Молекулярно-кинетическая теория роста кристаллов

 

Министерство  Образования и Науки Республики Казахстан 

Актюбинский Государственный Университет имени 

К. Жубанова

Факультет: технический

Кафедра: химическая технология неорганических веществ

 

 

Реферат

 

На тему: Молекулярно-кинетическая теория роста кристаллов.

 

 

 

 

 

 

Выполнил(а):       Жученко Н. О

Проверил(а):     Тастанова Л. К.

 

 

Актобе -2013г

 

Содержание:

Введение

1. Кристаллы и их систематика.
2. Виды симметрии.
3. Форма кристаллов.
4. Факторы, влияющие на зарождение кристаллов
5. Теоретические воззрения на зарождение кристаллов
6. Молекулярно-кинетические теории роста  кристаллов
7. Гомеополярные кристаллы
8. Гетерополярные кристаллы
9. Средняя работа отрыва

Заключение

Список литературы

 

 

Введение.

Во многих областях физики, химии и геологии все чаще приходится работать с различными кристаллами, иметь дело с их  образованием, разрушением, растворением и т. д. Вопросы роста кристаллов приобрели актуальное значение в  последние два  десятилетия, когда  искусственно выращенные однородные  монокристаллы различных веществ  получили широкое применение в промышленности и технике в качестве заменителей  природных 

кристаллов  — минералов; в ряде случаев синтетические  монокристаллы оказались лучшего  качества, чем природные. Открылась  возможность получения монокристаллов с заданными свойствами. С общей  проблемой роста кристаллов непосредственно  переплетается ряд частных: возникновение  кристаллической фазы из жидкой и  газообразной, процессы срастания, растворения  кристаллов, изменение облика кристаллов под влиянием примесей в среде, где  происходит кристаллизация, образование  смешанных  кристаллов и изоморфизм, а также многие вопросы, связанные  с 

образованием  кристаллов в природе. Исходя из теории кристаллической решетки, возможно  вычислить ряд величин, характеризующих физические свойства  кристаллов: модуль сжимаемости, модуль упругости, модуль сдвига, удельную поверхностную энергию и т. д. Эти вычисленные значения для подтверждения правильности теории необходимо сравнить с экспериментальными. Для этого нужны небольшие, но весьма совершенные кристаллы.

Практика  же предъявляет к кристаллам свои требования,  чаще всего сводятся к получению кристаллов больших  размеров с заданными свойствами.

Процесс роста кристаллов настолько сложен, что объяснить его всесторонне  с единой точки зрения пока трудно: одни вопросы объясняются с позиций  молекулярно-кинетических, другие —  с  позиций дефектов, почти всегда имеющихся в кристаллах.

 

1. Кристаллы и их систематика.

Характерной особенностью кристаллов является строго определенное, периодически повторяющееся  в трех измерениях расположение ионов, атомов или молекул, образующих кристаллическую  решетку. Этим расположением определяется внешняя форма кристаллов, специфичная  для каждого вещества. Следствием внутренней упорядоченности структуры  кристаллов является анизотропность их свойств, т.е. неодинаковость механических, оптических, электрических, магнитных и других свойств по различным направлениям для одного и того же вещества.

На рис. 1 изображен кристалл хлористого натрия, имеющий форму правильного  куба, и его пространственная решетка, в узлах которой в закономерно  повторяющемся порядке расположены  ионы натрия и хлора.

Рис.1 Кристалл хлористого натрия (а) и его пространственная решетка (б).

 

В основу классификации кристаллов положена их симметрия.

Симметричная фигура состоит из закономерно повторяющихся равных частей. Основными элементами симметрии  являются центр симметрии, ось симметрии  и плоскость симметрии.

Центр симметрии (центр инверсии) представляет собой такую точку внутри кристалла, для которой любая проведенная  через нее прямая по обе стороны от центра и на равных расстояниях встречает одинаковые точки.

