Eigenschappen Van Kristallen - Alternatieve Mening

Inhoudsopgave:

Eigenschappen Van Kristallen - Alternatieve Mening
Eigenschappen Van Kristallen - Alternatieve Mening

Video: Eigenschappen Van Kristallen - Alternatieve Mening

Video: Eigenschappen Van Kristallen - Alternatieve Mening
Video: Eigenschappen van metalen 2024, Maart
Anonim

Het is voor alle specialisten op het gebied van kristallografie of vaste-stoffysica vrij duidelijk dat we in het geval van een kristal te maken hebben met een geordende rangschikking van atomen of ionen in de ruimte. In sommige gevallen, bijvoorbeeld in ijskristallen of gestolde gassen, kunnen we praten over moleculen. Kortheidshalve zullen we het verder alleen hebben over atomen, inclusief geïoniseerde (ionen), tenzij iets anders is gespecificeerd.

Een kristal is dus een systeem van atomen geordend in de ruimte. Ze zijn op de juiste manier geplaatst en meestal om de ruimte zo dicht mogelijk te vullen. Door te proberen de stalen kogels van het kogellager dicht bij elkaar te plaatsen, krijgen we een behoorlijk behoorlijk model van de kristalstructuur en zien we al snel dat het aantal manieren waarop de kogels geplaatst kunnen worden beperkt is. Afhankelijk van hoe de atomaire rijen en atomaire vlakken zich ten opzichte van elkaar bevinden, kunnen verschillende soorten kristallen worden verkregen. Op zijn beurt wordt het type rangschikking van atomen bepaald door hun interactie met elkaar, de aard van de binding tussen deeltjes.

Zorgvuldig breken van kristallen resulteert in ongebruikelijke structuren met interessante eigenschappen. Eerst verschijnen grote gebieden met een positieve of negatieve oppervlaktelading, waardoor een krachtig elektrisch veld ontstaat, en dan veranderen ze in labyrinten van slechts een paar atomen breed.

Image
Image

Veel eigenschappen van ionische kristallen zijn te wijten aan hun structuur op atomaire schaal: positief en negatief geladen atomen worden naar elkaar toe aangetrokken en vormen een sterk periodiek rooster. Ladingen op het kristaloppervlak moeten echter worden gecompenseerd. "Als je een kristal met een kubusvormig rooster langs bepaalde richtingen splitst, kun je slechts van één soort beschuldigingen krijgen", legt een van de auteurs van het werk Ulrich Diebold van de Universiteit van Wenen uit. "Deze configuratie is buitengewoon onstabiel." In potentie zou zo'n laag een veld kunnen creëren met een spanning van miljoenen volt op een klein monster. Wetenschappers noemen deze situatie een 'polarisatie-catastrofe'.

In een nieuwe studie hebben natuurkundigen geprobeerd te begrijpen hoe atomen precies worden gereorganiseerd om een polarisatieratastrofe te voorkomen. "Het oppervlak kan op verschillende manieren veranderen als reactie op een fout", zegt eerste auteur Martin Setvin. "Elektronen kunnen zich op bepaalde plaatsen beginnen op te hopen, het kristalrooster kan vervormd raken of moleculen uit de lucht kunnen aan het oppervlak blijven kleven en de eigenschappen ervan veranderen."

Wetenschappers splitsten kristallen van kaliumtantalaat KTaO3 bij lage temperaturen en verkregen chips waarin de helft van de atomen uit de laag met dezelfde lading op het ene fragment bleef en het andere op het andere. Gebieden met ionen met dezelfde lading vormden ‘eilanden’, hoewel het oppervlak gemiddeld genomen neutraal was. "Desalniettemin zijn de eilanden groot genoeg, dus de polarisatie-catastrofe kan niet volledig worden vermeden - het veld dat ze creëren is zo groot dat het de eigenschappen van de onderliggende lagen verandert," zei Setvin.

Image
Image

Promotie video:

Met een lichte temperatuurstijging vielen de eilanden uiteen in een labyrint van onderbroken lijnen, en de "muren" waren slechts één atoom hoog en 4-5 atomen breed.

"Labyrintachtige structuren zijn niet alleen mooi, maar ook potentieel nuttig", concludeerde Diebold. "Dit is precies wat je nodig hebt: sterke elektrische velden op atomaire schaal." Een van de mogelijke toepassingen noemen de auteurs het uitvoeren van chemische reacties die niet onder andere omstandigheden plaatsvinden, bijvoorbeeld het splitsen van water om waterstof te verkrijgen.

De belangrijkste eigenschappen van kristallen - anisotropie, homogeniteit, het vermogen tot zelfontbranding en de aanwezigheid van een constant smeltpunt worden bepaald door hun interne structuur.

Anisotropie

Deze eigenschap wordt ook wel niet-gelijkenis genoemd. Het komt tot uiting in het feit dat de fysische eigenschappen van kristallen (hardheid, sterkte, thermische geleidbaarheid, elektrische geleidbaarheid, voortplantingssnelheid van het licht) niet hetzelfde zijn in verschillende richtingen. De deeltjes die in niet-parallelle richtingen de kristalstructuur vormen, staan op verschillende afstanden van elkaar, waardoor de eigenschappen van de kristallijne stof in dergelijke richtingen anders zouden moeten zijn. Mica is een typisch voorbeeld van een stof met een uitgesproken anisotropie. Kristallijne platen van dit mineraal worden gemakkelijk alleen gespleten langs vlakken die evenwijdig zijn aan de plaatfrequentie. Het is veel moeilijker om micaplaten in dwarsrichting te splitsen.

Image
Image

Anisotropie komt ook tot uiting in het feit dat wanneer een kristal wordt blootgesteld aan een oplosmiddel, de snelheid van chemische reacties in verschillende richtingen verschilt. Als gevolg hiervan krijgt elk kristal na oplossen zijn karakteristieke vormen, die etsfiguren worden genoemd.

Amorfe stoffen worden gekenmerkt door isotropie (gelijkwaardigheid) - fysische eigenschappen in alle richtingen komen op dezelfde manier tot uiting.

Uniformiteit

Het komt tot uiting in het feit dat alle elementaire volumes van een kristallijne substantie, gelijkelijk georiënteerd in de ruimte, absoluut identiek zijn in al hun eigenschappen: ze hebben dezelfde kleur, massa, hardheid, enz. elk kristal is dus een homogeen, maar tegelijkertijd anisotroop lichaam.

Uniformiteit is niet uniek voor kristallijne lichamen. Vaste amorfe formaties kunnen ook homogeen zijn. Maar amorfe lichamen kunnen op zichzelf geen veelzijdige vorm aannemen.

Image
Image

Zelfbeperkend vermogen

Het vermogen om naar zichzelf te kijken komt tot uiting in het feit dat elk fragment of een bal die van een kristal is gedraaid in een medium dat geschikt is voor zijn groei, na verloop van tijd bedekt wordt met gezichten die kenmerkend zijn voor een bepaald kristal. Dit kenmerk is geassocieerd met de kristalstructuur. Een glazen bol heeft bijvoorbeeld niet zo'n eigenschap.

Kristallen van dezelfde stof kunnen van elkaar verschillen in grootte, aantal vlakken, randen en vorm van de vlakken. Het hangt af van de voorwaarden voor de vorming van het kristal. Bij ongelijkmatige groei zijn de kristallen afgeplat, langwerpig, enz. De hoeken tussen de corresponderende vlakken van het groeiende kristal blijven ongewijzigd. Deze eigenschap van kristallen staat bekend als de wet van constantheid van facethoeken. In dit geval kunnen de grootte en vorm van de vlakken in verschillende kristallen van dezelfde stof, de afstand ertussen en zelfs hun aantal variëren, maar de hoeken tussen de overeenkomstige vlakken in alle kristallen van dezelfde stof blijven constant onder dezelfde druk- en temperatuuromstandigheden.

De wet van constantheid van gefacetteerde hoeken werd aan het einde van de 17e eeuw vastgesteld door de Deense wetenschapper Steno (1699) op kristallen van ijzerglans en bergkristal; later werd deze wet bevestigd door M. V. Lomonosov (1749) en de Franse wetenschapper Rome de Lille (1783). De wet van constantheid van facethoeken wordt de eerste wet van kristallografie genoemd.

