Еталлдардағы атомаралық байланыстар. Атомдардың кристалл торларында орналастыру тәсілдері.

Потенциалдық энергиясы минимуммен сипатталатын, құрылым бөліктерінің әрекеттесуінде тұрақты құрылымға ие болу нәтижесінде кристаллдар пайда болады. Мұндай бөлшектер болып атомдар, иондар немесе молекулалар табылады.Тұрақты кристаллдық құрылым болуы үшін бөлшектер арасында екі түрлі күштер әрекет етуі керек: тартылыс және тебіліс күштері.

Кристаллдардағы атомдар (иондар) арасында байланыстырушы күштер толығымен электрлік: магниттік әсерлесудің рөлі болмашы, гравитациялық- шамалы болады. Химиялық байланыс атомдардың жақындасуымен пайда болып, сыртқы валенттік электрондардың әрекеттесуімен ескеріледі.Қазіргі кезде байланыстарды иондық (гетерополярлық), коваленттік (гомеополярлық), металдық, ван-дер-ваальтық және де атомдар арасындағы байланыстың арнайы түрі - сутектік деп бөледі.Байланыстардық алғашқы үшеуі, кейінгі екеуіне қарағанда берік.Байланыстарды мұндай топтарға бөлу алғашқы үштікке шартты.

Иондық байланыс аз бағытталған және қарама- қарсы зарядталған иондардың максималды мөлшерімен қоршалған әр аттас зарядталған бөлшектердің электростатикалық әрекеттесі нәтижесінде пайда болады. Мұндай құрылым түрі үшін координациялық сан орташа және қатысты жоғары(6 және 8), және жиі беріктілік орама алынады. Байланыстың иондық түрімен байланысқандарға галогендер, оксидтер, силикаттар, көптеген халькогенидтер және бейорганикалық қышқылдардың тұздары жатады.

Коваленттік байланыс екі шағылысқан электрон арқылы жүзеге асады: спиндері қарама-қарсы екі сыртқы электрон бір уақытта екі атомға жатады. Байланыс катаң бағытталған.Мұндай байланысты құрылымдар үшін кіші координациалық сандар тән(Юм-Розер ережесі бойынша анықталады: 8-N, мұнда N- берілген элемент үшін периодтық жүйедегі топ саны) беріктік орама болмайды.

Коваленттік байланыс көбінесе Менделеев кестесіндегі IV және оған жақын топтардың элементтерінде болады. Коваленттік байланыс берік болғандықтан , осы қосылыстардың кристаллдарының қаттылығы, серпімділігі және балқу температурасы жоғары болады. Коваленттік кристаллдар - жартылай өткізігіш немесе диэлектрлік болады.

Ковалентті кристаллдың классикалық мысалы ретінде таза коваленттік байланыспен сипатталған алмазды алуға болады. Дерлік барлық коваленттік кристаллдардың коваленттіктен басқа , қосымша байланыстары (иондық, металдық немесе ван-де-ваальтық)болады.

Металдық байланыс кристаллдың барлық көлемінде белгілі бір атоммен байланыспаған қозғала алатын, барлық атомдардың валенттік электрондарының ұжымдасуына негізделген.Валенттік электрондар өзіндік "электрондық газ" құрады. Мұндай байланыстың түрімен байланысқан кристаллдық құрылымын оң зарядталған иондардың (катиондардың) реттелген орналасуын, электрондары иондармен және өзара әрекеттесетін "электрондық газға" жүктелген ретінде елестетуге болады.

Металдық байланыс сфералық симметриялы, оған үлкен координацивлық сандар(к.с.=12немесе к.с.=8) және құрылымның беріктік орамасы тән.Металдық кристаллдар металдық жылтырға, жоғары жылу және электрөткізгіштікке, сығылу мен жылулық ұлғаюдың төмен коэфициентіне ие.

