KERAMIKA, BETON I DRVO

Transcript

1 VJEŽBE: četvrtak, 12:15-14:00 KERAMIKA, BETON I DRVO Vježba 1. Ionske i kovalentne strukture Prof.dr.sc. Lidija Ćurković

2 STRUKTURA ČVRSTIH (krutih) TVARI ovisi o: 1. VRSTI VEZA IZMEĐU STRUKTURNIH JEDINICA 2. SLAGANJU STRUKTURNIH JEDINICA VEZE U KERAMICI Ionske i/ili kovalentne. Veza u keramici nije čista ionska ni čista kovalentna veza, već smjesa ionske i kovalentne.

3 STRUKTURA KERAMIKE Kod keramičkih materijala susrećemo dvije grupe kristala na osnovi primarnih (međuatomskih, kemijskih) veza: 1. IONSKE KRISTALE 2. KOVALENTNE KRISTALE JAKOST VEZE: JAKE SLABE KOVALENTNA IONSKA METALNA FIZIKALNE VEZE UDIO IONSKOG KARAKTERA VEZE: % (ionskog karaktera) = {1-exp[-0,25(X A -X B ) 2 ]} 100 X A = elektronegativnost elementa A X B = elektronegativnost elementa B

4 CaF 2 : veliki udio ionskog karaktera veze (89 %) SiC: mali udio ionskog karaktera veze (12 %)

5 IONSKO / KOVALENTNI KARAKTER VEZE Nema 100 % ionskog karaktera veze O % ionskog karaktera H 2, N 2, Cl 2

6 Materijal Postotak ionskog karaktera veze CaF 2 89 MgO 73 NaCl 67 Al 2 O 3 63 SiO 2 51 Si 3 N 4 30 ZnS 18 SiC 12

7 IONSKE STRUKTURE IONSKI KRISTALI nastaju tako da manji kationi popunjavaju praznine između većih aniona.

8 IONSKA VEZA - nastaje spajanjem ATOMA METALA s ATOMIMA NEMETALA. Kako nastaju ioni? METALI imaju malu energiju ionizacije i lako tvore POZITIVNE IONE koje nazivamo KATIONI neutralni atom NEMETALI imaju veliki afinitet prema elektronu pa lako tvore NEGATIVNE IONE koje nazivamo ANIONI kation (+) anion (-)

9 IONSKA VEZA valentni elektron IONSKA VEZA je veza koju uzrokuje elektrostatsko privlačenje suprotno nabijenih iona.

10 IONSKE STRUKTURE IONSKI KRISTALI nastaju tako da manji kationi popunjavaju praznine između većih aniona. Koordinacijski broj i vrsta praznine (koordinacijski poliedar) koji kationi popunjavaju ovisi o omjeru r kationa /r aniona. ANION KATION r K /r A r K /r A r K /r A stabilno stabilno nestabilno ZA STABILNU KORDINACIJU KATIONI I ANIONI MORAJU BITI U KONTAKTU!

11 IONSKE STRUKTURE ANION KATION MAKSIMALNI RADIJUS KATIONA? MINIMALNI RADIJUS KATIONA?

12 IONSKI KRISTALI nastaju tako da manji kationi popunjavaju praznine između većih aniona. Koordinacijski broj i vrsta praznine (koordinacijski poliedar) koji kationi popunjavaju ovisi o omjeru r kationa /r aniona. r K /r A < 0,155 KB = 2 (linearni raspored) 0,155 < r K /r A < 0,225 KB = 3 (trigonalne praznine) 0,225 < r K /r A < 0,414 KB = 4 (tetraedarske praznine) 0,414 < r K /r A < 0,732 KB = 6 (oktaedarske praznine)

13 0,732 < r K /r A < 1,000 KB = 8 (kubična praznina) r K /r A >1,000 KB = 12 (kuboktaedarska praznina)

14 Položaj intersticijskih mjesta (praznina) u FCC, BCC i HCP jediničnoj ćeliji: Oktaedarska FCC Tetraedarska FCC Oktaedarska HCP Oktaedarska BCC Tetraedarska BCC Tetraedarska HCP

15 Veličina i broj tetraedarskih i oktaedarskih mjesta u BCC, FCC i HCP jediničnu ćeliju. Veličina intersticijskih mjesta je dana ovisno o omjeru r kationa /r aniona. Broj intersticijskih mjesta je broj mjesta koji pripada jednoj jediničnoj ćeliji. Jedinična ćelija Veličina tetraedarskog mjesta, r kationa /r aniona Veličina oktaedarskog mjesta, r kationa /r aniona Broj tetraedarskih mjesta koji pripadaju jednoj jediničnoj ćeliji Broj oktaedarskih mjesta koji pripadaju jednoj jediničnoj ćeliji BCC 0,291 0, FCC 0,225 0, HCP 0,225 0, Tetraedarska praznina Tetraedarska praznina Oktaedarska praznina Oktaedarska praznina Tetraedarska praznina > oktaedarske Oktaedarska praznina > tetraedarske

16 Računanje minimalnog omjera radijusa kationa i aniona (r K /r A ) za koordinacijski broj 3 r K Kation r A Anion cos 30 = 3 / 2 r r A 1-3 / 2 K = = 3 / 2 0,155 Minimalni omjer polumjera kationa i aniona za koordinacijski broj 3 je 0,155.

