ساختار بلوری جامدات

دید کلی

از لحاظ ترمودینامیکی پایدارترین الگوهای انباشتگی متعاق به گونه ای است که انرژی آزاد آن در دما و فشار مورد نظر حداقل باشد.ارزیابی انرژی آزاد معمولا مشکل است،اما تجزیه و تحلیل سهم های مر بوط بر حسب اندر کنشهای کولمبی بین یونهاکاملا ممکن می باشد.از آنجائیکه فاکتورهایی که یک ساختمان را بر دیگری مطلوب می کنند نهایتا بایکدیگر متعادل میشوند،بسیاری از جامدات بلوری در فرمهای متفاوت وجود دارندیا اصطلاحا پلی مورف می باشند.پلی مورفیسم خاصیتی از تمام جامدات و نه تنها تر کیبات یونی است.مثالی از این خاصیت ،وجود فازهای سفید وسیاه از فسفر عنصری و فازهای کلسیت و آرگونیت و از کربنات کلسیم است.

تقسیم بندی پیوند ها
نیروهای بین اتم ها را می توان به چهار دسته تقسیم کرد:
۱-پیوند کوالانسی:
زمانی این پیوند ایجاد می شود که اوربیتال لایه ظرفیت در اتم های غیر فلز به گونه ای هم پوشانی کنند که دانسیته الکترون بین اتم ها افزایش یابد (همپوشانی مثبت ) چون این اتم ها جاذبه مشابه یا یکسانی برای الکترونها دارند انتقال الکترون از یک اتم به اتم دیگر صورت نمی گیرد بلکه الکترونها بین آنها به اشتراک گذاشته می شود . یک پیوند کوالانسی مشتمل بر یک جفت الکترون با اسپین های مخالف است و دو اتم در آن نیز سهیم هستند این نیرو در حقیقت نیروی نگهدارنده بین اتم ها در یک مولکول است.

۲-پیوند یونی :
پیوند حاصل از نیروهای جاذبه الکترواستاتیکی (کولمبی ) بین یک فلز و یک غیر فلز است. در پیوند های یونی خالص بین اتم ها اشتراک الکترون وجود ندارد مثلاً در واکنش بین سزیم وفلوئور یک الکترون از یک اتم سزیم به یک اتم فلوئور منتقل می شود و ذرات بارداری به نام یون تولید می شود.

۳-پیوند اندروالس:

این پیوند را نیروی پراکندگی لندن می نامند و در مولکولهای فاقد دو قطبی دائمی موجب می شود به صورت مایع درآیند منشاء این نیرو حرکت الکترونها است از واپیچش ابر الکترونی مولکول دو قطبی لحظه ای به وجود می آید و در هر لحظه موقعیت قطبهای مثبت و منفی به دلیل حرکت الکترونها تغییر می کند. در نتیجه مولکول در کل فاقد گشتاور دو قطبی است.نیروی لندن شامل جاذبه بین این دو قطبی های لحظه ای است. این نیرو در مولکولهای بزرگ و پیچیده ای که دارای ابر الکترونی بزرگی هستند و به راحتی قطبیده (پلاریزه )می شوند به سرعت افزایش می یابد نیروی اصلی افزایش می یابد نیروی اصلی در آرگون و تتراکلرید کربن جامد همین نیرو است

۴-پیوند فلزی:
این نوع پیوند شبکه های منظم از اتم هایی که کمبود الکترون دارند یا گروهی از اتم ها مانند فلز است و آلیاژها را در کنار یکدیگر نگه می دارند بارزترین خصوصیت این پیوند این است که الکترونهای پیوندی در تمام سطوح کریستال به طور نسبتاً سستی به اتم وابسته اند و آزادانه در سراسر بلور فلزی حرکت می کنند زیرا پتانسیل یونیزاسیون و الکترونگاتیوی فلزات بسیار کم است . یونهای مثبت فلزی نقاط شبکه ای ثابت را در بلور اشغال می کنند و ابر منفی الکترونهای آزاد بلور را به هم نگه می دارد .

تقسیم بندی بلور ها :
بهترین تقسیم بندی بلور ها بر حسب نوع ذرات تشکیل دهنده و نیروهای نگهدارنده آنهاست:
کوالانسی، یونی، و اندوالسی، فلزی

۱-بلورهای کوالانسی ،(مشبک):
ذرات تشکیل دهنده این بلور اتم ها هستند که با شبکه ای از پیوند های کوالانسی به یکدیگر متصل هستند این مواد بسیار دیر گداز و سخت بوده و برای از بین بردن ساختار بلوری باید تعداد زیادی پیوند کوالانسی شکسته شود الماس که در آن اتم های کربن به وسیله پیوند های کوالانسی به یکدیگر متصل شده و ساختار سه یعدی به وجود می آورد. نمونه ای از این نوع بلورها است.شکل زیر یک نوع بلور کوالانسی را که مربوط به کوارتز (سیلسیم دیوکسید sio2</SUB

 

بلورهای یونی: عامل نگهدارنده یونهای مثبت و منفی در ساختار بلورها وجاذ به الکترواستاتیکی است و به دلیل قوی بودن این نیرو ها نقطه ذوب بالایی دارند سخت و شکننده اند در حالت مذاب یا محلول رسانای خوبی برای جریان الکتریسیته اند اما در حالت جامد یونها آزادی حرکت ندارند. و نارسانا هستند.شکل زیر بلور یونی فلورئوریت را نشان می دهد.

