U sadržaju ove nastavne teme naučit ćete više o karakteristikama krutina ili čvrstih tvari i njihovim oblicima u prostoru.

ISHODI UČENJA

Usvajanjem sadržaja ove Teme moći ćete odgovoriti na sljedeća pitanja:

• Kako možemo podijeliti krutine?
• Što su amorfne tvari, a što kristali?
• Što određuje kristale?
• Čime je uvjetovana određena kristalna struktura krutih tvari?
• Što je posljedica kristalne strukture krutih tvari?
• Kakve kristale možemo razlikovati?

Kako možemo podijeliti krutine?

♦ Ako se podsjetimo sadržaja teme Agregatna stanja tvari i karakteristika krutog agregatnog stanja gdje smo rekli da su kod krutina strukturne jedinice (atomi, molekule ili ioni) međusobno jako blizu jedni drugima. Čestice imaju vrlo malu kinetičku energiju, te titraju oko ravnotežnog položaja.

♦ S obzirom na raspored strukturnih jedinica unutar krutine, možemo razlikovati dvije skupine krutina:

1. amorfne tvari
2. kristali

Što su amorfne tvari, a što kristali?

♦ Prije nego objasnimo razliku između ovih dviju skupina krutina, pogledat ćemo slikovne prikaze jednog kristala i jedne amorfne tvari:

ZADATAK:

Sa slikovnog prikaza opiši fizikalna svojstva kristala i voska?

♦ U amorfne tvari ubrajamo: vosak, staklo, smolu, plastiku, gumu.

♦ Amorfne tvari (grč. amorphos = bezobličan, tvar neodređenog i nepostojanog oblika) karakterizira slučajan raspored strukturnih jedinica koje su međusobno približno jednako udaljene. Vosak je kruta tvar kojoj vrlo lako možemo promijeniti oblik. Amorfne tvari, dakle, nemaju stalan geometrijski oblik. Vosak, vrlo lako i brzo, možemo zagrijavanjem prevesti u tekuće agregatno stanje.

Ne postoji oštra točka taljenja voska i ostalih amorfnih tvari. Između tekućina i amorfnih tvari ne postoji oštra granica. Amorfne tvari se smatraju pothlađenim tekućinama visoke viskoznosti.

♦ Nasuprot amorfnim tvarima, kristale karakterizira pravilan geometrijski oblik, što možemo i uočiti na primjeru kristala natrijevog klorida.

Riječ kristal potječe od grčke riječi kristallos što znači led. Znamo da je led voda u krutom stanju. U prošlosti su ljudi smatrali da svi kristali nastaju skrućivanjem vode. Za kristal kremena ili kvarca, (slika 3.) grčki filozof Platon (427. – 347. pr. Kr.) je rekao da je isti nastao skrućivanjem najčišće vode na vrhu planine.

Proučavanjem fizikalnog svojstva, gustoće, kremena ili kvarca, irski kemičar i fizičar Robert Boyle (1627. – 1691.) je ustanovio da se gustoće kremena i vode međusobno razlikuju. Gustoća kremena je 2,7 puta veća od gustoće vode, te su to tvari različitih fizikalnih i kemijskih svojstava.

Danski biskup, liječnik i prirodoslovac Nicolaus Stenonis (1638. – 1686.) je proučavajući kristale, ustanovio da su oni određeni kutovima između ploha i bridova, a ne svojim oblikom i veličinom.

Kristalna struktura krutih tvari

Sa slike 1. smo mogli vidjeti da kristali imaju pravilan geometrijski oblik, konkretno kristal natrijevog klorida ima oblik kocke. Pravilan geometrijski oblik kristala je posljedica pravilnog, trodimenzionalnog rasporeda strukturnih jedinica (atoma, molekula ili iona), a ne njihovog slučajnog rasporeda kao što je to slučaj kod amorfnih tvari.

Kristali su kao pravilna geometrijska tijela, omeđeni plohoma i bridovima. Bridovi su sjecišta ploha, dok su kutovi sjecišta bridova.

Krutine koje se u prirodi javljaju u obliku kristala su: natrijev klorid ili kuhinjska sol, led, šećer, različiti minerali i drago kamenje (kalcit, dolomit, beril, hematit, aragonit, azurit, rubin, smaragd, itd.), svi metali osim žive.

Što određuje kristale?

♦ Budući da su kristali pravilna geometrijska tijela, možemo ih jednom ravninom podijeliti na dva dijela koja su zrcalno jednaka odnosno dva dijela koja se odnose kao predmet i njegova zrcalna slika. Najbliži primjer zrcalno jednakih dijelova su lijeva i desna ruka.

Ova zamišljena ravnina koja dijeli kristal na dva zrcalno jednaka dijela naziva se ravninom simetrije. Dakle simetrija je jedno od osnovnih obilježja kristala.

Koliko ravnina simetrije ima jedan kristal?

Broj ravnina simetrije varira u ovisnosti o kristalu. Kristal natrijevog klorida (slika 4.) koji ima oblik kocke ima 9 ravnina simetrije. Kristal kremena ili kvarca (slika 5. ) nema nijednu ravninu simetrije.

Osim ravnina simetrije, kristali posjeduju i osi simetrije oko kojih možemo zakretati kristal za određeni broj stupnjeva (60°, 90°, 120°, 180°), te ga dovesti u položaj jednak početnom položaju. Kristal natrijevog klorida (NaCl) ima oblik kocke, a kroz kocku se može povući 13 osi simetrije. Kristal kremena ili kvarca ima oblik šesterokuta i 3 osi simetrije. Jedna od osi simetrije za kristal NaCl i kristal kvarca prikazana je na slici 6.

U kristalu NaCl koji ima oblik kocke možemo zamisliti jednu točku koja je jednako udaljena od dviju nasuprotnih i paralelnih ploha koje su k tome još i istovrsne. Ovu zamišljenu točku nazivamo centar simetrije (slika 7.). Centar simetrije nemaju svi kristali.

Spomenuti pojmovi, ravnina simetrije, os simetrije i centar simetrije nazivaju se jednim imenom elementima simetrije.

♦Vidjeli smo da kristali posjeduju elemente simetrije s obzirom da su pravilna geometrijska tijela, no također smo vidjeli da svi kristali ne posjeduju sve elemente simetrije. No, budući da se radi o pravilnim geometrijskim tijelima, sve kristale karakteriziraju stranice geometrijskih tijela, tj. bridovi, kutovi između bridova (α, β, y), te prostorne osi (osi koordinatnog sustava x, y, z) koje označavamo slovima a, b i c. Zbog ovih karakteristika, struktura kristala se prikazuje prostornom kristalnom rešetkom. Osnova prostorne kristalne rešetke su prostorne osi a, b i c koje se nazivaju kristalografskim osima prema kojima se kristali svrstavaju u sedam kristalnih sustava (slika 8.).

Sa slike 8. vidimo da je kao prvi od sedam kristalnih sustava naveden kubični sustav, a kao primjer kristala koji pripada ovom sustavu, već spominjani natrijev klorid. Vidimo također, da je kubični sustav predstavljen kockom. No, u kristalu natrijevog klorida (slika 9.) nemamo samo jednu kocku, već postoji više kocaka koje su poredane duž kristalografskih osi. Ova kocka za kubični kristalni sustav predstavlja njegovu elementarnu ćeliju.

Elementarna ćelija je najmanji dio u kristalnoj strukturi koji se periodički ponavlja duž kristalografskih osi.

Gdje su u kristalu raspoređene strukturne jedinice (atomi, molekule i ioni)?

Elementarna ćelija predstavlja najmanji dio unutar prostorne kristalne rešetke koji se više puta ponavlja. Strukturne jedinice (atomi, molekule ili ioni), stoga, unutar kristala zauzimaju određena mjesta u elementarnim ćelijama. S obzirom na mjesta unutar elementarne ćelije koje zauzimaju ove strukturne jedinice, razlikujemo više tipova elementarnih ćelija. Na slici 10. prikazani su tipovi ćelija najjednostavnijeg kristalnog sustava, kubičnog.

ZADATAK:

Na temelju slikovnog prikaza, navedi mjesta unutar ćelije koja mogu zauzimati strukturne jedinice (atomi, molekule i ioni)?

Čime je uvjetovana određena kristalna struktura krute tvari?

Različite krutine kristaliziraju u različitim kristalnim sustavima. Ova činjenica je posljedica sljedećeg:

• privlačnih sila između strukturnih jedinica
• stehiometrijskog sastava krute tvari
• međusobne udaljenosti strukturnih jedinica unutar elementarne ćelije (omjer radijusa natrijevog i klorovog iona u kristalu natrijevog klorida)

Što je posljedica kristalne strukture krutih tvari?

♦ Različit raspored i broj strukturnih jedinica (atoma, molekula, iona) unutar elementarne ćelije prostorne kristalne rešetke, odnosno različita kristalna struktura krutih tvari uvjetuje i njihova različita fizikalna i kemijska svojstva. Kristalna struktura krutih tvari, vidjeli smo, izravna je posljedica kemijske veze unutar krutine.

Kakve kristale možemo razlikovati?

S obzirom na različit tip kemijske veze unutar krutine možemo razlikovati i nekoliko tipova kristala:

• ionski
• atomski
• molekulski
• kristali metala

O ovim tipovima kristala biti će riječi u posebnim temama.

U nastavku riješi kviz kako bi tvoje učenje bilo potpuno!

Provjeri svoje znanje o kristalnoj strukturi krutih tvari!

Što čujem zaboravim, što vidim pamtim, što uradim znam!

KRISTALNA STRUKTURA KRUTIH TVARI

e-učenje kemije