Кристаллическая решетка это в физике: Кристаллические тела — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Кристаллическая решетка | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Тема:

Кристаллография‎

Кристаллическая решетка — это регулярное расположение в пространстве атомов, определяющее специфику состояния вещества, называемого твердым телом.

Возникновение кристаллической решетки объяс­няется достаточно прозаически — трехмерная периоди­ческая структура обеспечивает минимум потенциальной энергии системе взаимодействующих атомов. Для раз­ных веществ оказываются «выгодными» различные ре­шетки. Более того, даже для одного и того же вещества в различных диапазонах температур и давлений характер­ны разные решетки! Перестройки кристаллических решеток при изменении определяющих па­раметров (например, температуры и дав­ления) приводят к качественным измене­ниям свойств твердых тел. Процессы, сопровождающие эти изменения, пред­ставляют собой частные случаи фазовых превращений. Наиболее эффектным про­явлением такой перестройки является чу­до превращения невзрачного графита в сверкающий драгоценный камень — алмаз. В настоящее время этот процесс освоен в промышленном масштабе.

Кристаллическая решетка: графита (а), алмаза (б)

По химическому составу алмаз, графит, уголь, сажа — одно и то же вещество — углерод. Различие во внешнем виде и физических свойствах (и в стоимости) объясняется исклю­чительно особенностями строения кристаллической решет­ки. Материал с сайта http://worldofschool.ru




Кристаллическая решетка графита намного более рых­лая, чем решетка алмаза. Картинки, изображающие атомы в твердом теле в виде сфер в узлах некоторой решетки, ко­нечно, достаточно условны. Но эта модель не только удобна, но и в основных чертах правильно передает особенности строения кристаллических тел. Фактически сферы соответ­ствуют устойчивым электронным конфигурациям ионов, образующихся при объединении отдельных атомов в крис­талл (остатки электронных облаков после «коллективиза­ции» внешних электронов). Важно учитывать как располо­жение этих сфер в пространстве, так и силы, которые между ними действуют.


На этой странице материал по темам:

  • Доклад кристаллическая решетка физика

  • Формула кристаллической решетки физика

  • Физика крисалическая решетка

  • Физика кристаллическая решетка это

  • Кристаллическая решётка доклад


Урок 4. строение кристаллов. кристаллические решётки. причины многообразия веществ — Химия — 11 класс

Химия, 11 класс

Урок № 4. Строение кристаллов. Кристаллические решётки. Причина многообразия веществ

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён изучению кристаллического состояния вещества, зависимости свойств веществ от типов кристаллических решеток. Объясняются причины многообразия веществ, такие как изотопия элементов, аллотропия, изомерия, гомология. Дается понятие химического синтеза.

Глоссарий

Аллотропия – существование нескольких простых веществ, образованных одним и тем же химическим элементом.

Атомная кристаллическая решётка – регулярная структура твёрдого вещества, в узловых точках которой находятся атомы химического элемента.

Гомология – явление наличия в природе органических соединений, имеющих одинаковое строение и химические свойства, но отличающихся на некоторое целое число групп СН2— состав.

Изомерия – явления наличия нескольких веществ, имеющих один и тот же состав, но отличающихся по порядку соединения атомов.

Ионная кристаллическая решетка – регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой расположены положительно и отрицательно заряженные ионы.

Кристаллическая решетка – особая структура твёрдого вещества, в которой частицы вещества расположены в строго определенном порядке.

Кристаллы – твёрдые вещества, имеющие форму правильных многогранников, образованных в результате многократного регулярного повторения расположения составляющих вещество частиц.

Металлическая кристаллическая решетка – регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой расположены ионы металла.

Молекулярная кристаллическая решетка – регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой находятся молекулы вещества.

Полиморфизм – способность твёрдого вещества образовывать различные кристаллические структуры, состоящие из одних и тех же частиц.

Полиморфные модификации – разные кристаллические структуры, которые образованы частицами одного и того же вещества.

Химический синтез – процесс искусственного создания новых веществ физическими и химическими методами.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М. : Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

  • Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Строение кристаллов и типы кристаллических решеток

Кристаллами называются твёрдые вещества, частицы которых образуют трёхмерную периодическую пространственную структуру, называемую кристаллической решёткой. Грани кристаллов представляют собой правильные многоугольники. Свойства кристаллических тел различны. Например, алмаз обладает максимальной твёрдостью, а графит можно сломать руками, хотя эти вещества состоят атомов углерода. Свойства веществ зависят от типа кристаллической решетки. Различают четыре типа кристаллических решёток: атомную, ионную, молекулярную и металлическую.

Зависимость свойств веществ от типа кристаллической решетки

В узлах атомной кристаллической решётки расположены атомы, соединённые ковалентной связью. Примерами веществ, имеющих атомную кристаллическую решетку, являются алмаз, кремний, германий, бор. Вещества, имеющие атомную кристаллическую решетку, характеризуются высокой температурой плавления, большой твёрдостью.

В узлах ионной кристаллической решётки находятся положительные и отрицательные ионы, связь между ними ионная. Ионную кристаллическую решетку имеют соли, щёлочи и оксиды типичных металлов. Для веществ с ионной кристаллической решеткой характерны высокие температуры плавления, твёрдость, плотность, хорошая электропроводность.

В узлах молекулярной кристаллической решетки находятся молекулы, которые удерживаются за счет межмолекулярных вандервальсовых сил. Примером веществ с молекулярной кристаллической решеткой являются лёд, йод, нафталин, углекислый газ. Межмолекулярные связи значительно слабее ковалентных и ионных, поэтому для веществ с молекулярной кристаллической решёткой характерны низкие температуры плавления, невысокая твёрдость, возможность возгонки (переход из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое).

Для металлов характерна металлическая кристаллическая решётка, в узлах которой расположены положительно заряженные ионы металлов, а между ними свободно перемещаются валентные электроны (так называемый электронный газ). Для веществ с металлической кристаллической решеткой характерны механическая прочность, плавкость, ковкость, хорошая тепло- и электропроводность, металлический блеск.

Свойства кристаллических тел определяются не только характером связи между частицами, но и их взаимным расположением относительно друг друга. В кристаллах алмаза все атомы углерода связаны ковалентными неполярными связями и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя тетраэдры. В кристаллах графита каждые шесть атомов углерода связаны ковалентными неполярными связями, а между собой такие плоские шестиугольники связаны слабыми межмолекулярными связями.

Причины многообразия веществ

Не только углерод может образовывать разные вещества в зависимости от типа кристаллической решётки. Известно несколько веществ, образованных фосфором (белый, красный, чёрный и металлический фосфор). Сера может существовать в виде трёх модификаций (ромбическая, моноклинная и пластическая). Явление существования нескольких простых веществ, образованных одним и тем же элементом, называется аллотропией (полиморфизмом), а сами простые вещества – аллотропными (полиморфными) модификациями.

Существование изотопов – атомов одного и того же химического элемента, имеющих разные массовые числа — ещё одна причина огромного многообразия веществ.

Изучая органическую химию, вы узнали о существовании изомеров – молекул, имеющих одинаковый состав, но разную последовательность атомов и их расположение в пространстве. Изомеры встречаются не только среди органических соединений, например, изомером карбамида является цианат аммония.

Причиной разнообразия органических соединений является и гомология – существование ряда соединений, имеющих одинаковое строение и химические свойства, но отличающихся друг от друга на целое число групп СН2-.

118 известных на сегодняшний день химических элементов образуют миллионы различных веществ, но человек искусственным путём создает новые вещества с нужными ему свойствами. Создание человеком новых веществ получило название химического синтеза.

Таким образом, явления аллотропии (полиморфизма), изомерии, изотопии, гомологии, химический синтез новых соединений являются причинами многообразия веществ.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Расчет количества молекул в кристалле

Условие задачи: Молекула белого фосфора состоит из четырех атомов этого элемента. Сколько молекул белого фосфора содержится в кристалле фосфора массой 2,48 г? Ответ запишите в виде числа, приведенного к стандартному виду.

Шаг первый: найдём молярную массу молекулы белого фосфора Р4. Относительная атомная масса фосфора равна 31 а.е.м., молярная масса Р4 равна 4·31 = 124 (г/моль).

Шаг второй: найдём количество молей белого фосфора в кристалле массой 2,48 г. Для этого разделим массу кристалла на молярную массу Р4:

2,48 : 124 = 0,02 (моль).

Шаг третий: найдём количество молекул, содержащееся в 0,02 моль белого фосфора. Для этого число моль умножим на число Авогадро:

0,02·6,02·1023 = 1,2·1022 (молекул).

Ответ: 1,2·1022.

2. Расчёт числа атомов в молекуле фуллерена

Условие задачи: Одной из аллотропных модификаций углерода, применяемых в электронике, является фуллерен. 0,5 моль фуллерена имеют массу 360 г. Сколько атомов углерода входит в состав одной молекулы фуллерена?

Шаг первый: найдём молярную массу фуллерена.

Для этого массу имеющегося образца разделим на количество молей:

360 : 0,5 = 720 (г/моль).

Шаг второй: найдём количество атомов углерода в 1 моль фуллерена. Для этого молярную массу фуллерена разделим на массу 1 моль атомов углерода. 1 моль атомов углерода имеет массу 12 г.

720 : 12 = 60 (атомов).

Ответ: 60.

Кристаллические решетки — Физика в школе

 Окружающий нас мир состоит из атомов. Есть три состояния вещества — кристаллическое тело жидкость и газ. Три состояния отличаются разными свойствами, так как имеют неодинаковое атомное строение.

