دانلود مقاله ساختار اتمی جامدات

 در شیمی معدنی در مورد گستره وسیعی از موضوعات از جمله: ساختمان اتمی، بلورنگاری (کریستالوگرافی)، انواع پیوندهای شیمیایی اعم از پیوند های کووالانسی، یونی، هیدروژنی و ...، ترکیبات کوئوردیناسیون و نظریه‌های مربوطه از جمله نظریه میدان بلور و نظریه اوربیتال مولکولی، واکنشهای اسید و باز، سرامیکها، تقارن مولکولی و انواع بخش‌های زیرطبقه الکتروشیمی (برقکافت، باطری، خوردگی، نیمه رسانایی و غیره) بحث می‌شود.

در باب اهمیت شیمی معدنی، ساندرسن چنین نوشته است:

در واقع بیشترین مباحث علم شیمی را دانش اتمها تشکیل می‌دهد و کلیه خواص مواد و ترکیبات، به ناچار ناشی از نوع اتمها و روشی است که با توجه به آن، اتمها به یکدیگر می‌پیوندند و مجموعه تشکیل می‌دهند و از طرف دیگر کلیه تغییرات شیمیایی متضمن بازآرایی اتمهاست. در این حال شیمی معدنی تنها بخشی از علم شیمی است که با توجه به آن می‌توان به صورتی ویژه، در باب مغایرتهای موجود در میان کلیه انواع اتمها بررسی نمود.

دید کلی

از لحاظ ترمودینامیکی پایدارترین الگوهای انباشتگی متعاق به گونه ای است که انرژی آزاد آن در دما و فشار مورد نظر حداقل باشد.ارزیابی انرژی آزاد معمولا مشکل است،اما تجزیه و تحلیل سهم های مر بوط بر حسب اندر کنشهای کولمبی بین یونهاکاملا ممکن می باشد.از آنجائیکه فاکتورهایی که یک ساختمان را بر دیگری مطلوب می کنند نهایتا بایکدیگر متعادل میشوند،بسیاری از جامدات بلوری در فرمهای متفاوت وجود دارندیا اصطلاحا پلی مورف می باشند.پلی مورفیسم خاصیتی از تمام جامدات و نه تنها تر کیبات یونی است.مثالی از این خاصیت ،وجود فازهای سفید وسیاه از فسفر عنصری و فازهای کلسیت و آرگونیت و از کربنات کلسیم است.

گاز های اتمی (Kr , Ar) و یا گازهای مولکولی (Latex Error:

{O_2 , H_2})

جامدات مولکولی (Latex Error:

{C_6 , S_8 , P_4})

مولکولها و یا جامدات شبکه‌ای گسترش یافته (الماس، گرافیت)

فلزات جامد (Co , W) و یا مایع (Hg , Ca)

ترکیباتی که دارای یونهای چند اتمی (به اصطلاح کمپلکس) هستند، همچون Latex

{Ni(H_2O)_6{2+} , Co(NH_3)_6{3+} , SiF_6^{2-}} .

جامدات و اندازه اتم ها

تفاوت اساسی میان تک کریستال ، پلی کریستال و جامدات آمورف در اندازه فاصله ایست که اتمها با یک تقارن انتقالی به اتم دیگر مرتبط میشوند . تک کریستالها دارای نظم پر دامنه نا محدود ، پلی کریستالها دارای تناوب در محدوده های خاص (محدوده فازی ) و جامدات آمورف ( همچنین مایعات ) دارای نظم کم دانه میباشند .

-        یک تک کریستال ایده آل دارای یک ساختار اتمی است که در سراسر حجم تک کریستال  تکرار میشود . این روند بگونه ایست که در شبکه های نامحدود ، هر اتم با یک تقارن انتقالی با هر اتم معادل دیگر در ساختار مرتبط شده است .

-        ساختار یک جامد پلی کریستال از تعدادی دانهء متبلور تشکیل شده است .هر دانه را میتوان به یک تک کریستال که ساختار اتمی آن نظم پردامنه  است تشبیه کرد . در یک جامد پلی کریستال ایزوتروپ که خواص آن در جهات مختلف متفاوت است ، هیچ ارتباطی میان دانه های همسایه وجود ندارد .بنابراین ، اگر فواصل اتمی به اندازه کافی بزرگ باشد هیچ تناوبی در سرتاسر نمونه پلی کریستال وجود نخواهد داشت .

-        مواد آمورف ، مانند شیشه ، در هیچ جهتی دارای نظم پر دامنه نبوده بنابراین تقارن انتقالی هم ندارند . ساختار یک جامد آمورف (و یک مایع حقیقی ) در عمل بصورت اتفاقی نیست بلکه فاصله بین اتمها در ساختار به خوبی مشخص شده اند و مانند فواصل در داخل کریستال هستند .

 به همین علت مایعات و کریستالها چگالی مشابه دارند ، هر دو نظم کم دامنه دارند که باعث ثابت نگه داشتن فاصله بین اتمها می شود ، اما در عین حال کریستالها دارای نظم پر دامنه هستند .

جامد آمورف

پلی کریستال

تک کریستال

نا منظم

نظم پر دامنه در هر دانه

نظم پر دامنه در سرتاسرحجم

وسعت منطقه منظم کریستالی عاملی است که باعث تمایز بین تک کریستالها ، پلی کریستالها و جامدات آمورف میشود. بسیاری از خواص مانند خواص مکانیکی ، نوری ، مغناطیسی  و الکتریکی  را میتوان به تفاوت ساختاری میان این سه دسته از جامدات نسبت داد .

