Конструкцiйнi матерiали. Кристалiчнi решiтки

1.

КОНСТРУКЦIЙНI МАТЕРIАЛИ
Лекція 3
Кристалiчнi решiтки
I.І.Ключник
Кафедра проектування та експлуатації електронних апаратів
1

2.

ПЛАН ЛЕКЦІЇ
1. Кристалiчнi решiтки.
2. Типи кристалiчних решiток.
3. Iонна кристалiчна решiтка.
4. Атомна кристалiчна решiтка.
5. Молекулярна кристалiчна решiтка.
6. Металічна кристалiчна решiтка.
7. Висновки.
8. Лiтература.
2

3.

Кристалiчнi решiтки
Твердий стан речовини тому твердий,
оскільки має особливу структуру,
частки якої знаходяться в певному і
чітко заданому порядку, створюючи,
так звану, кристалічну решітку (гратку).
Будова
кристалічної
решітки
складається з повторюваних однакових
елементарних осередків (комірок):
атомів,
молекул,
іонів,
інших
елементарних частинок, пов’язаних між
собою різними зв’язками.
Елементарна ОЦК комірка
кристалiчної решiтки
3

4.

Типи кристалiчних решiток
Залежно від виду частинок і характеру
зв’язку між ними розрізняють чотири типи
кристалічних решіток:
- іонні;
- атомні;
- молекулярні;
- металічні.
.
4

5.

Iонна кристалiчна решiтка
Кристалічні
решітки,
що
складаються з іонів, називаються
іонними. Їх утворюють речовини з
іонними зв’язками.
Прикладом може бути кристал
хлориду натрію, в якому кожен іон
натрію оточений шістьма хлоридіонами, а кожен хлорид-іон —
шістьма іонами натрію. Такому
розміщенню
відповідає
найщільніша упаковка, якщо іони
уявити у вигляді куль, розміщених у
кристалі.
Відстань між двома іонами натрію
складає 2,81 А.
Iонна кристалiчна решiтка NaCl
5

6.

Властивості речовин з іонною
кристалічною решіткою:
Кристалічні решітки з іонними зв’язками притаманні неорганічним
хімічним сполукам. Це визначає відповідні властивості таких речовин, а
саме:
- високу температуру плавлення та кипіння;
- високий модуль пружності;
- низький коефіцієнт теплового розширення;
- високу твердість;
- високу крихкість;
- розчинність в полярних розчинниках;
- у твердому стані вони діелектрики, у водних розчинах або розплавах
проводять електричний струм.
Іонну кристалічну решітку мають:
хлорад натрію (NaCl), гідроксид калію (KOH), нітрат калію (KNO3).
.
6

7.

Атомна кристалiчна решiтка
Кристалічні решітки, у вузлах яких
розміщуються окремі атоми, називаються
атомними. Атоми в таких решітках
сполучені
між
собою
міцними
ковалентними зв'язками.
Прикладом може бути алмаз — одна з
модифікацій
карбону
(С).
Алмаз
складається з атомів карбону, кожен з
яких зв’язаний з чотирма сусідніми
атомами.
Атомна кристалiчна решiтка
характерна для алмазу, кремнію,
цинкової обманки, тощо
7

8.

Властивості речовин з атомною
кристалічною решіткою:
- тверді;
- тугоплавкі;
- нерозчинні у воді;
- нелеткі;
- напівпровідники та діелектрики.
Атомну кристалічну решітку мають:
алмаз (С),
графіт (С),
кремній (Si),
карборунд (SiС),
твердий бор (B), германій (α-Ge), двооксид кремнію – пісок (SiО2),
карбід кремнію (SiС), сполуки деяких елементів з карбоном та
силіцієм…
8

9.

Елементарна комірка кристалічної структури
алмазу з виделеними тетраедрами
Кристалічна гратка
типу алмаз складається із
двох ГЦК підграток,
вкладених одна в іншу із
зміщенням на ¼ вздовж
діагоналі куба елементарної
комірки.
Автор: Pieter Kuiper - Власна
робота Це зображення було створено з
допомогою Persistence of Vision.,
Суспільне надбання (Public Domain),
https://commons.wikimedia.org/w/index.
php?curid=2198583
9

10.

Атомна кристалiчна решiтка
графіта
Графіт – мінерал, який є
однією з багвтьох аллотропних
модифікацій вуглецю (С).
Структура гратки – шарова.
Кожний атом вуглецю
зв’язаний з трьома іншими
атомами вуглецю, що його
оточують. Властивості:
- гарно проввдить струм;
- низька твердість (1 за шкалою
Мооса) ;
- при терті розшаровується на
окремі лусочки (чешуйки).
10

11.

Молекулярна кристалiчна решiтка
Кристалічні решітки, що складаються з
молекул (полярних і неполярних),
називаються молекулярними.
Молекули в таких решітках з’єднані
між
собою
порівняно
слабкими
міжмолекулярними
силами.
Тому
речовини з молекулярною решіткою
мають:
- малу твердість;
- низькі температури плавлення;
- нерозчинність або малорозчинність у
воді;
Молекулярна кристалiчна решiтка
- низьку електропровідність.
Число
неорганічних
речовин
з
молекулярною решіткою незначне.
11

12.

