Krystaly – „nerostné květiny“ (projekt)

Transkript

Podještědské gymnázium, s.r.o., Liberec, Sokolovská 328
Krystaly – „nerostné květiny“
(projekt)
Zpracovala: Jana Kittnerová
Ročník: septima 2010/2011
Zadal: Mgr. Jiří Machačný
Konzultant: Mgr. Zora Blažková
Datum odevzdání: 29. září 2010
OBSAH
ÚVOD ........................................................................................................................................ 3
1. Krystalografie ......................................................................................................................... 4
1.1 Krystalografie morfologická............................................................................................. 4
1.2 Krystalografie strukturní................................................................................................... 4
1.3 Krystalografie fyzikální .................................................................................................... 5
1.4 Krystalografie chemická ................................................................................................... 5
1.5 Krystalografie užitá .......................................................................................................... 5
2. Krystal .................................................................................................................................... 6
2.1 Pevné látky ....................................................................................................................... 6
2.2 Struktura krystalu ............................................................................................................. 6
2.3 Reálný krystal ................................................................................................................... 6
2.4 Formy krystalů .................................................................................................................. 7
2.5 Vazby v krystalech ........................................................................................................... 7
3. Krystalická mřížka ................................................................................................................. 8
3.1 Bravaisovy mřížky ............................................................................................................ 8
3.2 Centrování buněk .............................................................................................................. 9
3.3 Poruchy v krystalické mřížce ........................................................................................... 9
4. Krystalizace .......................................................................................................................... 10
4.1 Krystalizace z par ........................................................................................................... 10
4.2 Krystalizace z taveniny ................................................................................................... 10
4.3 Krystalizace z roztoku .................................................................................................... 10
4.4 Krystalová voda .............................................................................................................. 11
4.5 Růst krystalu ................................................................................................................... 11
4.6 Izomorfie ........................................................................................................................ 11
Krystaly vybraných solí ........................................................................................................... 12
ZÁVĚR..................................................................................................................................... 25
Literatura .................................................................................................................................. 26
Přílohy ...................................................................................................................................... 27
ÚVOD
Krystal je jedna z nejběžnějších forem výskytu pevných látek. Tato práce popisuje vznik této
formy a možnosti strukturního uspořádání, včetně možných odchylek od ideálního stavu.
Práce představuje vědu krystalografii, která se zabývá studiem krystalů, a její dělení. Cílem
práce je tento obor představit středoškolskému publiku. V části Krystaly vybraných solí bylo
cílem zmapovat možnosti jednotlivých sloučenin pro demonstraci v hodinách. Z tohoto
důvodu byly vytvořeny krystaly vybraných sloučenin z nasycených roztoků a pořízena
fotodokumentace výsledku.
3
1. KRYSTALOGRAFIE
Krystalografie je věda o krystalech, zabývá se vnější i vnitřní stavbou krystalů, dále zkoumá
poruchy v ideální struktuře krystalu, jejich fyzikální a chemické vlastnosti a možnosti
technického využití krystalů.1
Název pochází z řeckého slova kristallos, které znamená led nebo ledový kus. Tento význam
mu dává již Homér ve svých eposech z 8. století př. n. l. Z řečtiny pochází také slovo
symetrie, neboli souměrnost, které se v krystalografii hojně využívá. Zavedl ho řecký
kovolijec Pythagoras z Rhegia pro vyjádření krásy a harmonie přírody a umění.2
1.1 Krystalografie morfologická
Morfologická krystalografie zkoumá zákonitosti vnějšího tvaru krystalů. Předmětem
zkoumání morfologické krystalografie jsou krystaly omezené pouze vlastními plochami,
nikoliv prostředím. Takovéto krystaly jsou v přírodě velice vzácné. Krystal, nebo přesněji
krystalový mnohostěn, omezený pouze vlastními plochami vyhovuje Eulerově3 rovnici:
P+R=H+2
Kde P je počet ploch, R je počet rohů a H je počet hran krystalu.4
Dále se morfologická krystalografie zabývá vznikem a růstem krystalů a symetrií vnější
stavby krystalu.
1.2 Krystalografie strukturní
Strukturní krystalografie se zabývá studiem vnitřního uspořádání krystalů – struktury. Dále si
všímá poruch ideální struktury a jejich vlivu na vlastnosti krystalu. Zkoumá také vnitřní
symetrii.
1
Chvátal, M. Mineralogie pro 1. ročník – Krystalografie. 1. vydání. Praha: Karolinum 2002.
ISBN 80-7184-998-7. s. 9
2
Kříž, D. Úvod do krystalografie a strukturní analýzy. http://www.xray.cz/krystalografie
3
L. Euler (1707 – 1783) – švýcarský matematik, který definoval vztah mezi počtem ploch, rohů a hran
v mnohostěnu
4
Pro plochy, rohy a hrany platí: dvě plochy se setkávají v hraně, tři a více ploch v rohu.
4
1.3 Krystalografie fyzikální
Fyzikální krystalografie, nebo též krystalofyzika či krystalová fyzika, se zabývá fyzikálními
vlastnostmi krystalů. Základem k výzkumu je strukturní analýza krystalu, protože krystaly se
stejným chemickým složením, ale jinou strukturou mohou mít různé fyzikální vlastnosti.
1.4 Krystalografie chemická
Chemická krystalografie, nebo též krystalochemie či krystalová chemie, zkoumá vztah mezi
vnitřní stavbou a fyzikálně-chemickými vlastnostmi krystalu. Zabývá se velikostí a tvarem
atomů a iontů a silami, které tyto částice vážou a udržují v dané poloze.
1.5 Krystalografie užitá
Užitá krystalografie využívá fyzikální vlastnosti krystalů k technickým účelům. Dále se
zabývá vývojem syntetických krystalů a jejich využitím.
5
2. KRYSTAL
Látky se vyskytují ve třech skupenstvích: plynném, kapalném a pevném. Plynné látky nemají
pro tuto práci význam. Mezi kapalné látky řadíme tekuté krystaly. Tekutý krystal je fáze látek,
která se existencí anizotropie5 podobá krystalům, ale tekutostí a snadnou změnou tvaru
kapalinám.6 Tato práce se jimi dále nezabývá. Krystaly, které popisuje tato práce, náleží mezi
látky pevné.
2.1 Pevné látky
Pevné látky se rozdělují na látky amorfní a látky krystalické. Uspořádání částic amorfních
látek je náhodné a jejich struktura se podobá struktuře kapalin. Částice krystalických látek
jsou uspořádány do krystalové mřížky. Základem této mřížky je elementární buňka, která se
neustále opakuje. Do látek krystalických řadíme nejenom látky, které v přírodě vznikají
v podobě krystalů, ale všechny látky, jejichž vnitřní strukturou je krystalická mřížka.
2.2 Struktura krystalu
Struktura krystalické látky je konkrétní rozmístění částic v krystalu. Podle struktury a délky
opakování základního mnohostěnu se určuje, jedná-li se o krystal ideální, dokonalý nebo
reálný. Ideální krystal má pravidelnou strukturu zcela bez poruch opakující se do nekonečna.
Dokonalý krystal je ukončený ideální krystal. Oba tyto krystaly se v přírodě nevyskytují a
slouží pouze jako fyzikální modely.
2.3 Reálný krystal
Reálný krystal je konečný krystal s řadou chemických či geometrických odchylek od
ideálního krystalu. K reálným krystalům náleží všechny krystalické látky. Některé látky se
vyskytují ve více krystalických modifikacích – tvoří více typů krystalické mřížky. U
sloučenin se tento jev nazývá polymorfie ale u prvků alotropie.
5
Anizotropní látka má různé vlastnosti v různých směrech.
Všeobecná encyklopedie 2. svazek. 1. vydání. Praha: Nakladatelský dům OP 1996.
ISBN 80-85841-33-9. s. 401
6
6
2.4 Formy krystalů
Krystaly se v přírodě nacházejí ve více formách. Vzácně se v přírodě vyskytují monokrystaly
– samostatně rostoucí krystaly. Mnohem častěji se vyskytují drůzy – ,,slepence“ většího
množství krystalů. Dále se v přírodě nacházejí agregáty – navzájem prorostlé skupiny
krystalů.
2.5 Vazby v krystalech
Částice v krystalech jsou vázány různými druhy vazeb. Podle těchto vazeb se rozlišuje pět
druhů krystalů. Vazby jsou rozdělené na silné kovalentní, kovové a iontové vazby a slabé
vodíkové a van der Waalsovy vazby. V krystalech se nacházejí tyto vazby:7
•
Kovalentní vazba k sobě váže atomy. Vzniká přiblížením dvou atomů do takové
blízkosti, že se jejich atomové orbitaly překryjí. V této oblasti lze najít elektrony
náležící obou atomům. Tyto elektrony udržují atomy pohromadě. Tato vazba se
nachází u atomových krystalů. A mezi atomy v jedné vrstvě u vrstevnatých krystalů.
•
Kovová vazba se skládá z kationtů a elektronového mraku. Kolem kationtů se volně
pohybují elektrony – elektronový mrak, který zajišťuje vodivost této vazby. Atomové
orbitaly jsou spojeny do energetických pásů. Tato vazba se nachází v kovových
krystalech.
•
Iontová vazba se nachází mezi anionty a kationty. Krystaly s touto vazbou se nazývají
iontové krystaly.
•
Vodíková vazba je kovalentní vazba mezi vodíkem a dalším prvkem.
•
Van der Waalsova vazba je vazba mezi polárními molekulami nebo ionty. Jedná se o
přitahování kladně nabitých částí molekuly k záporně nabitým. Tato vazba se nachází
u molekulových krystalů a mezi vrstvami u vrstevnatých krystalů.
7
http://fyzika.jreichl.com/index.php?sekce=browse&page=763
