Transcript katılar-sıvılar

KATILAR-SIVIILAR
KATILAR







Kömür ve diğer madenlerin çoğunun katı olması yanında, taban suyu, petrol
ve doğal gazlar katı yer kabuğunun irili ufaklı gözenekleri içinde bulunurlar
Her geçen gün teknolojik olarak oldukça sert yeni katı malzemeler
üretilmekte ve çeşitli yapı malzemesi olarak kullanılmaktadır.
Kömür gibi katı yakıtların yanı sıra, geleceğin tüm enerji kaynağı
olabileceğini düşündüğümüz nükleer yakıtlar, doğadaki bazı katılar
içerisinde doğanın bir gizemi olarak saklıdır.
Hava, su ve toprağın birleştiği yeryüzünde yaşamın doğuşu toprak aracılığı
ile olmuştur.
Canlı ve cansız tüm varlıkların oluştuğu ve sürekli değiştiği toprak içindeki
minerallerin kristal yapılarını ve diğer fiziksel ve kimyasal özelliklerini iyi
tanımamız gerekir.
Doğada kendiliğinden oluşan bir geometrik şekli ile belli bir kimyasal formülü
olan maddelere mineral adı verilir.
Ekonomik değeri olan minerallere ise cevher veya filiz adı verilir.






Maddelerin özellikleri bakımından ölçme yönüne bağlı olarak
değişmesine anizotropi, ölçme yönünden bağımsız olmasına ise
izotropi adı verilir.
Atomların veya kristalli oluşturan taneciklerin düzenli olarak
istifleşmesi anizotropiye yol açmaktadır.
Örneğin tabakalı yapıya sahip bir tahta parçası paralel yönde
kolayca kesilebileceği halde dik olan yönde zor kesilmektedir.
Sıvı ve gazlarda moleküllerin istiflenmesi gelişigüzel olduğundan,
özellikleri ölçme yönünden bağımsızdır.
Kristal katılar ile amorf katılar arasında gözlenen en önemli
farklılıklardan biri de, kristal olanların sabit sıcaklıkta erimeleri, amorf
olanların ise belli bir sıcaklık aralığında giderek yumşayarak akıcılık
kazanmalarıdır. Yumşamanın başladığı noktaya camsı geçiş
sıcaklığı adı verilir.
Örneğin cam ısıtıldığında önce yumşar ve sonrada akıcılık kazanır.
Kristallerin boyutları







Kristallerin boyutları buz dağları gibi büyük olabildiği gibi mikroskopla
görülebilecek kadar küçükte olabir.
Özellikle minarallerin boyutları çok büyüktür.minarel adının kullanıldığı
yapay kristaller oldukça küçüktürler.
Minarellerde olduğu gibi bazı katılar aynı türden fakat farklı boyutlarda çok
küçük kristallerden oluşmuştur. Zımparalınıp üzerindeki oksit tabakası
uzaklaştırılan metallerin yüzeyindeki kristaller kolaylıkla görülebilirler.
Küçük kristallerden oluşan metaller, örneğin bakır anizotropi özelliği
göstermez.
Yığın halde izotropi, tek kristal halde ise anizotropi özelliği gösteren
metalleri, sabit erime noktalarından dolayı amorf katılardan kolaylıkla
ayırabiliriz.
Kristallerin büyüklüğüve şekli, kristallenme ortamına ve kristallenme
süresine bağlı olarak değişir. Kristallenme süresi uzadıkça kristal daha
büyük olur.
Doğada jeolijik olaylar sonucu uzun yıllar boyunca oluşan minareller bu
nedenle çok büyüktür. Laboraturlarda hızla elde edilen kristaller çok
küçüktür.
KRİSTAL EKSENLERİ, AÇILARI VE
KRİSTAL DÜZLEMLERİ

1.
2.



Kristalin şekli oluştuğu ortama göre farklılık gösterir. İki temel kural geçerli
olduğu sürece görüntüleri farklıda olsa kristaller aynıdır.
Bir kristalde yüzeyler değişmeden kalır.
Bir kristalde aynı yüzeyler arasındaki açı daima sabittir.
Örneğin, aşırı doymuş NaCI çözeltisinden yavaş yavaş çöktürülen NaCI
kristali küp şeklinde, aynı çözeltide kabın tabanında oluşan NaCI kristali
ise yalnızca üsten beslendiği için yarım küre şekinde, üre içeren bir
çözeltide oluşturulan NaCI kristali se düzgün sekiz yüzü olmaktadır.
Görünüşleri nasıl olursa olsun Na ve CI atomlarından geçen yüzeyler ve
bu yüzeyler arasındaki açılar ve iyonlar arasındaki eşdeğer uzaklıklar hep
aynıdır.
Kristal eksenleri, genellikle birbirinden farklı uzunluklarda olan
kristal brim vektörleri ve bu vektörler arasındaki açılar üç boyutlu
uzayda görüldüğü gibi göstereilir.
Kristal açıları ve düzlemleri

