Materija u čvrstom stanju poseduje određeni oblik,za ...
Transcript of Materija u čvrstom stanju poseduje određeni oblik,za ...
Čvrsto stanje materije
Materija u čvrstom stanju poseduje određeni
oblik,za razliku od onih u tečnom i gasovitom
stanju.
Atomi,molekuli i joni u čvrstom stanju ne
poseduju nikakvu pokretljivost
Pobuđivanje čestica u čvrstom stanju je pomoću
toplote, a sastoji se u oscilovanju oko svojih
ravnotežnih položaja uz povećanje amplitude
oscilovanja.
Razlikuju se sledeća stanja čvrste materije
1. Kristalno
2. Staklasto
3. Gumasto – polimerno stanje
Kristali
Glavna osobina: uređenost čestica od kojih je kristal izgrađen
Atomi,joni i molekuli su periodično poređani
Postoji uređenost kroz ceo kristal ili uređenost dugog dometa
Primer: kristal metalnog bakra ivice kocke 1cm (1cm3) sadrži 3 miliona atoma Cu kako na početku tako i i kraju niza
• Polikristalne strukture - one supstance koje
su sastavljene iz velikog broja sitnih kristala
(metali,celuloza)
Osobine kristala
1. Osobina ANIZOTROPIJA
Kod gasova i tečnosti fiz osobine su istovetne u svim pravcima – kod
kristala to nije slučaj
Fiz osobine:provođenje el struje,toplote,svetlosti,
zvuka NISU jednake u svim pravcima s obzirom na ose simetrije
kristala, zato su kristali anizotropne faze
Tečnosti i gasovi su izotropne faze
Primer: kada se površ kristala gipsa prevučena parafinom pritisne
zagrejanom iglom ne dobija se otisak krug vec elipsa
Ukazuje da prenošenje toplote nije isto u svim pravcima
2. Polimorfizam – osobina kristala da se isto
jedinjenje može pojaviti u dva ili više kristalna
oblika
Hem element u dva ili više kristalnih oblika zove
se alotropija (sumpor S rombična i
monociklična struktura, dijamant i grafit C)
3. Karakteristika kristala je da imaju oštru
tačku (temperaturu topljenja)
Stakla
Za stanje stakla koristi se pojam amorfno stanje.
Uređenost čestica se prostire do kratkog odstojanja od posmatrane čestice
Po unutrašnjoj građi stakla su slična tečnostima – zato se nekada zovu pothlaĎenim tečnostima
Za razliku od tečnosti pokretljivost čestica stakla je zanemarljiva
Nemaju oštru tačku topljenja
Prvo omekšaju, a onda se tope kroz interval temperature
Guma i polimeri
Guma se sastoji od dugačkih organskih molekula
koji se međusobno drže hemijskim ili
vodoničnim vezama ili Van der-Valsovim
Ispod temperature transformacije (kritične T)
guma i polimeri se ponašaju slično staklima
iznad ove T slično gumi
Kristalno stanje
Kristal je supstanca u kojoj su atomi,mol ili joni
tako gusto i pravilno poređani da poseduju
minimum potencijalne E
Za kristal su nađene 4 glavne vrste veza:
- Van der Valsova
- Jonska
- Kovalentna
- Metalna
Glavne vrste veza u kristalima
Veza Jačina
veze
primer Kristalno stanje
Vander-
Valsove
slaba čvrst H2,
Kr,parafin
Gusto pakovanje i slaba privlačnost
jedinki
Jonska jaka
KCl,
NaCl
Džinovski agregati pozitivno i
negativno naelektrisanih
jona,pakovanih tako da se zadovoljava
neutralnost naelektrisanja
Kovalentna jaka
Dijamant,
Si, Ge
Džinovski molekuli s usmerenim
vezama, pakovanje je određeno brojem
valenci i pravcem valenci
Metalna jaka
Metali Atomi metala odajući valentne e- čine
jone u moru elektrona
Sile između jona i e- uslovljavaju
jačinu metala. Pokretni e- omogućuju
električnu provodljivost
Prostorna kristalna rešetka ili mreža
Pravilan spoljni izgled kristala ukazuje na to da su čestice od kojih je izgrađen pravilno raspoređene
Moguće je zamisliti paralelne ravni koje prolaze kroz ove čestice (atomi,mol ili joni) i koje se seku međusobno
Preseci ovih ravni čine prostornu rešetku ili mrežu- dobila je naziv prostorna kristalna rešetka- mreža
