K R Y S Z T A Ł Y Kateryna Sheptak Kierunek – Górnictwo i Geologia Grupa 4 Referat nr 16

Plan prezentacji Wrócimy trochę do historii... Ciała krystaliczne Sieć przestrzenna kryształu Podział kryształów ze względu na siły wiązań Defekty wewnątrz kryształów Zastosowanie kryształów Podsumowanie Literatura

Wrócimy trochę do historii... Nicolaus Steno (1638 - 1686) duński anatom i geolog, w 1669 r. formułuje prawo stałości kątów w kryształach August Bravais (1811 - 1863) Francuski krystalograf, fizyk i matematyk. Udowodnił możliwość istnienia w trzech wymiarach 14 rodzajów sieci krystalicznych pod nazwą sieci Bravais'go.

Jewgraf Stiepanowicz Fiodorow (1853-1919) Rosyjski krystalograf, geolog i matematyk, w latach 1890/91 wprowadził 230 krystalograficzne grupy przestrzenne (równolegle z Arthurem Moritz Schönfliesemą). Stworzył optyczną metodę badań krystalograficznych (metoda stolika uniwersalnego).  

CIAŁO KRYSTALICZNE Ciało krystaliczne (kryształ) – ciało stałe, w którym cząsteczki (kryształy molekularne), atomy (kryształy kowalencyjne) lub jony (kryształy jonowe) są ułożone w uporządkowany schemat powtarzający się we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych. Według Wikipedia

Ciała bezpostaciowe (amorficzne) Ciała krystaliczne CIAŁA STAŁE Ciała bezpostaciowe (amorficzne) Ciała krystaliczne

Ciała krystaliczne Ciała krystaliczne (np. metale, lód, sól kamienna, itp.) charakteryzują się regularną strukturą przestrzenną. To uporządkowanie powoduje, że właściwości kryształów obserwowane w różnych kierunkach przestrzeni są różne - zjawisko to nazywamy anizotropią.

(np. żywica, kalafonia, bursztyn, plastelina, wosk i inne) Ciała bezpostaciowe Ciała bezpostaciowe (np. szkło, stopiona i ochłodzona krzemionka, żywice polimeta-krylowe), w których atomy, cząsteczki lub jony nie są rozmieszczone w prawidłowej sieci przestrzennej. Są izotropowe. Określone często jako ciecze przechłodzone o dużej lepkości. (np. żywica, kalafonia, bursztyn, plastelina, wosk i inne)

Topnienie ciał krystalicznych i bezpostaciowych D Ciało krystaliczne Ttop B C Ciało bezpostaciowe E A t

Przykłady ciał krystalicznych i amorficznych halit bursztyn diament wosk rubin kalafonia szmaragd miedź szkło

Większość ciał stałych mają strukturę polikrystaliczną Ciała krystaliczne Monokryształ – materiał będący w całości jednym kryształem (np. kryształ cukru, soli, kwarc, szmaragdy).Są anizotropowe. Polikryształ - ciało stałe, będące zlepkiem wielu monokryształów, zwanych w tym przypadku domenami krystalicznymi lub ziarnami.(np. róźne metale i ich stopy).Są izotropowe. Większość ciał stałych mają strukturę polikrystaliczną miedź kwarc szmaragdy

Ciekły kryształ definicje i własności stan przejściowy pomiędzy ciałem stałym a cieczą izotropową zdolność do płynięcia (cecha cieczy) połączona z daleko zasięgowym uporządkowaniem struktury (cecha kryształu) faza ciekłokrystaliczna – mezofaza generowanie faz ciekłokrystalicznych - termotropowe - liotropowe Nematyk Ciekły kryształ chiralny

Zastosowanie Wyświetlacze ciekłokrystaliczne of on Monitor LCD

Polimorfizm Polimorfizm (wielopostaciowość, różnopostaciowość) zjawisko występowania różnych odmian krystalograficznych tej samej substancji chemicznej. Występuje ono wtedy, gdy ta sama substancja może występować w dwóch lub nawet kilku formach krystalicznych.

Polimorfizm Węgiel (C) – występuje on w przyrodzie jako diament (układ regularny) i jako grafit (układ heksagonalny)

WŁAŚCIWOŚCI DIAMENTU I GRAFITU Wysoka twardość. kamienie szlachetne Dielektryk Palny w strumieniu tlenu Minerał miękki Przewodzi prąt elektryczny Z niego robią glinę odporną na wysokie temperatury

Diament - gęste uporządkowanie atomów węgla RÓŻNICE WE WŁAŚCIWOŚCIACH DIAMENTU I GRAFITU W STRUKTURZE I ICH WIĄZANIU KRYSTALICZNYM D I A M E NT G R F T Diament - gęste uporządkowanie atomów węgla Grafit - warstwowa struktura sieci krystalicznej

KRYSZTAŁY RÓŻNYCH SUBSTANCJI 1- NaCl, 2 – SiO4, 3 – C, 4 – K(Al)3(SO4)23H2O, 5 – Be, 6 – turmalin, 7a,б – kwarc, 8 – CuSO4

SIEĆ PRZESTRZENNA W krystałografii to zbiór jednakowych przylegających do siebie komórek elementarnych, które wypełniają przestrzeń Sieć i Baza => Struktura Kryształu + =

SIECI BRAVAIS'GO Sieci Bravais'go jest to sposób wypełnienia przestrzeni przez wielokrotne powtarzanie operacji translacji komórki elementarnej. Sieci są uzyskiwane przez złożenie 7 systemów krystalograficznych i 4 sposobów centrowania.

