Zaten bildiğimiz gibi, bir madde üç toplanma durumunda mevcut olabilir: gazlı, zor Ve sıvı. Normal şartlarda gaz halinde olan oksijen, -194°C sıcaklıkta mavimsi bir sıvıya, -218,8°C sıcaklıkta ise mavi kristalli kar benzeri bir kütleye dönüşür.
Katı haldeki bir maddenin varlığına ilişkin sıcaklık aralığı kaynama ve erime noktalarına göre belirlenir. Katılar kristalimsi Ve amorf.
sen amorf maddeler Sabit bir erime noktası yoktur; ısıtıldıklarında yavaş yavaş yumuşarlar ve sıvı bir duruma dönüşürler. Bu durumda örneğin çeşitli reçineler ve hamuru bulunur.
Kristal maddeler Bunlar, kendilerini oluşturan parçacıkların (atomlar, moleküller ve iyonlar) uzayda kesin olarak tanımlanmış noktalardaki düzenli düzeniyle ayırt edilirler. Bu noktalar düz çizgilerle birleştirildiğinde uzaysal bir çerçeve oluşturulur, buna kristal kafes denir. Kristal parçacıklarının bulunduğu noktalara denir kafes düğümleri.
Kafesin hayal ettiğimiz düğümleri iyonları, atomları ve molekülleri içerebilir. Bu parçacıklar salınım hareketleri gerçekleştirir. Sıcaklık arttığında bu salınımların aralığı da artar, bu da cisimlerin termal genleşmesine yol açar.
Kristal kafesin düğümlerinde bulunan parçacıkların türüne ve aralarındaki bağlantının niteliğine bağlı olarak dört tip kristal kafes ayırt edilir: iyonik, atomik, moleküler Ve maden.
İyonik Bunlara iyonların düğümlerde yer aldığı kristal kafesler denir. Hem basit Na+, Cl- iyonlarını, hem de kompleks SO24-, OH-'yi bağlayabilen iyonik bağlı maddelerden oluşurlar. Bu nedenle, iyonik kristal kafesler metallerin tuzlarına, bazı oksitlerine ve hidroksillerine sahiptir; iyonik bir kimyasal bağın mevcut olduğu maddeler. Bir sodyum klorür kristali düşünün; pozitif olarak değişen Na+ ve negatif CL- iyonlarından oluşur ve birlikte küp şeklinde bir kafes oluştururlar. Böyle bir kristaldeki iyonlar arasındaki bağlar son derece kararlıdır. Bu nedenle iyonik kafese sahip maddeler nispeten yüksek mukavemete ve sertliğe sahiptirler; refrakterdirler ve uçucu değildirler.
atomik Kristal kafesler, düğümleri ayrı ayrı atomlar içeren kristal kafeslerdir. Bu tür kafeslerde atomlar birbirine çok güçlü kovalent bağlarla bağlanır. Örneğin elmas, karbonun allotropik modifikasyonlarından biridir.
Atomik kristal kafese sahip maddeler doğada çok yaygın değildir. Bunlar arasında kristal bor, silikon ve germanyumun yanı sıra karmaşık maddeler, örneğin silikon (IV) oksit - Si02 içerenler: silika, kuvars, kum, kaya kristali bulunur.
Atomik kristal kafesli maddelerin büyük çoğunluğu çok yüksek erime noktalarına sahiptir (elmas için 3500 ° C'yi aşar), bu tür maddeler güçlü ve serttir, pratik olarak çözünmez.
Moleküler Bunlara moleküllerin düğümlerde yer aldığı kristal kafesler denir. Bu moleküllerdeki kimyasal bağlar ayrıca polar (HCl, H 2 0) veya polar olmayan (N 2, O 3) olabilir. Moleküllerin içindeki atomlar çok güçlü kovalent bağlarla bağlı olmasına rağmen, moleküllerin kendi aralarında zayıf moleküller arası çekim kuvvetleri etki eder. Moleküler kristal kafeslere sahip maddelerin düşük sertlik, düşük erime noktası ve uçuculuk ile karakterize edilmesinin nedeni budur.
