Кристалдық торлардың физикалық қасиеттері.

Кристалдық тордың базисіндегі бөлшектердің орналасуы, олардың табиғаты мен өзара әсерінің сипатына тығыз байланысты. Бірақ барлық жағдайда , кеңістік тордың түйіндеріндегі бөлшектер, өзара әсерлесу энергиясы ең кіші мәнге ие болатындай шартта жайғасады.

Егер, көрші молекулалардың әсерлесуі кезіндегі центрлерінің ең жақын ар қашықтығы  d, rқаықтықтан үлкен  болса, молекулалардың арасындағы тартылыс күштері басым жәнеолардың жалпы потенциалдық энергиясы теріс. Ал кері жағдайда, яғни, молекулалар біріне- бі рі жақындаған сайын олардың арасындағы тебіліс күштері – оң күштер арта бастайды және потенциялдық энергиялары жоғарылайды. Көбінесе бұл тебіліс күштері электрондар емес атом ядроларының есебінен пайда болады. Екі молекулалардың ара қашықтығы  ro ге теңелгенде олардың жалпы потенциялдық энергиясы минимум болады, яғни, молекулалардың арасындағы тебіліс күштер және тартылыс күштері теңеледі.

Жалпы, атомдар мен молекулалардың арасындағы әсерлесу күштері, гравитациялық және магниттік күштердің өте аздығына байланысты,  таза электрлік деп саналады. Кристалдық тордың түйіндеріндегі атомдардың арасындағы  химиялық байланыс энергиясы, олардың сыртқы қабаттарындағы валенттік электрондардың есебінен жүзеге асады.

Бұл химиялық байланыс энергиясының мөлшері электростатикалық байланыс энергиясымен шамалас, яғни, 10-10 Дж  жуық екендігі білінеді.

Периодтық жүйеде  элементтер, олардың атомдарындағы электрондар мен ядролардың әсерлесу сипатына сәйкес, екі топқа бөлінеді. Бірінші топқа сыртқы  валенттік электрондары өзінің ядросымен әлсіз байланысқан элементтер,мысалы, сілтілі металдар жатады. Бұлар валенттік электрондарынан оңай айырылып, оң  иондарға айналады. Электронды атомнан жұлыпалуға тең энергия байланыс энергиясы деп аталады және  ол электронвольтпен өлшенеді.

Екінші топқа сыртқы валенттік электрондар саны төрттен асатын элементтер жатады. Электронды қосып алу энергиясы өте жоғары элементтер галоидтар.

Жалпы кристалдарды, өзара әсерлесу сипатына сәйкес, бір бөлшекке  келетін байланыс энергиясы 0.1-ден  7 эВ аралығында өзгеріп отырады. Бұл энергия кристалдан электронды бөліп алу жұмысының мөлшерін көрсетеді. Кристалдар, өздерін құрайтын бөлшектердің табиғатына  және олардың өзара әсерлесу сипатына төрт құрылымды  төрге бөледі.

Кристалдық тордың түйіндернде орналасқан бөлшектердің табиғатына және бөлшектердің арасындағы әрекеттесу күштерінің сипатына байланысты кристалдық торларды төрт түрге бөледі және осыған баййланысты кристалдардың төртеуі бар:

  1. иондық
  2. атомдық
  3. металдық
  4. молекулалық

I Иондық кристалдар. Кристалдық тордың түйіндерінде түрліше таңбалы  иондар орналасқан. Олардың арасындағы өзара әрекеттесу күштері негізінен электірлық (кулондық) болып табылады. Түрліше зарядталған иондардың арасындағы электростатикалық тартылыстан туатын байланыс гетерополярлық  немесе иондық деп аталады.  Иондық тордың мысалы ас тұзының (Na Cl) торын келтіруге болады. Бұл тор кубтық жүйеге жатады. Ақ шеңбер шектер оң зарядталған натрий иондары да, ал қара шеңбер шектерімен хлордың теріс иондары белгіленген. Иондық кристалл молекулалардан емес иондарынан тұрады. Тұтас кристаллды аса зор бір молекула деп қарастыруға болады.

II Атомдық кристаллдар. Кристаллдық тордың түйіндерінде бейтарап атомдар орналасқан. Кристаллдағы бейтарап (сонымен молекуладағы да) атомдарды байланыстыратын байланыс гомеополярлық немесе коваленттік деп аталады. Гомеополярлық байланыс күштері де электірлік сипатта болады (бірақ кулондық емес). Ол күштерді тек кванттық механика негізінде ғана түсіндіруге болады.

III Металдық кристаллдар. Кристаллдық тордың барлық түйіндерінде металдың оң иондары орналасқан. Олардың арасында газ молекулаларына ұқсас, иондар  түзілген кезде атомдарда үзіліп қалған электрондар бейберекет қозғалып жүреді. Бұл электрондар оң иондарды шашыратпай ұстап тұратын «цемент» рөлін атқарады; басқаша болса, оң иондар арасындағы тебілу күштерінің әсерінен тор быт-шыт болған болар еді. Сонымен қатар иондар да электрондарды сыртқа шығармай тор ішінде ұстап тұрады.

Металдың көпшілігінің торларын негізіне үш түрге жатады: көлемдік, центрленген куб, жағы центрленген куб және тағы тығыз гексогоналдық деп аталатын торлар.

IV молекулалық (торлар) кристаллдар. Кристаллдық тордың түйіндерінде белгілі түрде бағдарланған молекулалар орналасады. Кристаллдағы молекулалардың арасындағы байланыс күштерінің тегі де газдарды идеалдықтан ауытқытатын молекулалар арасындағы тартылыс күштерімен бірдей. Сол себебтен оларды Ван-дер-вальстық күштер депатайды. Мысалы, мына заттардың молекулалық торлары болады: H2 , N2 ,O2 , CO2 ,H2 O. Сөйтіп, байырғы мұз да, құрғақ мұз да (қатты көмір қышқыл) молекулалық кристаллдар болып табылады екен.

 

 

Кристаллдардың жылу сыйымдылығы.

Бөлшектердің кристалдық тордың түйіндерінде орналасуы олардың өзара потенциалдық энергиясының минимумына сәйкес келеді. Бөлшектердің өздерінің  тепе-теңдік қалпынан кез-келген бағытта ығысуы кезінде бөлшекті бастапқы қалпына қайтарып әкелуге тырысатын күш пайда болады да, осының нәтижесінде бөлшектің тербелісі пайда болады.

Кез-келген бағыттағы тербелісті өзара перпендикуляр үш бағыттар бойындағы тербелістердің үстемеленуі деп қарастыруға болады. Сондықтан кристаллдағы әрбір бөлшектің үш тербемелік еркіндік дәрежесі болады деп айтуға болады.

Әрбір тербемелі еркіндік дәрежесіне орташа есеппен екі жарты кТ энергия келетінің білеміз, оның біреуі кинетикалық энергия түрінде, екіншісі потенциялдық түрінде қарастырылады.

Демек, әрбір бөлшекке атомдық тордағы атомға, иондық немесе металдық тордағы ионға – орташа есеппен 3kT энергия келеді. Кристалдық күйдегі заттың бір молінің энергиясын бір бөлшектің орташа энергиясын кристалл торының түйіндерінде орналасқан бөлшектердің саны көбейту арқылы алуға болады. Бұл сан тек химиялық қарапайым заттар үшін ғана NA Авогадро санына тең болады. Мысалы NaCl  тәрізді зат үшін бүлшектер саны 2NA болады, себебі NaCl заттың бір молінде NA санды Na атомдары мен және Nсанды Cl атомдары болады.

Атомдық немесе металдық кристалдарды түзететін химиялық қарапайым заттарды қарастырумен шектеле отырып, кристалл күйдегі заттың бір молінің ішкі энергиясы үшін:

 

деп жазуға болады.

Темпераны бір кельвинге өзгеруіне сәйкес келетін ішкі энергияның өсімшесі тұрақты көлем кезіндегі жылу сыйымдылыққа тең болады. Демек

(1)

болады.

Қатты денелердің көлемі қыздыру кезіндегі өте азғантай мөлшерде өзгеретін болғандықтан, олардың тұрақты қысым кезіндегі жылу сыйымдылығы тұрақты көлем кезіндегідей болады деуге әбден болады, сөйтіп  деп алып, қатты дененің жылу сыйымдылығы жайлы ғана сөз етуге болады.

Сонымен  (1) өрнек бойынша кристалл күйдегі химиялық қарапайым заттардың молінің жылу сыйымдылығы бірдей және 3R болады екен. Бұл тоқтам тәжірибе жүзінде тағайындалған Диолонг және Пти заңының мазмұны болып табылады.Заң көптеген заттар үшін бөлме температурасы кезінде тәп- тәуір орындалады. Бірақта, мысалы, алмаз үшін бөлме температурасы кезінде жылу сыйымдылық бар болғаны  0.7R шамалас қана болады.

Оның үстіне кристалдардың жылу сыйымдылығы  (1)  заңына қарамай  температураға да тәуелді болады, әрі оның сипаты. Абсолют нөл маңында барлық денелердің жылу сыйымдылығы   мәніне пропорционал, тек жеткілікті жоғары және әр бір заттқа тән температура кезінде ғана   (1)   заңы орындала бастайды. Көптеген денелер үшін бұл бөлме температурасы кезінде орындала бастайды, алмазда жылу сыйымдылық 3R мәніне тек мың  градус шамалас температура кезінде ғана жетеді.

Кристалдық торлар. Бөлшектерінің реттелген орналасуы үш өлшемділікпен периодты түрде қайталанып отыратын сипатағы құрылым.

Кристалл торының тйіндері бұл бөлшектер орналасқан, дәлірек айтсақ, өздеріне қатысты бөлшектер тербеліс жасайтын нүктелер.

Монокристалл бұл бөлшектері біртұтас кристаллдық торды түзетін қатты дене.