X, y ve z doğruları değişse de c ve b birim vektörleri arasındaki açı daima
,

alfa, a ve c birim vektörleri arasındaki açı daima beta a ve b birim
vektörleri arasında ise gama olarak simgelenmektedir.
Kristal düzlemleri x, y ve z eksenlerinden birini, ikisini ve üçünü birden
kesen eksenler aşağıda ikinci figürde gösterilmiştir.
Kristal yüzeyleri

Kristal yüzeylerini isimlendirmek için Weiss ve Mille indisleri kullanılır.
•
Çoğu kristaller ayrı ayrı yüzeylerinden incelendiği zaman anizotropi özelliği
gösterirler. Dik olarak z eksenini kesen yüzeylere taban yüzeyler adı verilir.
Birim hücre ve kristal sistemleri




Bir kristalin tüm özelliklerini gösteren en küçük yapı taşına birim hücre adı
verilir.
Birim hücrelerin a, b ve c birim uzunluklarının birbirine göre durumu ve
araklarındaki açılara göre (simetrilerine göre) 7 ayrı türde kristal sistemi
tanımlanmıştır.
Bu sistemler uzaydaki konumlarına göre, basit, iç merkezli, yüzey merkezli
ve taban merkezli gibi uzaydaki konumlarına göre 14 şekilde bulunurlar.
BİRİM HÜCREDE TANECİK SAYISI
Birim hücreler incelendiğinde her birim hücrenin köşelerinde birer tanecik
bulunduğu görülür. Ancak, bu taneciğin tümü o birim hücreye ait değildir.
bu tanecik kaç birim hücrenin köşesi tarafından ortaklaşa kullanılıyorsa,
ancak o birim hücreler sayısında bir kadarı bir birim hücreye aittir.
Birim hücre ve kristal
Kristal yapıları
Kübik sistem Birim hücresi tanecik sayısı
Birim Hücre



Eğer elde bir element varsa taneciklerin tümü aynı
tür atomdur.
Oda sıcaklığında iç merkezli kübik yapıda olan Na ve
CsCl’ün birim hücresinde bulunan iki tanecikten
sodyum elementinde ikisi de Na, CsCl bileşiğinde ise
biri Cs+ iyonu diğeri Cl- iyonudur.
Na, birim hücreler sıcaklıkla şekil değiştirebilir.
Örneğin oda sıcaklığında iç merkezli kübik yapıda
olan Na, sıvı azot sıcaklığına (-1960C) dek
soğutulursa birim hücre yüzey merkezli kübik yapıya
geçer.
BRİM HÜCRENİN HACMİ VE AVOGADRO SABİTİNİN
BULUNMASI
Birim kenarı a olan kübik sistemlerin birim hücrelerinin
hacimleri iki ayrı yoldan bulunup birbirine eşitlenerek
Avogadro sayısının hesaplanabileceği bir bağıntı verilebilir.
Kenarı a olan bir birim hücrenin hacmi a3 olacaktır. Birbirine
paralel atom düzlemleri arasındaki en yakın uzaklık d
ile gösterilirse, sadece basit kübik sistem a = d olur.
Atom yarı çapı r ile gösterilirse, basit kübik sistemde a = 2r
olur.
İç merkezli kübik sistemde ise çizim köşegeninin 4r’ye eşit
olduğu görülür.
Birim Hücrenin hacmi



Küpte cisim köşegeni için (4r)2 = a2 + a2 + a2 ve yüzey köşegeni için
(ar)2 = a2 +a2 bağıntıları yazılacağına göre, iç merkezli kübik sistemde
atom yarıçapı, ve yüzey merkezli kübik sistemde atom yarıçapı, dır.
Yoğunluğu p, mol kütlesi M olan ve birim hücresinde m sayıda tanecik
bulunan bir küpün hacmi bir başka yoldan da bulunabilir. Bir taneciğin
kütlesi M/L olduğuna göre (L, Avogadro sabitidir), m taneciğin kütlesi
nM/L olur. Bu değer yoğunluğa bölünerek mM/pL şeklinde bir birim
hücrenin hacmi bulunur.
Her iki yoldan bulunan hacimler birbirine eşitlenirse
a3 = mM/pL
bağıntısı elde edilir.
Birim hücre ve hacim, mol sayısı