Bu tür maddelerin örnekleri arasında katı su - buz, katı karbon monoksit (IV) - "kuru buz", katı hidrojen klorür ve hidrojen sülfür, bir - (soylu gazlar), iki - (H2, O2, CL 2 , N 2 , I 2), üç - (O 3), dört - (P 4), sekiz atomik (S 8) molekül. Katı organik bileşiklerin büyük çoğunluğu moleküler kristal kafeslere (naftalin, glikoz, şeker) sahiptir.
blog.site, materyalin tamamını veya bir kısmını kopyalarken, orijinal kaynağa bir bağlantı gereklidir.
Bir maddenin katı halden sıvı hale geçmesine denir erime. Katı kristal bir gövdeyi eritmek için belirli bir sıcaklığa ısıtılması, yani ısı sağlanması gerekir.Bir maddenin eridiği sıcaklığa denirmaddenin erime noktası.
Ters işlem (sıvı durumdan katı duruma geçiş), sıcaklık düştüğünde, yani ısı ortadan kalktığında meydana gelir. Bir maddenin sıvı halden katı hale geçmesine denirsertleşme , veya kristallizasyon . Bir maddenin kristalleştiği sıcaklığa denirkristal sıcaklığıdüşünceler .
Deneyimler, herhangi bir maddenin aynı sıcaklıkta kristalleştiğini ve eridiğini göstermektedir.
Şekilde kristal bir cismin (buz) sıcaklığına karşı ısıtma süresinin (noktadan itibaren) grafiği gösterilmektedir. A asıl noktaya D) ve soğuma süresi (noktadan D asıl noktaya k). Yatay eksende zamanı, dikey eksende sıcaklığı gösterir.
Grafik, sürecin gözlemlenmesinin buz sıcaklığının -40 ° C olduğu andan itibaren veya dedikleri gibi zamanın ilk anındaki sıcaklıktan başladığını göstermektedir. Tbaşlangıç= -40 °С (nokta A grafikte). Daha fazla ısıtmayla buzun sıcaklığı artar (grafikte bu bölüm AB). Sıcaklık 0 °C'ye (buzun erime sıcaklığı) yükselir. 0°C'de buz erimeye başlar ve sıcaklığının yükselmesi durur. Tüm erime süresi boyunca (yani buzun tamamı eriyene kadar), brülör yanmaya devam etmesine ve dolayısıyla ısı sağlanmasına rağmen buzun sıcaklığı değişmez. Erime işlemi grafiğin yatay bölümüne karşılık gelir Güneş . Ancak buzun tamamı eriyip suya dönüştükten sonra sıcaklık yeniden yükselmeye başlar (bölüm CD). Su sıcaklığı +40 °C'ye ulaştıktan sonra brülör söndürülür ve su soğumaya başlar, yani ısı uzaklaştırılır (bunu yapmak için, suyla dolu bir kabı buzlu daha büyük başka bir kaba yerleştirebilirsiniz). Su sıcaklığı düşmeye başlar (bölüm Almanya). Sıcaklık 0 °C'ye ulaştığında, ısının hala ortadan kalkmasına rağmen su sıcaklığının düşmesi durur. Bu suyun kristalleşmesi sürecidir - buz oluşumu (yatay bölüm) E.F.). Suyun tamamı buza dönüşene kadar sıcaklık değişmeyecektir. Ancak bundan sonra buz sıcaklığı düşmeye başlar (bölüm FK).
Ele alınan grafiğin görünümü aşağıdaki şekilde açıklanmaktadır. Sitede AB Sağlanan ısı nedeniyle buz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi artar ve sıcaklığı artar. Sitede GüneşŞişenin içeriği tarafından alınan tüm enerji, buz kristali kafesinin yok edilmesi için harcanır: moleküllerinin düzenli uzamsal düzeninin yerini düzensiz bir düzenleme alır, moleküller arasındaki mesafe değişir, yani. Moleküller, madde sıvı hale gelecek şekilde yeniden düzenlenir. Moleküllerin ortalama kinetik enerjisi değişmez, dolayısıyla sıcaklık değişmeden kalır. Erimiş buzlu suyun sıcaklığında daha fazla artış (bölgede) CD) brülörün sağladığı ısı nedeniyle su moleküllerinin kinetik enerjisinin artması anlamına gelir.