۳-بلورهای مولکولی_: ذرات تشکیل دهنده این بلور ها مولکول هستند و قدرت نگهدارنده آنها به اندازه نیروهای الکترواستاتیکی در بلورهای یونی نیست و در نتیجه بلورهای مولکول نرم هستند و دمای ذوب پایین تر از۳۰۰ دارند.

نیروهای پراکندگی لندن مولکول های غیر قطبی را در ساختار بلوری نگه می دارد و بلور مولکولهای قطبی نیروهای دو قطبی_ دو قطبی و همچنین نیروهای لندن وجود دارند و دمای ذوب این ترکیبات بیش تر از ترکیبات غیر قطبی با ساختمان یکسان است.
برخی از ترکیبات مولکولی مانند آب به مقدار ناچیز تفکیک شده و رسانای ضعیف جریان الکتریسیته هستند به طور کلی بلورهای مولکولی رسانای جریان الکتریسیته در حالت مذاب یا مایع نیستند.شکل زیر بلور مولکولی ،برف دانه آب را نشان می دهد.

۴-بلورهای فلزی: الکترونهای لایه ظرفیت اتم های فلز در ساختار بلور فلزی حرکت می کنند و بقیه اتم های فلز یعنی یون های مثبت در بلور موقعیت ثابتی دارند ابر منفی الکترون های در حال حرکت که دریای الکترون نامیده می شود اجزای بلور را به یکدیگر متصل می کنند این نیروی اتصال دهنده قوی به پیوند فلزی مشهور است دمای ذوب و چگالی اغلب فلزات بالا است و یون های مثبت تشکیل دهنده ساختار آنها آرایش فشرده دارند. برخلاف بلورهای یونی موقعیت بلورهای مثبت در بلورهای فلزی را می توان بدون از بین بردن بلور تغییر داد زیرا بار منفی الکترونها آزاد به طور یکنواختی پراکنده شده است به همین دلیل اغلب بلورهای فلزی چکش خوار (شکل پذیر) و مفتول پذیر (قابل تبدیل به سیم) هستند اغلب فلزات رسانای خوب جریان الکتریسیته هستند.شکل زیر بلور فلزی روی را نشان می دهد.

انباشتگی کره ها
ساختمان اغلب جامدات برحسب انباشتگی کره هایی که نمایشگر یونها یا اتمها هستند قابل توضیح است. فلزات بویژه از این نقطه نظر بسیار ساده اند زیرا (برای فلزاتی نظیر سدیم و آهن)، تمام اتمها مساوی هستند. در بسیاری از موارد، اتمها آزادند تا حدی که هندسه آنها اجازه دهد به یکدیگر متراکم شوند، به همین دلیل گفته می شود که فلزات ساختار، انباشتگی نزدیک دارند، ساختمانهایی که دارای حداقل فضای زائد و حداکثر تعداد همسایه برای هر کره می باشند.
عدد کئوردیناسیون برای هر اتم عبارتست از تعداد نزدیکترین همسایه ای که در شبکه دارا می باشد. عدد کئودیناسیون معمولا برای فلزات بزرگ (۸ تا ۱۲) است، برای جامدات یونی متوسط (۴ تا ۸) و برای جامدات مولکولی پایین (۱ تا ۶) می باشد.

الف) انباشتگی نزدیک کره ها: ساختار انباشتگی نزدیک کره ها یکسان معمولا به صورت چیدن لایه های انباشته ـ نزدیک بر بالای یکدیگر می باشد. ساختمان توسط جای دادن هر کره در فرورفتگی میان دو کره مماسی، به طوری که یک مثلث را تشیل دهندشکل (۱) شروع می شود. لایه اول با ادامه پیدا کردن این فرایند تشکیل می شود. لایه انباشته ـ نزدیک کامل شامل کره هایی است که هر یک در تماس با شش همسایه از نزدیکترین فاصله در صفحه می باشند لایه توسط قراردادن کره ها بر روی فرورفتگی های لایه اول تشکیل می شود.
سومین لایه در یکی از دو طریق ممکن تشکیل می شود که تمام ساختارهای و در دوبعد کاملا یکسان می باشند.

عدد کئوردیناسیون برای هر ساختار ۱۲ می باشد. در یک ساختار، کره های لایه سوم مستقیما در بالای کره های لایه اول است. الگویABAB…. لایه ها شبکه ای با سل واحد شش گوشه ای می دهد و بنابراین انباشتگی ـ نزدیک ش گوشه ای یا hcp نامیده می شود.(شکل ۳a ) درنوع دیگر، کره های لایه سوم در بالای شکاف های لایه اول قرار داده می شود. بنابراین دومی لایه نیمی از حفره های موجود در لایه اول را می پوشاند و لایه سوم در بالای حفره های غیر پوشیده باقیمانده قرار می گیرد. این آرایش منجر به الگویABCABC….. می شود و مطابق با شبکه ای است با سل واحد مکعبی مرکز وجه ـ پر که انباشتگی ـ نزدیک مکعبی(ccp) با ویژه تر، مکعبی مرکز وجه ـ پر(fcc) نامیده می شود.(شکل۳b