Preseci zamišljenih ravni čine čvorove prostorne kristalne rešetke kojima odgovaraju položaji atoma jona ili molekula – NACRTATI SLIKU
Za svaku prostornu kristalnu rešetku može se naći
jedna najmanja zapremina koja u celini ima sve
osobine kristala – zove se elementarna ćelija
Ona je potpuno definisana kada se znaju broj i
vrsta čestica koje je sačinjavaju,njihov
raspored i meĎusobno rastojanje
Karakteristika prostorne rešetke je koordinacioni
broj
On podrazumeva broj najbližih istorodnih čestica
koje se nalaze na jednakom rastojanju oko
određene posmatrane čestice
Klasifikacija kristalnih sistema
Spoljna simetrija kristala je rezultat simetričnog rasporeda čestica od kojih je kristal izgrađen
Oblik elementarne ćelije je paralelopiped
Postoji 7 različitih paralelopipeda
Kristali su razvrstani u 7 kristalnih sistema na osnovu elementarnih ćelija
Tabela. Sedam kristalnih sistema
Sistem Ose Uglovi izmeĎu osa Primer
Kubni a = b = c α=β=γ= 90° NaCl
Tetragonalni a = b = c α=β=γ=90°
Beli kalaj
Ortorombični a=b=c
α=β=γ=90°
Rombični S
Monociklični a=b=c
α=γ=90 β=90°
Monociklični S
Romboedarski a=b=c
α=β=γ = 90°
Kalcit
Heksagonalni a=b=c α=β=90° γ=120°
Beril
Triklični a=b=c
α=β=γ=90°
Kalijum-bihromat
• Brave (Bravais) je pokazao da pored 7
elementarnih ćelija čiji se čvorovi nalaze na
rogljevima postoji još 7 elem ćelija koje sadrže
atome,mol ili jone ne samo na rogljevima već i
u unutrašnjosti paralelopipeda ili na njegovim
pljosnima- po Bravu postoji 14 elem ćelija
odn. prostornih kris rešetki
Simetrije kristala
1. Ravan simetrije – telo ima ravan simetrije kada se može
podeliti nekom zamišljenom ravni na dva dela (lik i
predmet u ogledalu)
2. Osa simetrije – je linija oko koje kristal može da rotira
tako da pokazuje isti izgled više puta u toku jednog punog
obrtaja
3. Centar simetrije – tačka kroz koju svaka linija mora da
seče kristalne površine na istom rastojanju sa obe strane
Kristal može imati jednu ili više ravni,jednu ili više osa
simetrije, ali samo jedan centar simetrije
Metode za ispitivanje strukture kristala
Laue je zaključio da bi kristali trebalo da se ponašaju
kao difrakcione rešetke kada na njih padnu x-zraci
ako su rastojanja atoma ili jona u kristalu tolika da
odgovaraju talasnoj duž X-zraka
Difrakcija x-zračenja na kristalima može se razumeti
ako se prihvati da je rešetka kristala prostorna
difrakciona rešetka, kao i da zračenje ima talasnu
prirodu. Delići kristalne rešetke predstavljaju centre
za rasejavanje x-zraka.
Bregova metoda
• Otac i sin Breg su dali prostiju metodu za
ispitivanje građe kristala pomoću x-zraka od
Laue-ove metode
• Konstruisao je spektrometar kojim je merio
intenzitet x-zraka na osnovu jonizacije gasa
koji izazivaju x-zraci kada prođu kroz gas u
jonizacionoj komori
Pokazao je da je moguće izolovati karakteristične x-
zrake odn. dobiti monohromatske x-zrake za
analizu građe kristala
Metoda se zasniva na Bregovom zakonu koji se
odnosi na difrakciju x-zraka
Slika difrakcije x-zraka pri njegovom prolasku kroz
kristal
Ravni A,A1,A2 i A3- ravni u kristalu koje sadrže
jone,atome ili mol od kojih je kristal izgrađen
Rastojanje između ravni je d
Na ove ravni pada snop paralelnih x-zraka G1 G2 G3
Pri čemu upadni ugao ima vrednost Θ
Θ – ugao sjaja
Neki x-zraci će se reflektovati i pod uglom refleksije
jednakim upadnom uglu Θ
Deo x-zraka će se apsorbovati , dok drugi bivaju
reflektovani od površ A, zatim A1, A2 itd
Zrak G1 delimično se reflektuje u tački O duž pravca OE
Zrak G2 delimično se reflektuje u tački O1 a zatim ponovo
u tački C
Da bi se zrak G2 pojavio u tački O mora da pređe
duži put nego zrak G1
Ako je razlika između ova dva puta tačno jednaka
celom umnošku talasne duž x-zraka,oba zraka G1
i G2 biće u fazi u tački O,tj pojačaće se intenzitet
