Аморфты және кристалл күйдегі материалдардың атомдық құрылымын анықтайтын параметрлеріне салыстырмалы сараптама жасау

Аморфты және кристалл күйдегі материалдардың  атомдық құрылымын анықтайтын параметрлеріне салыстырмалы сараптама жасау.

Заттың атомдық немесе дискреттік құрылымы жайлы теория ХХ ғасырдың басында ғана мойындалған болатын.  Бұл рентгеноскопия әдісінің ашылуына байланысты болды, онда зерттелетін зат рентген сәулесінің шоғына ендіріледі де, фотопластинкада зерттеліп отырған зат қабатынан шоқтың өткендегі бейнесі пайда болады. Рентген сәулелерінің шашырауы кейде қатаң реттілікпен орналасқан минимум және максимумдарға ие интерференциялық бейненің пайда болуына әкеліп соғады.   

Интерференциялық бейненің пайда болуы келесідей түсіндірілді: зат атомдық құрылымды, атомдар  берілген затқа тән кеңістіктік  қатаң реттелген, тор периодының белгілі бір мәні бар тор түзеді. Рентген сәулелерінің толқын ұзындықтары  тор параметрімен сәйкес келгенде, интерференциялық бейне пайда болады. Барлық «қатты денелер» үшін қатаң реттіліктегі интерференциялық бейнесі бар аумақтарды табуға болатыны, ал газдар, сұйықтар және шыныларда мұндай реттілік жоқ екені анықталды. Осыған байланысты заттарды реттелген немесе кристалды және реттіліксіз немесе аморфты деп бөлу қабылданған болатын.

Заттың құрылымы химиялық бөлшектердегі атомдардың орналасуымен ғана емес, сонымен қатар осы химиялық бөлшектердің кеңістікте орналасуымен анықталады. Қатты денелерде атомдар кеңістікте екі тәсілмен орналаса алады:

• Атомдардың ретсіз орналасуы, яғни олар бір-біріне қатысты белгілі бір орын алмай орналасуы. Мұндай денелер аморфты деп аталады. 

Аморфтық заттар қатты  денелердің формальды сипатына ие, яғни олар тұрақты көлем және пішінді  сақтап тұра алады. Бірақ оларда нақты  кристаллизация және балқу температурасы  жоқ. Аморфтық күй үшін тек жақын реттіліктің болуы тән. Аморфтық заттардың құрылымы сұйық тектес, бірақ олардың аққыштығы олардан едәуір аз. Аморфтық күй көбінесе тұрақсыз. Механикалық салмақтар әсерінен немесе температура өзгерісіне байланысты аморфтық денелер кристалданып кетуі мүмкін. Аморфтық күйдегі заттардың реакциялық қабілеті кристалдық күйдегі заттардан едәуір жоғары болып келеді.   

• Атомдардың реттілікпен орналасуы, яғни атомдар кеңістікте белгілі бір орындарды алып орналасады. Мұндай заттар кристалдық құрылымды болып табылады. 

Белгілі бір жағдайларда олар дұрыс симметриялық көпжақтардың формасына ие болуы мүмкін. Кристалдық күй бөлшектердің орналасуындағы алыс реттіліктің болуы мен кристалдық тордың симметриясымен сипатталады. 

Атомдар өздерінің орташа қалпына қатысты жиілігі 10¹³ Гц болатын тербелістер жасап тұрады. Бұл тербелістердің амплитудасы температураға пропорционал болып табылады.

Атомдардың кеңістікте ретті орналасуына байланысты олардың центрлерін жалған түзу сызықтармен жалғастыруға болады. Осындай қиылысатын сызықтардың үйлесімі кристалдық тор деп аталатын кеңістіктік торды береді.

Атомдардың сыртқы электрондық  орбиталары бір-біріне тиіп тұрады, сондықтан  кристалдық тордағы атомдардың орналасу тығыздығы едәуір үлкен. Кристалдық қатты денелер кристалдық дәндерден  – кристаллиттерден тұрады. Көршілес дәндерде кристалдық торлар бір-біріне қатысты белгілі бұрышқа бұрылған.    