Байланыстың Ван-дер-ваальтық түрі қатайған газдардың молекулалық кристаллдарына тән (мысалы, аргон,сутек, азот және т.б.). Газдардағы атомдар тұйық қабықшаға ие болғандықтан, онда олардың арасындағы тартылыс күштері өте әлсіз, сондықтан ван-дер-ваальстық деп атаған.

Молекулааралық күштердің негізін құраушы- ол атомдар мен бейтарап бөлшектердің арасындағы дисперсиондық әрекеттесуі.Атомның электрлік моменті нөлге тең, дегенмен әр момент сайын электрондар кеңістіктің белгілі бір нүктесіне орналасатын жылдам аусатын дипольді тудырады. Осы атомдардың электрондарының қозғалысы нәтижесінде екі атомның (мысалы, гелийдің) жанасуынан келісім орнап, әрекеттесуші күштер пайда болады.

Молекулаарлық әрекеттесулердің ван-дер-ваальстық күштері , иондық, коваленттік, және металдық байланыстарға қарағанда әлсіз. Молекулярлық кристаллдар әдетте, диэлектр және құрылымы аз координациалық санға, төмен балқу температурасына, үлкен сығылуға , төмен қаттылыққа ие болады.

Сутектік байланыс коваленттік топтауға кіретін NH немесе ОН , электротерстік атомдары N,O,F,CI немесе S сутек атомдары арасында пайда болады.Мұндай атомдар байланыс электрондарын тартып, теріс зарядталады: байланыс электронның жоғалтқан сутек атомы оң зарядқа ие болады.Сутектік байланыс осы зарядтардың тартылуымен ескеріледі.

Көптеген органикалық қосылыстарды сутектік байланыстың рөлі зор.Қарапайым мысал ретніде су молекуласы арасындағы сутектік байланысты алуға болады.

Химиялық байланыстың сипаты кристаллдардың физикалық қасиеттерінде айқындалады. Байланыс берік болған сайын, механикалық қасиеттері(қаттылық, серпімділік), мен балқу температурасы жоғары және термиялық ұлғаюдың төмен коэфициентіне ие болады. Ең берік және қатты коваленттік және ионды-коваленттік кристаллдар болып табылады.Бірақ оларға балқу температурасының(-2500-500 оС), атом аралық ара қашықтық пен байланыс күшертінің ұлғаюынан беріктігінің төмендеуі тән. Металдардың механикалық қасиеттері аса ауқымды сипатталады (аса беріктен және қиын балқитындардан оңай балқитындарға дейін, тіпті бөлме температурасындағы сұйық- сынап). Молекулярлық кристаллдар аса берік және оңай балқитын болып келеді.

Химиялық байланыстың түрлері оптикалық қасиеттерде де байқалады. Молекулярлық кристаллдар сияқты , иондық, коваленттік кристаллдар сынғыштықтың жоғары көрсеткішіне ие және мөлдір болып келеді. Металл мөлдір емес, бірақ металдық жылтырға ие болғандықтан, жарықты жақсы шағылыстырады.

Металлдық материалдардың физикалық қасиеттері

Минералдардың физикалық қасиеттері олардың диагностикасы үшін парктикалық маңызы(радиоактивтілік, люминисценция, магниттілік, қаттылық, оптикалық қасиеттері және т.б.) зор. Мысалы, минералдардың радиоактивті қасиеті- радиоактивті элементтердің болуына, дәнеркерленуі- олардың кристаллдық құрылымындағы ерекшеліктеріне, беріктігі- химиялық құрамы мен кристаллдық құрылымның түріне байланысты. Физикалық қасиеттер скаляр(бағытына тәуелсіз) мысалы, беріктік немесе векторлық(бағытына байланысты) мысалы, қаттылық, дәнекерлілік, оптикалық қасиеттер.