7
3. KRYSTALICKÁ MŘÍŽKA
Krystalická mřížka vyjadřuje rozmístění mřížkových bodů v krystalu. Základem je
elementární buňka – rovnoběžnostěn s parametry mřížky. Parametry mřížky jsou vektory a, b,
c na osách x, y, z a úhly α, β, γ mezi nimi. Body elementární buňky se periodicky opakují,
posunuty vždy o příslušný vektor.8
3.1 Bravaisovy mřížky
V krystalu lze najít velké množství krystalických mřížek, protože je možné spojit zvolený
počáteční bod s třemi dalšími body velkým množstvím možností. Proto byla ustanovena
pravidla pro výběr základní buňky:
•
Základní buňka co nejlépe vystihuje symetrii krystalu.
•
Základní buňka má co největší počet pravých úhlů nebo stejných úhlů a co nejvíce
stejných hran (viz příloha č. 1: Tabulka základních buněk a jejich parametrů).
•
Při splnění předcházejících podmínek má základní buňka co nejmenší objem.
Pomocí těchto pravidel bylo stanoveno čtrnáct základních buněk (mřížek). Tyto základní
mřížky se též nazývají Bravaisovy9 mřížky (viz příloha č. 2: Čtrnáct Bravaisových buněk).
Mezi těmito mřížkami najdeme i takové, které mají stejný základní rovnoběžnostěn, ale jsou
různě centrované.10
8
ISBN 80-7184-998-7. s. 65
9
A. Bravais (1811 – 1863) – francouzský krystalograf, který jako první použil tuto metodu určování
krystalické mřížky
10
ISBN 80-7184-998-7. s. 66
8
3.2 Centrování buněk
Mřížka, která má mřížkové body pouze ve vrcholech buňky, se nazývá primitivní (značení P,
v romboedrické soustavě R). Mřížky, ve kterých se nacházejí mřížkové body i mezi vrcholy
buňky se nazývají centrované. Existují tři typy centrovaných buněk (příloha č. 3: Typy
centrování buněk):11
•
Bazálně centrované buňky mají dva mřížkové body uprostřed protilehlých ploch
(značení A, B, C12).
•
Prostorově centrované buňky obsahují mřížkový bod na průsečíku tělesových
úhlopříček (značení I).
•
Plošně centrované buňky mají mřížkový bod uprostřed každé plochy buňky
(značení F).
3.3 Poruchy v krystalické mřížce
Reálný krystal téměř vždy obsahuje nepravidelnost v krystalické mřížce. Tyto nepravidelnosti
se nazývají poruchy a dělí se na čtyři typy: bodové, čárové, plošné a objemové.13
Bodové poruchy:
•
Vakance nastává, pokud v krystalické mřížce chybí jedna částice.
•
Intersticiální porucha nastává, pokud v krystalické mřížce jedna částice přebývá.
•
Substituce je nahrazení částice krystalické látky částicí jiné krystalické látky.
•
Frenkelova porucha je kombinace vakance a intersticiální poruchy.
•
Schottkyho porucha se vyskytuje u krystalů s iontovou vazbou v případě, kdy dojde
k kationové vakanci, ta musí být vyvážena aniontovou vakancí.
Čárové poruchy – dislokace:
•
Hranová dislokace nastává při vložení nebo odstranění řady buněk.
•
Šroubová dislokace je posunutí buněk v rovině o velikost rovnoběžného vektoru.
Plošné a objemové poruchy jsou nejčastěji kombinací a násobením bodových a čárových
poruch.
11
ISBN 80-7184-998-7. s. 65
12
Bazálně centrovaná buňka A má mřížkové body ve stěně ohraničené hranami b a c. (Podobně u B a C.)
13
9
4. KRYSTALIZACE
Vznik krystalů neboli krystalizace je jev, při kterém se z tekuté látky vlivem prostředí stávají
pevné, pravidelně uspořádané krystaly. Krystaly mohou vznikat z roztoků, tavenin nebo par,
kde změnou tlaku, teploty nebo koncentrace látky může dojít ke krystalizaci. Pro plynulost
procesu je nutné splnění alespoň jedné z následujících podmínek:14
•
Snížení teploty výchozí tekuté látky.
•
Zvýšení koncentrace krystalizující látky díky odpařování rozpouštědla.
•
Dosycování výchozí látky krystalizující látkou.
