ČVRSTO STANJE. Amorfno & Kristalno čvrsto stanje

Size: px

Start display at page:

Download "ČVRSTO STANJE. Amorfno & Kristalno čvrsto stanje"

Oscar Sparks
6 years ago
Views:

1 ČVRSTO STANJE Najuređenije stanje materije Postoje dva oblika švrstog stanja: Amorfno & Kristalno čvrsto stanje Amorfno čvrsto stanje nema dobro uređenu strukturu, postoji samo uređenost kratkog dometa parafin, stakla Kristalno stanje ima dobro definisanu strukturu, uređenost i kratkog i dugog dometa iz čega proističu glavne osobine ovog stanja metali, minerali Page 1

2 Fizičke osobine kristalnog stanja Imaju određeni oblik i zapreminu-skoro nekompresibilno Svakoj supstanciji u kristalnom stanju odgovara određeni geometrijski oblik Ugao između odgivarajućih ravni supstancije određene kristalne strukture je konstantan na određenoj temperaturi (I zakon kristalografije) Imaju određenu tačku topljenja i sublimacije Pokazuju anizotropiju zavisnost veličine neke fizičke osobine (mehaničke, toplotne, električne, magnetne, optičke..)od pravca posmatranja Page 2

3 Fizičke osobine kristalnog stanja... Pokazuju polimorfizam što znači da se ista supstancija može javiti u različitim kristalnim oblicima Temperatura na kojoj se vrši prelaz iz jednog kristalnog oblika u drugi je prelazna temperatura Primer: sumpor 95,6 rombični o C monoklinični Pokazuje izomorfizam što znači da hemijski različite supstancije pokazuju sličnu kristalnu strukturu Page 3

4 ČVRSTO STANJE Prema prirodi hemijskih veza i međumolekulskih sila kristali se dele na: Molekulske (Van der Waals-ove sile) Metalne (Metalne veze) Jonske (Jonske veze) Kovalentne (Kovalentne veze) Page 4

5 Tipovi kristala Kovalentni kristali se sastoje od mreže atoma koji se drže jakim polarnim i nepolarnim kovalentnim vezama, visoke tačke topljenja i sublimacije, niska električna provodljivost (sem ugljenika), veoma tvrdi Primeri: SiO 2 (pesak), dijamant, grafit, SiC, čvrst Ne, GaAs, InSb Supstancija Tačka topljenja, o C pesak, SiO karborundum, SiC ~2700 dijamant >3550 grafit Page 5

6 Structure dijamanta i grafita Page 6

7 Tipovi kristala Molekulski kristali se sastoje od molekula koji se drže međumolekulskim silama Stoga imaju niske tačke topljenja, isparljivi su, meki i krti Jedinjenje Tačka topljenja ( o C) Led 0 Amonijak Benzen, C 6 H Naftalin, C 10 H Benzoeva kiselina, C 6 H 5 CO 2 H Izolatori su Primeri: Led, šećer, CO 2 -suvi led, benzen Page 7

Tipovi kristala Jonski kristali se sastoje od jona koji se drže elektrostatičkim silama Stoga imaju visoke tačke topljenja i ključanja, tvrdi i krti Dobri

8 Tipovi kristala Jonski kristali se sastoje od jona koji se drže elektrostatičkim silama Stoga imaju visoke tačke topljenja i ključanja, tvrdi i krti Dobri su provodnici Primeri: CsCl, NaCl, ZnS Jedinjenje LiF 842 LiCl 614 LiBr 547 LiI 450 CaF CaCl CaBr CaI Tačka topljenja, o C Page 8

9 Tipovi kristala Metalise sastoje od pozitivnih jezgara okruženih elektronima koji su delokalizovani Stoga imaju visoke tačke topljenja ali one zavise od osobina metala. Tako su tačke topljenja metala IA i IIA grupe niske i rastu prema prelaznim metalima. Elementi u sredini prelaznih metala imaju najviše tačke topljenja, promenjljive trvdoće i kovni.dobri su provodnici Primeri: Na, Cu, Li, Au, Ag,.. Metal Tačka topljenja, o C Na 98 Pb 328 Al 660 Cu 1083 Fe 1535 W 3410 Page 9

