virsmas parādības pusvadītājos. Tranzistora parametri un emitera strāvas pārneses koeficients.

Rīsi. 17. Sniegpārslas – skeleta ledus kristāli

No pieredzes ir zināms, ka kristāliskā vielā fizikālās īpašības ir vienādas paralēlos virzienos, un ideja par vielu uzbūvi prasa, lai daļiņas (molekulas, atomi vai joni), kas veido kristālu, atrodas no vienas. cits noteiktos ierobežotos attālumos. Pamatojoties uz šiem pieņēmumiem, ir iespējams izveidot kristāliskās struktūras ģeometrisko diagrammu. Lai to izdarītu, katras daļiņas atrašanās vietu var atzīmēt ar punktu. Viss kristālisksēka tiks prezentēta kā punktu sistēma, kas regulāri atrodas telpā un jebkurai paralēleiattāluma virzieni starp punktiem būs vienādi. Tādu pareizu punktu izvietojumu telpā sauc

telpiskais režģis, un, ja katrs punkts attēlo atoma, jona vai molekulas stāvokli kristālā - kristāla režģi.

Telpiskā režģa uzbūvi var iedomāties šādi.

A 0(18. att.) apzīmē atoma vai jona centru. Apzīmēsim to pašu centru, kas ir vistuvāk tam, ar punktu A, tad, pamatojoties uz kristāla viendabīgumu, attālumā A 1 A 2 \u003d A 0 A 1 jābūt centrā A 2; Turpinot šo argumentu, mēs varam iegūt virkni punktu: A 0, A 1, A 2, A 3 ...

Pieņemsim, ka tuvākais punkts A 0 otrā virzienā būs R0, tad ir jābūt daļiņai S0 uz attālumu R 0 S 0= L 0 R 0 utt., t.i., tiks iegūta vēl viena identisku punktu rinda A 0, R 0, S 0… Ja cauri R 0, S 0 utt., velciet līnijas, kas ir paralēlas A 0, A 1, A 2, jūs iegūstat tādas pašas rindas R 0 , R 1 , R 2 , S 0 , S 1 , S 2 ... utt

Rīsi. 18. Telpiskais režģis

Konstrukcijas rezultātā tika iegūts režģis, kura mezgli atbilst kristālu veidojošo daļiņu centriem.

Ja mēs to iedomājamies katrā punktā 0 Co utt., tiek atjaunots tas pats režģis, kas A 0, šīs konstrukcijas rezultātā tiks iegūts telpiskais režģis, kas noteiktā nozīmē izteiks kristāla ģeometrisko struktūru.

Kas ir kristāli

Izcilā krievu kristalogrāfa E. S. Fedorova izveidotā telpisko režģu teorija saņēma izcilu apstiprinājumu kristālu struktūras izpētē, izmantojot rentgena starus. Šie pētījumi sniedz ne tikai telpisko režģu attēlus, bet arī precīzus atstarpju garumus starp daļiņām, kas atrodas to mezglos.

Rīsi. 19.Dimanta struktūra

Izrādījās, ka ir vairāki telpisko režģu veidi, kas atšķiras gan pēc daļiņu izkārtojuma rakstura, gan pēc ķīmiskās dabas.

Mēs atzīmējam šādus telpisko režģu veidus:

Atomu struktūras režģi. Šo režģu mezglos atrodas jebkuras vielas vai elementa atomi, kas tiešā veidā savienojas viens ar otru kristāla režģī. Šis režģa veids ir raksturīgs dimantam, cinka maisījumam un dažiem citiem minerāliem (sk. 19. un 20. att.).

Jonu strukturālie režģi. Šo režģu mezglos atrodas joni, t.i., atomi, kuriem ir pozitīvs vai negatīvs lādiņš.

Jonu režģi ir izplatīti neorganiskiem savienojumiem, piemēram, sārmu metālu halogēniem, silikātiem utt.

Lielisks piemērs ir akmens sāls (NaCl) režģis (21. att.). Tajā nātrija joni (Na) trīs savstarpēji perpendikulāros virzienos mijas ar hlorīda joniem (Cl) ar intervālu, kas vienāds ar 0,28 milimikroniem.

