1. Amaç Kristallerin üç boyutlu yapısı incelenecektir. Ön bilgi için İnorganik Kimya, Miessler ve Tarr, Bölüm 7 okunmalıdır.

Transkript

1 14 DENEY KATI HAL 1. Amaç Kristallerin üç boyutlu yapısı incelenecektir. Ön bilgi için İnorganik Kimya, Miessler ve Tarr, Bölüm 7 okunmalıdır. 2. Giriş Atomlar arası (veya moleküller arası) çekim kuvvetleri termal kuvvetlerden daha büyük olduğunda katı faz oluşmaya başlar. Bütün katılar doğasına ve atomlar arası çekim kuvvetlerine göre 4 alt bölüme ayrılabilir. a) İyonik katılar (NaCl) b) Kovalent katılar (Elmas, şeker.) c) Metalik katılar (Fe, Ni, ) d) Van der Waals katılar (buz, katı He) Katı gibi görünen fakat kristal olmayan maddelere amorf adı verilir. Örnek olarak cam ve lastik verilebilir. Amorf maddeler aşırı soğumuş sıvılardır. Amorf maddeler yarı kararlı olduklarından dışardan bir etki olmaksızın şekillerini değiştirmezler. Bazı maddelerin amorf şekli kararsızdır, bir süre sonra kristal formuna çevrilebilir. Kristal katılarda atom, molekül veya iyonlar düzgün bir biçimde sıralanır ve bir örgü oluşturur. Örgünün tekrarlanabilen en basit birimine birim hücre adı verilir. Birim hücre, en az sayıda atom içeren, en yüksek simetriye sahip ve tüm doğrultularda tekrarlandığında makroskobik bir kristali oluşturan yapı birimidir. Birim hücre parametreleri üç öteleme (a, b, c) ve üç açı (α, β, γ) dır. Birim hücre parametrelerinin farklı kombinasyonları ile 7 tane kristal sınıfı elde edilir.

2 Her bir kristal sınıfında atomlar farklı şekilde düzenlenerek 14 tane Bravais örgüsünü ( birim hücre) oluştururlar.

3 Genelde atomların konumu, koordinatları birim hücrenin eksen uzunlukları cinsinden verilen örgü noktalarıyla tanımlanır. Örgü noktalarında bununan atomların katkıları birim hücredeki atom sayısını belirler. Örgü noktası Hücreye katkısı İç 1 Yüzey ½ Kenar ¼ Köşe 1/8 Örneğin kübik kristal sınıfında üç tane Bravais örgüsü bulunur. Basit küp, cisim merkezli küp ve yüzey merkezli küp tür. Aktinitler dışındaki metallerin çoğu, cisim merkezli küb, sık istiflenmiş kübik ve sık istiflenmiş altıgen yapılarda kristallenir. Basınç veya sıcaklığın değiştirilmesi, birçok metalin kristal yapısını değiştirir. Sık istiflenmiş yapılarda iki tür yapı elde edilir: hekzagonal (altıgen) sık istiflenmiş yapı ( hcp) ve kübik sık istiflenmiş yapı (ccp). Sık istiflenmelerde üçüncü katman, kendi küreleri birinci katmanın küreleri ile aynı hizaya gelecek şekilde ikinci katmanın üzerine yerleştirilirse, ABA...şeklinde