Тығыздығы. Минералдардың тығыздығы (г/см³) шамамен бірлікке тең 23.0 ке дейін ауытқиды(платикалық иридий).Минералдардың басым бөлігінің тығыздығы 2.5 тен 3,5 дейін болады, бұл жер қыртысының тығыздығы шамамен 2.7-2.8 болуымен ескеріледі.

Минералдарды тығыздығы бойынша үш топқа бөлуге болады: жеңіл(тығыздығы 3.0 дейін), орташа(тығыздығы 3.0 тен 4 ке дейін) және ауыр (тығыздығы 4 тен көп) .

Кейбір минералдар үлкен тығыздығы бойынша оңай танылады(барит4.6, церуссит 6.5). Ауыр металдардан тұратын минералдардың тығыздығы үлкен болады. Табиғи элементтер ең жоғары тығыздыққа ие болады- алтын, күміс, платина тобының минералдары. Бірдей құрамды кристаллдардың тығыздығы бірлік құрылымдағы ұяшықтың атомдар орамасының сипатымен анықталады.

Изоморфты қатардың минералдарына тығыздықтың өсуі(немесе төмендеуі) химиялық құрамның өзгерісіне пропорциональді.

Минералдардың механикалық қасиеттерін оларға механикалық әсер еткенде табылады:сығылуда, созу мен ұруда.Осылайша , оптикалық қасиеттер сияқты әр жаққа әр түрлі бағытталып, кристаллдың анизотропиясымен байланыста болады. Механикалық қасиеттердің маңыздыларына дәнекерлілік пен қаттылық жатады.

Дәнеркелену - кристаллдардың белгілі бір класталлографиялық жазықтықпен жылтыр беттіктің пайда бола отырып жарылу қабілеті.

Неліктен кейбір бағыттарда кристаллдар дәнекерлік бойынша, ал басқа бағыттарда олай емес? Дәнеркерленудің себебі кристалл бөлшектреінің арасындағы ілінісу күштеріне , ал екіншісі бөлшектер арасындағы ара қашықтық пен бір-бірімен әрекеттесетін иондық зарядтардың шамасына тәуелді болады. Дәнекерлену жазықтықтары жазықаралық ара қашықтығы үлкен кеңістік торға параллель болуы керек.

Дәнеркерлікті бағалау үшін төмендегідей шкала бар:

1. Аса жасалған дәнекерлену - кристалл айна беті бар ұсақ пластинкаларға жарылады. (слюда, гипс).

2. Жасалған дәнекерлену- кристалл кез келген жерінен әр түрлі бағытта түзу бет жасай отырып жарылады, бұрыс бұзылу сирек болады (кальцит, галит, галенит).

3. Орташа дәнеркенлену- жарылу нәтижесінде түзу және түзу емес беттер пайда болады. (полевые шпаты, роговая обманка).

4. Жасалмаған дәнекерлену- сыну нәтижесінде дәнекерленген түзу беттер сирек, ал түзу емес беттер жиі пайда болады. (берил, апатит).

5. Аса жасадмаған дәнекерлену -дәнекерлену жоқ, кристаллдар жарылу кезінде түзу емес беттерге ие болады. (кварц, касситерит).

Әр түрлі бағытта кристаллдың дәнекерлену жасаласу дәрежесіне қарай әр түрлі болады.

Қаттылық. Кристаллдың қаттылығы оның берік дененің механикалық әсеріне қарсы тұруы .

Қаттылықты анықтаудың бірнеше тәсілі бар. Минералогиялық практикада Моос шкаласы қабылданған. Шкаланың салыстырмалылығын белгілеу керек: егер тальктың қаттылығы 1, ал гипстың қаттылығы 2 болса, онда гипс тальктан 2 есе қатты. Басқа да этанлон-минералдар туралы дәл солай айтуға болады. Олардың қаттылығы шартты, және басқа тәсілдермен анықтағанда , басқа мәндер алынған.

Дәнекерленуде сияқты, кристаллдардың қаттылығы анизотропияны білдіреді. Алмаз кристаллдары октаэдр шегінде өте үлкен дәнекерлікке, ромбододекаэдр шегінде кіші дәнекерлікке, куб шегінде өте кіші дәнекерлікке ие.

Оптикалық қасиеттер. Табиғи жарықта электрлік және магниттік векторлар әр момент сайын әр түрлі бағытта ауытқиды, әрдайым жарықтың таралу бағытына перпендикуляр (т.е. жарықтық сәулеге перпендикуляр).Мұндай жарықты поляризацияланбаған немесе қарапайым деп атайды.

Жарық оптикалық анизотропиялық ортаға өткенде поляризацияланады. Поляризацияланған жарық жарықтық сәуленің қозғалыс бағыты арқылы өтетін жазықта ауытқиды.

Жарықтың поляризациясы кубтық сингония кристаллдарын қоспағандағы, және оптикалық қатынасы изотропты болатын екі кристалл арқылы өткенде болады. Кристаллағ түскен табиғи жарық әр түрлі жылдамдықпен таралатын екі жарықтық толқынға бөлінеді. Екі толқын поляризацияланып, олардың ауытқу жазықтықтары өзара перпендикуляр болады. Бұл құбылыс қос сыну немесе жарықтың еселі сынуы деп аталады. Қос сыну 1669 ж Бартолинмен ашылып, әрі қарай Х. Гюйгенсоммен зерттелді.

Кристаллдарда тригональдық, тетрагональдық және гексагональдық сингонияда жарықтың еселі сынуы жүрмейтін тек бір бағыт бар. Бұл бағыт - оптикалық ось деп аталады, және ол жоғары ретті симметрияның осьіне сәйкес келеді. Сондықтан орташа сингонияның кристаллдары оптикалық бір осьті деп аталады. Тринклинді, моноклинді және робтық сингония кристаллдарында жарықтың еселі сынуы жүрмейтін екі бағыты бар, олар оптикалық қатынаста екі осьті.

Орташа сингонияның кристаллдарында жарық толқындарының таралу жылдамдықтары әр түрлі. Барлық бағытта бірдей жылдамдықпен тарайтын жарық толқындар- кәдімгі, әр түрлі бағыттарда, әр түрлі жылдамдықтармен таралатын толқындар - кәдімгі емес деп аталады. Бірінші жарық толқынының беті болып шар, ал екінші - айналу эллипсоиды болып табылады.

Түс. Минералдар әр түрлі түстер мен реңктерге ие болуы мүмкін. Минералдардың түстері олардың ішкі құрылымына, механикалық қоспалар мен хром-элементтерінің болуына байланысты. Көптеген хром-элементтері белгілі Cr, V, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, U, Mo және т.б. Бұл элементтер минералдарда басты немесе қоспа түрінде болуы мүмкін.

Түстің өзгеруі- беттік қабаттың шұбар немесе түрлі түсті бояуы. Олар өзгеру нәтижесінен пайда болған жұқа беттік қабықша пайда болады, мысалы минералдардың тотығуы.

Шектің түсі. Қаттылығы үлкен емес минералдар глазурланбаған фарфор пластинада шек қалдырады. Шектің түсі немесе ұнтақтағы минералдың түсі , минералдың өзінің түсінен ерекшеленеді.

Жылтыр. Минералдарды металлдық және бейметалдық жылтырымен бөледі. Қара шек қалдыратын(олардың бояуына қарамастан ), минералдар металлдық жылтырға ие болады. Түрлі түсті немесе ақ шек қалдыратын минералдар үшін бейметалдық жылтыр тән. Табиғи элементтер айрықша болады.

Магнитілік. Бұл қасиет аздаған минералдарға тән. Ең күшті магниттік күшке ие магнетит болып табылады. Күшті полярлық магниттікке ие минералдар ферроиагниттік деп аталады.

Тағы: люминесценция, пироэлектр, радиоактивтілік және т.б. бар.