Rīsi. 20. Cinka maisījuma uzbūve

Kristāliskās vielās ar līdzīgu struktūru spraugas starp atomiem molekulā ir vienādas ar spraugām starp molekulām, un pats molekulas jēdziens šādiem kristāliem zaudē savu nozīmi. Uz att. Katram nātrija jonam ir 20 g

no augšas, apakšas, pa labi, pa kreisi, priekšā un aizmugurē vienādos attālumos no tā pa vienam hlora jonam, kas pieder gan šai “molekulai”, gan blakus esošajām “molekulām”, un ar to nav iespējams pateikt kurš konkrētais hlora jons no šiem sešiem veido molekulu vai veidotu to, pārejot uz gāzveida stāvokli.

Papildus iepriekš aprakstītajiem veidiem ir molekulārās struktūras režģi, kuru mezglos nav atomi vai joni, bet gan atsevišķas, elektriski neitrālas molekulas. Molekulārie režģi ir īpaši raksturīgi dažādiem organiskiem savienojumiem vai, piemēram, "sausajam ledus" - kristāliskajam CO 2.

Rīsi. 21.Akmens sāls kristāla režģis

Vājas ("atlikuma") saites starp šādu režģu strukturālajām vienībām nosaka šādu režģu zemo mehānisko izturību, to zemo kušanas un viršanas temperatūru. Ir arī kristāli, kas apvieno dažāda veida režģus. Dažos virzienos daļiņu saites ir jonu (valence), bet citos - molekulārās (atlikuma). Šī struktūra izraisa atšķirīgu mehānisko izturību dažādos virzienos, izraisot asu mehānisko īpašību anizotropiju. Tādējādi molibdenīta (MoS 2) kristāli viegli sadalās pinakoīda (0001) virzienā un piešķir šī minerāla kristāliem zvīņainu izskatu, līdzīgi kā grafīta kristāliem, kur atrodama līdzīga struktūra. Zemās mehāniskās stiprības iemesls virzienā, kas ir perpendikulārs (0001), ir jonu saišu trūkums šajā virzienā. Režģa integritāti šeit uztur tikai molekulāras (atlikuma) saites.

Ņemot vērā visu iepriekš minēto, to ir viegli izdarīt paralēle starp amorfas vielas iekšējo struktūru, no vienas puses, un kristālisku, no otras puses:

1. Amorfā vielā daļiņas ir sakārtotas nesakārtoti, it kā fiksējot šķidruma daļēji haotisko stāvokli; tāpēc daži pētnieki sauc, piemēram, pārdzesētus šķidrumus.

2. Kristāliskā vielā daļiņas ir sakārtotas un ieņem noteiktu pozīciju telpiskā režģa mezglos.

Atšķirību starp kristālisko un stiklveida (amorfo) vielu var salīdzināt ar atšķirību starp disciplinētu militāro vienību un izkliedētu pūli. Protams, kristāliskais stāvoklis ir stabilāks nekā amorfais stāvoklis, un amorfā viela vieglāk izšķīst, ķīmiski reaģēs vai izkusīs. Dabīgie vienmēr mēdz iegūt kristālisku struktūru, “kristalizēties”, piemēram (amorfais silīcija dioksīds) ar laiku pārvēršas par halcedonu - kristālisku silīcija dioksīdu.

Viela kristāliskā stāvoklī parasti aizņem nedaudz mazāku tilpumu nekā amorfā formā, un tai ir lielāks īpatnējais svars; piemēram, albīts - laukšpata sastāvs NaAlSi 3 O 8 amorfā stāvoklī aizņem 10 kubikmetrus. vienības, un kristālā - tikai 9; 1 cm 3 kristāliskā silīcija dioksīds (kvarcs) sver 2,54 G, un tāds pats stiklveida silīcija dioksīda (kausēta kvarca) tilpums ir tikai 2,22 G.Īpašs gadījums ir ledus, kam ir mazāks īpatnējais svars, nekā ņemts tādā pašā daudzumā.

KRISTĀLU PĒTĪJUMS AR X-STARU STARI

Jautājumu par likumsakarību cēloņiem fizikālo īpašību sadalījumā kristāliskā vielā, jautājumu par kristālu iekšējo uzbūvi pirmo reizi 1749. gadā izmēģināja M. V., izmantojot kā piemēru salpetru. Plašāk šis jautājums tika izstrādāts jau 18. gadsimta beigās. Franču kristalogrāfs Ajui. Ayui ierosināja, ka katrai vielai ir noteikta kristāliskā forma. Šo nostāju vēlāk atspēkoja izomorfisma un polimorfisma parādību atklāšana. Šīs parādības, kurām ir svarīga loma mineraloģijā, mēs aplūkosim nedaudz vēlāk.