تقسیم بندی پیوند ها

نیروهای بین اتم ها را می توان به چهار دسته تقسیم کرد:

1-پیوند کوالانسی: زمانی این پیوند ایجاد می شود که اوربیتال لایه ظرفیت در اتم های غیر فلز به گونه ای هم پوشانی کنند که دانسیته الکترون بین اتم ها افزایش یابد (همپوشانی مثبت ) چون این اتم ها جاذبه مشابه یا یکسانی برای الکترونها دارند انتقال الکترون از یک اتم به اتم دیگر صورت نمی گیرد بلکه الکترونها بین آنها به اشتراک گذاشته می شود . یک پیوند کوالانسی مشتمل بر یک جفت الکترون با اسپین های مخالف است و دو اتم در آن نیز سهیم هستند این نیرو در حقیقت نیروی نگهدارنده بین اتم ها در یک مولکول است.

2-پیوند یونی :پیوند حاصل از نیروهای جاذبه الکترواستاتیکی (کولمبی ) بین یک فلز و یک غیر فلز است. در پیوند های یونی خالص بین اتم ها اشتراک الکترون وجود ندارد مثلاً در واکنش بین سزیم وفلوئور یک الکترون از یک اتم سزیم به یک اتم فلوئور منتقل می شود و ذرات بارداری به نام یون تولید می شود.

3-پیوند اندروالس: این پیوند را نیروی پراکندگی لندن می نامند و در مولکولهای فاقد دو قطبی دائمی موجب می شود به صورت مایع درآیند منشاء این نیرو حرکت الکترونها است از واپیچش ابر الکترونی مولکول دو قطبی لحظه ای به وجود می آید و در هر لحظه موقعیت قطبهای مثبت و منفی به دلیل حرکت الکترونها تغییر می کند. در نتیجه مولکول در کل فاقد گشتاور دو قطبی است.نیروی لندن شامل جاذبه بین این دو قطبی های لحظه ای است. این نیرو در مولکولهای بزرگ و پیچیده ای که دارای ابر الکترونی بزرگی هستند و به راحتی قطبیده (پلاریزه )می شوند به سرعت افزایش می یابد نیروی اصلی افزایش می یابد نیروی اصلی در آرگون و تتراکلرید کربن جامد همین نیرو است.

4-پیوند فلزی: این نوع پیوند شبکه های منظم از اتم هایی که کمبود الکترون دارند یا گروهی از اتم ها مانند فلز است و آلیاژها را در کنار یکدیگر نگه می دارند بارزترین خصوصیت این پیوند این است که الکترونهای پیوندی در تمام سطوح کریستال به طور نسبتاً سستی به اتم وابسته اند و آزادانه در سراسر بلور فلزی حرکت می کنند زیرا پتانسیل یونیزاسیون و الکترونگاتیوی فلزات بسیار کم است . یونهای مثبت فلزی نقاط شبکه ای ثابت را در بلور اشغال می کنند و ابر منفی الکترونهای آزاد بلور را به هم نگه می دارد .

تقسیم بندی بلور ها :

بهترین تقسیم بندی بلور ها بر حسب نوع ذرات تشکیل دهنده و نیروهای نگهدارنده آنهاست:

کوالانسی، یونی، و اندوالسی، فلزی

1-بلورهای کوالانسی ،(مشبک): ذرات تشکیل دهنده این بلور اتم ها هستند که با شبکه ای از پیوند های کوالانسی به یکدیگر متصل هستند این مواد بسیار دیر گداز و سخت بوده و برای از بین بردن ساختار بلوری باید تعداد زیادی پیوند کوالانسی شکسته شود الماس که در آن اتم های کربن به وسیله پیوند های کوالانسی به یکدیگر متصل شده و ساختار سه یعدی به وجود می آورد. نمونه ای از این نوع بلورها است.شکل زیر یک نوع بلور کوالانسی را که مربوط به کوارتز (سیلسیم دیوکسید sio2

بلورهای یونی: عامل نگهدارنده یونهای مثبت و منفی در ساختار بلورها وجاذ به الکترواستاتیکی است و به دلیل قوی بودن این نیرو ها نقطه ذوب بالایی دارند سخت و شکننده اند در حالت مذاب یا محلول رسانای خوبی برای جریان الکتریسیته اند اما در حالت جامد یونها آزادی حرکت ندارند. و نارسانا هستند.شکل زیر بلور یونی فلورئوریت را نشان می دهد.

3-__بلورهای مولکولی_: ذرات تشکیل دهنده این بلور ها مولکول هستند و قدرت نگهدارنده آنها به اندازه نیروهای الکترواستاتیکی در بلورهای یونی نیست و در نتیجه بلورهای مولکول نرم هستند و دمای ذوب پایین تر از300 دارند.

4-بلورهای فلزی: الکترونهای لایه ظرفیت اتم های فلز در ساختار بلور فلزی حرکت می کنند و بقیه اتم های فلز یعنی یون های مثبت در بلور موقعیت ثابتی دارند ابر منفی الکترون های در حال حرکت که دریای الکترون نامیده می شود اجزای بلور را به یکدیگر متصل می کنند این نیروی اتصال دهنده قوی به پیوند فلزی مشهور است دمای ذوب و چگالی اغلب فلزات بالا است و یون های مثبت تشکیل دهنده ساختار آنها آرایش فشرده دارند. برخلاف بلورهای یونی موقعیت بلورهای مثبت در بلورهای فلزی را می توان بدون از بین بردن بلور تغییر داد زیرا بار منفی الکترونها آزاد به طور یکنواختی پراکنده شده است به همین دلیل اغلب بلورهای فلزی چکش خوار (شکل پذیر) و مفتول پذیر (قابل تبدیل به سیم) هستند اغلب فلزات رسانای خوب جریان الکتریسیته هستند.شکل زیر بلور فلزی روی را نشان می دهد.