 Давайте сегодня поговорим о кристаллах. А какие другие вещества,
кроме поваренной соли, относятся к кристаллическим телам? Запомните — большинство встречающихся в природе и технике веществ имеет кристаллическую структуру.
 Например, песчинка —
тоже кристалл. Правда, по сравнению с поваренной солью, её форма менее
регулярна, но при увеличении в 100 миллионов раз мы тоже увидим
упорядоченную сеть атомов кислорода (0) и кремния (Si). Все металлы (за
исключением ртути), драгоценные камни (рубин, бриллиант, сапфир и т.
д.), а также многие органические соединения (например, сахар) имеют
кристаллическое строение.
 Рассматривая под микроскопом
кристалл поваренной соли (NaCl) и двуокиси кремния SiO), мы сразу
замечаем не только то, что они состоят из разных атомов, но и то, что
атомы образуют неодинаковые пространственные решетки.
 Именно
кристаллическая решетка во многом обуславливает свойства различных
веществ. Чтобы убедиться в этом, давайте ближе познакомимся с
кристаллами углерода —
наиболее распространенного в природе химического элемента. Одной из
разновидностей чистого углерода является графит, а он вам хорошо
известен. Из графита изготовляют, между прочим, стержни карандашей и
непроволочных резисторов.
 Графит —
очень мягкий, легко раскалываемый минерал, он хорошо поддаётся
механической обработке. Какова кристаллическая решетка графита? При
большом увеличении мы видим, что атомы углерода образуют что-то
наподобие сотовых ячеек: отдельные плоскости, состоящие из
шестиугольников, расположены рядами. Причём атомы одного ряда тесно
связаны между собой, а связь между отдельными рядами —
более слабая. Вот почему даже при легком нажатии кусочек графита
ломается. По шкале Мооса твёрдость графита равна 1, а у алмаза — второй разновидности углерода — наивысшая твёрдость 10 .
  Чем
это объясняется? Безусловно, кристаллической решеткой. В алмазе каждый
атом углерода тесно связан с четырьмя соседними атомами, лежащими в
вершинах правильной треугольной пирамиды (такая пирамида называется
тетраэдром).
  Обратите
внимание на кристаллические решетки графита и алмаза. Регулярное
расположение атомов периодически повторяется в пространстве. Это
значит, что если мы заглянем внутрь какого-нибудь кристалла, то в
любом месте (сбоку, сверху или в центре) увидим такую же сеть атомов.
Поэтому при описании строения какого-нибудь кристаллического тела
можно рассматривать его наименьшую частичку, из которых как из кубиков
можно построить целый большой кристалл. Физики охотно пользуются именно
таким методом, а наименьшую частицу кристалла обычно называют
элементарной ячейкой.
 А сколько существует видов
кристаллических решеток? Конечно, очень много, но в зависимости от
формы элементарной ячейки их объединяют в семь основных групп. Вполне
понятно, что в природе некоторые ячейки имеют посторонние примеси, т.
е. инородные атомы, но от этого основные свойства частицы не меняются.
 Чтобы лучше представить, как выглядят некоторые кристаллы, попробуйте построить из пластилина и спичек какую-нибудь модель кристаллической решетки. Интересно, получится ли у вас пространственная решетка графита или алмаза.

Деформация кристаллической решетки карбида кремния поможет расширить спектр его применений


Сегодня карбид кремния (SiC) применяется в самых разных отраслях: в микроэлектронных устройствах электромобилей, как абразив для полировки различных материалов, а также в качестве полупроводника. Атомы в карбиде кремния по структуре расположены схоже с алмазом, благодаря чему материал обладает значительной прочностью. Однако любую кристаллическую решетку можно так или иначе деформировать – например, узлы решетки могут сдвинуться при внедрении атомов другого вещества или при механическом воздействии. Когда искажается кристаллическая структура вещества, изменяются и его свойства, в том числе и спиновые. Частица со спином, помещенная в магнитное поле, может поглощать электромагнитную волну только определенной частоты. Это, например, используется в магнитно-резонансной томографии (МРТ) и исследованиях химического и структурного состава вещества.


Ученые из Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе Российской академии наук (Санкт-Петербург) провели исследование, в ходе которого выяснили, как механические воздействия влияют на кристаллическую решетку карбида кремния. Для этого они наблюдали спектры электромагнитного излучения SiC через самостоятельно модернизированный спектрометр, что позволило изучить структуру энергетических уровней вещества за счет детектирования результата перехода электронов между ними. Также исследователи считывали спиновое состояние этих частиц. Кристаллическую решетку карбида кремния деформировали с помощью механического сжатия, в результате которого линии решетки сдвинулись, а спиновые свойства частиц вещества изменились. Таким образом, физики показали, что с помощью подобной деформации можно проводить тонкую настройку спинового состояния частиц.


Исследование ученых может быть применимо в таких перспективных направлениях физики, как разработка квантовых микросхем, работающих при комнатной температуре, а также в нанофотонике. Последняя занимается созданием крошечных материалов, которые обладают необходимыми оптическими свойствами и могут быть использованы в фотонных устройствах.


«Наша разработка показывает, что с помощью деформации кристаллической решетки мы можем влиять на спиновое состояние вакансионных спиновых центров в карбиде кремния. В перспективе наше исследование может применяться в таких активно развивающихся областях, как нанофотоника и квантовые технологии обработки информации», — комментирует исследование Андрей Анисимов, один из авторов статьи и руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук и научный сотрудник в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе Российской академии наук.

Физики-россияне Новоселов и Гейм возведены в рыцари

Автор фото, UoM

Подпись к фото,

Константин Новоселов (слева) и Андрей Гейм работают в Манчестере

Лауреаты Нобелевской премии по физике Константин Новоселов и Андрей Гейм — выходцы из России, работающие в Университете Манчестера, — удостоены рыцарского звания.

На традиционной предновогодней церемонии оглашения лауреатов государственных наград Великобритании оба ученых были возведены в звание рыцаря-бакалавра и получили официальное право прибавлять к своему имени титул «сэр».

Рыцари-бакалавры не входят ни в один из признанных рыцарских орденов Соединенного Королевства. Такой титул получают лица за особые заслуги перед государством и монархом, и присуждается он по личной воле короля или королевы.

Первые рыцари-бакалавры известны еще со времен Генриха III (XIII век), это более древний титул, чем высшая награда королевства — орден Подвязки.

Вместе с бывшими россиянами рыцарского звания был удостоен и Венкатраман Рамакришнан — британский ученый индийского происхождения, ставший в 2009 году одним из лауреатов Нобелевской премии по химии.

Рыцарство — за нанотехнологии

В 2010 году Андрей Гейм и Константин Новоселов стали лауреатами Нобелевском премии по физике за свои работы по изучению свойств наноматериала графена.

Графен – это гексагональная двумерная кристаллическая решетка, которая состоит из одинарного слоя атомов углерода.

По словам специалистов, графен практически невидим, однако при этом обладает уникальной механической прочностью, прекрасной тепло- и электропроводностью — значительно большей, нежели ныне применяемый в интегральных микросхемах кремний.

Графен также способен без проблем выдерживать воздействие высоких температур.

Все эти свойства делают материал перспективным с точки зрения нанотехнологий — производства транзисторов нового поколения и сверхбыстрых микропроцессоров.

Однако при вручении премии Нобелевский комитет признал, что пока большинство вариантов практического применения графена «существуют только в нашей фантазии».

Свои исследования 52-летний Гейм и 37-летний Новоселов проводили в лабораториях Университета Манчестера. При этом Гейм является гражданином Нидерландов, а у Новоселова два паспорта — российский и британский.

Без правил. Самые невероятные формы льда, недавно открытые учеными

https://ria.ru/20191107/1560636568.html

Без правил. Самые невероятные формы льда, недавно открытые учеными

Без правил. Самые невероятные формы льда, недавно открытые учеными

Американские физики заявили, что получили суперионный лед. При чудовищных давлении и температуре его кристаллическая решетка из ионов кислорода стабильна, а… РИА Новости, 07.11.2019

2019-11-07T08:00

2019-11-07T08:00

2019-11-07T17:58

наука

физика

российская академия наук

черноголовка

сша

лед

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn23.img.ria.ru/images/155945/06/1559450644_93:48:1058:591_1920x0_80_0_0_ce844160fe299afb17484b61b1efe258.jpg