Pateicoties krievu kristalogrāfa E. S. Fedorova un dažu citu kristalogrāfu darbam, matemātiski tika izstrādāta iepriekšējā nodaļā īsumā izklāstītā telpisko režģu teorija, un, pamatojoties uz kristālu formas izpēti, tika atvasināti iespējamie telpisko režģu veidi. ; bet tikai 20. gadsimtā, pateicoties kristālu izpētei ar rentgena stariem, šī teorija tika eksperimentāli pārbaudīta un izcili apstiprināta. Vairākiem fiziķiem: Laue, Braggum, G. V. Wulf un citiem, izmantojot telpisko režģu teoriju, izdevās ar absolūtu pārliecību pierādīt, ka dažos gadījumos kristāla režģa mezglos ir atomi, bet citos - molekulas vai joni.

Rentgena 1895. gadā atklātie stari, kas nes viņa vārdu, ir viens no starojuma enerģijas veidiem un daudzos aspektosTie atgādina gaismas starus, no tiem atšķiras tikai ar viļņa garumu, kas ir vairākus tūkstošus reižu mazāks par gaismas viļņa garumu.

Rīsi. 22. Shēma kristāla rentgenstaru difrakcijas attēla iegūšanai ar Laue metodi:
A - rentgena caurule; B - diafragma; C - kristāls; D - fotoplāksne

1912. gadā Laue izmantoja kristālu, kur atomi ir sakārtoti telpiskā režģī, kā difrakcijas režģi, lai iegūtu rentgenstaru traucējumus. Viņa pētījumos šaurs paralēlu rentgenstaru stars (22. att.) tika izlaists caur plānu cinka maisījuma kristālu C. Zināmā attālumā no kristāla un Fotografiskā plāksne D tika novietota perpendikulāri staru kūlim, aizsargāta no sānu rentgenstaru tiešas iedarbības un no dienasgaismas ar svina ekrāniem.

Ar ilgstošu ekspozīciju vairākas stundas eksperimentētāji ieguva attēlu, kas līdzīgs att. 23.

Gaismas stariem, kuriem ir liels viļņa garums salīdzinājumā ar atomu izmēru, telpiskā režģa atomu režģi spēlē praktiski nepārtrauktu plakņu lomu, un gaismas stari pilnībā atstarojas no kristāla virsmas. Daudz īsāki rentgena stari, kas atspoguļoti no daudziem atomu režģiem, kas atrodas noteiktos attālumos viens no otra, ejot vienā virzienā, traucēs, vājinās, pēc tam stiprinās viens otru. Uz fotoplāksnes, kas novietota savā ceļā, pastiprinātie stari ilgstošas ​​ekspozīcijas laikā radīs melnus plankumus, kas sakārtoti regulāri, ciešā saistībā ar kristāla iekšējo struktūru, t.i., ar tā atomu tīklu un ar atsevišķu izvietoto atomu iezīmēm. tajā.

Ja paņemsim no kristāla izgrieztu plāksni noteiktā kristalogrāfiskā virzienā un veiksim ar to tādu pašu eksperimentu, tad rentgena rakstā būs redzams kristāla struktūras simetrijai atbilstošs raksts.

Blīvāki atomu tīkli atbilst tumšākajiem plankumiem. Sejas, kas reti novietotas ar atomiem, sniedz vājās vietas vai gandrīz tās nav. Centrālā vieta uz šāda rentgena tiek iegūta no rentgena stariem, kas izgājuši cauri plāksnei

Rīsi. 23. Akmens sāls kristāla rentgenstaru difrakcija pa 4. kārtas asi

uz taisna ceļa; atlikušie plankumi veido starus, kas atstarojas no atomu režģiem.

Uz att. 23 ir redzama akmeņsāls kristāla rentgena fotogrāfija, no kuras apmēram 3 tika izgriezta plāksne mm biezums paralēli kuba priekšpusei. Vidū redzams liels plankums - centrālā staru kūļa pēda.

Mazo plankumu izvietojums ir simetrisks un norāda uz 4.kārtas simetrijas ass un četru simetrijas plakņu esamību.

