WIĄZANIE CHEMICZNE I WŁAŚCIWOŚCI CIAŁA STAŁEGO WPROWADZENIE DO PRZEDMIOTU

Heterogeniczne (wielofazowe) Kryształy molekularne, gazy szlachetne 1. OPIS CIAŁA STAŁEGO Substancje Metody chemiczne Jony, rodniki,cząsteczki reaktywne, klastery Mieszaniny Substancje czyste; C. Stałe: amorficzne, krystaliczne, (nanostruktury?) Separacja z zastosowaniem metod (głównie) fizycznych Heterogeniczne (wielofazowe) Homogeniczne Separacja i/lub homogenizacja z zastosowaniem metod fizycznych Związki chemiczne Pierwiastki Metody chemiczne Na przykład roztwory stałe Na przykład kompozyty Kryształy metaliczne Kryształy jonowe Kryształy kowalencyjne Kryształy molekularne, gazy szlachetne

Co wyróżnia ciała stałe? Właściwości zależą od struktury kryształ cząsteczka Przewodnik ciepła, dielektryk metan diament Przewodnik ciepła, prądu (swobodne nośniki) benzen grafit Fulleryt (fcc) fulleren C60

Co wyróżnia ciała stałe? Właściwości zależą od składu chemicznego Również: niestechiometria, domieszki Fe1-xO, ! Fe1-xO = FeO1+x FeO krzem K3C60 półprzewodniki „n” i „p” nadprzewodnik

Jakie właściwości? Elektryczne Optyczne Mechaniczne Magnetyczne metaliczne przewodniki: Cu, Ag, Na półprzewodniki: Si, GaAs nadprzewodniki: LaBa2Cu3O7 elektrolity: LiI elektrety: CaTiO3 ferroelektryki: BaTiO3 piroelektryki: NbLiO3 piezoelektryki: kwarc pigmenty: TiO2 substancje fosforyzujące: Eu3+ elektrooptyki: LiNbO3 Mechaniczne stopy ceramiki kompozyty Magnetyczne ferromagnetyki: Fe, Co, Ni, CrO2 ferrimagnetyki MgAl2O4 antyferromagnetyki: MnO, Cr, FeCl2 glinokrzemiany Katalityczne

OPIS CIAŁA STAŁEGO 1) Struktura krystaliczna = sieć + baza 2) Skład chemiczny 3) Wiązanie chemiczne (struktura elektronowa) 4) Właściwości makroskopowe Ad 1) Definiujemy strukturę krystaliczną Struktura krystaliczna - periodyczne rozmieszczenie atomów w przestrzeni SIEĆ (punkty geometryczne) BAZA (grupy atomów przyporządkowane do sieci)

Struktura krystaliczna + SIEĆ + BAZA Komórka krystaliczna - najmniejszy element kryształu, powtarzający się w trzech wymiarach z periodycznością sieci, mający symetrię kryształu

Struktura krystaliczna Parametry sieci: a, b, c Obowiązuje reguła śruby prawoskrętnej b a c a b c a b c y x ax bx b a Położenia atomów (jonów): Atom (1/2, 1/2) Atom (0, 0)

Przykład: CsI + = Komórka prymitywna Baza 1/2 I- (0, 0, 0) Obliczyć: - gęstość - najmniejszą odległość Cs - Cs, I - I, Cs - I I- (0, 0, 0) Cs+ (0.5, 0.5, 0.5)

Liczymy atomy w komórce Atomy w wierzchołkach 1/8 atomu na komórkę Atomy na krawędziach 1/4 atomu na komórkę Atomy na ścianach 1/2 atomu na komórkę Atomy wewnątrz komórki 1 atom na komórkę Typy komórek KOMÓRKA ILE ATOMÓW W KOMÓRCE Prymitywna (P) = Prosta (S), 8 x (1/8) = 1 Powierzchniowo centrowana (F) 8 x (1/8) + 6 x (1/2) = 4 Przestrzennie centrowana (I lub B) 8 x (1/8) + 1 = 2 Centrowana na podstawach (C) 8 x (1/8) + 2 x (1/2) = 2

Przykład - obliczyć gęstość kryształu aluminium Masa atomowa = 26,98 Struktura fcc Atomów na komórkę l.at./kom.= Objętość komórki V = Masa atomów w komórce m = Gęstość = ?

14 sieci Bravais’go Trygonalna (romboedryczna) Kubiczna P, I, F P Zmienione 3 kąty P Zmieniona długość jednego boku Zmieniona długość jednego boku, zmienione kąty Tetragonalna Heksagonalna P, I P Trójskośna P Zmieniona długość drugiego boku Dwa boki identyczne, jeden kąt = 120o Ortorombowa Jednoskośna P, I, F, C P, C Zmieniony jeden kat

14 32 230 Elementy symetrii Sieci Bravais’go Osie obrotu: Osie inwersyjne: Płaszczyzny symetrii: Osie śrubowe Płaszczyzny poślizgu UWAGA! - udowodnić Sieci Bravais’go Krystalograficzne grupy punktowe Krystalograficzne grupy przestrzenne 14 32 230

Działanie osi obrotu Oś 3 4 5 6 Wielościan foremny trójkąt kwadrat pięciokąt sześciokąt Kąty 3 x 60o 4 x 90o 5 x 108o 6 x 120o Ile razy w 360o 3,33... (kwazikryształy)

Opis struktury przez rozmieszczenie jednakowych kul (dotyczy głównie metali) Goldschmidt (1926) atomy = kule Gęste upakowanie - problem „sprzedawcy pomarańczy” Kepler (1611): Maksymalne wypełnienie przestrzeni jednakowymi kulami wynosi 0.74; dowód w 1998 roku (250 stron)

Gęste upakowanie jednakowych sfer hcp ccp Be, Mg, Ti, Zr Al, Ni, Cu, Ag, Pt Liczba koordynacyjna = 12 Współczynnik wypełnienia przestrzeni Sprawdzić!

Luka tetraedryczna (T) Gęste upakowanie hcp i ccp Luki (dwa rodzaje) Luka tetraedryczna (T) utworzona przez 4 kule Luka oktaedryczna (O) utworzona przez 6 kul

Upakowanie jednakowych kul - inne sposoby b. rzadka struktura (Po) Fe, V, Cr, Mo, W

Struktura metali - układ okresowy CCP HCP BCC Hc (ABAC) Inne (zlożone)

Umieć! 1. Sieci Bravais,go 2. Sposoby ułożenia jednakowych kul (gęste upakowanie) 2. Liczyć współczynnik wypełnienia przestrzeni dla różnych struktur 3. Liczyć gęstość kryształu (dane bierzemy z układu okresowego pierwiastków: masy atomowe, parametry sieci i/lub promienie atomowe/jonowe)