МОСКВА, 7 ноя — РИА Новости. Американские физики заявили, что получили суперионный лед. При чудовищных давлении и температуре его кристаллическая решетка из ионов кислорода стабильна, а ионы водорода движутся, словно жидкость. Такую форму вещества теоретически описал 35 лет назад Иван Рыжкин из Института физики твердого тела РАН. Он рассказал РИА Новости, как можно использовать это открытие на практике.Правила льдаВ начале ХХ века британские физики Джон Бернал и Ральф Фаулер экспериментально показали, что ионы кислорода обыкновенного водяного льда образуют упорядоченную кристаллическую решетку в виде шестигранной призмы — гексагональную.»Рентгеновские лучи хорошо рассеиваются на электронах, поэтому на пленке остается изображение, соответствующее расположению атомов, у которых есть электроны. В случае воды — это ионы кислорода. У протона масса почти в 2000 раз больше, чем у электрона, он очень слабо рассеивает рентгеновские лучи, и положение этих частиц в кристаллической решетке в то время установить не удалось», — рассказывает Иван Рыжкин.Ученые предположили, что протоны находятся среди ионов кислорода, причем есть два варианта: вблизи иона кислорода — два протона и между двумя ионами кислорода — один протон. Это называют правилами льда.Американский химик Лайнус Полинг выдвинул гипотезу, что у всех конфигураций, удовлетворяющих этим правилам, одинаковая энергия, подсчитал их число и соответствующую остаточную энтропию.Теоретические результаты Полинга проверили экспериментально — совпали с точностью до десятых долей процента. Однако это противоречило третьему закону термодинамики, согласно которому остаточная энтропия должна равняться нулю. Долгое время лед оставался единственным, нарушающим третий закон термодинамики. Сейчас известны и другие материалы такого рода.В кристаллической структуре льда нельзя передвинуть ни один протон, потому что это приведет к нарушению правил. Значит, при температуре, равной абсолютному нулю, протонная конфигурация заморожена, ионы водорода не движутся.При ненулевой температуре появляются ионные дефекты и дефекты связи, нарушающие правила льда. То есть вблизи иона кислорода расположены три и один протон или водородные связи — с двумя протонами, а также без них. Под действием электрического поля эти дефекты перемещаются по решетке, обеспечивая протонную проводимость (носителями зарядов выступают протоны, а не электроны). Пока дефектов очень мало, протонная проводимость льда в обычном состоянии минимальна — около 10-9 См/м (сименс на метр).Суперионный переходВ начале 1980-х в Институте физики твердого тела в Черноголовке под руководством Виктора Петренко создали лабораторию для изучения фундаментальных свойств льда. Мотивация была очень простой: Россия — единственная страна в мире, где массово живут, строят и работают в условиях очень низких температур.Иван Рыжкин присоединился к коллективу в качестве теоретика. Вскоре ему удалось объяснить, почему возникают правила льда, как нарушаются и какова природа состояния без этих правил.Один из способов добиться такого состояния — нагреть лед, а чтобы он не расплавился, поместить образец под высокое давление. Оказалось, что при температуре порядка 1000 градусов концентрация ионных дефектов увеличивается скачком в сотни миллионов раз. Соответственно растет и протонная проводимость.»Ключевое слово здесь именно «скачком». В физике это фазовый переход первого рода. Высокая ионная проводимость характерна для кристаллов, у которых расплавлена только одна подрешетка. Это суперионные кристаллы, или твердые электролиты. Поэтому я назвал такой лед суперионным и в 1985 году опубликовал статью в британском журнале Solid state communications. По моим данным, это первая работа, в которой было предсказано суперионное состояние льда и введен термин», — говорит ученый.В то время казалось, что у работы чисто теоретическое значение, так как для экспериментальной проверки требовались недостижимые в то время давления, около 100 гигапаскалей. Но сейчас добиваются 150 гигапаскалей в стационарных случаях и 300-400 гигапаскалей на очень короткое время с помощью ударных волн.Благодаря огромному прогрессу вычислительной техники, к традиционным теоретическим и экспериментальным методам добавились новые (в частности, моделирование), позволяющие получать интересные результаты для условий, неосуществимых в реальном эксперименте. В результате льдом при высоких давлениях и температуре занялись многие исследователи. Фазовую диаграмму изучили в очень широкой области, а термин «суперионный лед» стал очень популярным.Лед взрывается, но не плавитсяВ феврале 2018 года в Nature Physics вышла статья американских физиков, экспериментально подтвердивших реальность суперионного льда. Исследователи во главе с Мариусом Милло из Ливерморской национальной лаборатории синтезировали в алмазной наковальне водяной лед VII и затем лазером взорвали его.Ударные волны внутри образца нагревали отдельные участки до почти пяти тысяч градусов Кельвина и сдавливали до 190 гигапаскалей. Это продолжалось мгновения, но ученые успели изучить это состояние оптическими методами и косвенно оценить протонную проводимость. В мае этого года та же группа опубликовала в Nature еще одну работу — исследование атомной решетки льда в тех же условиях с помощью рассеяния рентгеновских лучей.»У этих работ есть одна особенность. Дело в том, что при получении высокого давления ударными волнами время ограничено обычно несколькими наносекундами. Этого достаточно, чтобы определить атомную структуру методом рассеяния рентгеновских лучей или провести оптические измерения, но мало для статической протонной проводимости, которая по определению должна измеряться в стационарном состоянии. Поэтому в экспериментах с ударными волнами возможны только косвенные оценки», — продолжает Рыжкин. И добавляет: «Сегодня можно с уверенностью сказать, что суперионный лед существует».Суперионный и металлическийКак выглядит суперионный лед? Он в четыре раза тяжелее обычного и не такой прозрачный. Его удельная протонная проводимость — порядка 10 См/м.При самых высоких температурах возникает особая фаза, которую можно назвать металлическим льдом. Если в суперионном состоянии высокая протонная проводимость, но низкая электронная, то в металлическом к протонной добавляется еще более высокая электронная.Это очень необычное состояние, в котором и протоны, и электроны размазаны по всему кристаллу. Такой лед непрозрачный, отражает свет, с металлическим блеском, возможно, черный. Для планетологов, фармацевтов, энергетиковСчитается, что суперионный лед есть в недрах ледяных гигантов — Нептуна и Урана. Планетологи надеются с его помощью объяснить особенности магнитных полей этих планет, выявленные аппаратом «Вояджер-2».Магнитные поля ледяных гигантов устроены сложно, с более чем двумя центрами ротации, не так сильно зависят от вращения планет. Такое возможно, если предположить, что их внешние оболочки содержат слой проводящего флюида, а ниже находится мощная мантия из суперионного льда.Суперионному льду наверняка найдется и другое применение. Так, несколько лет назад открыли сверхпроводимость сероводорода — структурного аналога воды. Сверхпроводимость возникала при давлении около 150 гигопаскалей и при температуре около 203 кельвинов — это выше, чем самая низкая температура на Земле в естественных условиях.»Удивительно, но решетка ионов серы в сероводороде при таких высоких давлениях и кислородная решетка воды, обнаруженная в вышеупомянутой работе Милло, — одного типа. Прежде чем стать сверхпроводником, сероводород переходит в металлическое состояние, но такое состояние есть и у льда, правда, при высоких температурах. Вопрос: возможна ли сверхпроводимость воды в какой-либо области фазовой диаграммы? Исследование этой аналогии, а в самом широком смысле — поиск сверхпроводимости в водородсодержащих соединениях — очень перспективно», — объясняет Иван Рыжкин.Его последние публикации посвящены очень странному объекту — ограниченной воде (confined water). Она получается, если воду запереть в емкости размером всего несколько нанометров. В результате взаимодействия молекул воды со стенками правила льда также нарушаются. Формируется система, которую можно назвать жидким льдом или твердой водой.»Мы говорим о состоянии с жидкой системой водородных связей. Оно похоже на суперионное, так как кислородная подрешетка сохраняется, а протонная расплавлена, о чем свидетельствует очень высокая протонная проводимость, порядка 100 См/м, как в самых лучших суперионных кристаллах», — приводит ученый еще один пример. У этого направления исследований много перспектив в самых разных областях. Например, в медицине.Не исключено, что в клетках и наноканалах живых организмов вода находится именно в ограниченном состоянии. Ее протонная проводимость, особенность взаимодействия с заряженными ионами позволяют, в частности, объяснить, почему мембрана клетки избирательно пропускает ионы калия, натрия. Если научиться управлять этой селективной проницаемостью клеточных мембран, удастся разрабатывать более эффективные лекарства.В области водородной энергетики одна из ключевых задач — создание протон-проводящих мембран. Сейчас для этого используются полимерные пористые пленки типа «Нафион», каналы которого заполнены водой. Там она находится в состоянии с настолько высокой протонной проводимостью, что ее также можно назвать суперионной.Квантовые эффекты льдаИсследования суперионного льда стимулировали развитие экспериментальных методов получения высокого давления. А когда стали сдавливать лед до плотности четыре грамма на кубический сантиметр, то есть получать лед с длиной водородной связи меньше двух ангстрем, возникли вопросы о роли квантового характера протонов. Дело в том, что при сдавливании уменьшается расстояние между возможными позициями протонов и увеличивается вероятность их квантового туннелирования, то есть просачивания в те области пространства, куда по классической механике им нет доступа, и в конце концов квантового размывания частиц по кристаллу. Нечто похожее происходит в гелии при низких температурах. Это называют сверхтекучестью.В случае льда сверхтекучей может стать протонная подрешетка, тогда как кислородная сохранится. Для такого, пока гипотетического, состояния есть английский термин supersolid, хотя буквальный перевод — «супертвердый» — явно не отражает сути явления.Несколько экспериментальных работ претендуют на открытие подобного состояния. Например, несколько лет назад группе Александра Колесникова, бывшего сотрудника ИФТТ РАН, теперь работающего в Ок-Риджской национальной лаборатории (США), удалось наполнить молекулами воды шестиугольные каналы диаметром пять ангстрем в минерале берилле. Получилась ограниченная вода. При охлаждении ионы водорода начали туннелировать. Это зафиксировали методом нейтронного рассеяния, который, в отличие от рассеяния рентгеновских лучей, позволяет сразу определять положение частиц. Авторы назвали это состояние воды квантовым.»Вероятно, квантовые эффекты лежат в основе многих пока необъясненных аномалий воды. Можно сказать, что изучение квантовых свойств воды выходит на первый план в данной области», — отмечает Иван Рыжкин.Научная справедливость»Цитируют ли мою первую работу по суперионному состоянию льда? Мало, около 20 ссылок за все время. Впрочем, это не только моя проблема, но и других российских ученых», — говорит физик.Недавно он разослал оттиск своей статьи зарубежным исследователям, занимающимся этой проблемой. Вот типичные ответы:»Я не знал о вашей статье, которую нахожу очень интересной. Эта работа и раннее предсказание не только было неизвестно нам до 1999 года, но, очевидно, проигнорировано всей литературой по суперионному льду с 1988-го по нынешнее время».»Я сожалею, что пропустил вашу интересную работу».»Жаль, что открыл для себя вашу статью 1985 года недавно, после того как опубликовал свои статьи про суперионный лед!»К чести западных коллег, все они обещали цитировать Рыжкина — и некоторые уже это сделали.

https://ria.ru/20170123/1486280284.html

https://ria.ru/20160126/1365391094.html

https://ria.ru/20190423/1552922691.html

https://ria.ru/20150325/1054472291.html

https://ria.ru/20190116/1549438877.html

черноголовка

сша

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn22.img.ria.ru/images/155945/06/1559450644_134:0:1019:664_1920x0_80_0_0_0a521ed8965dd3d6d1936065157968e6. jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

физика, российская академия наук, черноголовка, сша, лед

МОСКВА, 7 ноя — РИА Новости. Американские физики заявили, что получили суперионный лед. При чудовищных давлении и температуре его кристаллическая решетка из ионов кислорода стабильна, а ионы водорода движутся, словно жидкость. Такую форму вещества теоретически описал 35 лет назад Иван Рыжкин из Института физики твердого тела РАН. Он рассказал РИА Новости, как можно использовать это открытие на практике.