De wet van constantheid van facethoeken wordt verklaard door het feit dat alle kristallen van één stof identiek zijn in hun interne structuur, d.w.z. hebben dezelfde structuur.

Image
Image

Volgens deze wet worden kristallen van een bepaalde stof gekenmerkt door hun specifieke hoeken. Daarom is het door het meten van de hoeken mogelijk om te bewijzen dat het onderzochte kristal bij een of andere substantie hoort. Een van de kristaldiagnostiekmethoden is hierop gebaseerd.

Om de tweevlakshoeken van kristallen te meten, werden speciale apparaten uitgevonden - goniometers.

Constant smeltpunt

Het komt tot uiting in het feit dat wanneer een kristallijn lichaam wordt verwarmd, de temperatuur tot een bepaalde limiet stijgt; bij verdere verwarming begint de substantie te smelten en blijft de temperatuur enige tijd constant, omdat alle warmte naar de vernietiging van het kristalrooster gaat. De temperatuur waarbij het smelten begint, wordt het smeltpunt genoemd.

Image
Image

Amorfe stoffen hebben, in tegenstelling tot kristallijne stoffen, geen duidelijk gedefinieerd smeltpunt. Aan de afkoelende (of verwarmende) krommen van kristallijne en amorfe stoffen, kan men zien dat er in het eerste geval twee scherpe verbuigingen zijn die overeenkomen met het begin en het einde van kristallisatie; in het geval van afkoeling van de amorfe stof hebben we een vloeiende curve. Op deze basis is het gemakkelijk om kristallijne stoffen te onderscheiden van amorfe.

Kristalsterkte

Het probleem van de kristalsterkte is en blijft een van de belangrijkste in de moderne technologie. Feit is dat de veel gebruikte constructiematerialen meestal legeringen zijn van ijzer (staal), aluminium (silumin, duraluminium), koper (messing, brons) en enkele andere metalen, en ze hebben allemaal een kristallijne structuur. In het geval van metalen hebben we zelden te maken met zulke regelmatige en mooie kristallen, die eerder werden besproken. Metaallegeringen hebben een zogenaamde polykristallijne structuur, dat wil zeggen, ze bestaan uit individuele korrels - kristallen, waarvan er verschillende ten opzichte van elkaar zijn uitgevouwen.

Image
Image

Stap voor stap ging een persoon over van een minder duurzaam materiaal naar een duurzamer materiaal, dit leidde tot de verbetering van alle gebruikte technologie en de uitbreiding van de mogelijkheden ervan. Nu, in de strijd om kracht, telt alleen interesse; praktisch alles wat mogelijk is, is uit technische materialen geperst, en elke volgende stap wordt steeds moeilijker.

Twintig jaar geleden leek het erop dat als men zou leren om grote defectvrije kristallen te kweken, het probleem van de sterkte volledig zou zijn opgelost en het metaalverbruik met een factor honderden zou worden verminderd. Helaas is deze hoop niet uitgekomen. Het is ofwel erg duur of onmogelijk om een perfect groot kristal te laten groeien. Alleen op gebieden als elektronica kunt u het betalen. Ge- en Si-halfgeleiderkristallen worden bijvoorbeeld praktisch defectvrij gegroeid. Hetzelfde zijn de robijnrode kristallen voor lasers. Wat betreft structurele materialen, hier is het nog steeds nodig om hoge waarden van sterkte te bereiken, volgens het traditionele pad.

Image
Image

En nog een belangrijke conclusie. Het blijkt dat veel fysische eigenschappen van kristallen, voornamelijk hun sterkte, niet worden bepaald door een ideaal kristalrooster, maar door afwijkingen van de idealiteit - een defectstructuur. Bekwaam gebruik van dergelijke defecten van een kristal stelt iemand in staat om de eigenschappen ervan te beheersen en aan te passen aan de verschillende vereisten van moderne technologie. Voor een natuurkundige of ingenieur zijn defecten een zeer belangrijk onderdeel van een kristal, zonder welke het praktisch niet kan bestaan. Maar het onderwerp defecten in kristallen verdient een diepere en uitgebreidere discussie dan mogelijk is in dit artikel.

Aanbevolen: