STRUKTURA KRYSZTAŁÓW



Podobne dokumenty
S 2, C 2h,D 2h,D 3d,D 4h, D 6h, O h

Krystalografia. Typowe struktury pierwiastków i związków chemicznych

MATERIA. = m i liczby całkowite. ciała stałe. - kryształy - ciała bezpostaciowe (amorficzne) - ciecze KRYSZTAŁY. Periodyczność

Elementy teorii powierzchni metali

Chemia nieorganiczna. Copyright 2000 by Harcourt, Inc. All rights reserved.

STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO

Chemia nieorganiczna. Pierwiastki. niemetale Be. 27 Co. 28 Ni. 26 Fe. 29 Cu. 45 Rh. 44 Ru. 47 Ag. 46 Pd. 78 Pt. 76 Os.

Podstawy krystalochemii pierwiastki

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Struktura krystaliczna. Struktura krystaliczna

Uniwersytet Śląski Instytut Chemii Zakład Krystalografii. Laboratorium z Krystalografii. 2 godz. Komórki Bravais go

BUDOWA KRYSTALICZNA CIAŁ STAŁYCH. Stopień uporządkowania struktury wewnętrznej ciał stałych decyduje o ich podziale

STRUKTURA KRYSTALICZNA

Wykład 4: Struktura krystaliczna

Wstęp. Krystalografia geometryczna

Właściwości kryształów

Wykład 5. Komórka elementarna. Sieci Bravais go

MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I. dr inż. Hanna Smoleńska

Skala wielkości spotykanych w krystalografii: Rozmiar komórki elementarnej: od 2 Å do kilkadziesięciu Å. Sieci Bravais go. Body-Centered Cubic (I)

STRUKTURA MATERIAŁÓW

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej. Mateusz Goryca

Wiązania chemiczne. Związek klasyfikacji ciał krystalicznych z charakterem wiązań atomowych. 5 typów wiązań

Elementy teorii powierzchni metali

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Rozwiązanie: Zadanie 2

Fizyka Ciała Stałego

Sieć przestrzenna. c r. b r. a r. komórka elementarna. r r

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

STRUKTURA MATERIAŁÓW. Opracowanie: Dr hab.inż. Joanna Hucińska

Chemia nieorganiczna. Pierwiastki. niemetale Be. 27 Co. 28 Ni. 26 Fe. 29 Cu. 45 Rh. 44 Ru. 47 Ag. 46 Pd. 78 Pt. 76 Os.

STRUKTURA IDEALNYCH KRYSZTAŁÓW

Aby opisać strukturę krystaliczną, konieczne jest określenie jej części składowych: sieci przestrzennej oraz bazy atomowej.

Chemia nieorganiczna. Copyright 2000 by Harcourt, Inc. All rights reserved.

1. Charakter wiązania krzem tlen 2. Wiązanie Si O w krzemianach 3. Krzemiany jako struktury jonowe 4. Systematyka anionów krzemotlenowych. 5.

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Wykład 9 Wprowadzenie do krystalochemii

2. Właściwości krzemu. 3. Chemia węgla a chemia krzemu. 4. Związki krzemu.

Układ regularny. Układ regularny. Możliwe elementy symetrii: Możliwe elementy symetrii: 3 osie 3- krotne. m płaszczyzny przekątne.

Budowa ciał stałych. sieć krystaliczna układy krystalograficzne sieć realna defekty wiązania w ciałach stałych

STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

PIERWIASTKI W UKŁADZIE OKRESOWYM

Położenia, kierunki, płaszczyzny

Układy krystalograficzne

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Wiązania chemiczne w ciałach stałych. Wiązania chemiczne w ciałach stałych

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

ROZDZIAŁ I. Symetria budowy kryształów

Ciała stałe. Ciała krystaliczne. Ciała amorficzne. Bardzo często mamy do czynienia z ciałami polikrystalicznymi, rzadko monokryształami.

Podstawowe pojęcia opisujące sieć przestrzenną

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Tradycyjny podział stanów skupienia: fazy skondensowane

Materiałoznawstwo optyczne KRYSZTAŁY

Zastosowanie teorii grup. Grupy symetrii w fizyce i chemii.

Wykład II Sieć krystaliczna

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA w elektronice

Nauka o Materiałach Wykład II Monokryształy Jerzy Lis

Prof. nzw. dr hab. Jarosław Mizera & dr inż. Joanna Zdunek

Defekty punktowe II. M. Danielewski

Struktura elektronowa

Wewnętrzna budowa materii - zadania

Kryształy w nauce i technice

Teoria VSEPR. Jak przewidywac strukturę cząsteczki?

Rodzina i pas płaszczyzn sieciowych

Wiązania. w świetle teorii kwantów fenomenologicznie

INŻYNIERIA NOWYCH MATERIAŁÓW

Wykład 11. Kryształy jonowe

Szkła. Forma i odlewy ze szkła kwarcowego wykonane w starożytnym Egipcie (około roku 2500 p.n.e.)

Arkusze zadań do ćwiczeń z podstaw fizyki ciała stałego Marek Izdebski

1. Podstawowe pojęcia. Stechiometria w komórce elementarnej. Wyznaczanie gęstości teoretycznej kryształu. Zamiana baz w układach współrzędnych

Fizyka powierzchni. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

Dr inż. Zbigniew Szklarski

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Fonony. Fonony

Nazwy pierwiastków: ...

KRYSTALOGRAFIA Studia pierwszego stopnia, stacjonarne II rok

Elektrolity wykazują przewodnictwo jonowe Elektrolity ciekłe substancje rozpadające się w roztworze na jony

KONKURS CHEMICZNY DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW

V KONKURS CHEMICZNY 23.X. 2007r. DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW WOJEWÓDZTWA ŚWIĘTOKRZYSKIEGO Etap I czas trwania: 90 min Nazwa szkoły

Elektrolity wykazują przewodnictwo jonowe Elektrolity ciekłe substancje rozpadające się w roztworze na jony

Inne koncepcje wiązań chemicznych. 1. Jak przewidywac strukturę cząsteczki? 2. Co to jest wiązanie? 3. Jakie są rodzaje wiązań?

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Transport jonów: kryształy jonowe

DG m. a I STRUKTURALNY ASPEKT PRZEWODNICTWA JONOWEGO. Model STRUKTURALNY ASPEKT PRZEWODNICTWA JONOWEGO

Zadanie 1. [ 3 pkt.] Uzupełnij zdania, wpisując brakującą informację z odpowiednimi jednostkami.

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

Krystalografia i krystalochemia Wykład 15 Repetytorium

Konwersatorium 1. Zagadnienia na konwersatorium

III.4 Gaz Fermiego. Struktura pasmowa ciał stałych

Chemia nieorganiczna Semestr I (1 )

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego i BudŜetu Państwa. Krystalografia. Instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE PLASTYCZNOŚĆ. Zmiany makroskopowe. Zmiany makroskopowe

CZ STECZKA. Do opisu wi za chemicznych stosuje si najcz ciej jedn z dwóch metod (teorii): metoda wi za walencyjnych (VB)

UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW

Zadanie 1. (1 pkt). Informacja do zada 2. i 3. Zadanie 2. (1 pkt) { Zadania 2., 3. i 4 s dla poziomu rozszerzonego} zania zania Zadanie 3.

Cel główny: Uczeń posiada umiejętność czytania tekstów kultury ze zrozumieniem

Podstawy Fizyki Półprzewodników

4. STRUKTURA KRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH. Irena Zubel Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska (na prawach rękopisu)

Wymagania przedmiotowe do podstawy programowej - chemia klasa 7

SUROWCE I RECYKLING. Wykład 2

Transkrypt:

STRUKTURA KRYSZTAŁÓW Skala wielkości spotykanych w krystalografii: Średnica atomu wodoru: 10 Rozmiar komórki elementarnej: od kilku do kilkudziesięciu Å o D = 1*10 m = 1A 1

Struktura = sieć + baza atomowa 1. Struktura regularna a = b= c α = β = γ = 90º Prymitywna (P) Wewnętrznie centrowana (I) BCC, rpc Płasko centrowana (F) FCC, rsc Grupy punktowe 23, 4 2 43m, m3, 432, 3 m m Fluoryt Granat Piryt [1] http://www.yourgemologist.com/crystalsystems.html 2

2. Struktura tetragonalna a = b c α = β = γ = 90º Prymitywna Wewnętrznie centrowana Grupy punktowe 4, 4, 4 4, 422, 4mm, 42m, m m Cyrkon 2 m 2 m [1] http://www.yourgemologist.com/crystalsystems.html 3. Struktura rombowa a b c α = β = γ = 90º Prymitywna Wewnętrznie centrowana Płasko centrowana Centrowana na podstawach Grupy punktowe 222, 2mm, 2 2 m m 2 m Topaz [1] [1] [1] http://www.yourgemologist.com/crystalsystems.html 3