Бақылау сұрақтары:

1.Жай және ауыспалы металдар.

2.Металдардағы атом аралық байланыс кандай болады?

3.Металдық материалдардың физикалық қасиеттері дене құрылымына калай тәуелді болады?

4.Металдардағы кандай атом аралық күштерді білесіз?

Глоссарий:

Дәнеркелену - кристаллдардың белгілі бір класталлографиялық жазықтықпен жылтыр беттіктің пайда бола отырып жарылу қабілеті.

Түстің өзгеруі- беттік қабаттың шұбар немесе түрлі түсті бояуы.

Кристаллдың қаттылығы оның берік дененің механикалық әсеріне қарсы тұруы .

Блиц-тест:

1. Барлық атомдардың валенттік электрондардың таралуы калай атаймыз?

1. күрделі
2. атом аралық
3. металдық
4. иондық

1. Қатты полярлы магнетизмге ие минералдар қалай аталады?

1. полярлы
2. ферромагнитті.
3. Парамагнитті
4. өтпелі

3.Минералогиялық практикада қаттылықты анықтаудың бірнеше әдістері бар-

Қаттылық шкаласы

Моос шкаласы.

Түстер шкаласы

Минералдар шкаласы

4.Кристаллдардың белгілі бір кристаллографиялық жазықтармен жылтыр беттіктерді пайда болуымен жарылу қабілеті қалай аталады?

1. Қаттылық
2. Сынғыштық
3. Салқын сынғыштық
4. Дәнеркерлік

5.Кристаллы, образующиеся в результате такого взаймодействия структурных частиц, которое приводят к устойчивым постройкам, характеризуются:

1. еркін энергияның минимумымен.
2. потенциалдық энергияның минимумымен.
3. кинетикалық энергияның минимумымен.
4. атом аралық энергияның минимумымен.

Негізгі әдебиеттер

1.Лившиц Б.Г. Металлография М, Металлургия, 1990.

2.Вегман Е.Ф., Руфанов Ю.Т., Федорченко И.Н., «Кристаллография, минералогия и рентгенография» М, Металлургия, 1990г.

3.Миловский А.В. «Минералогия и петрография» М, Москва 1979г.

4.Торопов Н.А. , Булак Л.Н. «Кристаллография и минералогия» М, Москва 1972г.

5.Захаров А.М.Диаграммы состояний двойных и тройных систем.М, Металлургия ,1978г.

6.Ермолов В.А. Геология: Учебник .Часть 1.М.МГТУ.2004г

7.ЕрмоловВ.А.Геология,Учебное пособие.Часть5 «Кристаллография, минералогия и геология камнесамоцветного сырья».М.МГТУ.2007г.

8.ЕрмоловВ.А, ПоповаГ.В, МосейкинВ.В.идр.Учебник. «Месторождения полезных ископаемых»М.МГТУ.2007г.

9.ЕрмоловА,ПоповГ.Б,МосейкинВ.В. и др.; Под ред.В.А.Ермолова. Месторождения полезных ископаемых .М.:Изд.МГГУ, 2004год(электр.библ.)

Қосымшаәдебиеттер

10.Емельянов Н.А. «Практика руководства по минералогии» М, Москва 1972г.

11.Юшко С.А. Руководство для лабораторного исследования руд. Методы лабор. исследования руд.

12.Смагулов Д.У. Металлография: Окулык/ Д.У. Смагулов. - Алматы: КазУТУ, 2007

ріс 9

Металдыңкристалдануы

Мақсаты:кристалл денелердің кристализация процесімен танысу

1.Фазалық ауысымдардың жалпы заңдылықтары.

2.Фазалардың бос энергиясының температураға тәуелділігі.

3. Кристализация процесі өту термодинамикалық шарттары.

Кілт сөздер:кристаллизайияның тепе-теңдік немесе теориялық температурасы, еркін энергия, сұйықтық, кристалл,аса суыған, термодинамикалық потенциал.