Правила льда

В начале ХХ века британские физики Джон Бернал и Ральф Фаулер экспериментально показали, что ионы кислорода обыкновенного водяного льда образуют упорядоченную кристаллическую решетку в виде шестигранной призмы — гексагональную.

«Рентгеновские лучи хорошо рассеиваются на электронах, поэтому на пленке остается изображение, соответствующее расположению атомов, у которых есть электроны. В случае воды — это ионы кислорода. У протона масса почти в 2000 раз больше, чем у электрона, он очень слабо рассеивает рентгеновские лучи, и положение этих частиц в кристаллической решетке в то время установить не удалось», — рассказывает Иван Рыжкин.

Ученые предположили, что протоны находятся среди ионов кислорода, причем есть два варианта: вблизи иона кислорода — два протона и между двумя ионами кислорода — один протон. Это называют правилами льда.

Американский химик Лайнус Полинг выдвинул гипотезу, что у всех конфигураций, удовлетворяющих этим правилам, одинаковая энергия, подсчитал их число и соответствующую остаточную энтропию.

Теоретические результаты Полинга проверили экспериментально — совпали с точностью до десятых долей процента. Однако это противоречило третьему закону термодинамики, согласно которому остаточная энтропия должна равняться нулю. Долгое время лед оставался единственным, нарушающим третий закон термодинамики. Сейчас известны и другие материалы такого рода.

В кристаллической структуре льда нельзя передвинуть ни один протон, потому что это приведет к нарушению правил. Значит, при температуре, равной абсолютному нулю, протонная конфигурация заморожена, ионы водорода не движутся.

При ненулевой температуре появляются ионные дефекты и дефекты связи, нарушающие правила льда. То есть вблизи иона кислорода расположены три и один протон или водородные связи — с двумя протонами, а также без них.

Под действием электрического поля эти дефекты перемещаются по решетке, обеспечивая протонную проводимость (носителями зарядов выступают протоны, а не электроны). Пока дефектов очень мало, протонная проводимость льда в обычном состоянии минимальна — около 10-9 См/м (сименс на метр).

Суперионный переход

В начале 1980-х в Институте физики твердого тела в Черноголовке под руководством Виктора Петренко создали лабораторию для изучения фундаментальных свойств льда. Мотивация была очень простой: Россия — единственная страна в мире, где массово живут, строят и работают в условиях очень низких температур.

Иван Рыжкин присоединился к коллективу в качестве теоретика. Вскоре ему удалось объяснить, почему возникают правила льда, как нарушаются и какова природа состояния без этих правил.

Один из способов добиться такого состояния — нагреть лед, а чтобы он не расплавился, поместить образец под высокое давление. Оказалось, что при температуре порядка 1000 градусов концентрация ионных дефектов увеличивается скачком в сотни миллионов раз. Соответственно растет и протонная проводимость.

«Ключевое слово здесь именно «скачком». В физике это фазовый переход первого рода. Высокая ионная проводимость характерна для кристаллов, у которых расплавлена только одна подрешетка. Это суперионные кристаллы, или твердые электролиты. Поэтому я назвал такой лед суперионным и в 1985 году опубликовал статью в британском журнале Solid state communications. По моим данным, это первая работа, в которой было предсказано суперионное состояние льда и введен термин», — говорит ученый.

В то время казалось, что у работы чисто теоретическое значение, так как для экспериментальной проверки требовались недостижимые в то время давления, около 100 гигапаскалей. Но сейчас добиваются 150 гигапаскалей в стационарных случаях и 300-400 гигапаскалей на очень короткое время с помощью ударных волн.

Благодаря огромному прогрессу вычислительной техники, к традиционным теоретическим и экспериментальным методам добавились новые (в частности, моделирование), позволяющие получать интересные результаты для условий, неосуществимых в реальном эксперименте. В результате льдом при высоких давлениях и температуре занялись многие исследователи. Фазовую диаграмму изучили в очень широкой области, а термин «суперионный лед» стал очень популярным.

Лед взрывается, но не плавится

В феврале 2018 года в Nature Physics вышла статья американских физиков, экспериментально подтвердивших реальность суперионного льда. Исследователи во главе с Мариусом Милло из Ливерморской национальной лаборатории синтезировали в алмазной наковальне водяной лед VII и затем лазером взорвали его. Ударные волны внутри образца нагревали отдельные участки до почти пяти тысяч градусов Кельвина и сдавливали до 190 гигапаскалей. Это продолжалось мгновения, но ученые успели изучить это состояние оптическими методами и косвенно оценить протонную проводимость. В мае этого года та же группа опубликовала в Nature еще одну работу — исследование атомной решетки льда в тех же условиях с помощью рассеяния рентгеновских лучей.

«У этих работ есть одна особенность. Дело в том, что при получении высокого давления ударными волнами время ограничено обычно несколькими наносекундами. Этого достаточно, чтобы определить атомную структуру методом рассеяния рентгеновских лучей или провести оптические измерения, но мало для статической протонной проводимости, которая по определению должна измеряться в стационарном состоянии. Поэтому в экспериментах с ударными волнами возможны только косвенные оценки», — продолжает Рыжкин. И добавляет: «Сегодня можно с уверенностью сказать, что суперионный лед существует».

Суперионный и металлический

Как выглядит суперионный лед? Он в четыре раза тяжелее обычного и не такой прозрачный. Его удельная протонная проводимость — порядка 10 См/м.

При самых высоких температурах возникает особая фаза, которую можно назвать металлическим льдом. Если в суперионном состоянии высокая протонная проводимость, но низкая электронная, то в металлическом к протонной добавляется еще более высокая электронная.

Это очень необычное состояние, в котором и протоны, и электроны размазаны по всему кристаллу. Такой лед непрозрачный, отражает свет, с металлическим блеском, возможно, черный.

23 января 2017, 14:01НаукаФизики выяснили, как можно расплавить лед при температуре ниже нуля

Для планетологов, фармацевтов, энергетиков

Считается, что суперионный лед есть в недрах ледяных гигантов — Нептуна и Урана. Планетологи надеются с его помощью объяснить особенности магнитных полей этих планет, выявленные аппаратом «Вояджер-2».

Магнитные поля ледяных гигантов устроены сложно, с более чем двумя центрами ротации, не так сильно зависят от вращения планет. Такое возможно, если предположить, что их внешние оболочки содержат слой проводящего флюида, а ниже находится мощная мантия из суперионного льда.

26 января 2016, 14:48НаукаУченые опровергли существование планеты-«Годзиллы» в созвездии ДраконаПовторные наблюдения за самой большой и необычной землеподобной планетой Kepler-10c в созвездии Дракона показали, что на самом деле она является не каменистым небесным телом, а небольшим газовым гигантом или гигантской планетой-океаном

Суперионному льду наверняка найдется и другое применение. Так, несколько лет назад открыли сверхпроводимость сероводорода — структурного аналога воды. Сверхпроводимость возникала при давлении около 150 гигопаскалей и при температуре около 203 кельвинов — это выше, чем самая низкая температура на Земле в естественных условиях.

«Удивительно, но решетка ионов серы в сероводороде при таких высоких давлениях и кислородная решетка воды, обнаруженная в вышеупомянутой работе Милло, — одного типа. Прежде чем стать сверхпроводником, сероводород переходит в металлическое состояние, но такое состояние есть и у льда, правда, при высоких температурах. Вопрос: возможна ли сверхпроводимость воды в какой-либо области фазовой диаграммы? Исследование этой аналогии, а в самом широком смысле — поиск сверхпроводимости в водородсодержащих соединениях — очень перспективно», — объясняет Иван Рыжкин.

23 апреля 2019, 08:00НаукаСверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской наукиЕго последние публикации посвящены очень странному объекту — ограниченной воде (confined water). Она получается, если воду запереть в емкости размером всего несколько нанометров. В результате взаимодействия молекул воды со стенками правила льда также нарушаются. Формируется система, которую можно назвать жидким льдом или твердой водой.

«Мы говорим о состоянии с жидкой системой водородных связей. Оно похоже на суперионное, так как кислородная подрешетка сохраняется, а протонная расплавлена, о чем свидетельствует очень высокая протонная проводимость, порядка 100 См/м, как в самых лучших суперионных кристаллах», — приводит ученый еще один пример.

У этого направления исследований много перспектив в самых разных областях. Например, в медицине.

Не исключено, что в клетках и наноканалах живых организмов вода находится именно в ограниченном состоянии. Ее протонная проводимость, особенность взаимодействия с заряженными ионами позволяют, в частности, объяснить, почему мембрана клетки избирательно пропускает ионы калия, натрия. Если научиться управлять этой селективной проницаемостью клеточных мембран, удастся разрабатывать более эффективные лекарства.

В области водородной энергетики одна из ключевых задач — создание протон-проводящих мембран. Сейчас для этого используются полимерные пористые пленки типа «Нафион», каналы которого заполнены водой. Там она находится в состоянии с настолько высокой протонной проводимостью, что ее также можно назвать суперионной.

25 марта 2015, 21:00НаукаГрафеновый сэндвич помог физикам создать «хипстерский» кубический ледКак полагают исследователи, подобные необычные кристаллы могут возникать не только в графене. Они могут существовать и в природе, в тончайших трещинах в поверхности камней и почвы или даже внутри клеток, в которых присутствуют особые белки, формирующие транспортировочные каналы толщиной в нанометры.

Квантовые эффекты льда

Исследования суперионного льда стимулировали развитие экспериментальных методов получения высокого давления. А когда стали сдавливать лед до плотности четыре грамма на кубический сантиметр, то есть получать лед с длиной водородной связи меньше двух ангстрем, возникли вопросы о роли квантового характера протонов.

Дело в том, что при сдавливании уменьшается расстояние между возможными позициями протонов и увеличивается вероятность их квантового туннелирования, то есть просачивания в те области пространства, куда по классической механике им нет доступа, и в конце концов квантового размывания частиц по кристаллу. Нечто похожее происходит в гелии при низких температурах. Это называют сверхтекучестью.

В случае льда сверхтекучей может стать протонная подрешетка, тогда как кислородная сохранится. Для такого, пока гипотетического, состояния есть английский термин supersolid, хотя буквальный перевод — «супертвердый» — явно не отражает сути явления.