4. Struktura heksagonalna a = b c α = β = 90º γ = 120º Prymitywna Grupy punktowe 6, 6 6,, m 622, 6mm, 6m2, 6 2 m m 2 m Korund [1] http://www.yourgemologist.com/crystalsystems.html 5. Struktura romboedryczna a =b =c α = β = γ 90º Prymitywna Grupy punktowe 3, 2 3, 32, 3m, 3 m Turmalin [1] http://www.yourgemologist.com/crystalsystems.html 4

6. Struktura jednoskośna a b c α = γ = 90º β Prymitywna Centrowana na podstawach (A/C) Grupy punktowe 2, 2, 2 m Kuncyt [1] http://www.yourgemologist.com/crystalsystems.html 7. Struktura trójskośna a b c α γ β prymitywna Grupy punktowe 1, 1 Amazonit [1] http://www.yourgemologist.com/crystalsystems.html 5

Pełna informacja o strukturze to: Symbol grupy przestrzennej (czyli wszystkie przekształcenia symetrii); Parametry komórki elementarnej; Współrzędne atomów bazy atomowej; W krystalografii, fizyce ciała stałego i inżynierii materiałowej posługujemy się również pojęciami, które są mniej abstrakcyjne i w bezpośredni sposób zawierają informacje o wielu właściwościach kryształów. Są to, między innymi: Liczba węzłów albo atomów w komórce elementarnej; Promień atomowy lub jonowy; Gęstość upakowania; Liczba koordynacyjna; Wielościan koordynacyjny; 6

Liczba węzłów albo atomów w komórce elementarnej Jak policzyć atomy w komórce elementarnej? Liczba węzłów albo atomów w komórce elementarnej Jak policzyć atomy w komórce elementarnej? 1 8 1 1 2 7

Liczba węzłów albo atomów w komórce elementarnej Wewnątrz = 1 Na ścianie = ½ Na krawędzi = ¼ W wierzchołku = 1/8 Liczba węzłów albo atomów w komórce elementarnej Struktura regularna objętościowo centrowana (bcc): 1 8 + 1 = 2 8 Struktura regularna płasko centrowana (fcc): 1 1 8 + 6 = 4 8 2 8

Promień atomowy lub jonowy Przybliżenie twardych kul: w krystalografii zakłada się, że atomy (jony) są twardymi, sztywnymi kulami o pewnym promieniu R, a struktura krystaliczna jest stabilna wtedy, gdy atomy będące najbliżej siebie stykają się. Jest to przybliżenie! Promień atomowy lub jonowy Na przykład: w strukturze regularnej centrowanej, atomy stykają się wzdłuż przekątnej ściany sześcianu: ich cztery promienie są równe długości przekątnej. a 2 = 4R a 9

Gdy w komórce elementarnej są różne atomy, np. w przypadku CsCl: R + R Cs Cl = d 3 2 Liczba koordynacyjna Liczba najbliższych sąsiadów Na przykład, w strukturze bcc liczba koordynacyjna wynosi: 8 10

Wielościan koordynacyjny Wielościan, w którego środku znajduje się dany atom (jon), a w wierzchołkach atomy (jony) sąsiednie, w danym kierunku najbliższe. Na przykład w krysztale perowskitu wielościan wokół atomu tytanu: 8-ścian Wielościan koordynacyjny Na przykład w krysztale kwarcu atomy tlenu wokół atomu krzemu tworzą czworościan: 11

W ogólności możliwe są przeróżne wielościany koordynacyjne: Promień jonowy, liczba i wielościan koordynacyjny Promień jonowy, liczba i wielościan koordynacyjny są ze sobą wzajemnie związane i zależą od siebie. 12

Liczba koordynacyjna i stosunek promieni jonowych kationu do anionu Liczba koordynacyjna i stopień utlenienia a promień jonowy Promień jonowy Np.: dla Lk=12 Na 1.30 K 1.64 Rb 1.72 Higher atomic number has larger effective ionic radius Decreasing Ionic radii Higher coordination numbers have larger effective ionic radius Extreme valence shells (1,6,7) have larger effective ionic radius 13

Liczka koordynacyjna rośnie wraz ze wzrostem promienia jonowego Liczba koordynacyjna różnych jonów z anionami O -2 14

Gęstość upakowania komórki elementarnej Stosunek objętości zajętej przez atomy zawarte w komórce elementarnej do jej objętości. V atomów V komórki Objętość komórki elementarnej Gdy komórka zbudowana jest na wektorach r a, Jej objętość wynosi: V r b, r = a r r c r ( bxc ) 15

Gęstość upakowania w strukturze fcc W komórce są 4 atomy = 6 ścian x 1/2 + 8 naroży x 1/8 Atomy stykają się wzdłuż przekątnych a 2 = 4R Gęstość upakowania w strukturze fcc W komórce są 4 atomy = 6 ścian x 1/2 + 8 naroży x 1/8 Atomy stykają się wzdłuż przekątnych a 2 = 4R 4 3 4 π R V atomów = 3 a 2 = 4R 3 V komórki a 4 4 π R V atomów = 3 3 V komórki 4R 2 3 = 0.74 16

Gęstość upakowania w strukturze bcc W komórce są 2 atomy = 1 + 8 naroży x 1/8 Atomy stykają się wzdłuż głównej przekątnej sześcianu 3 a a R a 4R = 2 a 3 a Gęstość upakowania w strukturze bcc 4 2 π R V atomów = 3 3 V komórki a 3 a 3 = 4R 4 2 π R V atomów = 3 V komórki 4R 3 3 3 = 0.68 17

Powierzchniowa gęstość upakowania atomów W podobny sposób, jak gęstość upakowania, można zdefiniować gęstość upakowania atomów na płaszczyźnie. Płaszczyzna (100) kryształu FCC 18

Płaszczyzna (111) kryształu BCC PRZYKŁADY RZECZYWISTYCH STRUKTUR KRYSTALICZNYCH: 19

Struktury gęsto upakowane Regularna płasko centrowana i Heksagonalna gęsto upakowana Najpierw trzeba upakować kule na powierzchni: 2 1 20

Następnie: druga warstwa kule drugiej warstwy znajdują się nad wgłębieniami w warstwie pierwszej nad co drugim wgłębieniem (1 lub 2) 1 Przy układaniu warstwy trzeciej mamy dwie możliwości: Warstwa trzecia Nad kulami warstwy pierwszej (sekwencja ABABAB..); Nad niezajętymi poprzednio wgłębieniami w warstwie pierwszej (sekwencja ABCABC...) 21

ABABABAB.. W rezultacie powstaje struktura heksagonalna gęsto upakowana (hcp) 22

Struktura heksagonalna gęsto upakowana Ilość atomów w komórce: 2 Liczba koordynacyjna: 12 Gęstość upakowania: 0.74 Płaszczyzny najgęściej upakowane: (001) Stałe sieci są związane ze sobą zależnością: c a = 8 3 Struktura heksagonalna gęsto upakowana Jest to struktura heksagonalna z bazą dwuatomową. 0,0,0 1/3, 1/3, 1/2 23

Struktura heksagonalna gęsto upakowana W strukturze tej (hcp, A2) krystalizują np: Be, Cd, α-co, Hf, Ru, Sc, Ti, Y, Zn, α-zr, Mg ABCABCABC.. W rezultacie takiego upakowania powstaje struktura regularna płasko centrowana (fcc). 24

ABCABCABC.. Na tym rysunku widać regularną komórkę elementarną centrowaną ściennie: C-layer B-layer A-layer A-layer Na tym rysunku jeszcze lepiej widać (sześcian został nieco obrócony) regularną komórkę elementarną centrowaną ściennie: ABCABCABC.. 25

Struktura regularna płasko centrowana Ilość atomów w komórce: 4 Liczba koordynacyjna: 12 Gęstość upakowania: 0.74 Płaszczyzny najgęściej upakowane: (111) Struktura regularna płasko centrowana Komórka prymitywna i wektory prymitywne: 26

Struktura regularna płasko centrowana (ściennie centrowana) W strukturze płasko centrowanej krystalizują między innymi: - Metale - Gazy szlachetne Ac 5.311 Å Au 4.0782 Å Ni Ag 3.523 Å 4.0862 Å Pt Cu 3.9231 Å 3.6149 Å Pb 4.9505 Å In 3.244 Å Al 4.0496Å Ir 3.8394Å Czym różnią się (oprócz kształtu komórki) te struktury? Symetrią struktura regularna płasko centrowana ma wyższą symetrię. Ilością płaszczyzn gęsto upakowanych: w fcc: {111} w hcp: {001} 27

Inne struktury pierwiastków Mniej gęsto upakowane Struktura regularna wewnętrznie (objętościowo) centrowana Ilość atomów w komórce: 2 Liczba koordynacyjna: 8 Gęstość upakowania: 0.68 Płaszczyzny najgęściej upakowane: {111} W strukturze tej (bcc, A2) krystalizują np.: Cr, α-fe, Mo, Nb, Ta, V, W 28