UKŁAD KRYSTALOGRAFICZNY Układ krystalograficzny to system klasyfikacji kryształów ze względu na układ wewnętrzny cząsteczek w sieci krystalicznej. System wyróżnia siedem układów, w których wyróżnia się 32 klasy krystalograficzne. Każda klasa ma inny rodzaj symetrii w układzie cząsteczek w krysztale.

UKŁADY KRYSTALOGRAFICZNE Regularny Tetragonalny Heksagonalny Trygonalny (romboedryczny) Rombowy Jednoskośny Trójskośny

UKŁADY KRYSTAŁOGRAFICZNE Regularny układ – trzy jednakowe osie o długości a, tworzące ze sobą kąty proste

UKŁADY KRYSTAŁOGRAFICZNE Tetragonalny-dwie jednakowe krawędzie oraz trzecia krawędź o innej długości, wzajemne prostopadłe

UKŁADY KRYSTAŁOGRAFICZNE Heksagonalny i trzygonalny nieromboedryczny – dwie różne krawędzie, pod kątem 120° i trzecia krawędź o innej długości, prostopadła do dwóch pierwszych

UKŁADY KRYSTAŁOGRAFICZNE Trzygonalny romboedryczny – trzy krawędzie a, b i c oraz kąty a, b, ɣ są podobne

UKŁADY KRYSTAŁOGRAFICZNE Rombowy – trzy krawędzie o niejednakowych długościach, wszystkie wzajemne prostopadłe

UKŁADY KRYSTAŁOGRAFICZNE Jednoskośny – dwie krawędzie a i c pod kątem b względem siebie i trzecia krawędź pod kątem prostym do a i c

UKŁADY KRYSTAŁOGRAFICZNE Trójskośny – trzy krawędzie a, b, c z trzema kątami a, b, ɣ między nimi

TYPY TRÓJWYMIAROWYCH SIECI KRYSTALICZNYCH BRAVAIS’GO regularna a = b = c  =  =  tetragonalna a = b  c  =  =  = 90o jednoskośna a  b  c  =  = 90o   90o

TYPY TRÓJWYMIAROWYCH SIECI KRYSTALICZNYCH BRAVAIS’GO ortorombowa a  b  c  =  =  = 90o trygonalna a = b = c  =  =   90o heksagonalna a = b  c  =  = 90o;  = 120o trójskośna a  b  c       90o

Oprócz parametrów sieci a, b i c; α, β i γ strukturę krystaliczną charakteryzują: • liczbą koordynacyjną, • odległość między najbliższymi atomami w krysztale, • liczba atomów w komórce elementarnej, • współczynnik upakowania

W ciałach krystalicznych stałych cząsteczki, atomy lub jony rozmieszczone są w określonej kolejności w celu utworzenia struktury przestrzennej - sieci krystalicznej.

WIĄZANIA KRYSTALICZNE W zależności od rodzaju oddziaływań między atomowych wyróżniamy następujące wiązania: 1. Kryształy jonowe 2. Kryształy kowalencyjne (atomowe ) 3. Kryształy metaliczne 4. Kryształy molekularne (cząsteczkowe)

KRYSZTAŁY JONOWE Kryształ jonowy – rodzaj kryształu, w którym węzły sieci krystalicznej tworzą jony (kationy i aniony), równoważące się ilością ładunku elektrycznego, dzięki czemu cały kryształ jest elektrycznie obojętny. Kryształy jonowe tworzą głównie sole pierwiastków o dużej różnicy elektroujemności, czyli związki o dużej jonowości wiązania (np. chlorek sodu, fluorowodór) Struktura kryształu chlorku sodu: niebieski – kationy sodu (Na+) zielony – aniony chloru (Cl−) NaCl

CECHY WIĄZANIA JONOWEGO Są twarde, mają wysoką temperaturę topnienia. Nie ma wyróżnionego kierunku wiązania Są złymi przewodnikami ciepła i prądu Wstępują w czystej postaci w kryształach

KRYSZTAŁY KOWALENCYJNE (ATOMOWE) Wiązanie kowalencyjne - rodzaj wiązania chemicznego. Istotą wiązania kowalencyjnego jest istnienie pary elektronów, które są współdzielone w porównywalnym stopniu przez oba atomy tworzące to wiązanie. Standardowym przykładem jest tu diament. Sieć krystaliczna diamentu

