3. elıadás A KRISTÁLYKÉMIA ALAPJAI

HTML
DOWNLOAD

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "3. elıadás A KRISTÁLYKÉMIA ALAPJAI"

Gyöngyi Horváthné
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 3. elıadás A KRISTÁLYKÉMIA ALAPJAI

2 KRISTÁLYKÉMIAI ALAPFOGALMAK Atomok: az anyag legkisebb olyan építıelemei, amelyek még hordozzák a kémiai elem jellegzetességeit. Részei: atommag (mely protonokból és neutronokból áll) és elektron(ok). Ionok: elektronleadással vagy elektronfelvétellel megváltozik az atom elektronkonfigurációja. Elektronfelvétellel anionok, elektronleadással kationok jönnek létre. Atomrádiusz: az atom legkülsı elektronhéja maximális töltéssőrőségő részének az atommagtól való távolsága. Az effektív atom- és ionrádiusz az elemi minıségen túl függ az atomot/iont körül-vevı atomok/ionok számától, típusától, illetve az ionok töltésének nagyságától is.

3 KRISTÁLYKÉMIAI ALAPFOGALMAK Koordináció: az atomok/ionok elrendezési módja egy centrális atom/ion körül. Koordinációs szám: egy atom/ion közvetlen szomszédjainak a száma. A koordinációs számot nemcsak a rádiuszhányados (a központi ion és szomszédok rádiuszainak a hányadosa), hanem a kötésjelleg és a polarizáció is befolyásolja. A legfontosabb koordinációs típusok

4 PÉLDÁK A KOORDINÁCIÓRA 6-os koordináció kısórácsban 6-os és 4-es koordináció a szfalerit rácsában tetraéderek és oktaéderek egymáshoz kapcsolódásának lehetıségei

5 KÖTÉSTÍPUSOK: IONOS KÖTÉS Az ionos kötés ellentétes töltéső ionok között jön létre (tehát nem jöhet létre pl. azonos elemek között). Erıs kötéstípus. Az ionos kötés nem irányított, a tér minden irányában hat. A koordinációs számok az ionos kötések esetén 6-os, vagy 6-nál nagyobbak. Az ionos kötést tartalmazó kristályok közepes keménységőek, eléggé magas olvadáspontúak, általában színtelenek, kevéssé vagy nem vezetik az elektromosságot. idealizált ionos kötéső szerkezet ionos kötéső kısórács

6 KÖTÉSTÍPUSOK: KOVALENS KÖTÉS A kovalens kötés azonos vagy különbözı atomok között jön létre párosítatlan elektronok révén. Erıs kötéstípus. A kovalens kötés erısen irányított. A koordinációs számok kovalens kötések esetén 4-es, vagy 4-nél kisebbek. A kovalens kötést tartalmazó kristályok legtöbbször nagy keménységőek, magas olvadáspontúak, sokszor színtelenek, és nem vezetik az elektromosságot (szigetelık). elektronpályák átfedése szénatomoknál a szfalerit rácsa

A koordinációs számok fémes kötések esetén 6-os, vagy annál nagyobbak, sıt sokszor 12-es szoros illeszkedésőek.

7 KÖTÉSTÍPUSOK: FÉMES KÖTÉS A fémes kötés esetén pozitív töltéső atommagokat elektronfelhı vesz körül. Azonos vagy különbözı elemek között egyaránt létrejöhet. A fémes kötés nem irányított. A koordinációs számok fémes kötések esetén 6-os, vagy annál nagyobbak, sıt sokszor 12-es szoros illeszkedésőek. A fémes kötést tartalmazó kristályok változó keménységőek, átlátszatlanok (opakok), kiválóan nyújthatók, és jól vezetik az elektromosságot. pozitív töltéső atommagok szürkével jelölt elektronfelhıvel köbös szoros illeszkedés az arany (ezüst, réz) rácsában

8 KÖTÉSTÍPUSOK: VAN DER WAALS KÖTÉS A van der Waals kötés azonos vagy különbözı molekulák és atomok között, részben a dipólus-hatás miatt jön létre. Gyenge elektrosztatikus jellegő kötés. A van der Waals kötés nem irányított. A van der Waals kötést tartalmazó kristályok kis keménységőek, alacsony az olvadáspontjuk, és nem vezetik az elektromosságot (szigetelık). dipólushatás kialakulása atomok polarizációjával a győrős kénmolekulákat van der Waals kötıerı tartja össze

9 KÖTÉSTÍPUSOK: HIDROGÉNKÖTÉS A hidrogénkötés egy pozitív töltéső H-ion és egy anion, vagy polarizált molekulák (például polarizált vízmolekulák) között jön létre. A hidrogénkötés gyenge kötés (de erısebb a van der Waals kötésnél). A hidrogénkötést tartalmazó kristályok kis keménységőek, alacsony az olvadáspontjuk, és kis stabilitásúak. a) polarizált molekulák illeszkedése b) a hidrogénkötés modellje c) vízmolekula a H-O-H kötésiránnyal d) hidrogénkötés a jég egyik módosulatánál (tetraéderes koordinációban)

10 KRISTÁLYRÁCSOK FİBB TÍPUSAI: IZODEZMIKUS RÁCSOK Alapvetıen ionos kötéseket tartalmazó kristályrácsok.. fluorit, CaF 2 rácsa kısó, NaCl rácsa rutil, TiO 2 rácsa

11 Alapvetıen kovalens kötéseket tartalmazó kristályrácsok. MEZODEZMIKUS RÁCSOK A szilikátok csoportosítása az SiO 4 -tetraéderek összekapcsolódási módját veszi alapul.

12 ANIZODEZMIKUS RÁCSOK Olyan, alapvetıen ionos kötéső rácsok, melyekben uralkodóan kovalens kötéső összetett anionok helyezkednek el. Anizodezmikus rácsokat alkotnak a karbonátok, szulfátok, foszfátok és arzenátok. kalcit, CaCO 3, trigonális rácsa anhidrit, CaSO 4, rácsa

13 ATOMRÁCSOK grafit, C hexagonális rácsa gyémánt, C köbös rácsa

14 FÉMES RÁCSOK köbös lapon centrált, legszorosabb illeszkedés, koordinációs szám: 12 hexagonális legszorosabb illeszkedés, koordinációs szám: 12 köbös térben centrált rács, koordinációs szám: 8

15 MOLEKULARÁCSOK kén, S rombos rácsa jég, H 2 O, hexagonális rácsa

16 POLIMORFIA ( TÖBB ALAKÚSÁG ) Azokat az ásványokat nevezzük polimorfoknak, melyek azonos kémiai összetétellel, de két vagy többféle kristályszerkezettel (ennek megfelelıen más-más morfológiával) rendelkeznek. A polimorf átalakulások legfıbb oka, hogy adott T és p viszonyok között a polimorf anyagoknak csak egy módosulata stabil. Az instabil (és/vagy metastabil) módosulat több-kevesebb idı múlva át fog alakulni a stabil módosulattá. Néhány stabilitási diagram: a szén polimorfjai az SiO 2 polimorfjai

17 PÉLDÁK POLIMORF ÁSVÁNYOKRA kémiai ásványnév kristályrendszer keménység sőrőség összetétel C gyémánt köbös 10 3,52 C grafit hexagonális 1 2,23 FeS 2 pirit köbös 6 5,02 FeS 2 markazit rombos 6 4,89 CaCO 3 kalcit trigonális 3 2,71 CaCO 3 aragonit rombos 3,5 2,94 SiO 2 α-kvarc trigonális 7 2,65 SiO 2 β-kvarc hexagonális 7 2,53 SiO 2 β-tridimit hexagonális 7 2,20 SiO 2 β-cristobalit köbös 7 2,20 SiO 2 coesit monoklin 7,5 3,01

18 PSZEUDOMORFÓZA (ÁLALAK) Amikor egy ásvány olyan átalakuláson megy keresztül, hogy kémiai összetétele és/vagy kristályszerkezete megváltozik, azonban eredeti morfológiáját megtartja, pszeudomorfóza ( álalak ) jön létre. Fontosabb típusai: Anyagvesztéssel: PbS - PbSO 4 után (redukcióval), Anyagfelvétellel: PbSO 4 PbS után (oxidációval), CaSO 4. 2H 2 O CaSO 4 után (vízfelvétellel) Helyettesítéssel: ha az eredeti ásvány anyaga teljesen eltávozik, és így a két ásvány között közvetlen kémiai összefüggés nincs (SiO 2 CaCO 3 után; SiO 2 CaF 2 után) Paramorfóza: ha az eredeti és az új ásvány kémiai összetétele azonos, de a kritályszerkezet változott meg (új módosulat keletkezett), közben azonban az eredeti ásvány morfológiája megmaradt (kalcit aragonit után). malachit, Cu 2 (CO 3 )(OH) 2 kuprit, Cu 2 O utáni pszeudomorfóza

Izostruktúra ( kristályszerkezeti hasonlóság ): hasonlóság vagy egyezés két vagy több ásvány szerkezete között.

19 IZOMORFIA ( HASONLÓ ALAKÚSÁG ) Izomorfia ( hasonló alakúság ): összefüggés a kémiai összetétel és a morfológia között. Ma már tudjuk, hogy ennek oka alapvetıen a kristályszerkezeti hasonlóság. Izostruktúra ( kristályszerkezeti hasonlóság ): hasonlóság vagy egyezés két vagy több ásvány szerkezete között. Izomorf sorok: olyan csoportok az ásványrendszertanban, melyek ásványainál izomorfia (izostruktúra) áll fenn. Ezek kristályai tehát hasonló megjelenésőek. sziderit FeCO 3 rodokrozit MnCO 3

20 PÉLDÁK IZOMORF SOROKRA Köbös rendszerben galenit alabandin PbS MnS Trigonális rendszerben altait PbTe kalcit CaCO 3 clausthalit PbSe sziderit FeCO 3 Rombos rendszerben magnezit otavit MgCO 3 CdCO 3 aragonit strontianit CaCO 3 SrCO 3 rodokrozit MnCO 3 witherit BaCO 3 smithsonit ZnCO 3 cerusszit PbCO 3

21 SZILÁRD OLDATOK (ELEGYKRISTÁLYOK) Szilárd oldatoknak (elegykristályoknak) nevezzük azokat az anyagokat, melyekben a különbözı atomi helyek változó arányban vannak elfoglalva két vagy többféle kémiai elemmel. Ezek alapvetıen szerkezetileg hasonló ásványok között fordulhatnak elı (ekkor izomorf elegyedésrıl beszélünk). Az elegykristályképzıdés szempontjából az ionok/atomok méretének, az ionok töltésének, illetve a kémiai kötéseknek van nagy szerepe. Csak a hasonló mérető atomok/ionok helyettesíthetik egymást korlátlanul. Más esetekben csak korlátozott elegyedés lehetséges. Az elegyedés szempontjából fontos a hımérséklet szerepe. Magasabb hımérsékleten sokkal nagyobb az elegyedés lehetısége. Az elemhelyettesítéseknek nagy szerepe van egyes ritka elemek koncentrálódásában. Például a hafnium cirkónium, a gallium alumínium, a rénium molibdén mellett sokszor megjelenhet, önálló fázisként azonban csak igen-igen ritkán).

ELEGYKRISTÁLYOK SZÉTELEGYEDÉS Az elegykristályok képzıdésének néhány formája: Egyszerő helyettesítés: a helyet cserélı ionok töltése megegyezik.

22 ELEGYKRISTÁLYOK SZÉTELEGYEDÉS Az elegykristályok képzıdésének néhány formája: Egyszerő helyettesítés: a helyet cserélı ionok töltése megegyezik. A + X A + B B + X Példa: olivin-csoport: Mg 2 (SiO 4 ) Fe 2 (SiO 4 ) végtagok (forsterit és fayalit) Kapcsolt helyettesítés: az egymást helyettesítı ionok töltése nem egyezik meg. Ezért ahhoz, hogy a vegyület semleges maradjon, további helyettesítésnek kell történnie. Példa: plagioklászok: NaAlSi 3 O 8 és CaAl 2 Si 2 O 8 közötti elegyedés. Amilyen mértékben helyettesíti a Na + a Ca 2+ -ot, olyan mértékben helyettesíti az Al 3+ a Si 4+ -ot. Szételegyedés: olyan magas hımérsékleten képzıdött elegykristályoknál fordul elı, melyekben az ionméretek eléggé különbözıek. Ezek komponensei alacsonyabb hımérsékletre kerülve, két vagy akár többféle kristályos fázisra szétválhatnak.

23 ZÁRVÁNYOK Azokat a gáz, folyékony vagy szilárd halmazállapotú idegen anyagokat, melyeket a kristály növekedése közben zár magába zárványoknak nevezzük. Ezek vizsgálata értékes adatokat szolgáltathat a kristály keletkezése közepette fennálló fizikai és kémiai viszonyokról (hımérséklet, nyomás, anyaoldat összetétele stb.). A zárványok vizsgálatára ma már egy külön tudományág épül. Fontos adatokat szolgáltat a drágakövek vizsgálata esetén, hiszen ezáltal a természetes és mesterséges drágaköveket meg lehet egymástól különböztetni.

Hasonló dokumentumok

5. elıadás KRISTÁLYKÉMIAI ALAPOK

5. elıadás KRISTÁLYKÉMIAI ALAPOK KRISTÁLYKÉMIAI ALAPFOGALMAK Atomok: az anyag legkisebb olyan részei, amelyek még hordozzák a kémiai elem jellegzetességeit. Részei: atommag (mely protonokból és neutronokból