Речовини з молекулярною кристалiчною
решiткою
Прикладами їх є лід, твердий оксид карбону (ІV) (“сухий лід”), тверді
галогеноводні, тверді прості речовини, утворені одно- (благородні гази),
двох- (F2, Сl2, Вr2, l2, Н2, О2, N2), трьох- (О3), чотирьох- (Р4), восьми- (S8)
атомними молекулами.
12

13.

Металична кристалiчна решiтка
У твердому стані метали
утворюють металічні кристалічні
решітки.
Останні
звичайно
описують як поєднання катіонів
металу, сполучених в одне ціле
валентними електронами, тобто
негативно
зарядженим
“електронним газом”.
Електрони
електростатично
притягуються катіонами, що
забезпечує стабільність решітки.
Схематичне зображення
металичної кристалiчної решiтки
13

14.

Природа властивостей металів
Металевий зв’язок міцніший за ковалентний. Він обумовлює схожі
фізичні властивості металів. Однак різні метали відрізняються за деякими
властивостями, наприклад, за:
- температурою плавлення;
- густиною;
- міцністю тощо.
Ці властивості багато в чому залежать від параметрів кристалічних
структур.
Металічні кристали внаслідок нелокалізованого зв'язку
характеризуються:
- високими електропровідністю і теплопровідністю;
- блиском;
- пластичністю;
- ковкістю.
14

15.

Типи елементарних кристалiчних
решiток
Об’ємноцентрована кубічна (ОЦК)
гратка.
В об'ємно центрованій кубічній
ґратці атоми розташовані у вершинах
куба і один атом у центрі обсягу куба.
Кубічну об'ємноцентровану ґратку
мають метали: K, Na, Li, β-Ti, β-Zr, Ta, W,
V,
α-Fe,
Cr,
Nb, Ba та ін.
Кристалiчна ОЦК решiтка
15

16.

Типи елементарних кристалiчних
решiток
Гранецентрована кубічна ґратка (ГЦК)
.
У гранецентрованій кубічній ґратці
атоми розташовані у вершинах куба і в
центрі кожної гратки.
Ґратки такого типу мають метали:
α-Ca, Ce, α-Sr, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, γFe, Cu, α-Co та ін.
Кристалiчна ГЦК решiтка
16

17.

Типи елементарних кристалiчних
решiток
Гексагональна
гратка (ГЩУ).
щільно
упакована
У гексагональній щільно упакованій
гратці (ГЩУ) атоми розташовані
у вершинах і центрі шестигранних
основ призми, а три атоми у середній
площині призми.
Таку упаковку атомів мають метали:
Mg, a-Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Be та ін.
Кристалiчна ГЩУ решiтка
17

18.

Висновки
Тверді речовини, як правило, мають кристалічну будову. Вона
характеризується правильним розміщенням частинок у чітко визначених
точках простору. При уявному з’єднанні цих точок прямими лініями, що
перетинаються, утворюється просторовий каркас, який називають
кристалічною решіткою.
Точки, в яких розміщені частинки, називаються вузлами кристалічної
решітки.
У вузлах уявної решітки можуть розміщуватись іони, атоми або
молекули. Вони здійснюють коливальний рух. З підвищенням
температури амплітуда коливань збільшується, що виявляється в
тепловому розширенні тіл.
Залежно від виду частинок і характеру зв’язку між ними розрізняють
чотири типи кристалічних решіток: іонні, атомні, молекулярні й металічні.
18

19.

Висновки
Сучасна наука встановлює відповідний зв’язок між властивостями
будь якої речовини та її фізичною і хімічною будовою. Виявлення
закономірностей цього зв’зку дозволяє не тільки проводити
цільоспрямований підбір конструкційних матеріалів за необхідними
характеристиками, а і на основі аналізу таких відповідностей розробляти
нові перспективні матеріали.
19

20.

Література
1. Домрін О.І., Меняйло О.Д., Хорошайло Ю.Е., Ключник І.І. Матеріали
авіоніки: підручник. Харків: ХНУРЕ, 2021. 304 с.
2. Кристалічна решiтка.URL:
https://uk.wikipedia.org/wiki/Кристалічна_ґратка (Дата звернення 30.10.2021).
3. Типи кристалiчних решiток.URL: https://miyklas.com.ua/p/himija/8klas/tipi-khimichnogo-zv-iazku-40899/kristalichni-gratki-39938/re-c89b3192bdb7-4f87-b1cd-ecd554e6e8c3 (Дата звернення 30.10.2021).
Кристалiчнi решiтки
4. Хiмiя.URL: https://subject.com.ua/chemistry/admission/34.html (Дата
звернення 30.10.2021).
5. Решiтки у хiмiї.URL: https://www.poznavayka.org/uk/himiya2/kristalichni-reshitki-v-himiyi/ (Дата звернення 30.10.2021).
6. Опейда.Й, Швайка.О. Глосарій термінів з хімії. Ін-т фізико-органічної
хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний
університет. Донецьк: Вебер, 2008. 758 с.
20

21.

Ключник Ігор Іванович
Кристалiчнi
решiтки
Професор кафедри
«Проектування
та
експлуатація електронних апаратів»
Харківського національного університету
радіоелектроніки
[email protected]