Несколько экспериментальных работ претендуют на открытие подобного состояния. Например, несколько лет назад группе Александра Колесникова, бывшего сотрудника ИФТТ РАН, теперь работающего в Ок-Риджской национальной лаборатории (США), удалось наполнить молекулами воды шестиугольные каналы диаметром пять ангстрем в минерале берилле. Получилась ограниченная вода. При охлаждении ионы водорода начали туннелировать. Это зафиксировали методом нейтронного рассеяния, который, в отличие от рассеяния рентгеновских лучей, позволяет сразу определять положение частиц. Авторы назвали это состояние воды квантовым.

«Вероятно, квантовые эффекты лежат в основе многих пока необъясненных аномалий воды. Можно сказать, что изучение квантовых свойств воды выходит на первый план в данной области», — отмечает Иван Рыжкин.

16 января 2019, 15:04НаукаГелий помог физикам из России воссоздать «первичную материю Вселенной»

Научная справедливость

«Цитируют ли мою первую работу по суперионному состоянию льда? Мало, около 20 ссылок за все время. Впрочем, это не только моя проблема, но и других российских ученых», — говорит физик.

Недавно он разослал оттиск своей статьи зарубежным исследователям, занимающимся этой проблемой. Вот типичные ответы:

«Я не знал о вашей статье, которую нахожу очень интересной. Эта работа и раннее предсказание не только было неизвестно нам до 1999 года, но, очевидно, проигнорировано всей литературой по суперионному льду с 1988-го по нынешнее время».

«Я сожалею, что пропустил вашу интересную работу».

«Жаль, что открыл для себя вашу статью 1985 года недавно, после того как опубликовал свои статьи про суперионный лед!»

К чести западных коллег, все они обещали цитировать Рыжкина — и некоторые уже это сделали.

Кристаллические тела. — О’Пять пО физике!

Работу выполнила Садыкова Анастасия.

Кристаллические
тела (кристаллы)
— это твердые тела, атомы или молекулы которых
занимают упорядоченные положения в пространстве.

 Частицы кристаллических тел образуют в
пространстве правильную кристаллическую
пространственную решетку
.

  Каждому химическому веществу, находящемуся в
кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая решетка,
которая задает физические свойства кристалла. Много лет назад в Петербурге на
одном из неотапливаемых складов лежали большие запасы белых оловянных блестящих
пуговиц. И вдруг они начали темнеть, терять блеск и рассыпаться в порошок. За
несколько дней горы пуговиц превратились в груду серого порошка. «Оловянная чума» — так прозвали эту «болезнь» белого
олова.  А это была всего лишь перестройка
порядка атомов в кристаллах олова. Олово, переходя из белой разновидности в
серую, рассыпается в порошок.  И
белое, и серое олово — это кристаллы олова, но при низкой температуре
изменяется их кристаллическая структура, а в результате меняются физические
свойства вещества.   Кристаллы могут иметь различную форму, и
ограничены плоскими гранями.

  В природе существуют:

а) монокристаллы — это одиночные однородные кристаллы,
имеющие форму правильных многоугольников и обладающие непрерывной кристаллической
решеткой

Монокристаллы
поваренной соли.

 б) поликристаллы — это кристаллические тела, сросшиеся
из мелких, хаотически расположенных кристаллов Большинство твердых тел имеет
поликристаллическую структуру (металлы, камни, песок, сахар).

Поликристаллы
висмута.

 Анизотропия кристаллов.  В кристаллах наблюдается анизотропия — зависимость физических свойств
(механической прочности, электропроводности, теплопроводности, преломления и
поглощения света, дифракции и др.) от направления внутри кристалла. Анизотропия
наблюдается в основном в монокристаллах. В поликристаллах (например, в большом
куске металла) анизотропия в обычном состоянии не проявляется. Поликристаллы
состоят из большого количества мелких кристаллических зерен. Хотя каждый из них
обладает анизотропией, но за счет беспорядочности их расположения
поликристаллическое тело в целом утрачивает анизотропию. Любое
кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления:
железо — при 1530°,олово — при 232°, кварц — при 1713°, ртуть— при минус 38°.   Нарушить порядок
расположения в кристалле частицы могут, только если он начал плавиться.  Пока есть порядок частиц,
есть кристаллическая решетка — существует кристалл. Нарушился строй частиц —
значит, кристалл расплавился — превратился в жидкость, или испарился — перешел
в пар.

Спасибо за внимание. Я готова ответить на интересующие вас
вопросы.

Определение кристаллической решетки — химический словарь

Что такое решетка?

Решетка — это упорядоченный массив точек, описывающий расположение частиц, образующих кристалл.

Элементарная ячейка кристалла определяется узлами решетки.
Элементарная ячейка — это наименьшая часть кристалла, которая регулярно повторяется посредством трансляции в трех измерениях, создавая весь кристалл.

Например, показанное здесь изображение представляет собой элементарную ячейку примитивной кубической структуры.

В нарисованной структуре все частицы (желтые) одинаковы.
В этом частном случае точки решетки, определяющие элементарную ячейку, совпадают с центрами частиц кристалла. Это не всегда так.

Ионная решетка

Если кристалл состоит из ионов, соединение можно описать как ионную решетку.

Хорошо известными примерами ионных решеток являются хлорид натрия, перманганат калия, бура (борат натрия) и сульфат меди (II).

Кристаллы перманганата калия. Изображение Бена Миллса.

Элементарная ячейка перманганата калия. Изображение Бена Миллса.

Ковалентная решетка

Если кристалл состоит из ковалентно связанных атомов, его можно описать как ковалентную решетку или бесконечную ковалентную решетку.

Хорошо известными примерами ковалентных решеток являются алмаз, кварц (диоксид кремния), кремний и серое олово.

Кристаллический кремний. Изображение Энрикорос.

Небольшая часть кристаллической структуры кремния.

Константы решетки

Постоянные решетки (или параметры решетки) — это длины и углы между краями элементарной ячейки.

На этой решетчатой ​​диаграмме параллелепипеда постоянные решетки — это a, b и c (длины) и α, β и γ (углы).

Решетчатые конструкции

Решетки Браве. На основе изображения Napy1 Kenobi.

Кристаллические материалы вписываются в одну из четырнадцати известных структур решетки.Они известны как решетки Браве .

Названия систем кристаллической решетки, соответствующие номерам на диаграммах, следующие:

1. Примитивная кубическая
2. Телоцентрированная кубическая
3. Гранецентрированная кубическая
4. Примитивная тетрагональная
5. Телоцентрированная тетрагональная
6. Примитивная орторомбическая
7. Орторомбическая центрированная по основанию
8. Тело центрированная Орторомбическая
9. Лицевая центрированная Орторомбический
10. Примитивный моноклинный
11.Моноклиника с центром в основании
12. Триклиническая модель
13. Ромбоэдрическая
14. Гексагональная

Дефекты решетки

Если предположить, что кристалл основан на математически совершенной ионной решетке, его расчетная прочность на растяжение была бы намного больше, чем наблюдается на самом деле.

Настоящие кристаллы имеют дефекты решетки, которые являются источниками слабости.
Ионы, отсутствующие в ожидаемых местах, и ионы, занимающие необычные координационные узлы, являются примерами дефектов решетки.

Дефекты решетки также могут быть полезными, например, улучшая проводимость некоторых полупроводниковых материалов.

Кристаллическая решетка: определение и структура — научный класс [видео 2021 года]

Структура кристаллической решетки

Когда мы смотрим на структуру кристаллической решетки, помните о схемах расположения каждой точки, а также об их симметрии. Участки кристаллической решетки просматриваются только под микроскопом и невидимы невооруженным глазом.Чтобы увидеть эти структуры, мы должны взять кристалл (твердый объект), поместить его под микроскоп и рассмотреть узлы кристаллической решетки.

Здесь показана структура кристаллической решетки. Вспомните, что кристаллическая решетка — это расположение атомов в кристалле (черные и белые точки на изображении — это ваши атомы). Такое расположение можно определить как пересечение трех параллельных плоскостей. Итак, если мы разрежем эту диаграмму на три части, вы увидите три разных плоскости. Когда эти плоскости пересекаются друг с другом, в результате получается трехмерная сеть с гранями.Думайте о каждом лице как о параллельном прямоугольнике.

Диаграмма 1: Пример структуры кристаллической решетки

Симметрия

Вы же не думаете, что я забуду о симметрии нашего друга, не так ли? Конечно, нет; Фактически, эти коробки (или грани) вносят вклад в симметрию структуры кристаллической решетки. Каждый блок содержит информацию о симметрии, необходимую для обеспечения трансляционной кристаллической структуры.

Трансляционная симметрия возникает, когда объект перемещается (или перемещается) на определенное расстояние в определенном месте. Например, вы хотите построить деревянный пол с рисунком. Вы кладете один кусок дерева по диагонали через каждые 20 дюймов. Этот стиль дерева с определенным рисунком имеет определенное расстояние (20 дюймов) и направление (диагональ).

Классификация

Кристаллические решетки можно разделить на одноатомные и многоатомные. Эта классификация основана на типе атомов, присутствующих на поверхности в решетчатой ​​структуре.Если для создания грани (или прямоугольника) используется только один тип атома, это одноатомный . Многоатомная кристаллическая решетка содержит более одного типа атомов, используемых для создания грани.

Если мы посмотрим на структуру кристаллической решетки поваренной соли (NaCl) — решетка (а) и алмаза — решетка (б), мы увидим, что обе они имеют разные структуры решетки. Одно лицо в поваренной соли состоит из красных и зеленых точек. Это означает, что существует более одного типа атомов.Следовательно, эта структура многоатомна. В структуре алмазной решетки есть только одна цветная точка (синяя). Эта структура одноатомна.

Диаграмма 2: Структуры кристаллической решетки (а) NaCl и (б) алмаза

Типы структур кристаллической решетки

Существует 14 различных типов кристаллических решеток. Каждый тип уникально описывает геометрическую симметрию кристалла. В частности, эти типы кристаллической решетки называются решетками Браве. Решетка Браве просто описывает разные типы трех разных решеток, которые могут быть созданы для данного кристалла.