Suyu soğuturken (bölüm Almanya) enerjinin bir kısmı ondan alınır, su molekülleri daha düşük hızlarda hareket eder, ortalama kinetik enerjileri düşer - sıcaklık düşer, su soğur. 0°C'de (yatay kesit) E.F.) moleküller belirli bir sırayla dizilmeye başlar ve bir kristal kafes oluşturur. Bu işlem tamamlanıncaya kadar, ısının alınmasına rağmen maddenin sıcaklığı değişmeyecektir, yani katılaşırken sıvı (su) enerji açığa çıkarır. Bu tam olarak buzun emdiği, sıvıya dönüştüğü enerjidir (bölüm Güneş). Sıvının iç enerjisi katınınkinden daha büyüktür. Erime (ve kristalleşme) sırasında vücudun iç enerjisi aniden değişir.
1650 ºС'nin üzerindeki sıcaklıklarda eriyen metallere denir refrakter(titanyum, krom, molibden vb.). Tungsten aralarında en yüksek erime noktasına sahiptir - yaklaşık 3400 ° C. Refrakter metaller ve bunların bileşikleri, uçak yapımında, roketçilikte, uzay teknolojisinde ve nükleer enerjide ısıya dayanıklı malzemeler olarak kullanılır.
Bir maddenin erirken enerji emdiğini bir kez daha vurgulayalım. Kristalleşme sırasında ise tam tersine çevreye salınır. Kristalleşme sırasında açığa çıkan belirli miktarda ısıyı alan ortam ısınır. Bu birçok kuş tarafından iyi bilinmektedir. Kışın soğuk havalarda nehirleri ve gölleri kaplayan buzun üzerinde otururken görülmeleri şaşılacak bir şey değil. Buz oluştuğunda ortaya çıkan enerji nedeniyle üzerindeki hava, ormandaki ağaçlara göre birkaç derece daha sıcak olur ve kuşlar bundan yararlanır.
Amorf maddelerin erimesi.
Belirli bir varlığın kullanılabilirliği erime noktaları- Bu kristalli maddelerin önemli bir özelliğidir. Bu özelliği sayesinde katı olarak da sınıflandırılan amorf cisimlerden kolaylıkla ayırt edilebilirler. Bunlar arasında özellikle cam, çok viskoz reçineler ve plastikler bulunur.
Amorf maddeler(kristalin olanların aksine) belirli bir erime noktasına sahip değildirler - erimezler, yumuşarlar. Örneğin bir cam parçası ısıtıldığında önce sertten yumuşak hale gelir, kolayca bükülebilir veya gerilebilir; daha yüksek sıcaklıkta parça kendi yerçekiminin etkisi altında şekil değiştirmeye başlar. Isındıkça kalın viskoz kütle, içinde bulunduğu kabın şeklini alır. Bu kütle önce bal gibi kalın, sonra ekşi krema gibi ve sonunda neredeyse su ile aynı düşük viskoziteli sıvı haline gelir. Ancak burada katının sıvıya geçişinin belirli bir sıcaklığını belirtmek mümkün değildir çünkü mevcut değildir.
Bunun nedenleri, amorf cisimlerin yapısındaki kristalin yapılardan temel farklılıkta yatmaktadır. Amorf cisimlerdeki atomlar rastgele düzenlenir. Amorf cisimler yapıları itibariyle sıvılara benzerler. Zaten katı camda atomlar rastgele düzenlenmiştir. Bu, camın sıcaklığının arttırılmasının yalnızca moleküllerinin titreşim aralığını arttırdığı ve onlara giderek daha fazla hareket özgürlüğü sağladığı anlamına gelir. Bu nedenle, cam yavaş yavaş yumuşar ve moleküllerin katı bir düzenden düzensiz bir düzene geçişin özelliği olan keskin bir "katı-sıvı" geçişi sergilemez.
Füzyon ısısı.
Erime Isısı- bu, bir maddeyi katı kristal halinden tamamen sıvıya dönüştürmek için erime noktasına eşit sabit basınç ve sabit sıcaklıkta bir maddeye verilmesi gereken ısı miktarıdır. Erime ısısı, bir maddenin sıvı halden kristalleşmesi sırasında açığa çıkan ısı miktarına eşittir. Erime sırasında bir maddeye verilen ısının tamamı moleküllerinin potansiyel enerjisini artırmaya gider. Erime sabit sıcaklıkta gerçekleştiğinden kinetik enerji değişmez.
Aynı kütledeki çeşitli maddelerin erimesini deneysel olarak inceleyerek, bunları sıvıya dönüştürmek için farklı miktarlarda ısıya ihtiyaç duyulduğunu fark edebiliriz. Örneğin, bir kilogram buzu eritmek için 332 J enerji, 1 kg kurşunu eritmek için ise 25 kJ enerji harcamanız gerekir.
Vücut tarafından salınan ısı miktarı negatif kabul edilir. Bu nedenle kütleli bir maddenin kristalleşmesi sırasında açığa çıkan ısı miktarını hesaplarken M, aynı formülü kullanmalısınız ancak eksi işaretiyle:
Yanma ısısı.
Yanma ısısı(veya kalorifik değer, kalori içeriği) yakıtın tamamen yanması sırasında açığa çıkan ısı miktarıdır.
Cesetleri ısıtmak için genellikle yakıtın yanması sırasında açığa çıkan enerji kullanılır. Geleneksel yakıt (kömür, petrol, benzin) karbon içerir. Yanma sırasında karbon atomları havadaki oksijen atomlarıyla birleşerek karbondioksit moleküllerini oluşturur. Bu moleküllerin kinetik enerjisinin orijinal parçacıklarınkinden daha büyük olduğu ortaya çıkar. Yanma sırasında moleküllerin kinetik enerjilerinin artmasına enerji salınımı denir. Yakıtın tamamen yanması sırasında açığa çıkan enerji, bu yakıtın yanma ısısıdır.
Yakıtın yanma ısısı yakıtın türüne ve kütlesine bağlıdır. Yakıtın kütlesi ne kadar büyük olursa, tam yanması sırasında açığa çıkan ısı miktarı da o kadar büyük olur.
1 kg ağırlığındaki yakıtın tamamen yanması sırasında açığa çıkan ısı miktarını gösteren fiziksel niceliğe denir. yakıtın yanma özgül ısısı.Yanma özgül ısısı harfle gösterilirQve kilogram başına joule (J/kg) cinsinden ölçülür.
Isı miktarı Q Yanma sırasında açığa çıkan M kg yakıt aşağıdaki formülle belirlenir:
Rastgele bir kütleye sahip bir yakıtın tamamen yanması sırasında açığa çıkan ısı miktarını bulmak için, bu yakıtın özgül yanma ısısının kütlesi ile çarpılması gerekir.
Bir maddenin yapısı yalnızca kimyasal parçacıklardaki atomların göreceli düzeniyle değil, aynı zamanda bu kimyasal parçacıkların uzaydaki konumuyla da belirlenir. Atomların, moleküllerin ve iyonların en düzenli düzeni kristaller(Yunanca'dan " kristaller" - buz), burada kimyasal parçacıklar (atomlar, moleküller, iyonlar) belirli bir sırayla düzenlenerek uzayda bir kristal kafes oluşturur. Belirli oluşum koşulları altında, düzenli simetrik çokyüzlülerin doğal şekline sahip olabilirler. Kristal durumu parçacıkların düzenlenmesinde uzun menzilli düzenin varlığı ve simetri kristal kafesi ile karakterize edilir.
Amorf durum yalnızca kısa menzilli düzenin varlığıyla karakterize edilir. Amorf maddelerin yapıları sıvılara benzer ancak akışkanlığı çok daha azdır. Amorf durum genellikle kararsızdır. Mekanik yüklerin veya sıcaklık değişimlerinin etkisi altında amorf cisimler kristalleşebilir. Amorf durumdaki maddelerin reaktivitesi kristal duruma göre çok daha yüksektir.
Amorf maddeler
Ana işaret amorf(Yunanca'dan " şekilsiz" - biçimsiz) maddenin durumu - atomik veya moleküler bir kafesin yokluğu, yani kristal durumun karakteristik yapısının üç boyutlu periyodikliği.
Sıvı bir madde soğutulduğunda her zaman kristalleşmez. belirli koşullar altında dengesiz bir katı amorf (camsı) durum oluşabilir. Camsı hal, basit maddeler (karbon, fosfor, arsenik, kükürt, selenyum), oksitler (örneğin bor, silikon, fosfor), halojenürler, kalkojenitler ve birçok organik polimer içerebilir.
Bu durumda madde uzun süre stabil kalabilir; örneğin bazı volkanik camların yaşının milyonlarca yıl olduğu tahmin edilmektedir. Camsı amorf haldeki bir maddenin fiziksel ve kimyasal özellikleri, kristalli bir maddenin özelliklerinden önemli ölçüde farklı olabilir. Örneğin camsı germanyum dioksit kimyasal olarak kristal olandan daha aktiftir. Sıvı ve katı amorf halin özelliklerindeki farklılıklar, parçacıkların termal hareketinin doğası ile belirlenir: amorf durumda parçacıklar yalnızca salınım ve dönme hareketleri yapabilir, ancak madde içinde hareket edemezler.
Amorf bir durumda yalnızca katı halde bulunabilen maddeler vardır. Bu, düzensiz birim dizisine sahip polimerleri ifade eder.
Amorf cisimler izotropik yani mekanik, optik, elektriksel ve diğer özellikleri yöne bağlı değildir. Amorf cisimlerin sabit bir erime noktası yoktur; erime belirli bir sıcaklık aralığında meydana gelir. Amorf bir maddenin katı durumdan sıvı duruma geçişine özelliklerde ani bir değişiklik eşlik etmez. Amorf durumun fiziksel bir modeli henüz oluşturulmamıştır.
Kristal maddeler
Sağlam kristaller- aynı yapısal elemanın kesin tekrarlanabilirliği ile karakterize edilen üç boyutlu oluşumlar ( birim hücre) her yöne. Birim hücre, kristalde sonsuz sayıda tekrarlanan, paralel boru şeklindeki bir kristalin en küçük hacmidir.
Kristallerin geometrik olarak doğru şekli, her şeyden önce, kesinlikle düzenli iç yapıları ile belirlenir. Bir kristaldeki atomlar, iyonlar veya moleküller yerine, bu parçacıkların ağırlık merkezleri olarak noktaları gösterirsek, kristal kafes adı verilen bu tür noktaların üç boyutlu düzenli dağılımını elde ederiz. Noktaların kendilerine denir düğümler kristal kafes.
Kristal kafes türleri
Kristal kafesin hangi parçacıklardan yapıldığına ve aralarındaki kimyasal bağın niteliğine bağlı olarak farklı kristal türleri ayırt edilir.
İyonik kristaller katyonlar ve anyonlar (örneğin çoğu metalin tuzları ve hidroksitleri) tarafından oluşturulur. İçlerinde parçacıklar arasında iyonik bir bağ vardır.
İyonik kristaller şunlardan oluşabilir: tek atomlu iyonlar. Kristaller bu şekilde inşa edilir sodyum klorür, potasyum iyodür, kalsiyum florür.
Tek atomlu metal katyonları ve çok atomlu anyonlar, örneğin nitrat iyonu NO 3 -, sülfat iyonu SO 4 2−, karbonat iyonu CO 3 2−, birçok tuzun iyonik kristallerinin oluşumuna katılır.
İyonik bir kristalde tek molekülleri izole etmek imkansızdır. Her katyon, her anyon tarafından çekilir ve diğer katyonlar tarafından itilir. Kristalin tamamı devasa bir molekül olarak düşünülebilir. Böyle bir molekülün boyutu sınırlı değildir çünkü yeni katyonlar ve anyonlar eklenerek büyüyebilir.
İyonik bileşiklerin çoğu, koordinasyon sayısının değeri, yani belirli bir iyonun etrafındaki komşuların sayısı (4, 6 veya 8) bakımından birbirinden farklı olan yapısal tiplerden birinde kristalleşir. Eşit sayıda katyon ve anyon içeren iyonik bileşikler için dört ana kristal kafes türü bilinmektedir: sodyum klorür (her iki iyonun koordinasyon sayısı 6'dır), sezyum klorür (her iki iyonun koordinasyon sayısı 8'dir), sfalerit ve wurtzit (her iki yapısal tip de katyon ve anyonun 4'e eşit koordinasyon sayısı ile karakterize edilir). Katyon sayısı anyon sayısının yarısı ise katyonların koordinasyon sayısı anyonların koordinasyon sayısının iki katı olmalıdır. Bu durumda florit (koordinasyon numarası 8 ve 4), rutil (koordinasyon numarası 6 ve 3) ve kristobalitin (koordinasyon numarası 4 ve 2) yapısal tipleri gerçekleşir.
Tipik olarak iyonik kristaller sert fakat kırılgandır. Kırılganlıkları, kristalin hafif bir deformasyonuyla bile katyonların ve anyonların, benzer iyonlar arasındaki itici kuvvetlerin katyonlar ve anyonlar arasındaki çekici kuvvetlere üstün gelmeye başlayacak şekilde yer değiştirmesi ve kristalin yok edilmesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır.
İyonik kristallerin erime noktaları yüksektir. Erimiş halde iyonik kristalleri oluşturan maddeler elektriksel olarak iletkendir. Bu maddeler suda çözündüğünde katyonlara ve anyonlara ayrışır ve ortaya çıkan çözeltiler elektrik akımını iletir.
Elektrolitik ayrışmanın eşlik ettiği polar solventlerde yüksek çözünürlük, yüksek dielektrik sabiti ε olan bir solvent ortamında iyonlar arasındaki çekim enerjisinin azalmasından kaynaklanmaktadır. Suyun dielektrik sabiti vakumunkinden 82 kat daha yüksektir (şartlı olarak iyonik kristalde bulunur) ve sulu bir çözeltideki iyonlar arasındaki çekim aynı miktarda azalır. Etki iyonların çözülmesiyle arttırılır.
Atomik kristaller kovalent bağlarla bir arada tutulan bireysel atomlardan oluşur. Basit maddelerden yalnızca bor ve grup IVA elementleri bu tür kristal kafeslere sahiptir. Çoğunlukla metal olmayan bileşiklerin (örneğin silikon dioksit) birbirleriyle olan bileşikleri de atomik kristaller oluşturur.
İyonik kristaller gibi atomik kristaller de dev moleküller olarak kabul edilebilir. Çok dayanıklı ve serttirler, ısıyı ve elektriği iyi iletmezler. Atomik kristal kafeslere sahip maddeler yüksek sıcaklıklarda erir. Pratik olarak herhangi bir çözücüde çözünmezler. Düşük reaktivite ile karakterize edilirler.
Moleküler kristaller, atomların kovalent bağlarla bağlandığı ayrı moleküllerden oluşur. Moleküller arasında daha zayıf moleküller arası kuvvetler etki eder. Kolayca yok edilirler, bu nedenle moleküler kristaller düşük erime noktalarına, düşük sertliğe ve yüksek uçuculuğa sahiptir. Moleküler kristal kafesleri oluşturan maddelerin elektriksel iletkenliği yoktur ve bunların çözeltileri ve eriyikleri de elektrik akımını iletmez.
Moleküller arası kuvvetler, bir molekülün negatif yüklü elektronlarının komşu moleküllerin pozitif yüklü çekirdekleriyle elektrostatik etkileşimi nedeniyle ortaya çıkar. Moleküller arası etkileşimlerin gücü birçok faktörden etkilenir. Bunlardan en önemlisi polar bağların varlığı, yani elektron yoğunluğunun bir atomdan diğerine kaymasıdır. Ayrıca elektron sayısı fazla olan moleküller arasında moleküller arası etkileşimler daha güçlüdür.
Basit maddeler formundaki metal olmayanların çoğu (örneğin, iyot I2, argon Ar, kükürt S8) ve birbirleriyle olan bileşikler (örneğin, su, karbon dioksit, hidrojen klorür) ve hemen hemen tüm katı organik maddeler moleküler kristaller oluşturur.
Metaller metalik bir kristal kafes ile karakterize edilir. Atomlar arasında metalik bir bağ içerir. Metal kristallerinde atom çekirdekleri, paketlenmeleri mümkün olduğu kadar yoğun olacak şekilde düzenlenmiştir. Bu tür kristallerdeki bağlanma delokalizedir ve tüm kristal boyunca uzanır. Metal kristalleri yüksek elektriksel ve termal iletkenliğe, metalik parlaklığa ve opaklığa ve kolay deforme olabilirliğe sahiptir.