Осью симметрии  называется прямая линия, при повороте которой на 360° кристалл совмещается с собой более одного раза. Минимальный угол поворота, при котором происходит совмещение фигуры, называется элементарным углом поворота оси, а число совмещений фигуры при полном обороте вокруг выбранной оси – порядком оси.

 

Рис. 2. Оси симметрии куба

а –  три оси четвертого порядка; б  – четыре оси третьего порядка; в  – шесть осей второго порядка. 

Многогранники могут иметь несколько  осей симметрии. Например, куб имеет 13 осей симметрии (рис.2)

Плоскость симметрии рассекает  фигуру таким образом, что одна ее половина становится зеркальным отражением другой. Часто такой элемент симметрии  является единственным для многогранника. На рис.3 изображены прямоугольник и прямоугольный параллелепипед, обладающие двумя и тремя плоскостями симметрии. Куб имеет девять плоскостей симметрии (рис.4): четыре вертикальные, одну горизонтальную, четыре наклонные.

 

 

 Рис.3 фигуры, обладающие плоскостями симметрии:

а –  прямоугольник;  б – прямоугольный параллелепипед.

 

 

 

 

Рис.4. Плоскости куба

а –  четыре вертикальных; б – одна горизонтальная; в – четыре наклонных.

Таким образом, куб представляет собой  высокосимметричную фигуру, которая  имеет 23 элемента симметрии: центр инверсии, 13 осей, 9 плоскостей симметрии.

Так же можно охарактеризовать и  кристаллы, имеющие другое строении, а соответственно и геометрическую форму.

 

 

 

 

 

2. Виды симметрии.

 

В кристаллах элементы симметрии могут  встречаться как поодиночке, так  и в сочетании друг с другом. Полная совокупность элементов многогранника  называется видом симметрии. На основании  ряда теорем в кристаллографии строго математически выводятся 32 возможные  комбинации этих элементов.

В настоящее время известны примеры  кристаллов всех 32 видов симметрии. Для удобства они сгруппированы  в 7 кристаллографических систем или  сингоний: триклинную, моноклинную, ромбическую, тригональную, тетрагональную, гексагональную и кубическую.

 

Кристаллографические системы                    Таблица 1

Категории	Сингонии	Углы  между осями	Длина осей
Низшая	Триклинная Моноклинная Ромбическая	α≠β≠γ≠90° α=β=90°≠γ α=β=γ=90°	x≠y≠z х≠у≠z х≠у≠z
Средняя	Тригональная Тетрагональная Гексагональная	α=β=γ≠90° α=β=γ=90° ось z перпендикулярна осям х, у, u, которые расположены под углом 60° друг к другу.	х=у=z х=у≠z x=y=u≠z
Высшая	Кубическая	α=β=γ=90°	x=у=z

На рис.5 представлены характерные примеры кристаллов различных сингоний, а в табл.1 дана их характеристика.

 

 

 

 

Рис. 5. Кристаллы различных сингоний:

а –  кубической; б – тетрагональной; в – ромбической; г – моноклинной; д – триклинной; е – гексагональной; ж – тригональной.

 

3. Форма кристаллов.

Выше рассматривались кристаллические  многогранники при идеальном  развитии кристалла. Реальные кристаллы, особенно при массовой кристаллизации, такую форму принимают редко. Обычно в зависимости от скорости кристаллизации, интенсивности движения раствора, положения растущих кристаллов и других причин одинаковые по строению грани могут развиваться по-разному. Поэтому кристаллы одного и того же вещества часто отличаются друг от друга не только своими размерами, но и внешним видом, т.е. габитусом. Однако, несмотря на различие во внешнем виде углы между соответствующими гранями остаются постоянными. Это важнейшее свойство кристаллов, связанное с их внутренним строением, носит название закона постоянства углов. Последний хорошо иллюстрируется на рис. 6, на котором изображены кристаллы кварца, выросшие в различных условиях и существенно отличающиеся между собой по внешнему облику.

 

Рис. 6. Кристаллы кварца, иллюстрирующие закон постоянства углов.

Одинаковые грани кристаллов обозначены соответственно буквами a, b, c. Углы между этими гранями для всех кристаллов кварца постоянны и имеют следующие значения:

ab = 141°47’; ac = 113°08’; bc = 120°00’

 

Форма и размер образующихся кристаллов зависят от многих факторов: наличия  концентрационных потоков и скорости перемешивания раствора, степени  го пересыщения, температуры кристаллизации, наличия примесей в растворе и  т.д.

 

4. Факторы, влияющие на зарождение кристаллов

 

1. Решающим фактором в зарождении  кристаллов остается переохлаждение. Чтобы обеспечить переохлаждение, необходимо устранить из системы всякие твердые частицы. Это достигается путем предварительного нагрева жидкости значительно выше температуры плавления, ее тщательной фильтрации и защиты жидкости от пылинок извне.

2. На зарождение кристаллов оказывают  влияние соприкасающиеся с жидкостью поверхности твердых тел, в частности, стенки сосуда. Отдельные участки неоднородной поверхности обладают различной активностью по отношению к образованию новой фазы. Эта активность определяется как физико-химической природой участка, так и (геометрической его формой и величиной. Такие дефекты на поверхностях твердых тел, как трещины и

каналы  почти молекулярного размера, способствуют зарождению

кристаллов.

3. Велика роль ионизирующего  излучения, например, γ-излучения радия. Его эффект сводится к увеличению числа центров кристаллизации.

4. Электрическое и магнитное  поля также способствуют зарождению кристаллов. При этом возникающее число центров кристаллизации находится в прямой зависимости от напряженности поля. В электрическом или магнитном поле молекулы вещества (переохлажденной жидкости), ориентируясь в одном направлении, образуют анизотропную среду, во многом аналогичную кристаллической.

5. Влияние ультразвука на процесс  кристаллизации металлов впервые отметил С. Я. Соколов. Ультразвуковое поле настолько ускоряет процесс кристаллизации, что в результате получаются слитки с дендритной структурой. Механизм действия ультразвука в ультразвуковом поле сводится к происходящему на границе раздела двух фаз отщеплению мельчайших кристаллов, совершающих колебательные движения и увеличивающихся в размерах. Срастаясь с кристаллом, они образуют поликристаллический слиток. Скорость этого процесса зависит от интенсивности ультразвукового поля.

6. На зарождение центров кристаллизации, как установлено Тамманом, влияет число «обработок», предшествующих опыту и заключающихся в том, что выращенные из раствора кристаллы растворяются в новой порции того же растворителя. Из  полученного раствора вновь выращиваются кристаллы, которые затем подвергаются растворению и т. д. При увеличении числа чередующихся операций скорость зарождения кристаллов падает. В.И.Данилов рассматривает «обработку» как способ самоочистки  вещества от нерастворимых примесей, часть которых всегда оттесняется поверхностью растущего кристалла.

 

5. Теоретические воззрения на зарождение кристаллов

Менее конкретны и менее обильны  теоретические работы в области  зарождения и развития центров кристаллизации. Из двух термодинамических теорий образования  зародышей,  одна теория Гиббса, возникшая  еще в конце XIX века, лежит в  основе современных теорий зарождения: флуктуационной Фольмера и молекулярно-кинетической Странского. По Дж. Гиббсу, изолированная система абсолютно устойчива, стабильна, если при постоянстве энергии системы любое конечное изменение ее состояния оставляет неизменной ее энтропию (или даже уменьшает ее). Если же при некоторых конечных  изменениях состояния энтропия возрастает, то система может быть лишь относительно устойчивой. Такой системой будет, например, пересыщенный раствор, энтропия которого возрастает на конечную величину при кристаллизации. Таким образом, метастабильное, состояние является одним из возможных устойчивых при данных условиях состояний системы, которое не соответствует наименьшему значению свободной энергии.