Struktura diamentu Ilość atomów w komórce: 8 Liczba koordynacyjna: 4 Gęstość upakowania: 0.34 W strukturze diamentu krystalizują m.in.: C (a = 3,5668Å), Ge (5,6575Å), Si (5,4307Å), α-sn (6,4912Å) UWAGA: struktura diamentu nie jest siecią Bravais go. Jest to sieć fcc z bazą dwuatomową : (np. 000 i ¾ ¼ ¼ ) Struktura diamentu = + Struktura diamentu Sieć fcc Baza atomowa 29

Struktura grafitu Struktura grafitu A B A B 30

ZWIĄZKI CHEMICZNE Struktura chlorku cezu 1 Cs + /na komórkę elementarną 1 Cl - / na komórkę elementarną L k (Cs) = 8 Cl - Cs + 31

Struktura chlorku cezu W strukturze tej krystalizują: Związki między metalami: AgCd, AgMg, AgZn, AuMg, AuZn, BeCo, BeCu, BePd, CaTl, CaAl, MgTl, NiAl i inne; Związki jonowe: CsBr, CsCl, CsI Struktura chlorku sodu Bardzo wiele związków krystalizuje w strukturze chlorku sodu, np.: AgBr, BaO, BaS, MnO, MnS, MnO, MnSe, KI, LiBr, LiCl, RbCl, RbI, NaF, NaCl, NaBr, TiN, TiC,.. 32

ZnS S 2- ~ 1.84 Å; Zn 2+ ~ 0.60 0.57 Å; Zn:S = 1:1 ZnS krystalizuje w strukturze należącej do struktur gęsto upakowanych (UWAGA: ZnS nie ma dużej gęstości upakowania, ale uporządkowanie atomów należy do struktur gęsto upakowanych). W KTÓREJ? W obydwu FCC: Struktura blendy cynkowej (sfaleryt); HCP: Struktura wurcytu; Struktura blendy cynkowej: fcc z bazą dwuatomową 000 z Sieć FCC Baza: Zn w 000 S w ¼*(1,1,1) [1,1,1] x y Sześciokąty o kształcie krzesła 33

Struktura blendy cynkowej Związki jonowe - CuCl,CuF,CuI,.. np. AgI, ZnS, Wiele ważnych półprzewodników- InSb, InAs, GaAs, GaSb, CdS,.. Struktura heksagonalna z bazą dwuatomową. Struktura wurcytu 34

Struktura heksagonalna z bazą dwuatomową. Zn: 1/3, 2/3, 0 S: 1/3, 2/3, 3/8 Struktura wurcytu krzesło Blenda cynkowa/wurcyt krzesło W blendzie cynkowej wszystkie atomy tworzą konformację krzesła 35

Blenda cynkowa/wurcyt łódka C axis krzesło W wurcycie w dwóch kierunkach (a i b) atomy tworzą konformację krzesła a w kierunku c - łódkę Blenda cynkowa ABCABCABC Wurcyt ABABABAB A B C A A B A B B Z W W 36

Struktura fluorytu Wiele związków typu AB 2 (AuAl 2, BaCl 2, Na 2 O, ZrO 2 i inne) F - ~ 1.3 Å; Ca 2+ ~ 1.0 Å; Ca:F = 1:2 Struktura fluorytu krystalizuje w strukturze należącej do struktur gęsto upakowanych. W KTÓREJ? W FCC: tylko w fcc, ponieważ do hcp ma nieodpowiedni stosunek promieni jonowych. 37

Fluoryt Ca 2+ F - L K (F - ) = 4 L K (Ca 2+ ) = 8 38

Struktura perowskitu (CaTiO 3 ) duży kation - w narożach, mały - w środku, anion - na środkach ścian Wiele związków typu ABO 3 Krzemiany Dwa pierwiastki: tlen i krzem stanowią razem ponad 70% masy skorupy ziemskiej. Podstawowym elementem krzemianów jest czworościan SiO 2-4 39

Kryształy mogą zawierać: Pojedyncze jony SiO 4 połączone poprzez dodatnie jony metali; Grupy tetraedrów; Pierścienie; Ciągłe łańcuchy tetraedrów SiO 4; Płaszczyzny tetraedrów; Struktury 3-D tetraedrów. Krzemiany 40

1.5 Polymorphism Two or more distinct crystal structures for the same material (allotropy/polymorphism) titanium α, β-ti carbon diamond, graphite BCC FCC BCC iron system liquid 1538ºC δ-fe 1394ºC γ-fe 912ºC α-fe 41