4 tekrarlanan katmanlardan oluşan hekzagonal(altıgen) sık istiflenmiş yapı elde edilir. Üçüncü katman küreleri, birinci katmanın ikinci katman küreleri tarafından doldurulmayan küreler arası boşluğun hizasına gelecek şekilde ikinci katman üzerine yerleştirilirse; ABC...şeklinde tekrarlanan katmanlardan oluşmuş, yüzey merkezli kübik yapı olarak da adlandırılan, kübik sık istiflenmiş yapı elde edilir. Bu yapılar aşağıda görülmektedir. Her iki yapıda atom sayısı kadar sekizyüzlü boşluk ve atom sayısının iki katı kadar dörtyüzlü boşluk bulunur. İkili bileşikler hem basit hem de sık istiflenmiş yapı oluştururlar. Büyük iyonlar (genelde anyonlar) sık istiflenmiş yapı oluştururlarsa, zıt yüklü ve daha küçük iyonlar (genelde katyonlar) boşlukları aşağıdaki iki faktöre göre doldururlar: 1. İyonların bağıl büyüklükleri. Bunu ölçmek için genelde yarıçap oranı ( r + /r - ) kullanılır. Küçük katyonlar, sık istiflenmiş anyon örgüsünde dörtyüzlü veya sekizyüzlü boşluklara yerleşir. 2. Katyon ve anyon sayısı oranı. Örneğin formülü M 2 X olan bir bileşikte katyon sayısı, sık istiflenmiş anyon örgüsündeki sekizyüzlü boşlukların sayısından fazladır; Bu durumda bileşik, ya dörtyüzlü boşlukları katyonlarla dolu, sekizyüzlü boşlukları ise boş olan sık istiflenmiş bir anyon örgüsüne veya sık istiflenmemiş bir anyon örgüsüne sahip olmalıdır. Bazı yapılar tabiatta çok bulunur ve bu yapılara doğada en yaygın olarak bulunduğu bileşiğin adı verilir. Örneğin Sodyum klorür (NaCl), Sezyum klorür (CsCl), Çinko blend( ZnS), Wurtzit, (ZnS),Florit (CaF 2 ), Antiflorit (K 2 O) ve Rutil (TiO 2 ).

5 CsCl NaCl Çinkoblend Wurtzit Florit

6 Rutil Elmas 3. YÖNTEM (1) Önce birim hücrenin top-çubuk biçimini çiziniz. Atomlar farklı ise belirtiniz. Çizim zorsa her bir tabakayı ayrı ayrı çiziniz. (2) Birim hücredeki her farkı tür atomun koordinsyon sayısını belirleyiniz. (3) Birim hücredeki her bir atom ve iyonun sayısını, sonra türlerin birbirine oranını belirleyiniz. (4) Birim hücredeki, kübik, sekizyüzlü ve dörtyüzlü boşlukların sayısını belirleyiniz. Bu boşluklara hangi atomların yerleştiğini tespit ediniz. (5) Elinizdeki toplarla aşağıdaki yapıları oluşturunuz. 1. Basit kübik yapı (Po) 2. Cisim merkezli yapı (alkali metaller, V, Cr, Fe) 3. Kübik sık istiflenmiş yapı( Ca, Al, Cu, Ag, Au, Ne, Ar, Xe) 4. Altıgen sık istiflenmiş yapı ( Mg, Sc, Ti,Co, Zn, Cd, Os, He) 5. NaCl ve CsCl yapıları 6. Florit ve antiflorit yapıları 7. Çinkoblend ve Wurtzit yapıları

7 4. UYGULAMALAR 1. Kübik kristal sistemindeki basit hücrelerin gösterimleri aşağıda verilmektedir. Buna göre aşağıdaki çizelgeyi doldurunuz Basit küp Cisim merkezli küp Yüzey merkezli küp Şekil Numarası Birim hücredeki atom sayısı Koordinasyon sayısı Doluluk oranı 2. Aşağıda sofra tuzunun (NaCl) birim hücresi verilmektedir. Boşlukları doldurunuz. a) Birim hücredeki Na + sayısı.dır. b) Birim hücredeki Cl - sayısı dır. c) NaCl..sıkışık istiflenme düzenindedir. d) Na + katyonları.boşluklara girer.

8 5. SORULAR 1. Küpün merkezinde koordinasyon sayısı sekiz olan bir boşluk vardır. Her birinin yarıçapı r olan köşelerdeki küreler bir birbiriyle temas halinde iken küpün merkezinde oluşan boşluğa sığabilen bir kürenin yarıçapının nedir? 2. Basit küp, cisim merkezli küp, yüzey merkezli küplerde doluluk oranını hesaplayınız? Hangi yapıdaki metaller daha serttir? 3. Aşağıdaki birim hücrede altın atomları köşelerde, bakır atomları yüzeylerdedir. Bu alaşımın basit formülü nedir? 4. Ta ın yoğunluğu 16.6 g/ml ve birim hücresinin kenar uzunluğu 330 pm dir. Birim hücrede kaç tane atom vardır? Ta hangi tür kübik yapı oluşturur.ta:181 akb, 1 pm = 1x10-12m 5. İç merkezli basit kübik yapıdaki bir metalin yoğunluğu 16.6 g/cm3 ve birim hücre kenar uzunluğu 3.31 Å dür. Metalin atom ağırlığını hesaplayınız.