CECHY WIĄZANIA KOWALENCYJNEGO Wiązania silne, kierunkowe (w kierunku skierowanych elektronów) Kryształy twarde, nie podatne na odkształcenie (sztywność struktury elektronowej) Przewodniki w wyższych temperaturach Typowe wiązania półprzewodników

KRYSZTAŁY METALICZNE Atom Elektron Jon To czyste metale i ich stopy. Sieć tworzą dodatnie jony , od których oderwały się słabo związane elektrony walencyjne. Wolne elektrony poruszają się po całym krysztale należąc do wszystkich jonów (nie są związane z żadnym atomem) tworząc tzw. gaz elektronowy. Atom Elektron Jon

CECHY WIĄZANIA METALICZNEGO Bardzo dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne Nie ma charakteru wiązania skierowanego (metale są plastyczne) Łatwość zamiany atomów (łatwość tworzenia się stopów)

KRYSZTAŁY MOLEKULARNE (CZĄSTECZKOWE) Zbudowane z cząsteczek, które rozmieszczają się w węzłach sieci krystalicznej, oddziaływując między sobą siłami van der Waalsa, dość nietrwałe mechanicznie, topiące się w stosunkowo niskich temperaturach (najczęściej <300°C), należy tu większość związków organicznych. Sieć krystalograficzna grafitu

CECHY WIĄZANIA MOLEKULARNEGO Kryształy są podatne na odkształcenia Złe przewodnictwo ciepła i prądu elektrycznego Wiązania bardzo słabe i łatwo ulegają zniszczeniom Topią się w niskich temperaturach i łatwo rozpuszczają

DEFEKTY SIECI KRYSTALICZNEJ Defekty liniowe - dyslokacje, które dzielą się na dyslokację krawędziową i dyslokację śrubową-zaburzają uporządkowanie kryształu.

DEFEKTY SIECI KRYSTALICZNEJ Defekty punktowe (Schottky’ ego) – tzw. luka, która powstaje gdy niektóre węzły sieci są wolne (brak jest niektórych atomów)

DEFEKTY SIECI KRYSTALICZNEJ Defekt międzywęzłowy (Frenkla) – powstaje gdy atomy są wciśnięte między węzły sieci

ZASTOSOWANIE KRYSZTAŁÓW W komputerach i telefonach komórkowych      Sprzęt audio i wideo      Bez kryształów nie może pracować wiele skomplikowanych nowoczesnych urządzeń do przetwarzania, przesyłania i przechowywania informacji      Kryształy wykorzystywane są do zamiany jednego rodzaju energii na inny      Kryształy są potrzebne do tworzenia spójnych źródeł światła i kontroli promieniowania laserowego   Biżuteria i przedmioty dekoracyjne      Kryształy są potrzebne do obróbki powierzchni. Są wykorzystane w technice wiertniczej

ZASTOSOWANIE KRYSZTAŁÓW Urządzenia do cięcia szkła Podstawa działania lasera - rubinowy pręt Wiertło diamentowe Półprzewodniki Źródło światła Struktura ciekłych kryształów - ma kluczowe znaczenie dla funkcjonowania organizmu zegarki kwarcowe Ciekłe kryształy w monitorach -LCD

Rodzaje wiązań sieci kryszalicznej PODSUMOWANIE CIAŁA STAŁE Ciała krystaliczne Ciała bezpostaciowe (amorficzne) Monokryształy Polikryształy Rodzaje wiązań sieci kryszalicznej jonowe jonowe kowalencyjne kowalencyjne metaliczne metaliczne molekularne molekularne

PODSUMOWANIE Główną różnicą między kryształami a innymi ciałami stałymi jest obecność sieci krystalicznej. Ciała krystaliczne tworzą sieć przestrzenną. Kryształy ze względu na siły wiązań dzielimy na: metaliczne, jonowe, atomowe, molekularne. Kryształy podlegają uszkodzeniom, które zmieniają ich właściwości. Ciała krystaliczne są anizotropowe, a ciała bezpostaciowe izotropowe. Ze względu na strukturę wewnętrzną kryształy mogą mieć rożną trwałość, temperaturę topnienia, przewodnictwo elektryczne, rozpuszczalność w płynach.

LITERATURA Charles Kittel – Wstęp do fizyki ciła stałego Физическая энциклопедия, т. 3: Под ред. А.М.Прохорова. М: Советская энциклопедия, 1990 Wikipedia Шубников А. В. У истоков кристаллографии. М., 1972.-52 Курс общей физики, книга 3, И. В. Савельев: Астрель, 2001, ISBN 5-17-004585-9 Кристаллы / М. П. Шаскольская, 208 с ил. 20 см, 2-е изд., испр. М. Наука 1985 Учебник «Физика-10»: Под ред. А.А.Пинского. – М: Просвещение, 2001

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 