10 Simetrija kristala Pod simetrijom kristala se podrazumeva njegovo svojstvo da se pri određenim prostornim premeštanjima, podudara sam sa sobom. Ukoliko se kristal posmatra kao beskonačno pravilno ponavljanje strukturnog motiva u prostoru, tada se na njega primenjuju prostorne operacije simetrije i to: translacija, rotacija, refleksija i inverzija, kao i njihove kombinacije. Na kristal kao telo konačnih dimenzija primenjuju se tačkaste operacije simetrije: rotacija, refleksija i inverzija. Posle izvođenja ovih operacija simetrije najmanje jedna tačka na kristalu ostaje na svom mestu. Elementi simetrija kristala koji se razmatra kao telo konačnih dimenzija su: osa simetrije, ravan simetrije, centar simetrije i inverziona obrtna osa simetrije. Page 10

11 Elementi simetrije Osa simetrije n-tog reda je prava oko koje se kristal pri rotaciji podudari n puta sam sa sobom. Može biti osa drugog, trećeg, četvrtog i šestog reda gde su oznake ovih osa 2, 3, 4 i 6. Ravan simetrije je zamišljena ravan koja deli kristal na dve polovine od kojih je jedna pravi lik druge u ogledalu. Označava se slovom m. Centar simetrije je tačka u odnosu na koju za svaku tačku na kristalu postoji druga identična tačka koja se nalazi sa druge strane centra simetrije i na pođednakom rastojanju kao i prva, pri čemu obe tačke i centar simetrije leže na istoj pravoj. Oznaka za centar inverzije je i. Inverziona obrtna osa simetrije je složen element simetrije koji obuhvata dve sukcesivno izvedene operacije kojima se kristal dovodi iz prvobitnog u ekvivalentni, simetrični položaj. Kod inverzione obrtne ose n-tog reda vrši se rotacija oko ose za ugao /n, a zatim operacija centra simetrije kroz tačku na osi. Page 11

12 Kristalna rešetka i elementarna ćelija Elementarna ćelija je osnovni paralelopiped određen vektorima a, b i c čiji moduli određuju period identičnosti c β α γ b a Parametri a, b, c, α, β i γ parametri elementarne ćelije. Elementarna ćelija minimalne zapremine, maksimalne simetrije i maksimalnog broja pravih uglova je primitivna ćelija. Postoji jedan čvor po primitivnoj ćeliji. Page 12

Kristalna rešetka i elementarna ćelija Kristalna struktura nastaje kada svakom čvoru pridružimo po jedan strukturni motiv (najmanji broj čestica koje se ponavljaju u kristalu).

13 Kristalna rešetka i elementarna ćelija Kristalna struktura nastaje kada svakom čvoru pridružimo po jedan strukturni motiv (najmanji broj čestica koje se ponavljaju u kristalu). Kod najjednostavnijih kristala kao što su metali, strukturni motiv je atom ali se strukturni motiv može sastojati i iz više atoma ili molekula Kristalna rešetka nastaje pravilnim, beskonačnim ponavljanjem iste elementarne ćelije u sva tri koordinatna pravca u prostoru. Kristalna struktura bakra Page 13

14 Kristalna rešetka i elementarna ćelija Kombinovanjem parametara elementarne ćelije kristali se mogu klasifikovati u 7 kristalnih sistema. Page 14

15 Elementarne ćelije kod kristalnih sistema Podela se vrši tako da ćelija bude što manje zapremine a što više simetrije. Page 15

16 Podela kristala u sisteme je izvršena na osnovu parametar elementarne ćelije. Dalja podela se vrši prema kombinacijama elemenata simetrije koje su moguće u svakom sistemu. Postoje 32 kombinacije elemenata simetrije (klase kristala) u 7 sistema. Klasa kojoj kristal pripada se određuje ispitivanjem spoljašnje simetrije kristala. Page 16

17 Tipovi kristalnihnih struktura: Elementarna ćelija kod kubnog sistema Primitivna kubna FCC struktura: NaCl Zapreminski centrirana Površinski centrirana kubna kubna Na + Cl - Page 17

18 Kubna elementarna ćelija Primitivna kubna Prostorno centrirana kubna Površinski centrirana kubna Page 18

19 Kubna elementarna ćelija Primitivna kubna Face centered cubic (fcc) 8 čvorova + 6 strana 1 ćelija sadrži Prostorno centrirana kubna 8(1/8) + 6(1/2) = 4 čestice Površinski centrirana kubna Primitivna kubna 8 čvorova 1 ćelija sadrži 8(1/8) = 1 česticu Page 19

Kubna elementarna ćelija Uzimanjem u obzir i zapreminski centrirane kao i površinski centrirane Primitivna kubna elementarne ćelije dolazimo do 14 elementarnih ćelija koje čine