Каждый из 14 типов решеток подразделяется на 7 кристаллических систем. Думайте о каждой системе как о группе структур кристаллической решетки (решетки Браве), которые однозначно описывают геометрическую симметрию кристалла. Приведены таблицы, в которых перечислены семь систем и их структуры. Если мы вернемся к нашему примеру с поваренной солью, как вы думаете, к какому типу кристаллической системы она принадлежит? Верно! Поваренная соль (NaCl) относится к системе кубической решетки.

Таблица 1: Список кристаллических систем


Таблица 2: Список кристаллических систем, продолжение


Таблица 3: Список кристаллических систем, продолжение

Кристаллическая решетка является основой структуры твердого объекта. В следующий раз, когда вы будете поливать пищу солью или чистить этот сверкающий алмаз, вспомните об упорядоченной структуре кристаллической решетки, использованной для создания этого объекта.

Краткое содержание урока

Большинство твердых объектов содержат крошечные переплетенные кристаллы. Кристалл представляет собой твердый материал, который содержит атомы или группы атомов, образующие высокоупорядоченную структуру. Это структурное устройство является трехмерным. Кристаллическая решетка описывает расположение этих атомов в кристалле и характеризуется трансляционной симметрией. Если на поверхности кристаллической решетки присутствует один тип атома, он называется одноатомным .Наличие более чем одного типа атомов означает, что структура решетки является многоатомной , . Существует 14 различных типов кристаллических решеток, которые называются решетками Браве . Каждая из этих решетчатых структур подразделяется на семь кристаллических систем.

Ключевые термины для кристаллической решетки

Кристаллическая решетка
  • Кристалл : твердое вещество, содержащее атомы или группы атомов, расположенные в упорядоченной структуре
  • Кристаллическая решетка : расположение атомов в кристаллических формах с трансляционной симметрией
  • Одноатомный : только один тип атомов в решетке
  • Многоатомный : более одного типа атомов в решетке
  • Bravais Lattices : 7 кристаллических систем, состоящих из 14 различных типов кристаллических решеток

Результаты обучения

Завершите этот урок, чтобы успешно выполнить следующие задачи:

  • Опишите кристаллическую решетку
  • Покажите, как формируются кристаллические решетки
  • Деталь различных типов кристаллических решеток

Кристаллическая структура

Кристаллическая структура

PHY.F20 Молекулярная физика и физика твердого тела

Кристаллическая структура

В кристалле атомы расположены прямыми рядами в трехмерной периодической структуре.
Небольшая часть кристалла, которая может повторяться для образования всего кристалла, называется элементарной ячейкой.

Асимметричный блок

Примитивная элементарная ячейка

Обычная элементарная ячейка

Кристалл

Такие устройства, как твердотельные транзисторы, лазеры, солнечные элементы и светодиоды, часто изготавливаются из монокристаллов.Многие материалы, в том числе большинство металлов и керамика, являются поликристаллическими. Это означает, что есть много маленьких кристаллов, упакованных вместе, где ориентация между кристаллами случайна. Когда атомы материала не расположены в правильном порядке, это называется аморфным материалом. Пример аморфного материала — стекло. Несмотря на то, что не все твердые тела являются кристаллами, мы будем тратить большую часть времени на изучение кристаллов, поскольку трансляционная симметрия упрощает их математическое описание.Описание поведения более сложных материалов обычно основывается на понимании, которое было получено при изучении кристаллов.

Некоторые общие кристаллические структуры, которые вы должны знать

Чтение
Киттель Глава 1: Кристаллическая структура или Р. Гросс и А. Маркс: Kristallstrucktur 1.1 — 1.2
Вам не нужно знать все детали симметрий в разделе 1.1.2 Гросса и А. Маркса. Подробнее о симметриях мы поговорим в лекции о кристаллических физиках.Я представлю концепцию асимметричной единицы, которой нет в этих книгах, но которая является важной концепцией для кристаллографии.

    Для сдачи экзамена необходимо

  • знают, что кристалл состоит из основы (атомов примитивной элементарной ячейки) и одной из 14 решеток Браве. Вы должны уметь нарисовать обычную элементарную ячейку с учетом основы и решетки Браве, как в этой задаче.
  • знает, что такое примитивные векторы решетки $ (\ vec {a} _1, \ vec {a} _2, \ vec {a} _3) $ и как их можно использовать для вычисления объема примитивной элементарной ячейки.
    • Объем элементарной ячейки равен $ \ vec {a} _1 \ cdot (\ vec {a} _2 \ times \ vec {a} _3) $.
    • Вектор сдвига кристалла равен $ \ vec {T} = l \ vec {a} _1 + m \ vec {a} _2 + n \ vec {a} _3 $, где $ l, m, n $ — целые числа.
  • уметь рисовать следующие кристаллические структуры: простую кубическую, ГЦК, ОЦК, ГПУ, NaCl, CsCl, гексагональную, тетрагональную и ромбическую.
  • сможет построить ячейку Вигнера Зейтца. Это примитивная элементарная ячейка с той же симметрией, что и кристалл.
  • знает, как знаки Миллера используются для определения направлений и плоскостей в кристалле. Вы должны уметь изобразить расположение атомов на поверхности кристалла, срезанного вдоль плоскости, указанной индексами Миллера, как в этой задаче.
  • знает, что такое асимметричный элемент и как его можно использовать для определения кристаллической структуры.

Информационное руководство CES — Материаловедение

Кристаллическая структура

Кристаллический материал состоит в основном из

организованных кристаллов
состав.Кристалл — это твердое тело, состоящее из атомов, ионов или молекул.
расположены по шаблону, повторяющемуся в трех измерениях. Каждый кристалл
Структура внутри конкретной кристаллической системы определяется элементарной ячейкой.
Элементарная ячейка — это наименьшая повторяемая часть кристалла.

Думая о кристаллах,
часто удобно игнорировать настоящие атомы, ионы или молекулы
и сосредоточиться на геометрии периодических массивов. Кристалл тогда
представлен в виде решетки, то есть трехмерного массива точек
(точки решетки), каждая из которых имеет идентичное окружение.Во время Рождества
время вы столкнетесь с двумерными решетками в оберточной бумаге.
Другой пример — решетки на полу в ванной, как показано на рисунке.
ниже. Вы можете вспомнить другие решетки на этой картинке?

Каждая кристаллическая решетка определяется кристаллической системой. В трех измерениях,
существует семь кристаллических систем: триклинная, моноклинная, ромбическая,
гексагональный, ромбоэдрический, тетрагональный и кубический.Эта коллекция
системы называются решетками Браве.

Одним из примеров кристаллического материала является железо. Железо имеет центр тела
Кубическая (ОЦК) элементарная ячейка:

Сгруппирован в кубическую кристаллическую систему.

Кристаллическая структура металлов: (a) гранецентрированная кубическая (FCC) (b) объемноцентрированная кубическая (BCC) (c) шестиугольная плотноупакованная (HCP)

NaCl Цинковая обманка

Выше представлены графические изображения структур NaCl и цинковой обманки.
которые находятся в кубических системах.

Определение кристалла, примеры и общие типы

Кристалл состоит из вещества, образованного упорядоченным расположением атомов, молекул или ионов. Образующаяся решетка простирается в трех измерениях.

Поскольку есть повторяющиеся единицы, кристаллы имеют узнаваемую структуру. Большие кристаллы имеют плоские области (грани) и четко определенные углы.

Кристаллы с очевидными плоскими гранями называются идиоморфными кристаллами, а кристаллы без определенных граней — безгранными кристаллами.Кристаллы, состоящие из упорядоченных массивов атомов, которые не всегда являются периодическими, называются квазикристаллами.

Слово «кристалл» происходит от древнегреческого слова krustallos , что означает и «горный хрусталь», и «лед». Научное изучение кристаллов называется кристаллографией.

Примеры

Примеры повседневных материалов, с которыми вы сталкиваетесь в виде кристаллов, — это поваренная соль (кристаллы хлорида натрия или галита), сахар (сахароза) и снежинки. Многие драгоценные камни представляют собой кристаллы, в том числе кварц и алмаз.

Есть также много материалов, которые напоминают кристаллы, но на самом деле являются поликристаллами. Поликристаллы образуются, когда микроскопические кристаллы сливаются вместе, образуя твердое тело. Эти материалы не состоят из упорядоченных решеток.

Примеры поликристаллов включают лед, образцы многих металлов и керамику. Еще меньшую структуру имеют аморфные твердые тела, имеющие неупорядоченную внутреннюю структуру. Примером аморфного твердого вещества является стекло, которое может напоминать кристалл в огранке, но не является таковым.

Химические облигации

Типы химических связей, образующихся между атомами или группами атомов в кристаллах, зависят от их размера и электроотрицательности. Есть четыре категории кристаллов, сгруппированных по их соединению:

  1. Ковалентные кристаллы: Атомов в ковалентных кристаллах связаны ковалентными связями. Чистые неметаллы образуют ковалентные кристаллы (например, алмаз), как и ковалентные соединения (например, сульфид цинка).
  2. Молекулярные кристаллы: Целые молекулы организованно связаны друг с другом.Хороший пример — кристаллы сахара, содержащие молекулы сахарозы.
  3. Металлические кристаллы: Металлы часто образуют металлические кристаллы, в которых некоторые валентные электроны могут свободно перемещаться по решетке. Железо, например, может образовывать различные металлические кристаллы.
  4. Ионные кристаллы: Электростатические силы образуют ионные связи. Классический пример — кристалл галита или соли.

Кристаллические решетки

Существует семь систем кристаллических структур, которые также называют решетками или пространственными решетками:

  1. Кубический или изометрический: Эта форма включает октаэдры и додекаэдры, а также кубы.
  2. Tetragonal: Эти кристаллы образуют призмы и двойные пирамиды. Структура похожа на кубический кристалл, за исключением того, что одна ось длиннее другой.
  3. Орторомбическая: Это ромбические призмы и дипирамиды, напоминающие тетрагоны, но без квадратного поперечного сечения.
  4. Шестигранник: Шестигранные призмы с шестигранным поперечным сечением.
  5. Trigonal: Эти кристаллы имеют тройную ось.
  6. Triclinic: Кристаллы Triclinic обычно не симметричны.
  7. Monoclinic: Эти кристаллы напоминают скошенные четырехугольные формы.

Решетки могут иметь одну точку решетки на ячейку или более одной, что дает в общей сложности 14 типов кристаллической решетки Браве. Решетки Браве, названные в честь физика и кристаллографа Огюста Браве, описывают трехмерный массив, состоящий из набора дискретных точек.

Вещество может образовывать более одной кристаллической решетки. Например, вода может образовывать шестиугольный лед (например, снежинки), кубический лед и ромбоэдрический лед.Он также может образовывать аморфный лед.

Углерод может образовывать алмаз (кубическая решетка) и графит (гексагональная решетка).

Как образуются кристаллы

Процесс формирования кристалла называется кристаллизацией. Кристаллизация обычно происходит, когда твердый кристалл вырастает из жидкости или раствора.

Когда горячий раствор охлаждается или насыщенный раствор испаряется, частицы сближаются достаточно близко, чтобы образовались химические связи. Кристаллы также могут образовываться в результате осаждения непосредственно из газовой фазы.Жидкие кристаллы обладают упорядоченно ориентированными частицами, как твердые кристаллы, но при этом способны течь.

электромагнетизм — потенциальная энергия для кристаллической решетки

электромагнетизм — потенциальная энергия для кристаллической решетки — Physics Stack Exchange

Сеть обмена стеком

Сеть Stack Exchange состоит из 176 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

Посетить Stack Exchange

  1. 0

  2. +0

  3. Авторизоваться
    Зарегистрироваться

Physics Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для активных исследователей, ученых и студентов-физиков.Регистрация займет всего минуту.

Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

Кто угодно может задать вопрос

Кто угодно может ответить

Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх

Спросил

Просмотрено
2k раз

$ \ begingroup $

Мне нужна помощь в понимании следующего отрывка:

Рассмотрим кристаллическую решетку, в элементарной ячейке которой содержится 27 ионов, расположенных таким образом, что есть альтернативные положительные и отрицательные ионы одинаковой величины.{nN_0} _ {k = 2} {q_1 q_k \ over r_ {1k}}, $$

, где $ n $ — количество молей твердого тела.

Я понимаю, что говорит автор, но не понимаю, почему он так говорит. Я не понимаю, почему умножение общего потенциала одного иона на общее количество ионов дает общий потенциал. Например, возьмите ион в правом нижнем углу кристалла, очевидно, что потенциал этого иона по отношению к иону в середине и к иону в верхнем левом углу решетки будет отличаться. Что здесь рассуждает автор?

Создан 22 апр.

А — БА — Б

4127 серебряных знаков1414 бронзовых знаков

$ \ endgroup $

4

$ \ begingroup $

Например, возьмем ион в правом нижнем углу кристалла, очевидно, что потенциал этого иона по отношению к иону в середине и иону в верхнем левом углу решетки будет отличаться.N {q_1q_k / r_ {1k}} $$
То есть сумма потенциальных энергий взаимодействия этого атома с каждым другим атомом в кристалле. Теперь автор предполагает, что куда бы вы ни посмотрели в кристалл, все выглядит одинаково (т.е. кристалл бесконечен). Хотя, вы правы, на краю кристалла это не работает, это распространенное предположение. Теперь, поскольку у вас есть N атомов в кристалле, умножьте энергию каждого атома на N, чтобы получить полную потенциальную энергию. Но вам нужно разделить на 2, потому что, если этого не сделать, вы будете двойным счетом.

Создан 22 апр.

Илья ЛапанИлья Лапан

1,13388 серебряных знаков1717 бронзовых знаков

$ \ endgroup $

2

$ \ begingroup $

Вы правы, утверждая, что уравнение дает потенциальную энергию для одного иона, а затем умножает ее на количество ионов, чтобы получить полную потенциальную энергию.

Причина, по которой влияние границы можно игнорировать, основана на двух факторах:

  1. Соседние ионы имеют большее влияние на потенциал данного иона, чем далекие ионы. (влияние падает с 1 / р)
  2. Большинство ионов не находится на границе кристалла. Если имеется несколько молей атомов, только очень небольшой процент находится на границе.

Число 1 показывает, что для ионов, находящихся не близко к границе, граница не важна.Номер 2 показывает, что это верно почти для всех ионов.

Это приближение, конечно, справедливо только для огромного числа ионов

Создан 22 апр.

Малиновый

2,78377 серебряных знаков1818 бронзовых знаков

$ \ endgroup $

1

Physics Stack Exchange лучше всего работает с включенным JavaScript

Ваша конфиденциальность

Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь с тем, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой в ​​отношении файлов cookie.

Принимать все файлы cookie

Настроить параметры

9.3 Связь в кристаллических твердых телах — Университетская физика, том 3

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Описать структуру упаковки обычных твердых тел
  • Объясните разницу между связыванием в твердом теле и в молекуле
  • Определить равновесное разделительное расстояние с учетом свойств кристалла
  • Определить энергию диссоциации соли с учетом свойств кристалла

Начиная с этого раздела, мы изучаем кристаллические твердые тела, которые состоят из атомов, расположенных в виде протяженной регулярной структуры, называемой решеткой.Твердые вещества, которые не образуют или не могут образовывать кристаллы, классифицируются как аморфные твердые вещества. Хотя аморфные твердые тела (например, стекло) имеют множество интересных технологических применений, основное внимание в этой главе будет уделено кристаллическим твердым веществам.

Атомы располагаются в решетке, образуя кристалл из-за чистой силы притяжения между составляющими их электронами и атомными ядрами. Кристаллы, образованные связью атомов, относятся к одной из трех категорий, классифицируемых по их связыванию: ионные, ковалентные и металлические.Молекулы также могут связываться друг с другом, образуя кристаллы; эти связи, не обсуждаемые здесь, классифицируются как молекулярные. В начале двадцатого века атомная модель твердого тела была умозрительной. Теперь у нас есть прямые доказательства наличия атомов в твердых телах (рис. 9.7).

Рис. 9.7 Изображение поверхности графита, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Пики представляют собой атомы, расположенные в шестиугольниках. Шкала в ангстремах.

Ионная связь в твердых телах

Многие твердые вещества образуются за счет ионной связи.Как мы обсуждали ранее, прототипическим примером является кристалл хлорида натрия. Электроны передаются от атомов натрия к соседним атомам хлора, поскольку валентные электроны в натрии слабо связаны, а хлор имеет большое сродство к электрону. Положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора (хлорида) образуют расширенный регулярный массив атомов (рис. 9.8).

Рисунок 9.8 Структура кристалла хлорида натрия. Ионы натрия и хлора расположены в гранецентрированной кубической (ГЦК) структуре.

Распределение заряда ионов натрия и хлорида сферически симметрично, и ион хлора примерно в два раза больше диаметра иона натрия. Расположение этих ионов с наименьшей энергией называется гранецентрированной кубической (ГЦК) структурой. В этой структуре каждый ион наиболее близок к шести ионам других разновидностей. Элементарная ячейка представляет собой куб — атом занимает центр и углы каждой «грани» куба. Потенциальная энергия притяжения иона Na + Na +, обусловленная полями этих шести ионов Cl – Cl–, записывается как

U1 = −6e24πε0rU1 = −6e24πε0r

9.14

, где знак минус обозначает притягивающий потенциал (и мы определяем k = 1 / 4πε0k = 1 / 4πε0). На расстоянии 2r2r находятся его следующие ближайшие соседи: двенадцать ионов Na + Na + с одинаковым зарядом. Полная потенциальная энергия отталкивания, связанная с этими ионами, составляет

U2 = 12e24πε02r.U2 = 12e24πε02r.

9,15

Следующими ближайшими являются восемь ионов Cl − Cl− на расстоянии 3r3r от иона Na + Na +. Потенциальная энергия иона Na + Na + в поле этих восьми ионов составляет

U3 = −8e24πε03r.U3 = −8e24πε03r.

9,16

Продолжая таким же образом с альтернативными наборами ионов Cl − Cl− и Na + Na +, мы обнаруживаем, что чистая потенциальная энергия притяжения UAUA одного иона Na + Na + может быть записана как

Ucoul = −αe24πε0rUcoul = −αe24πε0r

9,17

где αα — постоянная Маделунга, введенная ранее. Из этого анализа мы видим, что эта константа представляет собой бесконечную сходящуюся сумму

α = 6−122 + 83 + ⋯. α = 6−122 + 83 + ⋯.

9,18

Далекие ионы вносят значительный вклад в эту сумму, поэтому она сходится медленно, и для точного вычисления αα необходимо использовать много членов.Для всех твердых ионных частиц FCC α составляет приблизительно 1,75.

Другие возможные конфигурации упаковки атомов в твердых телах включают простую кубическую и объемно-центрированную кубическую (ОЦК). Эти три различные структуры упаковки твердых тел сравниваются на рис. 9.9. Первая строка представляет расположение, но не размер ионов; вторая строка указывает элементарные ячейки каждой структуры или решетки; а третья строка представляет расположение и размер ионов. Структура BCC имеет восемь ближайших соседей с константой Маделунга около 1.76 — лишь немного отличается от структуры FCC. Определение постоянной Маделунга для конкретных твердых тел — сложная работа и предмет текущих исследований.

Рисунок 9.9 Структуры уплотнения для твердых тел слева направо: (а) простая кубическая, (б) объемно-центрированная кубическая (ОЦК) и (в) гранецентрированная кубическая (ГЦК). Каждая кристаллическая структура сводит к минимуму энергию системы.