Поликристалл бұл ұсақ кристаллды құрымы бар, яғни, тіртіпсіз бағдарланған көптеген ұсақ кристаллдық дәндерден тұратын қатты дене.

Анизатроптылық бұл физикалық қасиеттердің (серпімділік, механикалық, жылулық, электрлік, магниттік, оптикалық) бағытқа тәуелділігі.

Монокристалдардың анизотроптылығы бұл кристалдық торда ұзындықтары бірдей бірақ түрліше бағытталған кесінділерді бөлшектердің түрліше санының орналасуымен, яғни кристаллдық торда бөлшектердің түрліше бағыттарда орналасу тығыздығының бірдей болмайтындығымен түсіндіріледі, осының арқасында кристалдың осы бағыттардағы қасиеттердері де түрліше болады.

Кристалдық торлардың түрлері бұл кристалдарды екі белгі бойынша сұрыптауға болады.Кристалографиялық, физикалық (кристалл торының түйіндерінде орналасқан бөлшектердің табиғаты және олардың арасындағы өзара әрекетесу күштерінің сипаттамасы).

Кристалдың кристаллографиялық белгісі бұл жағдайда тек бөлшектердің орналасуындағы кеңістіктік периоттық маңызды, сондықтан олардың ішкі құрылымын ескермей, бөлшектерді геометриялық нүктелер деп құрастыруға болады. Кристалдық тор әр түрлі симметрияларға ие бола алады. Үш өлшемді кеңістікте жылжыту симметриясын үш өлшедік периоттық құрылым түсінігімен кеңістік тор, немесе Браве торы түсінігімен байланыстырады. Кез-келген кеңістіктік торды түрліше үш бағыттарда жалғыз ғана құрылымдық элементті – элементар ұяшықты қайталап отыру арқылы алуға болады. Браве ұяшықтарының барлығы оң төрт  трі болады, олардың бір бірімен айырмашылығы жылжыту симметриясының түрінде ғана болады. Оларды жеті кристаллографиялық жүйелер, немесе сингониялар бойынша тартуға болады.

Элементар ұяшықтарды сұрыптау үшін кристаллографиялықкоординатт осьтерін пайдаланады: олар элементар ұяшықтың қабырғалары бойымен бағытталған, ол координаттар басын элементар ұяшықтың алдыңғы жағының сол жақ бұрышында орналастырады. Элементар кристалл ұяшық дегеніміз қабырғаларының арасындағы бұрыштары α,   γ,  β болатын а , b  ,c  қабырғаларында тұрғызылған параллелопипед болып табылады.

Кристалдық тордың симметриясы бұл оның кейбір кеңістік орын ауыстырулары кезіндегі мысалға, параллель жылжытулар, бұрылулар, шағылулар немесе олардың комбинациялары және тағы басқа кездерде өзімен өзі болып, бірдей түсу қасиеті. Кристалл торға симметрия элементтерінің 230 комбинациялары тән, немесе олардың түрліше 230 кеңістік топтары болады.

Кристалдардың физикалық белгісі бұл кристалдық тордың түйіндерінде орналасқан бөлшектердің тігіне және олардың арасындағы өзара әрекеттесу күштерінің сипатына тәуелді түрде кристалдар төрт түрге бөлінеді: иондық, атомдық, металдық, молекулалық.

Иондық кристалл бұл кристалдық торының түйіндерінде қарама қарсы таңбалы иондар кезектесіп орналасатын кристалл.

Иондық ( гетерополярлық ) байланыс бұл қарама қарсы зарядталған иондардың арасындағы кулондық тартылыс күштерінен туатын байланыс.

Атомдық кристалл бұл кристалдық тордың түйіндерінде, квантық механикалық тектегі гемеополярлық немесе коваленттік ( көршілес атомдарда атоммен әлсізірек байланысқан электрондар ортақталған ) байланыс торымен ұсталып тұратын кристалл.

Мысалы, алмаз атомдық кристалл болып табылады, онда көміртегінің әрбір атомы өзі тәрізді төрт атоммен қоршалған, олар одан бірдей қашықтарда тетраэдердің төбелерде орналасқан.

Металдық кристалл бұл кристаллдық торының түйіндерінде металдың оң иондары орналасқан кристалл. Кристалдық тор түзілген кезде атомдармен әлсіз байланыстағы валенттік электрондар атомдардан бөлініп, коллективтенеді: олар енді иондық байланыс жағдайындағыдай бір атомға да, гомеополярлық байланыс жағдайындағыдай іргелес атомдар жұбына да жатпайды, түгелдей кристаллға жатады.

Молекулалық кристалл бұл кристалдық торының түйіндерінде заттың нейтрал молекулалары орналасатын, ал олардың арасындағы өзара әрекеттесу күштері атомдардың электрондық қабықшаларындағы электрондардың аз ығысуынан пайда болатын кристалл.  Бұл күштерді Ван-дер-вальсық деп атайды, себебі олар газды идеалдықтан тайдыратын молекулалар арасындағы тартылыс күштерімен біртектес.

 

%d такие блоггеры, как: