Amor fno & Kristalno čvrsto stanje

1. Amorfno & Kristalno čvrsto stanje ČVRSTO STANJE Najuređenije stanje materije Postoje dva oblika švrstog stanja: • Amorfno čvrsto stanjenemadobro uređenu strukturu, postoji samo uređenost kratkog dometa parafin, stakla • Kristalno stanje ima dobro definisanu strukturu, uređenost i kratkog i dugog dometa iz čega proističu glavne osobine ovog stanja metali, minerali

2. Fizičke osobine kristalnog stanja • Imaju određeni oblik i zapreminu-skoro nekompresibilno • Svakoj supstanciji u kristalnom stanju odgovara određeni geometrijski oblik • Ugao između odgivarajućih ravni supstancije određene kristalne strukture je konstantan na određenoj temperaturi (I zakon kristalografije) • Imaju određenu tačku topljenja i sublimacije • Pokazuju anizotropiju – zavisnost veličine neke • fizičke osobine (mehaničke, toplotne, električne, • magnetne, optičke..)od pravca posmatranja

3. Fizičke osobine kristalnog stanja... • Pokazuju polimorfizam što znači da se ista supstancija može javiti u različitim kristalnim oblicima • Temperatura na kojoj se vrši prelaz iz jednog kristalnog oblika u drugi je prelazna temperatura Primer: sumpor rombični monoklinični • Pokazuje izomorfizam što znači da hemijski različite supstancije pokazuju sličnu kristalnu strukturu

4. ČVRSTO STANJE • Molekulske (Van der Waals-ove sile) • Metalne (Metalne veze) • Jonske (Jonske veze) • Kovalentne (Kovalentne veze) • Prema prirodi hemijskih veza i međumolekulskih sila kristali se dele na:

5. Tipovi kristala Supstancija Tačka topljenja,oC pesak, SiO21713 karborundum, SiC ~2700 diamond >3550 grafit3652-3697 • Kovalentni kristali se sastoje od mreže atoma koji se drže jakim polarnim i nepolarnim kovalentnim vezama, visoke tačke topljenja i sublimacije, niska električna provodljivost (sem ugljenika), veoma tvrdi Primeri: • SiO2 (pesak), dijamant, grafit, SiC, čvrst Ne, GaAs, InSb

6. Structure dijamanta i grafita

7. Tipovi kristala • Molekulski kristali se sastoje od molekula koji se drže međumolekulskim silama • Stoga imaju niske tačke topljenja, isparljivi su, meki i krti JedinjenjeTačka topljenja (oC) Led 0 Amonijak -77.7 Benzen, C6H6 5.5 Naftalin, C10H8 80.6 Benzoeva kiselina, C6H5CO2H 122.4 • Izolatori su Primeri: Led, šećer, CO2-suvi led, benzen

8. Tipovi kristala Jedinjenje Tačka topljenja,oC LiF842 LiCl614 LiBr547 LiI450 CaF21360 CaCl2772 CaBr2730 CaI2740 • Jonski kristali se sastoje od jona koji se drže elektrostatičkim silama • Stoga imaju visoke tačke topljenja i ključanja, tvrdi i krti • Dobri su provodnici Primeri: • CsCl, NaCl, ZnS

9. Tipovi kristala Metal Tačka topljenja,oC Na98 Pb328 Al660 Cu1083 Fe1535 W3410 • Metali se sastoje od pozitivnih jezgara okruženih elektronima koji su delokalizovani • Stoga imaju visoke tačke topljenja ali one zavise od osobina metala. Tako su tačke topljenja metala IA i IIA grupe niske i rastu prema prelaznim metalima. Elementi u sredini prelaznih metala imaju najviše tačke topljenja, promenjljive trvdoće i kovni.Dobri su provodnici • Primeri: Na, Cu, Li, Au, Ag, ……..

10. Simetrija kristala Pod simetrijom kristala se podrazumeva njegovo svojstvo da se pri određenim prostornim premeštanjima, podudara sam sa sobom. Ukoliko se kristal posmatra kao beskonačno pravilno ponavljanje strukturnog motiva u prostoru, tada se na njega primenjuju prostorne operacije simetrije i to: translacija, rotacija, refleksija i inverzija, kao i njihove kombinacije. Na kristal kao telo konačnih dimenzija primenjuju se tačkaste operacije simetrije: rotacija, refleksija i inverzija. Posle izvođenja ovih operacija simetrije najmanje jedna tačka na kristalu ostaje na svom mestu. Elementi simetrija kristala koji se razmatra kao telo konačnih dimenzija su: osa simetrije, ravan simetrije, centar simetrije i inverziona obrtna osa simetrije.

11. Elementi simetrije Osa simetrije n-tog reda je prava oko koje se kristal pri rotaciji podudari n puta sam sa sobom. Može biti osa drugog, trećeg, četvrtog i šestog reda gde su oznake ovih osa 2, 3, 4 i 6. Ravan simetrije je zamišljena ravan koja deli kristal na dve polovine od kojih je jedna pravi lik druge u ogledalu. Označava se slovom m. Centar simetrije je tačka u odnosu na koju za svaku tačku na kristalu postoji druga identična tačka koja se nalazi sa druge strane centra simetrije i na pođednakom rastojanju kao i prva, pri čemu obe tačke i centar simetrije leže na istoj pravoj. Oznaka za centar inverzije je i. Inverziona obrtna osa simetrije je složen element simetrije koji obuhvata dve sukcesivno izvedene operacije kojima se kristal dovodi iz prvobitnog u ekvivalentni, simetrični položaj. Kod inverzione obrtne ose n-tog reda vrši se rotacija oko ose za ugao 3600/n, a zatim operacija centra simetrije kroz tačku na osi.

12. Kristalna rešetka i elementarna ćelija c b    a • Elementarna ćelija je osnovni paralelopiped određen vektorima a, b i c čiji moduli određuju period identičnosti • Parametri a, b, c, ,  i  parametri elementarne ćelije. • Elementarna ćelija minimalne zapremine, maksimalne simetrije i maksimalnog broja pravih uglova je primitivna ćelija. Postoji jedan čvor po primitivnoj ćeliji.

13. Kristalna struktura bakra Kristalna rešetka i elementarna ćelija Kristalna struktura nastaje kada svakom čvoru pridružimo po jedan strukturni motiv (najmanji broj čestica koje se ponavljaju u kristalu). Kod najjednostavnijih kristala kao što su metali, strukturni motiv je atom ali se strukturni motiv može sastojati i iz više atoma ili molekula Kristalna rešetka nastaje pravilnim, beskonačnim ponavljanjem iste elementarne ćelije u sva tri koordi- natna pravca u prostoru.

14. Kristalna rešetka i elementarna ćelija • Kombinovanjem parametara elementarne ćelije kristali se mogu klasifikovati u 7 kristalnih sistema.

15. Elementarne ćelije kod kristalnih sistemaPodela se vrši tako da ćelija bude što manje zapremine a što više simetrije.

16. Podela kristala u sisteme je izvršena na osnovu elemenata simetrije. Dalja podela se vrši prema kombinacijama elemenata simetrije koje su moguće u svakom sistemu. Postoje 32 kombinacije elemenata simetrije (klase kristala) u 7 sistema. Klasa kojoj kristal pripada se određuje ispitivanjem spoljašnje simetrije kristala.

17. Tipovi kristalnihnih struktura:Elementarna ćelija kod kubnog sistema Primitivna kubna Zapreminski centrirana kubna Površinski centrirana kubna FCC struktura: NaCl Na+ Cl-

18. Kubna elementarna ćelija Površinski centrirana kubna Prostorno centrirana kubna Primitivna kubna

19. Kubna elementarna ćelija • Face centered cubic (fcc) • 8 čvrva + 6 strana • 1 ćelija sadrži 8(1/8) + 6(1/2) = 4 čestice Površinski centrirana kubna Prostorno centrirana kubna Primitivna kubna • Primitivna kubna • 8 čvorova • 1 ćelija sadrži 8(1/8) = • 1česticu

20. Kubna elementarna ćelija Uzimanjem u obzir i zapreminski centrirane kao i površinski centrirane elementarne ćelije dolazimo do 14 elementarnih ćelija koje čine Braveove ćelije • Body centered cubic (bcc) • 8 čvorova + 1 čestica u centru ćelije • 1 ćelija sadrži 8(1/8) + 1 = 2 čestice Površinski centrirana kubna Prostorno centrirana kubna Primitivna kubna

21. Braeove rešetke-14

22. Karakteristike kristalnih sistema i Braveovih rešetki

23. Prostorne grupe • Dodavanjem translacije mogućim tačkastim elementima simetrije, povećava se broj mogućih kombinacija elemenata simetrije. Postoji • ukupno 230 mogućih kombinacija, prostornih grupa. Svaki od mogućih rasporeda strukturnih motiva u kristalu moraju imati simetriju koja odgovara nekoj od 230 kombinacija simetrijskih operacija. • Za određivanje prostornih grupa potrebno je izvršiti strukturno ispitivanje kristala.

24. Rentgenska strukturna analiza

25. Difrakcija X-zracima

26. How Diffraction Works: Schematic NaCl

29. Rešavanje strukture DNA: Istorija • Rosalind Franklin- fizikohemičar i kristalograf je prva iskristalisala i fotografisala B­DNA • Maurice Wilkins- njen saradnik • Watson & Crick- hemičari koji su kombinovali informacije sa Photo 51 i molekulsko modelovanje kako bi rešili strukturu DNA 1953 Rosalind Franklin

30. Photo 51 Analysis • “X” pattern characteristic of helix • Diamond shapes indicate long, extended molecules • Smear spacing reveals distance between repeating structures • Missing smears indicate interference from second helix Photo 51- The x-ray diffraction image that allowed Watson and Crick to solve the structure of DNA www.pbs.org/wgbh/nova/photo51

31. Rešavanje strukture DNA • Informacije dobijene sa Photo 51 • Dvostruki heliks • Radijus: 10 angstrema • Rastojanje između osnova: 3.4 angstroms • Rastojanje po ciklusu: 34 angstroms • Kombinovanje sa drugim informacijama • DNA se sastoji od: šećera fosfata 4 nukleotida (A,C,G,T) • Molekularno modelovanje Watson and Crick’s model