Not: Metalik kristaller için m atom sayısı ve M bu atoma
ait elementin mol kütlesidir. İyonik kristaller için mM,
iyon sayıları ile iyonların mol kütlelerinin çarpımları
toplamı alınır.
Örnek. CsCl için m =2 ve NaCl için m = 8 olduğundan,
sırayla
mM = MCs- + MCl- = MCsCl ve mM = 4MNa+ + 4MCl- = 4MNaCl
dır.
Kristal için a, M ve p değerleri biliniyorsa m değeri
bulunabilir ve kübik sistemin örgü türüne karar
verilebilir.
Not: m, metaller için birim hücredeki tanecik (atom)
sayısıdır; bileşikler için birim hücredeki molekül
sayısıdır. Tanecik (iyon) sayısını bulmak için molekül
formülü dikkate alınır.
SORU (önemli…)
Soru: Mol kütlesi 58.7 g/mol ve yoğunluğu 8.94 g/cm3 olan
nikel elementi yüzey merkezli kübik örgüde kristallenir ve
birim hücresinin bir kenarı 0.352 mm dir. Avogadro sabitini ve
nikelin atom yarıçapını bulunuz.
a3 = mM/pL
L = mM/a3p = 4x(58.7 g/mol)/ [0.352 x 10-7 cm)3 x (8.94 g/cm3)]
= 6.02 x 1023 g/mol bulunur.
 Nikel iç merkezli kübik örgüde kristallendiğine göre atom
yarıçapı,
= 0.433 a = 0.433 x 0.352 mm = 0.152 bulunur.

a3 = mM/pL
Kristal yapısının aydınlatılması: X- ışınları ve diğer
yöntemler






kristal yapısının aydınlatılması için X-Işınları krınımı yöntemi, spectroscopik
yöntemler ve mikroscopik yöntemler kullanılır.
Yüksek enerjili katot ışınlarının bir antikatoda çarparak yayınladıkları Xışınları ile kristal yapıları aydınlatılailir.
Düzlemleri arasındaki d uzaklığı bilinen bir kristal ile bilinmeyen bir XIşınının λ dalga boyu veya λ dalga boyu bilinen belli bir X-ışını ile kristalde
atom düzlemleri arasındaki bilinmeyen d uzaklığı belirlenebilir.
Kristal düzlemleri arasındaki uzaklığın bulunması için kristal yüzeyine belli
bir açı ile X-ışınları gönderilir ve kristal yüzeyinden parıldayarak girişim
yapan ışınların karşısına konan bir fotoğraf plağı üzerindeki izleri incelenir.
Kristal yüzeyine düşen X-Işınları kristal yüzeyindeki atom ve iyonlara
çarptığında parlak bir ışın yayar. Eğer parıldayan ışınlar aynı fazda iseler
üstüste gelerek birbirlerini kuvvetlendirirler., ters fazda iseler zayıflatırlar.
Buna göre kuvvetli ışınlar ekran üzerinde izler bırakır ve bu izlerin yerleri
incelenerek kristal yapısı aydınlatılır.
Ardarda gelen düzlemlerdeki atom veya iyonlardan yansıyan ışınlar θ açısı
değiştirilerek aynı faza getirilir. Kullanılan X-ışınının λ dalga boyu
bilindiğinden θ parıldama açısı ölçülerek düzlemler arası dhkl uzunluğu
belirlenir.
X-Işınları ile kristal yapıların aydınlatılması
Figür


Dalga boyu 0.710 nm olan X-ışınları ile bir kristalin yüzeyinden birinci
parıldama açısı 12 derece olarak ölçülmüştür. Parıldama düzlemleri
arasındaki en yakın uzaklığı hesaplayınız.
Aşağıdaki Formülden n= 1 dir.
Kristal yapıların aydınlatılması



Işıma türlerinin madde ile etkileşmesinin incelendiği yöntemlere
spektroskopik yöntemler denir.
UV ve görünür bölge, IR ve NMR ışımalarının madde tarafından
hangi dalga boyunda ve hangi şiddetle soğurulduğunu gösteren
spektrumların incelenmesi, sırayla UV ve görünür bölge
spektroskopisi, IR spektroskopisi ve NMR spektroskopisi yöntemleri
olarak bilinir.
Ayrıca ESCA (kimyasal analiz için elektronik spektroskopi), AS (
Auger Spektroskopisi) ve NS (nötron saçılması) gibi yöntemler
kullanılarak katıların ve özellikle katı yüzeylerinin incelenmesinde
yoğun olarak kullanılan yöntemlerdir.
Kristal türleri