4.1 Krystalizace z par
Krystalizace z par je nejméně běžný způsob vzniku krystalů. Dochází k němu při vzniku
sněhových vloček z vodní páry rozptýlené ve vzduchu, nebo při krystalizaci síry ze sopečných
par. Jedná se o jev desublimace – vykrystalizování plynné látky na chladnějším místě.
4.2 Krystalizace z taveniny
Taveninou pro krystalizaci je zejména láva, která je složena z více látek schopných
krystalizace. V závislosti na teplotě a dalších podmínkách postupně krystalizují jednotlivé
složky. Pro krystalizaci je nutný vznik krystalizačního jádra.
4.3 Krystalizace z roztoku
Ke krystalizaci z roztoku dochází, pokud látku pro krystalizaci rozpouštíme až do nasycení
roztoku při dané teplotě. Při zahřátí by se roztok stal opět nenasyceným, ale při ochlazení
nebo odpaření rozpouštědla se roztok stane přesyceným a dochází ke krystalizaci. Přirozená
krystalizace nastane po vzniku krystalizačních jader – nukleí. Krystalizaci lze i uměle vyvolat
tzv. očkováním – vložením cizího tělesa do roztoku, tato metoda se využívá při výrobě cukru.
14
http://www.sci.muni.cz/~vavra/vyuka/min-krystal/prednaska3-morfologie_soubory/frame.htm
10
4.4 Krystalová voda
Některé krystalické látky obsahují ve své krystalické mřížce vodu, týká se to většiny solí,
například síranu měďnatého. Tyto látky se nazývají hydráty. Voda v nich obsažená se nazývá
krystalová voda. Některé látky tvoří více hydrátů, u kterých obsah krystalové vody záleží na
teplotě při krystalizaci. Většinou platí, že čím menší teplota okolí při krystalizaci, tím více
krystalové vody v hydrátu. Méně stabilní hydráty se samovolně rozpadají na vodu a látku
bezvodou.15
4.5 Růst krystalů
Po vzniku krystalizačního jádra začíná růst krystalu, který probíhá přikládáním stavebních
částic na povrch krystalu – apozicí. Konečný tvar krystalu je ovlivněn následujícími
podmínkami:16
•
Dostatek atomů nebo iontů a možnost slučovat se v odpovídajících poměrech.
•
Fyzikálně chemické podmínky.
•
Velikost prostoru.
4.6 Izomorfie
Některé látky se mohou ve svých krystalech zastupovat, k čemuž dochází díky jevu izomorfie.
Tímto způsobem vznikají směsné krystaly. Izomorfní krystaly mohou růst v roztoku jiné
podobné látky. Pokud se krystal přesunuje z tohoto roztoku do roztoku látky, kterou je tvořen,
a tyto roztoky mají jinou barvu, výsledný krystal bude po rozříznutí pruhovaný.17
15
http://www.fp.vslib.cz/kch/texty/fp/AOL/AOL_navody.pdf
17
http://www.sci.muni.cz/mineralogie/kap_1_8_struktura/kap_1_8_struktura.htm#1.8.4.
16
11
Krystaly vybraných solí
POSTUP PRÁCE
Praktická část projektu se zabývá vytvářením krystalů z nasycených roztoků. Nasycené
roztoky krystalizovaly na Petriho miskách při teplotě 21°C a vlhkosti vzduchu 44%. Krystaly
byly položeny, proto byl jejich růst směrem dolů omezen. Délka krystalizace byla u každé
sloučeniny jiná. Výsledek práce byl vyfotografován a doplněn nákresem.
13
CHLORID DRASELNÝ
Vzorec: KCl
Mřížka: kubická
Barva: bezbarvý
Doba krystalizace: 7 dní
Krystaly se tvořily snadno, na vzduchu dochází k zvětrávání.
Krystaly chloridu draselného. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.
Nákres jednoho krystalu
14
CHLORID KOBALTNATÝ
Vzorec: CoCl2 . 6 H2O
Hydrát: hexahydrát
Mřížka: monoklinická
Barva: červená
Krystalizace probíhala pomalu.
Krystaly chloridu kobaltnatého. Foto: Klára Vohlídková, 27. 9. 2010.
15
CHLORID MĚĎNATÝ
Vzorec: CuCl2 . 2 H2O
Hydrát: dihydrát
Mřížka: ortorhombická
Barva: zelená
Doba krystalizace: 2 dny
Krystaly chloridu měďnatého. Foto: Klára Vohlídková, 27. 9. 2010.
