Kristali i što trebamo znati

1. Navesti i objasniti razliku u građi amorfnih i kristalnih tvari

2. Opisati građu kristalnih tvari

3. Pojmovi: kristalne tvari, amorfne tvari, kristalna rešetka, elementarna ćelija, ionski kristali, molekulski kristali, atomski kristali, polimorfija, kalavost

4. Opisati građu kristalne rešetke ionskih kristala, kovalentnih kristala i kristala metala

5. Opisati građu kristalne rešetka dijamanta i grafita

6. Povezati građu i vrstu veze u kristalima sa njihovim fizikalnim svojstvima

7. Usporediti svojstva ionskih kristala, kovalentnih kristala i kristala metala

KRISTALNE I AMORFNE TVARI

• Čvrste tvari mogu se podijeliti u dvije skupine: KRISTALNE I AMORFNE

• KRISTALNE TVARI su čvrste tvari čiji atomi, ioni ili molekule čine visoko uređen sustav što se odražava na njihov vanjski oblik pa se kristali razvijaju kao geometrijska tijela s ravnim plohama, bridovima i vrhovima.

• AMORFNE TVARI su čvrste tvari kojima nije svojstvena pravila unutrašnja građa (npr. maslac, guma, staklo)

• Nemaju geometrijski oblik, niti simetriju, u njihovim strukturama vlada popriličan nered.

• DAKLE: KRISTALNE TVARI AMORFNE TVARI

VRSTE KRISTALNIH TVARI- prema vrsti čestica od kojih su izgrađeni te vrsti sila među njima razlikujemo:

natrijev klorid

IONSKE KRISTALE

MOLEKULSKE KRISTALE KRISTALE METALA

ATOMSKE KRISTALE

led

dijamant

bakar

ELEMENTI SIMETRIJE KRISTALA I KRISTALNI SUSTAVI

• Kristali su pravilna geometrijska tijela omeđena ravnim plohama koje se sijeku u bridovima. Bridovi se sijeku u uglovima.

• Pravila građa kristala posljedica je pravilne unutarnje građe kristala. Plohe, bridovi i uglovi su elementi kojima se opisuje kristal.

• Kutevi između ploha iste tvari uvijek su isti – STENOOV ZAKON 1669. g.

• Niels Stensen je danski znanstvenik (1638.-1686.)

• Svaki kristal ima RAVNINU SIMETIJE i OS SIMETRIJE.

• Ravnina simetrije dijeli kristal na 2 jednaka dijela, kao predmet i slika na zrcalu.

• Jedan kristal može imati više ravnina simetrije, ali ima i kristala bez simetrije.

• Kristal ima os simetrije ako se rotacijom oko zamišljenog pravca za kut 2πn (n=2,3,4,6) pojave istovrsne plohe, bridovi i uglovi kakvi se vide na kristalu u položaju prije rotacije.

• Os oko koje kristal treba zarotirati za 180° dok se ne pojave istovrsni oblici zove se DIGONSKA OS SIMETRIJE ili DIGIRA ili OS DRUGOG REDA.

• TRIGONSKA OS SIMETRIJE ili TRIGIRA ili OS TREĆEG REDA pojavi se kada se kristal zarotira za 120°.

• Tada se pojave istovrsne plohe, bridovi i uglovi, odnosno ISTI OBLICI POJAVE SE TRI PUTA U TOKU ROTACIJE ZA 360°.

• Na kristalu se još pojavljuje OS TETRAGIRE (90°) i OS HEKSAGIRE (60°).

• Kod kristala se NE POJAVLJUJU osi petog reda niti ovi višeg reda od šestog.

• DIGIRA = 360:2 = 180°• TRIGIRA= 360:3 = 120°• TETRAGIRA= 360:4 = 90°• HEKSAGIRA= 360:6 = 60°

• Osi mogu biti različitih duljina i ne moraju zatvarati kuteve od 90°.

• Svaki kristal ima ELEMENTARNU (JEDINIČNU) ĆELIJU kristalne rešetke.

• To je najmanji dio kristala čija se periodičnim ponavljanjem u prostoru može izgraditi cijeli kristal.

• ELEMENTARNE ĆELIJE kristalnih rešetki različitih tvari međusobno se RAZLIKUJU.

• Sve poznate kristalne rešetke mogu se svrstati u 7 KRISTALNIH SUSTAVA.

• KRISTALOGRAFSKE OSI su elementi prema kojima se kristali mogu svrstati u 7 osnovnih kristalnih sustava.

1. KUBIČNI SUSTAV – 3 osi jednake duljine, međusobno okomite.

2. HEKSAGONSKI SUSTAV – 2 osi jednake duljine i zatvaraju kut od 120°. Treća os je okomita na ravninu što je čine prve dvije osi.

a=b=cα=β=γ=90°

a=b≠cα= β =90° γ =120°

3. TRIGONSKI ili ROMBOEDARSKI SUSTAV – 3 osi jednake duljine međusobno zatvaraju kut različit od 90°.

4. TETRAGONSKI SUSTAV – 2 osi jednake duljine. Treća os dulja ili kraća. Osi međusobno zatvaraju kut od 90°.

a=b=cα≠β≠γ≠90°

a=b≠cα=β=γ=90°

5. ROMPSKI SUSTAV - 3 osi različite duljine i međusobno okomite.

6. MONOKLINSKI SUSTAV – 3 osi različite duljine. Dvije osi međusobno zatvaraju kut od 90° a treća os s ravninom što je čine prve dvije osi zatvara kut različit od 90°.

7. TRIKLINSKI SUSTAV – 3 osi različite dužine međusobno zatvaraju kut različit od 90°.

a≠b≠cα=β=γ=90°

a≠b≠cα≠β≠γ≠90°

a≠b≠cα=γ=90°≠β

Elementarne (jedinične) ćelije u kubičnome kristalnom sustavu:

1. JEDNOSTAVNA KUBIČNA ĆELIJA – raspored građevnih jedinica je na vrhovima ćelije

• N= 8 x 1/8 = 1

• N..broj atoma u elementarnoj ćeliji

2. PROSTORNO (VOLUMNO) CENTRIRANA KUBIČNA ĆELIJA – osim na vrhovima, građevne jedinice ćelije nalaze se i na sjecištu prostornih dijagonala.

• N= 8 x 1/8 + 1 = 2

• D= a√3• D= 4r

• r =

• D... prostorna dijagonala kocke

a√3 4

D

3. PLOŠNO CENTRIRANA KUBIČNA ĆELIJA – osim na vrhovima, građevni elementi ćelije nalaze se i na sjecištima plošnih dijagonala.

• N= 8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4

• d=a√2

• d= 4r

• r=

d... dijagonala ploheNAPOMENA! Istaknuti su samo elementi koji grade prednju stranu ćelije radi bolje preglednosti. Ostali građevni elementi prikazani su crnim točkama.

a√2 4

d

Kako određujemo broj elemenata koji grade elementarnu ćeliju, N?

• 1 za svaki element koji u cjelini pripada toj ćeliji

• ½ za svaki element na PLOHI jer ga dijele dvije ćelije

• ¼ za svaki element na BRIDU jer ga dijele četiri ćelije

• ⅛ za svaki element u VRHU jer ga dijeli osam ćelija

IONSKI KRISTALI

• Izgrađeni su od iona suprotnog naboja povezanih jakim elektrostatskim privlačnim silama.

kristal NaCl

• Kloridni ioni razmješteni su u vrhovima i središtima ploha kocke gradeći tzv. plošno centriranu kubičnu elementarnu ćeliju.

• Natrijevi ioni razmješteni su u prazninama između aniona.

• Broj iona, suprotnog naboja, koji neposredno okružuje odgovarajući ion naziva se KOORDINACIJSKIM BROJEM.

• U kristalnoj rešetki natrijeva klorida kooordinacijski broj iona je 6.

Svojstva ionskih kristala

• građeni su od iona

• među ionima postoje elektrostatske privlačne sile (sila privlačenje među ionima je veća što su naboji veći, a udaljenost među njima manja)

• u kristalnoj rešetki razmještaj iona je pravilan

• u čvrstome stanju ne provode električnu struju – izolatori.

• Svi ionski kristali imaju svojstvo kalavosti, koje se očituje u tome da pod djelovanjem vanjske mehaničke sile dolazi do pomicanja slojeva u kristalu.

• velika tvrdoća

• topljivi su u vodi (polarne molekule razlažu kristalnu rešetku na slobodne ione koje zatim okružuju molekule vode – hidratizirani ioni)

• vode električnu struju u rastaljenom stanju i kao vodene otopine (elektroliti)

• visoko talište i vrelište

• pri sobnoj temperaturi su u čvrstom stanju

ATOMSKI KRISTALI

• građeni su od atoma koji su međusobno povezani kovalentnim vezama.

• Formiraju mrežu čitavim kristalom te je zapravo cijeli kristal jedna velika molekula.

• Ovoj skupini kristala pripadaju dvije alotropske modifikacije ugljika - grafit i dijamant.

Dijamant• svaki ugljikov atom vezan je s kovalentnim vezama na

četiri susjedna, tetraedarski razmještena, ugljikova atoma.

• Jake kovalentne veze između atoma uzrok su velike tvrdoće dijamanta.

• Zahvaljujući građi prostorne rešetke, dijamant se odlikuje specifičnim kemijskim i fizičkim svojstvima:

• bezbojan kristal;• najtvrđa poznata prirodna tvar;• visoko talište ( 3600 °C );• visok indeks loma svjetlosti;• nema slobodnih elektrona pa je dobar izolator

• Upotreba dijamanta:

• za brušenje najtvrđih materijala;• kao elektrodni (andoni) materijal za različite elektrokemijske

procese;• za rezanje stakla;• za izradu alata za bušenje i rezanje tvrdog kamena;• za izradu nakita

Grafit• Svaki atom ugljika povezan je kovalentnom vezom sa

susjedna tri C-atoma u istoj ravnini gradeći šesteročlane prstenove.

• Preostali nespareni elektron svakog pojedinog ugljikovog atoma delokaliziran je pa se može kretati u sloju.

• Između slojeva djeluju slabe van der Waalsove privlačne sile što omogućuje klizanje slojeva.

• Grafit je crna, mekana čvrsta tvar s visokim talištem i dobrom električnom vodljivošću.

Upotreba grafita:

• kao elektrodni materijal za razne elektrokemijske procese,

• za izradu posuda i lončića za taljenje metala,• za izadu grafitnih uložaka običnih olovaka,• raketnih mlaznica,• vlakana i odjeće (za povećanje otpornosti na

visoke temperature)• teniskih reketa,• automobilskih guma...

KALAVOST• Pravilno lomljenje smjerom određene plohe ako se na

kristal djeluje mehaničkom silom.

• Javlja se i kod ionskih kristala i drugih vrsta kristala kao npr. grafita.

POLIMORFIJA

• pojava da se kemijski spoj javlja u dva ili više kristalnih oblika pri promjeni tlaka i temperature.

• Ukoliko je polimorfija prisutna među elementima nazivamo je ALOTROPIJA. Npr. Dijamant, grafit i fuleren su alotropske modifikacije ugljika.

MOLEKULSKI KRISTALI

• građeni su od molekula kao npr. suhi led, jod, fosfor, sumpor.

• karakteristike ovakvih kristala su jake kovalentne veze u molekulama, ALI slabe međumolekulske sile.

Svojstva molekulskih kristala:

• mekani su

• imaju nisko talište i vrelište

• uglavnom netopljivi u vodi, ali dobro topljivi u organskim otapalima

• najčešće su to plinovi i tekućine, a ako su to čvrste tvari, lako su hlapljive

• ne provode električnu struju jer nemaju električki nabijenih čestica

KRISTALI METALA

• izgrađeni su od iona metala i elektrona npr. zlato, srebro, željezo, aluminij

• tvore guste slagaline, međusobno povezane u svim smjerovima.

• možemo razlikovati:- plošno centriranu kubičnu slagalinu- heksagonsku slagalinu- volumno centriranu kubičnu slagalinu

Svojstva metalnih kristala:

• metalni sjaj

• kovkost

• dobra električna i toplinska vodljivost

• uglavnom tvrdi

• visoko talište i vrelište

• topljivi samo u tekućim metalima