Энергия ионов натрия не полностью обусловлена ​​силами притяжения между противоположно заряженными ионами.Если ионы покупаются слишком близко друг к другу, волновые функции остовных электронов ионов перекрываются, и электроны отталкиваются из-за принципа исключения. Полная потенциальная энергия иона Na + Na +, следовательно, является суммой притягивающего кулоновского потенциала (Ucoul) (Ucoul) и потенциала отталкивания, связанного с принципом исключения (Uex) (Uex). Для вычисления этого отталкивающего потенциала требуются мощные компьютеры. К счастью, однако, эту энергию можно точно описать простой формулой, которая содержит настраиваемые параметры:

, где параметры A и n выбраны для получения прогнозов, согласующихся с экспериментальными данными.Для задачи в конце этой главы параметр n называется константой отталкивания. Таким образом, полная потенциальная энергия иона Na + Na + составляет

U = −αe24πε0r + Arn. U = −αe24πε0r + Arn.

9.20

В состоянии равновесия на ион отсутствует результирующая сила, поэтому расстояние между соседними ионами Na + Na + и Cl − Cl− должно быть равным r0r0, для которого U является минимальным. Устанавливая dUdr = 0dUdr = 0, получаем

0 = αe24πε0r02 − nAr0n + 1.0 = αe24πε0r02 − nAr0n + 1.

9,21

Таким образом,

A = αe2r0n − 14πε0n.A = αe2r0n − 14πε0n.

9,22

Подставляя это выражение в выражение для полной потенциальной энергии, получаем

U = −αe24πε0r0 [r0r − 1n (r0r) n] .U = −αe24πε0r0 [r0r − 1n (r0r) n].

9,23

Обратите внимание, что общая потенциальная энергия теперь имеет только один регулируемый параметр, n . Параметр A был заменен функцией, включающей r0r0, равновесное расстояние разделения, которое можно измерить с помощью дифракционного эксперимента (о дифракции вы узнали в предыдущей главе).Полная потенциальная энергия показана на рисунке 9.10 для n = 8n = 8, приблизительное значение n для NaCl.

Рисунок 9.10. Потенциальная энергия иона натрия в кристалле NaCl для n = 8n = 8. Равновесная длина связи возникает, когда энергия минимизирована.

Пока n> 1n> 1, кривая для U имеет ту же общую форму: U стремится к бесконечности при r → 0r → 0 и U стремится к нулю при r → ∞r → ∞. Минимальное значение потенциальной энергии равно

.
Umin (r = r0) = — αke2r0 (1−1n).Umin (r = r0) = — αke2r0 (1−1n).

9,24

Таким образом, энергия на ионную пару, необходимая для разделения кристалла на ионы, составляет

.
Udiss = αke2r0 (1−1n) .Udiss = αke2r0 (1−1n).

9,25

Это энергия диссоциации твердого тела. Энергия диссоциации также может использоваться для описания полной энергии, необходимой для разрушения моля твердого тела на составляющие ионы, часто выражаемой в кДж / моль. Энергию диссоциации можно определить экспериментально, используя скрытую теплоту парообразования.Примеры значений приведены в следующей таблице.

Ф-Ф- Cl-Cl- Br − Br− I − I−
Li + Li + 10361036 853853 807807 757757
Na + Na + 923923 787787 747747 704704
К + К + 821821 715715 682682 649649
руб + руб + 785785 689689 660660 630630
CS + CS + 740740 659659 631631 604604

Таблица 9.2 Энергия решетки для галогенидов щелочных металлов

Таким образом, мы можем определить постоянную Маделунга из кристаллической структуры и n из энергии решетки. Для NaCl имеем r0 = 2,81År0 = 2,81Å, n≈8n≈8 и Udiss = 7,84 эВ / ионная пара. Udiss = 7,84 эВ / ионная пара. Эта энергия диссоциации относительно велика. Самый энергичный фотон видимого спектра, например, имеет энергию приблизительно

hf = (4,14 × 10-15 эВ · с) (7,5 · 1014 Гц) = 3,1 эВ. hf = (4,14 · 10-15 эВ · с) (7,5 · 1014 Гц) = 3,1 эВ.

Поскольку ионы в кристаллах очень прочно связаны, ионные кристаллы имеют следующие общие характеристики:

  1. Они довольно жесткие и стабильные.
  2. Они испаряются при относительно высоких температурах (от 1000 до 2000 К).
  3. Они прозрачны для видимого излучения, потому что фотоны в видимой части спектра недостаточно энергичны, чтобы вывести электрон из основного состояния в возбужденное.
  4. Это плохие электрические проводники, потому что они практически не содержат свободных электронов.
  5. Обычно они растворимы в воде, потому что молекула воды имеет большой дипольный момент, электрическое поле которого достаточно велико, чтобы разорвать электростатические связи между ионами.

Пример 9.3

Энергия диссоциации соли

Определите энергию диссоциации хлорида натрия (NaCl) в кДж / моль. ( Подсказка: Константа отталкивания n NaCl приблизительно равна 8.)

Стратегия

Кристалл хлорида натрия имеет равновесное расстояние 0,282 нм. (Сравните это значение с 0,236 нм для свободной двухатомной единицы NaCl.) Энергия диссоциации зависит от расстояния разделения, константы отталкивания и константы Маделунга для структуры FCC.Расстояние разделения, в свою очередь, зависит от молярной массы и измеренной плотности. Мы можем определить расстояние разделения, а затем использовать это значение для определения энергии диссоциации одного моля твердого вещества.

Решение

Атомные массы Na и Cl составляют 23,0 ед. И 58,4 ед., Поэтому молярная масса NaCl составляет 58,4 г / моль. Плотность NaCl составляет 2,16 г / см 32,16 г / см3. Связь между этими величинами такова:
ρ = MV = M2NAr03, ρ = MV = M2NAr03,

, где M — масса одного моля соли, NANA — число Авогадро, а r0r0 — равновесное расстояние разделения.Коэффициент 2 необходим, поскольку ионы натрия и хлорида представляют собой кубический объем r03r03. Решая расстояние, получаем

r03 = M2NAρ = 58,4 г / моль2 (6,03 × 1023) (2,160 г / см3) = 2,23 × 10–23 см3, r03 = M2NAρ = 58,4 г / моль2 (6,03 × 1023) (2,160 г / см3) = 2,23 × 10– 23см3,

или

r0 = 2,80 × 10-8 см = 0,280 нм. r0 = 2,80 × 10-8 см = 0,280 нм.

Потенциальная энергия одной ионной пары (Na + Cl -) (Na + Cl–) равна

U = −αke2r0 (1−1n), U = −αke2r0 (1−1n),

где αα — постоянная Маделунга, r0r0 — равновесное расстояние разделения, а n — константа отталкивания.NaCl является ГЦК, поэтому константа Маделунга α = 1,7476. Α = 1,7476. Подставляя эти значения, получаем

U = -1,751,44 эВ · нм0,280 нм (1-18) = -7,88 эВионная пара. U = -1,751,44 эВ · нм 0,280 нм (1-18) = -7,88 эВионная пара.

Таким образом, энергия диссоциации одного моля хлорида натрия равна

.
D = (7,88 эВионная пара) (23,052 ккал1 моль1 эВионная пара) = 182 ккал / моль = 760 кДж / моль D = (7,88 эВионная пара) (23,052 ккал1 моль1 эВионная пара) = 182 ккал / моль = 760 кДж / моль.

Значение

Это теоретическое значение энергии диссоциации 766 кДж / моль близко к принятому экспериментальному значению 787 кДж / моль.Обратите внимание, что для большей плотности расстояние равновесного разделения между ионными парами меньше, как и ожидалось. Это небольшое разделительное расстояние увеличивает силу между ионами и, следовательно, энергию диссоциации. При преобразовании в конце уравнения использовался коэффициент преобразования 1 кДж = 0,239 ккал. 1 кДж = 0,239 ккал.

Проверьте свое понимание 9,3

Если бы энергия диссоциации была больше, стало бы легче или сложнее разбить твердое тело на части?

Ковалентное связывание в твердых телах

Кристаллы также могут быть образованы ковалентной связью.Например, ковалентные связи несут ответственность за удерживание атомов углерода в кристаллах алмаза. Электронная конфигурация атома углерода 1s22s22p21s22s22p2 — ядро ​​He плюс четыре валентных электрона. Эта электронная конфигурация на четыре электрона меньше полной оболочки, поэтому, разделяя эти четыре электрона с другими атомами углерода ковалентной связью, оболочки всех атомов углерода заполняются. Алмаз имеет более сложную структуру, чем большинство ионных кристаллов (рис. 9.11). Каждый атом углерода является центром правильного тетраэдра, а угол между связями составляет 110 °.110 °. Этот угол является прямым следствием направленности орбиталей p атомов углерода.

Рисунок 9.11 Структура кристалла алмаза. (а) Один атом углерода, представленный темно-синей сферой, ковалентно связан с четырьмя атомами углерода, представленными светло-синими сферами. (b) Алмазы ювелирного качества можно раскалывать по гладким плоскостям, что дает большое количество углов, вызывающих полное внутреннее отражение падающего света, и, таким образом, придает бриллиантам их ценный блеск.

Кристаллы с ковалентной связью не так однородны, как ионные кристаллы, но достаточно твердые, трудно плавятся и нерастворимы в воде. Например, алмаз имеет чрезвычайно высокую температуру плавления (4000 К) и прозрачен для видимого света. Для сравнения, ковалентно связанное олово (также известное как альфа-олово, которое не является металлом) относительно мягкое, плавится при 600 К и отражает видимый свет. Двумя другими важными примерами кристаллов с ковалентной связью являются кремний и германий. Оба эти твердого вещества широко используются при производстве диодов, транзисторов и интегральных схем.Мы вернемся к этим материалам позже при обсуждении полупроводников.

Металлическое соединение в твердых телах

Как следует из названия, металлическое соединение отвечает за образование металлических кристаллов. Валентные электроны по существу свободны от атомов и могут относительно легко перемещаться по металлическому кристаллу. Связь возникает из-за сил притяжения между положительными ионами и электронами проводимости. Металлические связи более слабые, чем ионные или ковалентные, с энергиями диссоциации в диапазоне 1−3eV1−3eV.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.