ČVRSTO STANJE. Amorfno & Kristalno čvrsto stanje. Najureñenije stanje materije. Postoje dva oblika švrstog stanja:

Transcript

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

2 Fizičke osobine kristalnog stanja Imaju odreñeni oblik i zapreminu-skoro nekompresibilno Svakoj supstanciji u kristalnom stanju odgovara odreñeni geometrijski oblik Ugao izmeñu odgivarajućih ravni supstancije odreñene kristalne strukture je konstantan na odreñenoj temperaturi (I zakon kristalografije) Imaju odreñenu 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 meñumolekulskih 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 diamond >3550 grafit Page 5

6 Structure dijamanta i grafita Page 6

7 Tipovi kristala Molekulski kristali se sastoje od molekula koji se drže meñumolekulskim 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

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 Metali se 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 odreñenim 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 izvoñenja 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 poñednakom 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 odreñen vektorima a, b i c čiji moduli odreñuju period identičnosti c β α γ b a Čvor rešetke Elementarna ćelija 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

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 elemenata simetrije. 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 odreñuje 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 čvrva + 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) = 1česticu Page 19

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 odreñivanje 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 Kako dolazi do difrakcije: Shema NaCl Page 26

27 Page 27

28 Page 28

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 Photo 51 Page 29

30 Rešavanje strukture DNA Informacije dobijene sa Photo 51 Dvostruki heliks Radijus: 10 angstrema Rastojanje izmeñu 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 i Crick Watson and Crick s model Page 30