20 Kubna elementarna ćelija Uzimanjem u obzir i zapreminski centrirane kao i površinski centrirane Primitivna kubna elementarne ćelije dolazimo do 14 elementarnih ćelija koje čine Braveove ćelije Prostorno centrirana kubna Body centered cubic (bcc) 8 čvorova + 1 čestica u centru ćelije 1 ćelija sadrži Površinski centrirana kubna 8(1/8) + 1 = 2 čestice Page 20

21 Page 21 a a a a a a a b a a a a a ab c c c c Primitivna kubna Prostorno centrirana kubna Povr{inski centrirana kubna Trigonalna Primitivna tetragonalna Primitivna rombi~na Prost. cent. romb. Povr{. cent. romb. Rombi~na centrirana na stranama Prost. centr. tetr. Primitivna monokl. Monokl. centr. na stranama Triklini~na Heksagonalna c Braeove rešetke-14

22 Karakteristike kristalnih sistema i Braveovih rešetki Kristalni sistem Ivice Uglovi Braveova reš. Simbol Kubni a=b=c α=β=γ=90 0 Primitivna P Kubni a=b=c α=β=γ=90 0 Prostorno centr. I Kubni a=b=c α=β=γ=90 0 Površinski cen. F Tetragonalni a=b c α=β=γ=90 0 Primitivna P Tetragonalni a=b c α=β=γ=90 0 Prostorno centr. I Rombični a b c α=β=γ=90 0 Primitivna P Rombični a b c α=β=γ=90 0 Prostorno centr. I Rombični a b c α=β=γ=90 0 Centr. na str. C Rombični a b c α=β=γ=90 0 Površinski cen. F Trigonalni a=b=c α=β=γ 90 0 Primitivna P Heksagonalni a=b c α=β=90 0,γ = Primitivna P Monoklinični a b c α=γ=90 0 β Primitivna P Monoklinični a b c α=γ=90 0 β Centr. na stranama C Triklinični a b c α β γ 90 0 Primitivna P Page 22

23 Prostorne grupe Dodavanjem translacije mogućim tačkastim elementima simetrije, povećava se broj mogućih kombinacija elemenata simetrije. Postoji ukupno 230 mogućih kombinacija, prostornih grupa. Svaki od mogućih rasporeda strukturnih motiva u kristalu moraju imati simetriju koja odgovara nekoj od 230 kombinacija simetrijskih operacija. Za određivanje prostornih grupa potrebno je izvršiti strukturno ispitivanje kristala. Page 23

24 Rentgenska strukturna analiza Page 24

25 Difrakcija X-zracima 2d sinθ = nλ Bragg ov uslov Page 25

26 How Diffraction Works: Schematic NaCl Page 26

27 Page 27

28 Page 28

Rešavanje strukture DNA: Istorija Rosalind Franklin- fizikohemičar i kristalograf je prva iskristalisala i fotografisala B-DNA Maurice Wilkins- njen

29 Rešavanje strukture DNA: Istorija Rosalind Franklin- fizikohemičar i kristalograf je prva iskristalisala i fotografisala B-DNA Maurice Wilkins- njen saradnik Watson & Crick- hemičari koji su kombinovali informacije sa Photo 51 i molekulsko modelovanje kako bi rešili strukturu DNA 1953 Rosalind Franklin Page 29

$indicate interference from second helix www.pbs.org/wgbh/nova/photo51 Photo 51- The x-ray diffraction image that allowed Watson and Crick to solve the structure of DNA Page 30$

30 Photo 51 Analysis X pattern characteristic of helix Diamond shapes indicate long, extended molecules Smear spacing reveals distance between repeating structures Missing smears indicate interference from second helix Photo 51- The x-ray diffraction image that allowed Watson and Crick to solve the structure of DNA Page 30

4 angstroms Rastojanje po ciklusu: 34 angstroms Kombinovanje sa drugim

31 Rešavanje strukture DNA Informacije dobijene sa Photo 51 Dvostruki heliks Radijus: 10 angstrema Rastojanje između osnova: 3.4 angstroms Rastojanje po ciklusu: 34 angstroms Kombinovanje sa drugim informacijama DNA se sastoji od: šećera fosfata 4 nukleotida (A,C,G,T) Molekularno modelovanje Watson and Crick s model Page 31

Red veze za benzen. Slika 1.

Red veze za benzen. Slika 1. Red veze za benzen Benzen C 6 H 6 je aromatično ciklično jedinjenje. Njegove dve rezonantne forme (ili Kekuléove structure), prema teoriji valentne veze (VB) prikazuju se uobičajeno kao na slici 1 a),