Структурная химия и кристаллохимия. Введение

1. Лекция 1

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ
И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
ЛЕКЦИЯ №1
Лекция 1
Лектор:
доц. кафедры
материаловедения
и индустрии наносистем,
д.х.н. САМОЙЛОВ А.М.
1
ВВЕДЕНИЕ
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

2. 1.1. ВВЕДЕНИЕ

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
1.1. ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие точных инструментальных методов
изучения пространственного строения химических соединений
(рентгенографический анализ, нейтронография, электронография,
электронная и туннельная микроскопия) привело в последние годы к
глубокому проникновению структурных представлений практически во
все области химии и молекулярной биологии. Кроме чисто химических
аспектов эти представления играют важную роль во многих разделах
физики, материаловедения, геохимии и минералогии.
Достоверность сведений о пространственном расположении атомов в
самых различных веществах - одна из замечательных черт современного
естествознания.
1.2. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И
КРИСТАЛЛОХИМИЯ
В широком смысле структурная химия – наука, которая изучает,
описывает и прогнозирует пространственное строение химических
веществ как молекулярной, так и немолекулярной природы.
2
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

3.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ
СТЕРЕОХИМИЯ
Пространственное
строение молекул
КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Пространственное
строение твердых тел
Часто термин структурная химия трактуют в узком смысле и
отождествляют с понятием стереохимия, который используют, главным
образом, для изучения и описания пространственного строения молекул. В
этом случае весь комплекс научных методов, предназначенных для
изучения пространственного строения веществ с немолекулярной
природой, обозначают термином кристаллохимия.
3
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

4.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Кристаллохимия - наука, изучающая симметрию, строение,
состав и свойства кристаллических тел в зависимости от
природы химической связи, которая реализуется между
структурными единицами кристалла.
Структурными единицами кристалла могут быть атомы, ионы и
даже молекулы, как, например, I2 и CO2 в кристаллическом йоде и сухом
льде соответственно.
Содержание кристаллохимии в основном сводится к трем задачам:
- как построены кристаллические вещества? - речь идет об
экспериментальном
определении,
описании
и
систематике
кристаллических структур, об установлении общих закономерностей
строения кристаллов и отдельных классов кристаллических веществ;
- чем
определяется структура конкретного кристаллического
вещества? - здесь интерпретации подлежат общие закономерности
строения, свойственные целым классам веществ;
4
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

5.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
-как влияет кристаллическая структура вещества на его
свойства? - задача состоит в установлении качественных и
количественных зависимостей свойств кристаллических веществ от их
строения, что обеспечивает интерпретацию структурно-зависимых
свойств, а в перспективе - и их прогноз.
Кристаллохимия — это наука об атомной структуре кристаллов, их
симметрии и внешней огранке. Она является одной из классических
фундаментальных наук. Природные кристаллы изучали еще философы
античного периода истории, и в настоящее время кристаллография
продолжает бурно развиваться.
Содержание кристаллографической науки изменялось по мере ее
развития и взаимодействия с другими областями человеческого знания.
Первоначально кристаллы были объектами исследования минералогии,
затем стали предметом изучения физики, математики, химии, биологии.
Выдающийся советский кристаллограф академик Н.В. Белов
схематически изображал место кристаллографии среди других наук в
5
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

6.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
центре треугольника, в вершинах
минералогия, физика и химия.
6
которого
располагаются
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

7.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Традиционная связь кристаллохимии с минералогией определяется
тем, что подавляющее число минералов и горных пород, из которых
сложена земная кора, существует в природе в виде кристаллов.
Взаимосвязь с физикой определяется в первую очередь предметом
исследования кристаллохимической науки. Кристаллы являются самыми
распространенными объектами, которые исследует современная физика
твердого тела. Представления об атомной структуре кристаллов лежат в
основе методов, которыми оперирует этот обширнейший раздел
современной физики.
Наконец, к кристаллам принадлежит большое число твердых
химических
продуктов
—
органических,
неорганических,
элементоорганических и т. д. При этом химические законы проявляются в
кристаллических телах зачастую иначе, чем в растворах, газах и
расплавах. Поэтому кристаллы, их строение являются предметом
традиционного внимания химии.
7
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

8.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
В истории становления и развития кристаллохимии можно выделить
три основных этапа:
1) Эмпирический (или собирательный) – почти до начала XIX в. –
период постепенного накопления фактического материала, выявления и
осмысления особенностей кристаллов;
2) Теоретический (или объяснительный) - XIX в. – период
интенсивного теоретического исследования форм и выявления законов
внутреннего строения кристаллов;
3) Современный (прогностический) – период быстрого подъема,
который можно охарактеризовать как экспериментальный с отчетливым
прикладным направлением. Этот этап раскрывает все перспективы
развития данной области естествознания.
Кристаллохимию можно условно разделить на несколько дисциплин:
8
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

9.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
9
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

10.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Развитие кристаллохимии в значительной степени было
обусловлено
общим ускорением научно-технического прогресса,
поскольку внедрение перспективных материалов и передовых технологий
инициировало
создание
и
производство
синтетических
(искусственных)
кристаллов,
применяемых в прецизионном
приборостроении, радиоэлектронике, полупроводниковой и квантовой
электронике, технической оптике и акустике.
Таким образом, можно сказать, что поиск кристаллов с ценными
для практики свойствами, изучение их не только идеальной, но и
реальной структуры со всеми ее дефектами, развитие новых методов их
синтеза является важным фактором научно-технического прогресса и
отражает практическое содержание кристаллохимии как науки,
центральной задачей которой остается изучение зависимости свойств
кристаллических веществ от их строения.
По объектам и методологии исследований кристаллохимия
весьма близка и взаимосвязана с такими областями естествознания, как
10
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

11.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
математика, физика твердого тела, неорганическая и физическая химия,
минералогия, петрография и геофизика.
Еще одним важным направлением в кристаллохимии является
выращивание кристаллов..
ВЫВОД
Главной задачей структурной химии является объяснение и
описание пространственного расположения атомов в веществе
с указанием причин, которые приводят к этому расположению.
В результате такого подхода становится возможным понимание
и предсказание физико-химических свойств изучаемых веществ.
Структурная химия представляет собой чрезвычайно важную
часть современной теоретической и практической химии, всего
современного материаловедения. Во всем мире знания по структурной
химии приобретают все большее значение. .
11
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

12.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Практически все научные и технические достижения последнего
времени (в компьютерной технике и микроэлектронике, аэрокосмической
и оборонной промышленности, новейшие исследования в биологии,
современные методы диагностики и проведения хирургических операций
в медицине и т. д.) связаны со структурной химией и
кристаллохимией.
Без знания законов структурной химии и
кристаллохимии трудно понять и оценить новейшие научные открытия.
1.3. СПОСОБЫ ОПИСАНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
ВЕЩЕСТВ. СИММЕТРИЯ
Теоретической основой для точного описания геометрического
строения вещества является понятие о симметрии. Симметрия явление всеобщее. Она широко распространена и в окружающей нас
природе, и в том мире, который создан руками человека.
При изучении симметрии практикуют два подхода. Первый из них
наиболее тесно связан с математической теорией групп. Здесь в качестве
элементов групп фигурируют симметрические операции, что дает
12
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

13.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
возможность использовать алгебру матриц, а при более глубоком
анализе обратиться к теории представлений и характеров.
С помощью математики появляется возможность рассматривать
явление симметрии в наиболее общем виде, абстрагируясь от природы
объекта. В частности, если идет речь о молекулярных или
кристаллических структурах, удается перечислить все мыслимые
варианты их симметрии безотносительно к химическому составу
соединения.
Второй путь изучения симметрии, который в настоящее время
доминирует в кристаллографии и кристаллохимии, связан с
использованием геометрических образов - элементов симметрии.
Главное преимущество данного метода заключается в его относительной
простоте и наглядности.
Однако этот метод лишен строгого математического подхода и не дает
универсальной основы для программирования на ЭВМ.
13
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

14.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Термин «симметрия» (от греч.
σιμμετρια – соразмерность, однород-
ность, пропорциональность, гармония) ввел в научный лексикон
Пифагор (VI в. до н. э.). Крупнейший немецкий математик XX в. Г. Вейль
писал: «Симметрия есть идея, с помощью которой человек веками
пытался объяснить и создать порядок, красоту и совершенство».
Тело (пространственный образ) может быть симметрично либо данной
плоскости, либо прямой линии (Рис. 1.1).
Одна часть весов как бы уравновешивает
другую часть. И в этом смысле симметрия
символизирует покой, отсутствие движения.
Но если нарушить равновесие, положив груз
на одну из чашек весов, симметрия исчезает,
появляется
асимметрия,
начинается
движение.
Рис. 1.1. Образ весов, иллюстрирующий зеркальную
симметрию.
14
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

15.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Симметрия характерна не только для минерального царства, но и
для живой природы (Рис. 1.2).
Рис. 1.2. Двустворчатые раковины с плоскостью симметрии:
а - перпендикулярной створкам; б – проходящей между створками.
15
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

16.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Однако каким бы способом при интерпретации симметрии
конкретных веществ
не пользовались ученые,
прежде
всего,
необходимо помнить о ее вторичности, поскольку она обусловлена
сочетанием физико-химических факторов и законов. В каждом
конкретном случае симметрия возникает в результате действия вполне
определенных факторов.
В равновесных системах атомов и молекул симметрия есть следствие
стремления к минимуму свободной энергии, но способы реализации
этого минимума в разных системах могут быть различными. С другой
стороны, часто совершенно разнородные факторы и силы приводят к
одной и той же симметрии. Как отмечал один из основоположников
отечественной кристаллохимии В. А. Франк-Каменецкий, «…мы
говорим о геометрии, а думаем об энергии». Энергетический подход к
строению молекул и кристаллов составляет содержание важнейших
разделов структурной химии и кристаллохимии.
16
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС

17.

Самойлов А.М. СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ И КРИСТАЛЛОХИМИЯ
ЛИТЕРАТУРА
1. Попов Г.М. Кристаллография / Г.М. Попов, И.И. Шафрановский. – М.
: Высш. шк., 1972. – 351 с.
2. Бокий Г.Б. Кристаллохимия / Г.Б. Бокий . - М. : Наука, 1971. – 399 с.
3. Шаскольская М.П. Кристаллография / М.П. Шаскольская. - М.:
Высш. шк., 1984. – 375 с.
4. Загальская Ю.Г. Геометрическая кристаллография / Ю.Г. Загальская, Г.П. Литвинская, Ю.К. Егоров-Тисменко. – М. : Изд-во Моск. унта, 1986. – 165 с.
5. Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия / Ю.К.
Егоров-Тисменко – М. : Изд-во Моск. ун-та, 2005. – 587 с.
6. Чупрунов Е.В. Кристаллография / Е.В. Чупрунов, А.Ф. Хохлов, М.А.
Фадеев – М. : Изд-во физико-математической литературы, 2000. – 494 с.
17
ХИМИЯ, ФИЗИКА И МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ, Д/О, 1 КУРС