Otrajā ilustrācijā (24. att.) ir attēlots kalcīta kristāla rentgenstaru difrakcijas modelis. Attēls tika uzņemts 3. kārtas simetrijas ass virzienā. vēstulēs PAR norādīti 2. kārtas simetrijas asu gali.

Šobrīd kristālisko ķermeņu uzbūves pētīšanai tiek izmantotas dažādas metodes. Būtiska Laue metodes iezīme, kas īsi aprakstīta iepriekš, ir tikai lielu kristālu izmantošana, kas ir precīzi orientēti attiecībā pret garāmejošo rentgena staru.

Ja nav iespējams izmantot lielus kristālus, parasti tiek izmantota “pulvera metode” (Debye-Scherer metode). Šīs metodes lielā priekšrocība ir tā, ka tai nav nepieciešami lieli kristāli. Pirms testēšanas testējamo vielu smalki sadalītā stāvoklī parasti iespiež mazā kolonnā. Ar šo metodi var pētīt ne tikai saspiestus pulverus, bet arī apstrādāt gatavos metāla paraugus stieples veidā, ja to kristāli ir pietiekami mazi.

Liela skaita kristālu klātbūtnē atstarošana var notikt no jebkura kristāla virsmas. Tāpēc rentgena shēmā, kas iegūta ar “pulvera metodi”, parasti tiek iegūta līniju sērija, kas dod pētāmās vielas raksturlielumu.

Pateicoties rentgenstaru izmantošanai kristālu pētīšanai, beidzot bija iespējams iekļūt molekulu, jonu un atomu faktiskās atrašanās vietas reģionā kristālos un noteikt ne tikai atomu režģa formu, bet arī attālumus starp tiem. daļiņas, kas to veido.

Kristālu struktūras izpēte, izmantojot rentgena starus, ļāva noteikt šo kristālu veidojošo jonu šķietamo izmēru. Jona rādiusa vai, kā parasti saka, jonu rādiusa vērtības noteikšanas metode būs skaidra no nākamā piemēra. Izpētot tādus kristālus kā MgO, MgS un MgSe, no vienas puses, un MnO, MnS un MnSe, no otras puses, tika iegūti šādi starpjonu attālumi:

Priekš

MgO -2,10 Å MnO - 2,24 Å

MgS - 2,60 Å un MnS - 2,59 Å

MgSe — 2,73 Å MnSa — 2,73 Å,

kur Å-apzīmē "angstroma" vērtību, kas vienāda ar vienu desmitmiljonu daļu no milimetra.

Doto vērtību salīdzinājums parāda, ka starpjonu attālumam MgO un MnO savienojumos noteikta loma ir Mg un Mn jonu izmēriem. Citos savienojumos ir redzams, ka attālums starp S un Se joniem nav atkarīgs no ievadesvēl viens jons, kas savieno savienojumus, un S un Se joni saskaras viens ar otru, radot visblīvāko jonu iepakojumu.

Rīsi. 24.Kalcīta kristāla rentgena attēls uz 3.kārtas ass

Aprēķins dod S-2 jonu rādiusu 1,84 Å,

A priekš Se -2 - 1,93 Å. Zinot jonu rādiusus S -2 un Se -2 , var aprēķināt arī citu jonu jonu rādiusus. Tātad O 2 ir jonu

rādiuss vienāds ar 1,32Å. F -1 - 1,33Å, Na + l -0,98Å, Ca + 2 - 1,06,

K +1 - 1,33, Mg +2 -0,78Å, Al +3 -0,57Å, Si +4 - 0,39Å utt. Jonu rādiusa vērtībai ir liela nozīme izomorfismā un polimorfismā, kas tiks apspriests attiecīgās sadaļas.

Minerālu rentgenstaru struktūras izpēte ir ievērojami pavirzījusies uz priekšu mūsdienu mineraloģijā gan attiecībā uz minerālu struktūras izpratni, gan to struktūras un sastāva saistību ar citām svarīgām īpašībām, piemēram, šķelšanos, refrakcijas indeksu utt. minerālu izpēti ar rentgena stariem lieliski izsaka šāda frāze: minerāls, ciktāl ēku var pētīt, skatoties uz to no ārpuses, un ķīmiķi mēģināja šo ēku izzināt, to iznīcinot un pēc tam atsevišķi pētot materiālus, kas bija daļa. No tā rentgena difrakcijas analīze pirmo reizi ļāva mums iekļūt ēkā un novērot tās iekšējo atrašanās vietu un apdari."