Kristal kafeslerin sınıflandırılması sınırlayıcı durumlara karşılık gelir. İnorganik maddelerin kristallerinin çoğu ara tiplere aittir - kovalent-iyonik, moleküler-kovalent, vb. Örneğin bir kristalde grafit Her katmanın içindeki bağlar kovalent-metaliktir ve katmanlar arasında moleküller arasıdır.
İzomorfizm ve polimorfizm
Birçok kristalli madde aynı yapıya sahiptir. Aynı zamanda aynı madde farklı kristal yapılar oluşturabilir. Bu, olaylara yansıyor izomorfizm Ve polimorfizm.
izomorfizm kristal yapılarda atomların, iyonların veya moleküllerin birbirini değiştirme yeteneğinde yatmaktadır. Bu terim (Yunancadan " ISO'lar" - eşittir ve " morfe" - form) 1819'da E. Mitscherlich tarafından önerildi. İzomorfizm yasası, 1821'de E. Mitscherlich tarafından şu şekilde formüle edildi: “Aynı şekilde bağlanan aynı sayıda atom, aynı kristal formları verir; Üstelik kristal form, atomların kimyasal yapısına bağlı değildir; yalnızca sayıları ve göreceli konumlarıyla belirlenir."
Berlin Üniversitesi kimya laboratuvarında çalışan Mitscherlich, kurşun, baryum ve stronsiyum sülfat kristallerinin tam benzerliğine ve diğer birçok maddenin kristal formlarının benzerliğine dikkat çekti. Gözlemleri ünlü İsveçli kimyager J.-Ya'nın dikkatini çekti. Mitscherlich'in gözlemlenen modelleri fosforik ve arsenik asit bileşikleri örneğini kullanarak doğruladığını öne süren Berzelius. Çalışma sonucunda "iki seri tuzun yalnızca birinin asit radikali olarak arsenik içermesi, diğerinin ise fosfor içermesi bakımından farklılık gösterdiği" sonucuna varıldı. Mitscherlich'in keşfi çok geçmeden mineralogların dikkatini çekti ve minerallerdeki elementlerin izomorfik yer değiştirmesi sorunu üzerine araştırmaya başladı.
İzomorfizme eğilimli maddelerin ortak kristalizasyonu sırasında ( izomorfik maddeler), karışık kristaller (izomorfik karışımlar) oluşur. Bu ancak birbirini değiştiren parçacıkların boyutlarının çok az farklı olması (%15'ten fazla olmaması) durumunda mümkündür. Ek olarak, izomorfik maddelerin atom veya iyonların benzer uzaysal düzenlemesine ve dolayısıyla dış şekli benzer kristallere sahip olması gerekir. Bu tür maddeler örneğin şapı içerir. Potasyum şap kristallerinde KAl(SO 4) 2 . 12H20 potasyum katyonları kısmen veya tamamen rubidyum veya amonyum katyonları ile ve alüminyum katyonları krom(III) veya demir(III) katyonları ile değiştirilebilir.
İzomorfizm doğada yaygındır. Çoğu mineral karmaşık, değişken bileşime sahip izomorfik karışımlardır. Örneğin, sfalerit ZnS mineralinde çinko atomlarının %20'ye kadarı demir atomları ile değiştirilebilir (ZnS ve FeS farklı kristal yapılara sahipken). İzomorfizm, nadir ve eser elementlerin jeokimyasal davranışları, bunların izomorfik safsızlıklar şeklinde içerildiği kaya ve cevherlerdeki dağılımı ile ilişkilidir.
İzomorfik ikame, modern teknolojinin yapay malzemelerinin (yarı iletkenler, ferromıknatıslar, lazer malzemeleri) birçok yararlı özelliğini belirler.
Birçok madde, farklı yapı ve özelliklere sahip ancak aynı bileşime sahip kristal formlar oluşturabilir ( polimorfik değişiklikler). Polimorfizm- katıların ve sıvı kristallerin, aynı kimyasal bileşime sahip, farklı kristal yapı ve özelliklere sahip iki veya daha fazla formda bulunabilme yeteneği. Bu kelime Yunancadan geliyor" polimorflar"- çeşitli. Polimorfizm fenomeni, 1798'de iki farklı mineralin (kalsit ve aragonit) aynı CaCO3 kimyasal bileşimine sahip olduğunu keşfeden M. Klaproth tarafından keşfedildi.
Basit maddelerin polimorfizmi genellikle allotropi olarak adlandırılırken, polimorfizm kavramı kristal olmayan allotropik formlar (örneğin gaz halindeki O2 ve O3) için geçerli değildir. Polimorfik formların tipik bir örneği, özelliklerinde keskin farklılıklar gösteren karbon modifikasyonlarıdır (elmas, lonsdaleit, grafit, karbinler ve fullerenler). Karbonun en kararlı varoluş şekli grafittir, ancak normal koşullar altında diğer modifikasyonları süresiz olarak devam edebilir. Yüksek sıcaklıklarda grafite dönüşürler. Elmas durumunda bu durum, oksijen yokluğunda 1000 o C'nin üzerine ısıtıldığında meydana gelir. Tersine geçişin başarılması çok daha zordur. Sadece yüksek sıcaklık (1200-1600 o C) değil, aynı zamanda 100 bin atmosfere kadar muazzam bir basınç da gereklidir. Grafitin elmasa dönüşümü, erimiş metallerin (demir, kobalt, krom ve diğerleri) varlığında daha kolaydır.
Moleküler kristaller söz konusu olduğunda, polimorfizm, kristal içindeki moleküllerin farklı paketlenmesinde veya moleküllerin şeklindeki değişikliklerde ve iyonik kristallerde - katyonların ve anyonların farklı göreceli konumlarında kendini gösterir. Bazı basit ve karmaşık maddelerin ikiden fazla polimorfu vardır. Örneğin silikon dioksitin on modifikasyonu vardır, kalsiyum florürün altı, amonyum nitratın dört modifikasyonu vardır. Polimorfik modifikasyonlar genellikle düşük sıcaklıklarda stabil olan modifikasyonlardan başlayarak α, β, γ, δ, ε,... Yunanca harfleriyle gösterilir.
Birkaç polimorfik modifikasyona sahip bir madde buhardan, çözeltiden veya eriyikten kristalleştirildiğinde, ilk önce belirli koşullar altında daha az stabil olan bir modifikasyon oluşur ve bu daha sonra daha stabil bir modifikasyona dönüşür. Örneğin, fosfor buharı yoğunlaştığında, normal koşullar altında yavaşça, ancak ısıtıldığında hızla kırmızı fosfora dönüşen beyaz fosfor oluşur. Kurşun hidroksit dehidre edildiğinde ilk önce (yaklaşık 70 o C) düşük sıcaklıklarda daha az kararlı olan sarı β-PbO oluşur, yaklaşık 100 o C'de kırmızı α-PbO'ya dönüşür, 540 o C'de ise kırmızı α-PbO'ya dönüşür. β-PbO'ya geri dönün.
Bir polimorftan diğerine geçişe polimorfik dönüşüm denir. Bu geçişler sıcaklık veya basınç değiştiğinde meydana gelir ve özelliklerde ani bir değişiklik eşlik eder.
Bir değişiklikten diğerine geçiş süreci geri döndürülebilir veya geri döndürülemez olabilir. Böylece, BN (bor nitrür) bileşimine sahip beyaz yumuşak grafit benzeri bir madde 1500-1800 o C'de ısıtıldığında ve onlarca atmosfer basıncında yüksek sıcaklık modifikasyonu oluşur - borazon Sertlik bakımından elmasa yakındır. Sıcaklık ve basınç normal şartlara karşılık gelen değerlere düştüğünde borazon yapısını korur. Tersine çevrilebilir bir geçiş örneği, 95 o C'de iki kükürt modifikasyonunun (ortorombik ve monoklinik) karşılıklı dönüşümleridir.
Polimorfik dönüşümler yapıda önemli değişiklikler olmadan gerçekleşebilir. Bazen kristal yapısında hiç bir değişiklik olmaz, örneğin 769 o C'de α-Fe'nin β-Fe'ye geçişi sırasında demirin yapısı değişmez ancak ferromanyetik özellikleri kaybolur.