17 Računanje minimalnog omjera radijusa kationa i aniona (r K /r A ) za koordinacijski broj 6 ili maksimalnog omjera radijusa kationa i aniona (r K /r A ) za koordinacijski broj 4 Primjer struktura HALITA (NaCl) ANION KATION

18 Računanje minimalnog omjera radijusa kationa i aniona (r K /r A ) za koordinacijski broj 8 ili maksimalnog omjera radijusa kationa i aniona (r K /r A ) za koordinacijski broj 6. Primjer struktura CsCl ANION KATION

19 Računanje teorijske gustoće NaCl na temelju njegove kristalne strukture Cl- Na+ a Za NaCl strukturu, parametar jedinične ćelije a = 2 ( r Na + + r Cl - ), gdje je r radijus iona. a Stvarna gustoća = 2,16 g/cm 3

20 IONSKE STRUKTURE - neke uobičajne strukture Struktura halita (NaCl) (radi se o dvije isprepletene plošno centrirane kubične rešetke (FCC). r kationa = r Na+ = 0,102 nm Cl - r aniona = r Cl- = 0,181 nm Cl - Cl - Cl - Na + Cl - r kationa /r aniona = 0,56 KB = 6 prvih susjeda (iona druge vrste) Cl - Cl - : FCC jedinična ćelija Na + : u oktaedarskim prazninama Istu kristalnu strukturu imaju: LiCl, MgO, CaO, MnO, FeO, CoO, NiO, itd.

21 IONSKI STRUKTURE Struktura CsCl. r kationa = r Cs+ = 0,170 nm r aniona = r Cl- = 0,181 nm r kationa /r aniona = 0,94 KB = 8 prvih susjeda (iona druge vrste) Ci - : SC jedinična ćelija Cs + : u kubičnoj praznini

22 Struktura α-al 2 O 3 keramike (korund). Najstabilniji kristalni oblik Al 2 O 3 je mineral korund. Istu strukturu imaju: Fe 2 O 3, Cr 2 O 3, Ti 2 O 3, V 2 O 3. To je najvažniji čisti oksid u području keramike. Struktura korunda se zasniva na heksagonskom najgušćem slaganju kisikovih iona (ABABABAB...) sa ionima aluminija smještenim u 2/3 oktaedarskih intersticijskih mjesta.

23 IONSKE STRUKTURE primjer kompleksne strukture (tri kemijska elementa) PEROVSKITNA STRUKTURA Struktura perovskita: CaTiO 3. FCC jedinična ćelija sa ionima Ca 2+ i O 2-, a ion Ti 4+ u oktaedarskom intersticijskom mjestu.

24 KOVALENTE STRUKTURE Struktura SFALERITA (ZnS) -kovalentna veza dominira. r kationa = r (Zn 2+ ) = 0,06 nm S 2- S 2- r aniona = r (S 2- ) = 0,184 nm S 2- Zn 2+ S 2- r kationa /r aniona = 0,33 KB = 4 S 2- : FCC jedinična ćelija Zn 2+ u tetraedarskim prazninama elektronegativnost (Zn) = 1,6 elektronegativnost (S) = 2,5 % (ionskog karaktera ZnS) = {1-exp[-0,25(X A -X B ) 2 ]} 100 = 18 % X A = elektronegativnost elementa A; X B = elektronegativnost elementa B

25 Neke uobičajne strukture keramike Struktura Cezijev klorid (CsCl) Natrijev klorid (NaCl) Jedinična ćelija SC FCC Kemijska formula MX MX Fluorit (CaF 2 ) FCC MX 2 Silikati (SiO 2 ) FCC MX 2 Korund (Al 2 O 3 ) heksagonska M 2 O 3 Perovskit (CaTiO 3 ) Spinel (MgAlO 4 ) SC M`M``X 3 FCC M`M``X 4

26 KOVALENTNI KRISTALI: Struktura kristala u kojoj su atomi povezani kovalentnom vezom određena je brojem kovalentnih veza svakog pojedinog atoma i usmjerenošću tih veza. Koordinacijski broj određuje se relacijom: 8-N, gdje je N broj valentnih elektrona. Istu kristalnu strukturu ima npr. SiC, dijamant, Si, Ge,...

27 KOVALENTNI KRISTALI Najveći dio svjetske proizvodnje stakla čine silikatna stakla. Osnovna komponenta silikatnog stakla je SiO 2, a strukturna jedinica je tetraedar. SILIKATNA STRUKTURA osnova tetraedar. O 4- Si O O

28 KOVALENTNI KRISTALI KRISTALNA STRUKTURA KRISTOBALITA SiO 2 može imati KRISTALNU STRUKTURU (npr. kvarc, kristobalit) ili AMORFNU STRUKTURU (npr. staklo)

29 AMORFNA STRUKTURA struktura silikatnog stakla