Кристаллиттерде жақын және алыс реттілік сақталып отырады. Бұл  белгілі бір атомды қоршап тұрған тұрақтылығы мен ретті орналасуы  бар көршілерінің болуымен қатар (жақын  реттілік), одан дән шекарасына дейін  біршама қашықтықта орналасқан атомдардың болатынын да білдіреді (алыс реттілік).   

      

        а)                                    б)

Сурет 1. Атомдардың кристалдық (а) және аморфтық (б) материалда орналасуы.   

Диффузия салдарынан жеке атомдар кристалдық тор түйіндеріндегі өз орындарын тастап кетуі мүмкін, бірақ бұл жағдайда кристалдық құрылымның реттілігі жалпы бұзылмайды.

Аморфтық материалдар

Заттың аморфтық (грекше «аморфос» - формасыз) күйінің негізгі  белгісі – кристалдық күйге тән  атомдық немесе молекулалық тордың, яғни үшөлшемді периодты құрылымның болмауы болып табылады.

Сұйық затты суытқан кезде  әрқашан кристалдану процесі  жүзеге аспайды. Белгілі бір жағдайларда  тепе – теңсіз қатты аморфтық (шынытәріздес) күй пайда болуы мүмкін. Шынытәріздес күйде жай заттар (көміртек, фосфор мышьяк, күкірт, селен), оксидтер (мысалы, бор, кремний, фосфор), галогенидтер, халькогенидтер және көптеген органикалық полимерлер бола алады. 

Бұл күйде зат уақыттың ұзақ аралығында тұрақты болуы мүмкін, мысалы, кейбір жанартаулық шынылардың жасы миллион жылдармен саналады. Шынытәріздес аморфты күйдегі заттардың  физикалық және химиялық қасиеттері кристалдық заттың қасиеттерінен едәуір ерекше болуы мүмкін. Мысалы, шынытәріздес германий диоксидінің химиялық активтілігі кристалдыққа қарағанда жоғары болып келеді. Сұйық және қатты аморфтық күйдің айырмашылығы бөлшектердің жылулық қозғалысының сипатымен анықталады: аморфтық күйде бөлшектер тербелмелі және айналмалы қозғалыста ғана бола алады, зат қабаты бойымен қозғала алмайды.  Қатты түрде тек аморфтық күйде бола алатын заттар бар. Бұл тізбегінің жалғасуы біртексіз полимерлерге қатысты.

Аморфтық денелер изотропты  болып табылады, яғни механикалық, оптикалық, электрлік және басқа қасиеттер  бағытқа тәуелді емес. Аморфтық денелерде  бекітілген балқу температурасы  жоқ: балқу белгілі бір температура  интервалында жүзеге асады. Аморфтық заттың қатты күйден сұйыққа өтуі кезінде  қасиеттердің секірмелі өзгерісі байқалмайды. Аморфтық күйдің физикалық моделі әлі  жасалмаған. 

Кристалдық материалдар

Қатты кристалдар – барлық бағытта құрылымның бір элементінің (элементарлық ұяшықтың) қатаң қайталануымен сипатталатын үшөлшемді түзілістер.  Элементарлық ұяшық дегеніміз кристалда шексіз қайталанатын параллелепипед түріндегі кристалдың ең аз көлемі.  Геометриялық тұрғыдан кристалдардың дұрыс пішіні олардың қатаң заңдылықпен орналасқан ішкі құрылымына байланысты. Егер атомдар, иондар немесе молекулалар орнына осы бөлшектердің ауырлық центрлері ретінде нүктелерді бейнелейтін болсақ, онда осындай нүктелердің үшөлшемді бірқалыпты таралуы пайда болады. Нүктелерді кристалдық тордың түйіндері деп атайды.

Кристалдық тор  түрлері

Кристалдық тордың қандай бөлшектерден құралғаны және олардың  арасындағы химиялық байланыс сипатына қарай кристалдардың әр тұрлі  типтерін бөліп қарастырады.

Иондық кристалдар катиондар және аниондармен түзілген (мысалы, көп металдардың тұздары мен гидроксидтері). Оларда бөлшектер арасында иондық байланыс болады.

 

 

 

Иондық кристалдар біратомды  иондардан құралуы мүмкін. осылайша натрий хлориді, калий иодиді, кальций  фторидінің кристалдары құралған. Көптеген тұздардың иондық кристалдарын құруға металдардың біратомды катиондары мен көпатомды аниондар қатысады, мысалы, нитрат-ион NO₃⁻, сульфат-ион SO₄²⁻, карбонат-ион CO₃²⁻.

Иондық кристалда жеке молекулаларды бөліп қарастыру  мүмкін емес. Әрбір катион әрбір  анионға тартылып, басқа катиондардан тебіледі. Жалпы кристалды үлкен  молекула деп санауға болады. Мұндай молекуланың мөлшері шектелмеген,  себебі ол жаңа катиондар мен аниондарды қосып алып, өсе алады.

Көбінесе иондық кристалдар қатты, бірақ нәзік болып келеді. Олардың нәзіктігі тіпті аз ғана деформация кезінде катиондар мен  аниондардың ығысуы аттас иондар арасындағы тебілу күштерінің катиондар  мен аниондар арасындағы тартылыс күшінен  асып түсуіне, соның салдарынан кристалдың  бұзылуына байланысты.

Иондық кристалдарға жоғары балқу температурасы тән. Иондық кристалды заттар балқыған күйінде  электрөткізгіш болып табылады. Суда ерігенде бұл заттар катиондар мен  аниондарға диссоциацияланады да, түзілген ертітінділер электр тогын өткізеді.

Атомдық кристалдар ковалентті байланыста болатын жеке атомдардан құралған. Жай заттардан тек бор  және IVA-топтың элементтері осындай кристалдық торға ие болады. Металл еместердің бір-бірімен қосылыстары да жиі атомдық кристалдар түзеді (мысалы, кремний диоксиді).

Иондық сияқты атомдық  кристалдарды да гигант молекулалар  деп қарастыруға болады. Олар өте  берік және қатты, жылу мен электр тогын нашар өткізеді. Атомдық  кристалдық торға ие заттардың балқу  температуралары өте жоғары. Олар қандай да бір еріткіштерде ерімейді. Оларға төмен реакциялық қабілет  тән.

Молекулалық кристалдар ішіндегі атомдары ковалентті байланысқан жеке молекулалардан құралған. Молекулалар  арасында әлсіз молекулааралық күштер бар. Олар оңай бұзылады, сондықтан  молекулалық кристалдар төмен балқу  температурасы, аз қаттылық, жоғары ұшқыштыққа ие. Молекулалық кристалдық тор түзетін  заттар электрөткізгіштікке ие болмайды. Олардың ерітінділері мен балқымалары  да электр тогын өткізбейді.

Молекулааралық күштер бір  молекуланың теріс зарядталған  электрондарының көрші молекулалардың оң зарядталған ядроларымен электростатикалық  әсерлесуі нәтижесінде пайда  болады. Молекулааралық әсерлесудің  күшіне әр түрлі факторлар әсер етеді. Олардың арасындағы маңыздылары  полярлық байланыстардың болуы, яғни электрондық  тығыздықтың бір атомнан келесі атомдарға қарай ығысуы. Сонымен  қатар, молекулааралық байланыс электрон саны көп молекулалар арасында байқалады.

Жай заттар түріндегі көптеген бейметалдар (мысалы, иод I₂, аргон Ar, күкірт S₈) және бір-бірімен қосылыс түзгенде (мысалы, су, көміртек диоксиді, хлосутек) және барлық қатты органикалық заттар молекулалық кристалдар түзеді. 

Металдар үшін металдық кристалдық тор тән. Онда атомдар арасында металдық байланыс бар. Металдық кристалдарда атом ядролары олардың орналасуы тығызырақ болатындай етіп орналасқан. Мұндай кристалдардағы байланыс делокальданған және түгел кристалға таралады. Металдық кристалдар жоғары жылу- және электрөткізгіштікке, металдық жылтырға, мөлдірсіздікке және оңай деформацияға ие.

Кристалдық торлардың  жүйеленуі шектік жағдайларға жуаап  береді. Бейорганикалық заттардың көптеген кристалдары аралық типтерге ие –  ковалентті-ионды, молекулалы-ковалентті және т.б. Мысалы, графит кристалында  әр қабат ішіндегі байланыстар ковалентті-металдық, ал қабаттар арасында – молекулааралық. 

Изоморфизм және полиморфизм

Көптеген кристалдық заттар бірдей құрылымға ие. Сондай-ақ белгілі  бір зат әр түрлі кристалдық құрылымға  ие болуы мүмкін. Бұл изоморфизм және полиморфизм құбылыстарында көрініс  табады.

Изоморфизм атомдар, иондар және молекулалардың кристалдық құрылымдарда бір-бірін алмастыра алу қабілеті болып табылады.  Бұл термин (грекше "изос" - бірдей және "морфе" - форма) Э. Мичерлихпен 1819 ж. ұсынылған болатын. Изоморфизм заңы Э. Мичерлихпен 1821 ж. былайша айтылған болатын: "Бірдей әдіспен байланысқан бірдей атомдар саны бірдей кристалдық формаларды береді; сонда кристалдық форма атомдардың химиялық табиғатына тәуелді емес, ол тек қана олардың саны және салыстырмалы орналасуымен анықталады".

Изоморфизм табиғатта кең тараған. Минералдардың көпшілігі күрделі айнымалы құрамы бар изоморфты қоспалар түзеді. Мысалы, сфалерит минералында ZnS мырыштың 20% атомы темір атомдарымен алмастырыла алады (сондағы ZnS және FeS әр түрлі кристалдық құрылымға ие). 

Көптеген заттар құрамы бір, бірақ құрылымы және қасиеттері әр түрлі кристалды торларды (полиморфтық  модификациялар) түзе алады.  

Полиморфизм – қатты заттар мен сұйық кристалдардың екі немесе одан да көп формада химиялық құрамы бір, бірақ әр түрлі кристалдық құрылым мен қасиетке ие болу қабілеті. Полиморфизм құбылымы 1798 ж. М. Клапротпен ашылған, ол кальцит және арагонит деген екі минералдың химиялық құрамы СаСО₃ бір екенін анықтаған.

Жай заттардың полиморфизмін  аллотропия деп атайды. Полиморфтық  формалардың мысалы – көміртек модификациялары (алмаз, лонсдейлит, графит, карбиндер и фуллерендер), олардың қасиеттері бір-бірінен едәуір ерекшеленеді.

Кейбір қарапайым және күрделі заттар екіден көп полиморфтық модификацияға ие болуы мүмкін. Мысалы, кремний диоксиді 10 модификация, кальций фториді – 6, аммоний нитраты – 4 модификацияға ие. Полиморфтық модификацияларды α, β, γ, δ, ε,... деп белгілеу қабылданған.

Бір полиморфтық модификацияның екіншісіне ауысуы полиморфтық түрлену  деп аталады. Бұл түрленулер температура  мен қысымның өзгерісінде жүреді және қасиеттердің секірмелі өзгерісіне әкеледі.

Осылай, біз осы жұмыста  аморфтық және кристалдық материалдардың атомдық құрылымын анықтайтын параметрлерге  сараптама жасадық.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Әл-Фараби атындағы Қазақ  Ұлттық Университеті

Физика-техникалық факультеті

 

 

 

 

 

СӨЖ №1

Аморфты және кристалл күйдегі материалдардың  атомдық құрылымын анықтайтын параметрлеріне салыстырмалы сараптама жасау.

 

                         Тексерген: Тауасаров Қ.Ә.

                                                                                 Орындаған: Медянова Б.С.

                    409-топ МТ

 

 

 

 

 

 

Алматы - 2012