1331035634-0-1_vjezba_dodatak

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

1/29

VJEBE:etvrtak, 12:15-14:00

KERAMIKA, BETON I DRVO

Vjeba 1. Ionske i kovalentne strukture

Prof.dr.sc. Lidija urkovi

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

2/29

VEZE U KERAMICI

Ionskei/ilikovalentne.

Vezaukeramicinijeistaionskaniistakovalentnaveza,vesmjesaionskeikovalentne.

STRUKTURA VRSTIH (krutih) TVARI ovisi o:

2. SLAGANJU STRUKTURNIH JEDINICA1. VRSTI VEZA IZMEUSTRUKTURNIH JEDINICA

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

3/29

Kod keramikih materijala susreemo dvije grupe kristala na osnovi

primarnih (meuatomskih,kemijskih) veza:

1. IONSKE KRISTALE

2. KOVALENTNE KRISTALE

JAKOST VEZE:

JAKE SLABE

UDIO IONSKOG KARAKTERA VEZE:

KOVALENTNA IONSKA METALNA FIZIKALNE VEZE

% (ionskog karaktera)= {1-exp[-0,25(XA-XB)2]}100

XA= elektronegativnost elementa A

XB= elektronegativnost elementa B

STRUKTURA KERAMIKE

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

4/29

CaF2: veliki udio ionskog

karaktera veze (89 %)SiC: mali udio ionskog

karaktera veze (12 %)

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

5/29

Nema 100 %ionskog

karakteraveze

O % ionskog

karaktera H2, N2, Cl2

IONSKO / KOVALENTNI KARAKTER VEZE

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

6/29

MaterijalPostotak ionskog

karaktera veze

CaF2 89MgO 73

NaCl 67

Al2O3 63

SiO2 51

Si3N4 30

ZnS 18

SiC 12

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

7/29

IONSKE STRUKTURE

IONSKI KRISTALI nastaju takodamanji kationipopunjavajupraznineizmeuveihaniona.

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

8/29

IONSKA VEZA

- nastaje spajanjem ATOMA METALA s ATOMIMA NEMETALA.

Kako nastaju ioni?

neutralni

atom

kation

(+)

anion

(-)

METALIimaju malu

energiju ionizacije i

lako tvore

POZITIVNE IONE

koje nazivamoKATIONI

NEMETALIimaju

veliki afinitet prema

elektronu pa lako tvore

NEGATIVNE IONE

koje nazivamoANIONI

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

9/29

IONSKA VEZA

valentni elektron

IONSKA VEZA je veza koju

uzrokuje elektrostatsko privlaenje

suprotno nabijenih iona.

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

10/29

IONSKE STRUKTURE

IONSKI KRISTALI nastaju tako da manji kationi popunjavaju praznine

izmeuveihaniona.

Koordinacijski broj i vrsta praznine (koordinacijski poliedar) koji kationi

popunjavaju ovisi o omjeru rkationa/raniona.

rK/rA rK/rA rK/rAstabilno stabilno nestabilno

ZA STABILNU KORDINACIJU KATIONI I ANIONI MORAJUBITI U KONTAKTU!

ANION

KATION

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

11/29

ANION

KATION

MAKSIMALNI MINIMALNI

RADIJUS RADIJUS

KATIONA ? KATIONA?

IONSKE STRUKTURE

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

12/29

IONSKI KRISTALI nastaju takodamanji kationi popunjavajupraznineizmeuveihaniona.Koordinacijski broj i vrsta praznine (koordinacijski poliedar)kojikationipopunjavajuovisioomjerurkationa/raniona.

0,155 < rK/rA< 0,225 KB = 3 (trigonalne praznine)

0,225 < rK/rA< 0,414 KB = 4 (tetraedarske praznine)

0,414 < rK/rA< 0,732 KB = 6 (oktaedarske praznine)

rK/rA< 0,155 KB = 2 (linearni raspored)

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

13/29

rK/rA>1,000 KB = 12 (kuboktaedarska praznina)

0,732 < rK/rA< 1,000 KB = 8 (kubina praznina)

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

14/29

Poloaj intersticijskih mjesta (praznina) u FCC, BCC i HCP jedininoj eliji:

Oktaedarska FCC

Oktaedarska BCC

Tetraedarska FCC

Tetraedarska BCC

Oktaedarska HCP

Tetraedarska HCP

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

15/29

Veliina i broj tetraedarskih i oktaedarskih mjesta u BCC, FCC i HCP jedininu

eliju. Veliinaintersticijskih mjesta je dana ovisno oomjeru rkationa/raniona.

Broj intersticijskih mjesta je broj mjesta koji pripada jednojjedininojeliji.

Jedinina

elija

Veliina

tetraedarskog

mjesta,

rkationa/raniona

Veliina

oktaedarskog

mjesta,

rkationa/raniona

Broj tetraedarskih

mjesta koji pripadaju

jednoj jedininoj

eliji

Broj oktaedarskih

mjesta koji pripadaju

jednoj jedininoj

eliji

BCC 0,291 0,155 12 6

FCC 0,225 0,414 8 4HCP 0,225 0,414 12 6

Tetraedarska praznina > oktaedarske Oktaedarska praznina > tetraedarske

Tetraedarska praznina

Tetraedarska praznina

Oktaedarska prazninaOktaedarska praznina

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

16/29

Minimalni omjer polumjera kationa i aniona za koordinacijski broj 3 je 0,155.

Kation

Anion

rK

rA

155,02/3

2/3-1

r

r

A

K==

Raunanje minimalnog omjera radijusa kationa i aniona (rK/rA)

za koordinacijski broj 3

2/330cos=

R j i i l j dij k ti i i ( / )

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

17/29

Primjer struktura HALITA (NaCl)

Raunanje minimalnog omjera radijusa kationa i aniona (rK/rA) za

koordinacijski broj 6 ili maksimalnog omjera radijusa kationa i aniona

(rK/rA) za koordinacijski broj 4

ANION

KATION

R j i i l j dij k ti i i ( / )

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

18/29

Primjer struktura CsCl

Raunanje minimalnog omjera radijusa kationa i aniona (rK/rA) za

koordinacijski broj 8 ili maksimalnog omjera radijusa kationa i aniona

(rK/rA) za koordinacijski broj 6.

ANION

KATION

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

19/29

Za NaCl strukturu, parametarjedinine elijea= 2 ( rNa++ rCl -),gdje je r radijus iona.

Raunanje teorijske gustoe NaCl na temelju njegove kristalnestrukture

a

a

Cl-

Na+

Stvarna gustoa = 2,16 g/cm3

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

20/29

IONSKE STRUKTURE- neke uobiajne strukture

Struktura halita (NaCl) (radi se o dvije isprepleteneplonocentriranekubinereetke(FCC).

rkationa= rNa+= 0,102 nm

raniona= rCl-= 0,181 nm

rkationa

/raniona

= 0,56

KB = 6 prvih susjeda (iona druge

vrste)

Cl-

: FCC jedinina elijaNa+: u oktaedarskim prazninama

Istu kristalnu strukturu imaju: LiCl, MgO, CaO, MnO, FeO, CoO, NiO, itd.

Cl-

Cl-

Cl-Cl-Cl-

Cl-Na+

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

21/29

IONSKI STRUKTURE

Struktura CsCl.

rkationa= rCs+= 0,170 nm

raniona= rCl-= 0,181 nm

rkationa

/raniona

= 0,94

KB = 8 prvih susjeda (iona

druge vrste)

Ci-: SC jedinina elijaCs+: u kubinoj praznini

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

22/29

Struktura -Al2O3keramike (korund).

Najstabilniji kristalni oblik Al2O3 je mineral korund. Istu strukturu imaju: Fe2O3, Cr2O3,

Ti2O3, V2O3. To je najvaniji isti oksid u podruju keramike. Struktura korunda se

zasniva na heksagonskom najguem slaganju kisikovih iona (ABABABAB.....) sa

ionima aluminija smjetenim u 2/3 oktaedarskih intersticijskih mjesta.

IONSKE STRUKTURE primjer kompleksne strukture (tri kemijska elementa)

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

23/29

IONSKE STRUKTURE primjer kompleksne strukture (tri kemijska elementa)PEROVSKITNA STRUKTURA

Struktura perovskita: CaTiO3.

FCC jedinina elija sa ionima Ca2+

i O2-

, a ion Ti4+

u oktaedarskominterstici skom m estu.KOVALENTE STRUKTURE

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

24/29

KOVALENTE STRUKTURE

Struktura SFALERITA (ZnS)-kovalentna veza dominira.rkationa= r (Zn

2+) = 0,06 nm

raniona= r (S2-) = 0,184 nm

rkationa/raniona= 0,33

KB = 4

S2-: FCCjedinina elija

Zn2+utetraedarskim prazninama

% (ionskog karakteraZnS)= {1-exp[-0,25(XA-XB)2]}100= 18 %

XA= elektronegativnost elementa A; XB= elektronegativnost elementa B

elektronegativnost (Zn) = 1,6elektronegativnost (S) = 2,5

S2-

S2-S2-

S2-

Zn2+

Neke uobiajne strukture keramike

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

25/29

Struktura Jedinina elijaKemijskaformula

Cezijev klorid(CsCl)

SC MX

Natrijev klorid(NaCl)

FCC MX

Fluorit (CaF2) FCC MX2

Silikati (SiO2) FCC MX2

Korund (Al2O3) heksagonska M2O3

Perovskit(CaTiO3)

SC M`M``X3

Spinel(MgAlO4)

FCC M`M``X4

Neke uobiajne strukture keramike

KOVALENTNI KRISTALI

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

26/29

KOVALENTNIKRISTALI:

Istu kristalnu strukturu ima npr. SiC, dijamant, Si, Ge, ............

Struktura kristala u kojoj su atomi povezani kovalentnom vezomodreena je brojem kovalentnih veza svakog pojedinog atoma iusmjerenoutihveza.

Koordinacijski broj odreuje se relacijom: 8-N, gdjeje N brojvalentnihelektrona.

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

27/29

Si

O

O

O4-

KOVALENTNI KRISTALI

SILIKATNA STRUKTURA osnova tetraedar.

Najveidio svjetske proizvodnje stakla inesilikatna stakla. Osnovna komponenta

silikatnog stakla je SiO2, a strukturna jedinica je tetraedar.

KOVALENTNI KRISTALI

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

28/29

KOVALENTNI KRISTALI

KRISTALNA STRUKTURA KRISTOBALITA

SiO2moe imati KRISTALNU STRUKTURU (npr. kvarc,kristobalit) ili AMORFNU STRUKTURU(npr. staklo)

AMORFNA STRUKTURA t kt ilik t t kl

5/24/2018 1331035634-0-1_vjezba_dodatak

29/29

AMORFNA STRUKTURA struktura silikatnog stakla