Raksts par tēmu par kristālu uzbūvi

Kristālu iekšējā struktūra bija dzīvu diskusiju objekts jau pašā kristalogrāfijas attīstības sākumā. XVIII gadsimtā. R. J. Hajujs, pamatojoties uz faktu, ka kalcīts var sadalīties patvaļīgi mazos romboedros, ierosināja, ka šī minerāla kristāli ir veidoti no neskaitāmiem sīkiem šāda veida ķieģeļiem un ka visas pārējās virsmas, papildus romboedra virsmām, veido regulāra šo ķieģeļu "atkāpšanās" no attiecīgās "sienas" plaknes, lai nelīdzenumi būtu tik mazi, ka sejas izskatās optiski gludas. Indeksu racionalitātes likuma izveidošana, kas ir spēkā visiem kristāliem, lika pilnīgi skaidri saprast, ka visi kristāli ir uzbūvēti šādā veidā, t.i., bezgalīgi atkārtojot elementāršūnas. Tomēr zināšanu paplašināšanās par matērijas atomu uzbūvi ir padarījusi ne mazāk skaidru, ka elementāro šūnu nevar uzskatīt par cietu Gajuy ķieģeli; drīzāk to var pielīdzināt raksta elementam - telpiskam “motīvam”, kura atkārtota atkārtošana veido veselu kristālu: tāpat kā sienas tapetes rakstā atkārtojas divdimensiju motīvs. Šis raksta trīsdimensiju elements ir kristāla elementārā šūna. Atomi, kas nonāk vienības šūnā, nosaka iegūtā kristāla sastāvu, un to atrašanās vieta šūnā un izmērs nosaka iegūto kristāla morfoloģiju. Tāpēc ir viegli saprast iemeslu, kāpēc kristālos nav pieckārtīgas simetrijas un simetrijas, kas lielāka par seškārtīgu: pat runājot tikai par plakni, ir viegli iedomāties, ka vienīgās figūras, kas var pareizi aizpildīt plakni, var būt tikai kvadrāti, taisnstūri, paralelogrami, vienādmalu trīsstūri un regulāri sešstūri.

Šāda veida trīsdimensiju struktūru ģeometriskā teorija tika pilnībā izstrādāta pagājušajā gadsimtā. Tomēr līdz mūsu gadsimta pirmās desmitgades beigām kristalogrāfi nevarēja tieši pētīt šīs struktūras un labi apzinājās, ka tas ir saistīts ar vienību šūnu mazo izmēru salīdzinājumā ar redzamās gaismas viļņu garumiem. 1912. gadā M. fon Laue un viņa palīgi pirmo reizi pierādīja, ka rentgena stars, kas iet cauri kristālam, iziet difrakciju. Izkliedētais stars veidoja zīmējumu, kas sastāvēja no plankumiem uz fotoplāksnes, kura simetrija bija tieši saistīta ar šī stara ceļā esošā kristāla simetriju. Laue metode kā kristāla struktūru izpētes līdzeklis kopš tā laika ir pilnveidota un aizstāta ar citām metodēm, kas ļauj kristāla rentgena speciālistiem noteikt vairuma kristālisko vielu vienības šūnas izmēru un formu, kā arī satura atrašanās vietu. šī šūna. Rentgenstaru pulvera difrakcijā rentgenstaru kūlis tiek izvadīts caur nelielu materiāla paraugu, kas ir samalts ļoti smalkā pulverī. Tiek iegūta difraktogramma (Debyegram), kas ir līniju raksts, kuru sadalījums un intensitāte ir raksturīga kristāla struktūrai; šī metode izrādījās ļoti noderīga dārgakmeņu autentiskuma noteikšanai (nepieciešamu nelielu materiāla daudzumu var nokasīt no griezta akmens jostas, nenodarot tai būtiskus bojājumus). Tomēr mums šeit nav sīki jāapraksta visas šādas metodes, lai gan zināšanas par dažiem rentgenstaru difrakcijas analīzes rezultātiem ir noderīgas, lai izprastu vērtīgo materiālu īpašības.