(Jehlicovité krystaly jsou příliš malé, nejde rozpoznat tvar jejich řezu.)
16
CHLORID SODNÝ
Vzorec: NaCl
Mřížka: kubická
Barva: bezbarvý
Krystaly se tvořily snadno.
Krystaly chloridu sodného. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.
17
SÍRAN HLINITO – DRASELNÝ
Vzorec: KAl(SO4)2 . 12 H2O
Hydrát: dodekahydrát
Mřížka: kubická
Barva: bezbarvý
Krystaly síranu hlinito – draselného. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.
18
SÍRAN CHROMITO – DRASELNÝ
Vzorec: KCr(SO4)2 . 12 H2O
Hydrát: dodekahydrát
Mřížka: kubická
Barva: červenofialová
Krystaly síranu chromito – draselného. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.
19
SÍRAN HOŘEČNATÝ
Vzorec: MgSO4 . 7 H2O
Hydrát: heptahydrát
Barva: bezbarvý
Krystaly síranu hořečnatého. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.
20
SÍRAN MANGANATÝ
Vzorec: MnSO4 . 5 H2O
Hydrát: pentahydrát
Barva: růžová
Krystaly síranu manganatého. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.
21
SÍRAN MĚĎNATÝ
Vzorec: CuSO4 . 5 H2O
Hydrát: pentahydrát
Mřížka: triklinická
Barva: modrá
Krystaly síranu měďnatého. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.
22
SÍRAN SODNÝ
Vzorec: Na2SO4 . 10 H2O
Hydrát: dekahydrát
Barva: bezbarvý
Krystalizace probíhala pomalu, na vzduchu dochází k zvětrávání.
Krystaly síranu sodného. Foto: Klára Vohlídková, 27. 9. 2010.
23
SIŘIČITAN SODNÝ
Vzorec: Na2SO3 . 7 H2O
Hydrát: heptahydrát
Barva: bezbarvý
Krystalizace probíhala pomalu, na vzduchu dochází k zvětrávání.
Krystaly siřičitanu sodného. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9.2010.
24
ZÁVĚR
Označení nerostné květiny může nést jen několik vybraných krystalů, stejně tak ne každý
krystal je drahý kámen. Krystalickou strukturu má mnoho látek, bez kterých bychom se
neobešli.
Tato práce představila krystaly zevnitř a v části Krystaly vybraných solí předvedla
rozmanitost jejich tvarů. Některé látky vykrystalizovaly do roztoku, jiné pouze po odpaření
roztoku na dno Petriho misky. Po porovnání velikosti, doby krystalizace a způsobu jakým
látky krystalizovaly, jsou tyto látky vhodné k ukázce vzniku krystalů:
•
Chlorid draselný
•
Chlorid sodný
•
Síran hlinito – draselný
•
Síran chromito – draselný
•
Síran měďnatý
•
Siřičitan sodný
Vznik krystalů není jednoduchá záležitost, a proto je velký zázrak, že na této planetě vzniklo
tolik krystalických látek.
25
Literatura
ISBN 80-7184-998-7
Julák, A., Štulík, K., Vohlídal, J. Chemické a analytické tabulky. 1. vydání.
Praha: Grada publishing 1999. ISBN 80-7169-855-5
Remy, H. Anorganická chemie 1, 2. 2. vydání.
Praha: Nakladatelství technické literatury n. p. 1971
Všeobecná encyklopedie ve čtyřech svazcích 2. svazek. 1. vydání.
Praha: Nakladatelský dům OP 1996. ISBN 80-85841-33-9
http://www.fp.vslib.cz/kch/texty/fp/AOL/AOL_navody.pdf
http://fyzika.jreichl.com/index.php?sekce=browse&page=763
http://www.sci.muni.cz/mineralogie/kap_1_8_struktura/kap_1_8_struktura.htm#1.8.4.
26

Krystaly – „nerostné květiny“ (projekt)

Transkript

Podobné dokumenty

Středoškolská odborná činnost 2006/2006 Islám

A2B34ELP Elektronické prvky 2011/2012

Axiální kuličková ložiska

n-boký hranol

morfostrukturní analýza jako vhodná metoda studia strukturně

KAOLINIT

Stavební hmoty a dílce: Beton, železobeton a výrobky předem

zde - jandur.cz

12/2011 - Kulturní noviny

Prezentace aplikace PowerPoint

METODY STANOVENÍ PROSTOROVÉ STRUKTURY PROTEINŮ

Starolískovecký zpravodaj 10 2014 - Statutární město Brno

Životní historie

Rozbor strategie

9 Využití tabulkového procesoru Open.Office.org Calc při počítání s