reflektovanog zraka
Ako dva zraka nisu u fazi doći će do slabljenja
intenziteta zraka u tački O
Uslov za maximum intenziteta reflektovanog zraka
može se izraziti j-nom
G2CO – G1O = n·λ .............................(1)
λ – talasna dužina x-zraka, n – ceo broj
Slika difrakcija x-zraka pri prolasku kroz kristal
Duži OB i OD predstavljaju vertikale na duž G2D i
ravan A2
CO = CD sledi G2CO = G2D
Pošto je G1O = G2B
Može se pisati G2CO-G1O = G2D-G2B =BD......(2)
Iz j-ne (1) i (2) sledi
BD = n·λ .............................(3)
Ugao BOD = upadnom uglu Θ pa važi jednakost
Pošto je OD = 2d biće
BD = 2d sin Θ .........................(6)
Kombinovanjem j-ne (3) i (6) dobiće se
nλ = 2dsin Θ ...........................(7) Bregov zakon
Ovaj zakona kaže da će x-zraci određene λ biti upotrebljivo reflektovani sa paralalelnih ravni kristala kada na ravan padnu pod određenim uglom Θ
Pri datoj λ x-zraka doći će do pojave maximalne refleksije samo pri određenim uglovima sjaja Θ upadnih zrakova
J-na sadrži 4 nepoznate,pa ako su 3 poznate
moguće je izračunati četvrtu (pr d-rastojanje
između ravni)
Kristal NaCl je prvi kristal ispitan pomoću
Bregove metode
Intenzitet x-zraka koji podležu difrakciji zavisi od
mase čestica koje uslovljavaju difrakciju
Što je veća njihova masa veća je difrakcija
Ukoliko red refleksije raste utoliko intenzitet
difraktovanih zraka opada
Debaj-Šererova metoda
Bregova metoda nije bila pogodna za ispitivanje
supstanci zbog nepravilnosti kristala
Debaj i Šerer su to izbegli jer su upotrebili
supstancu u obliku praha
U ovom slučaju kristalne pljosni se nalaze u
svim mogućim pravcima,desiće se da je
izvestan broj kristala orjentisan tako da dođe
do maximalne refleksije x-zraka
Slika
Vidi se da za upadni ugao Θ,x-zraka, reflektovani zrak zaklapa ugao 2Θ sa pravcem upadnog zraka
U zavisnosti od orjentacije kristalnih ravni reflektovani zraci biće orjentisani u raznim pravcima oko centralnog zraka i to uvek za ugao 2Θ
Za svaki niz ravni reflektovani zraci opisuju konus koji pada na filmsku traku postavljenu po unutrašnjem obimu cilindrične komore pa se na njoj po razvijanju filma pojavljuju koncentrične linije
Ako je x-rastojanje linije od centra mrlje, a poluprečnik
filmske trake r, važi relacija
x/2πr = 2Θ/360°
x
2r X
x/2πr = 2Θ/360°
Odavde može da se izračuna ugao Θ, a zatim i
rastojanje ravni u kristalu
Za svaku supstancu po ovoj metodi dobijaju se
karakteristični difrakcioni dijagrami
Ona se upotrebljava za kvanti i kvali analizu pomoću
x-zraka
Za svrhe analize načini se fotografija za uzorak po
Debaj-Šererovoj metodi kao i za supstance koje se
očekuju u uzorku
Pojava identičnih linija na slikama ukazuje na
prisustvo odgovarajuće supstance u uzorku.
Intenzitet linija može da posluži za kvanti analizu
Rendgenska analiza pruža više informacija od
hemijske analize
Kvali (hemijska) analiza daje samo prisustvo
Ca,Na,Cl,Br u uzorku a ne da je to CaCl2 ,
NaBr, što daje rendgenska analiza
U slučaju difrakcionih dijagrama pojaviće se
linije karakteristične za prisutne supstance
Analiza kristala difrakcijom elektrona
U poređenju sa x-zracima prodorna moć elektrona je
mala pa se difrakcija e- može koristiti za
ispitivanje strukture površinskih slojeva – na pr
tanki oksidni slojevi po površini metala
Devison Džermerov eksperiment
Zasniva se na tome da snop e koji se emituje sa
usijane volframove žice (ubrzava se
pozitivnim naponom) i pada na kristal Ni se
rasejava (difrakcija zraka)
• Devison Džermerov eksperiment-snop elektrona koji se emituje sa usijane W žice ubrzava se pozitivnim naponom i pada na kristal Ni.
• Kristal Ni ima strukturu površinski centrirane kubne rešetke, za potrebe eksperimenta je s jedne strane isečen.