Taneciklerin bir kristal içinde sıralanması için belli sayıda yollar
vardır. Sıralanmanın türü ve katının fiziksel özellikleri, taneciklerin
kristal içindeki yerlerine ve aralarındaki çekim kuvvetlerine bağlı
olarak değişir.
Kristalleri: (A) kovalent bağlı, (B) Molekülsel, (C) Metalik ve
(D) İyonik olmak üzere 4 ana gruba ayırabiliriz.
Kristal türleri
Kovalent kristaller

Katının tümü içindeki atomlar arasında oluşan kovlent bağlar örgüsü
ile kovalent kristaller oluşur. En önemli örnek Elmas kristalleridir.
Elmas kristallerinde karbon atomu sp3 hibrit yörüngeleri ile diğer 3
karbon atomuna bağlanmıştır. Düzgün dörtyüzlü yapıdadır.
Karbonun allotropları a. Elmas b. Grafit



1.
2.
Kovalent bağ örgüsünün sağlamlığından dolayı kristalleri çok sert olur ve erime
noktaları oldukça yüksektir.
Elektronlar hareketsiz olduğu için elektriği çok az iletirler.
Bazı kovalent bağlı kristallerde ise boyutlu sonsuz sayıda kovalent bağ yer
almaktadır.
Şekil grafitin resonans yapısı
Şekil grafitin kristal yapısı
Moleküler kristaller



Molekülsel kristallerde örgü noktalarında ya moleküller ya da
atomlar bulunur.
Molekülsel kristalleri oluşturan tanecikler arasındaki, dipol-dipol
kuvvetler, van der Waals kuvvetleri ve hidrojen bağları vardır. Bu
kuvvetler oldukça zayıftır. London kuvvetler, Ar, O2, naftalin ve
CO2 (kuru buz) gibi polar olmayan maddelerin kristalleri içerisinde
vardır.
SO2 gibi polar moleküller içeren kristaller içinde etkin dipol-dipol
kuvvetlri olduğu halde, Su (buz), NH3 ve HF katıları içinde
hidrojen köprüleri vardır. Bu kuvvetlerin tümü kovalent bağ ve
iyonik bağ yapılarının yanında çok zayıf kaldıkları için bu
maddelerin kristalleri yumuşaktır ve erime noktaları düşüktür.
a. Kuru buz b. Naftalin kristali
Metalik kristaller



Metal kristallerinde taneciklerin istifleşmesi, iç merkezli kübik istifleşme,
yüzey merkezli (en sık) kübik istifleşme ve en sık hekzogonal istiflşme
olmak üzere üç grupta toplanır.
Gerek yüzey merkezli yani en sık kübik istifleşmede ve gerekse en sık
hekzagonal sistemde koordinasyon sayısı 12 dir. Yani en sık kübik ve en sık
hekzagonal istifleşmede herbir atom 12 komşu atoma değmektedir ve bu
atomların altısı ortadaki atom ile aynı katmanda üçer tanesi de alt ve üst
katmanlarda bulunmaktadır.
En sık kübik istifleşmede kristal hacminin %74 atomlar tarafından
doldururlur ve %26 sı boştur ve bu değerler en sık hezagonal istifleşme için
de geçerlidir. İç merkezli kübik istifleşmede koordinasyon sayısı sekizdir,
yani merkezdeki atom yanlızca küpün köşelerindeki sekiz atoma
değmektedir. İç merkezli kübik istifleşme daha az yoğun olup kristal
hacminin yalnız %68 atomlar tarafından doldurulur ve %32 si boştur.
İstifleşme
İstifleşme
.
İyonik kristaller



İyonik hücreler, metalik hücrelere göre daha karmaşıktır. Belli
stokiyometrik bir orana göre istiflenen farklı boyutlu ve farklı yüklü
iyonlar arasındaki elektrostatik çekme yanında, elektron
tabakalarının birbirlerine çok yaklaşmış olmasından dolayı
elektrostatik itmede vardır.
Çoğu iyonik bileşiklerde anyonların katyonlardan daha büyük
olması, sanki anyonların oluşturduğu bir örgünün hücre boşluklarına
katyonların yerleşmesi gibi bir görünüm alır. Üç tip hücre boşluğu
aşağıda verilmiştir.
Birbirine değmek koşulu ile her bir katyonun etrafındaki anyon sayısı
dolduracak boşluğun tipine bağlı olarak değişir. Bu sayı kübik boşluk
için sekiz, düzgün sekiz yüzlü için altı ve düzgün dörtyüzlü için
dörtür. Açıkca eksi yüklerin etkileşmeleri ile oluşacak en kararlı bir
iyonik kristal için kübik boşluk en uygun olanıdır.

Kararlı kristal oluşumunda bir diğer etkende r+ yarıçapı ile r- yarı
çapının kıyaslanmasıdır.
Sıvı kristaller