KRİSTAL FİZİK

KRİSTAL FİZİK
JEOFİZİK MÜHENDİSLİĞİ
BÖLÜMÜ
VI. YARIYIL
Ders Sorumlusu
Prof.Dr. Sabah YILMAZ ŞAHİN
KRİSTAL FİZİK
Kristalfizik, minerallerde gözlenen kristal geometrik ve/veya kristal
kimyasal özelliklerin yarattığı fiziksel özellikleri inceler.
1. SKALER ÖZELLİKLER
Kristalin herhangi bir yönüne bağlı olmayan, tüm yönlerde nicelik olarak
değişmeksizin kalan özelliklerdir.
►
►
Yoğunluk,
Özgül Isınma
2. VEKTÖRİYEL ÖZELLİKLER
Kristallerin yönlere bağlı olan özelliklerine (büyüme hızı, çözünme hızı,
sertliği, ..vb) vektöriyel özellikler denir. Tek yönlü (polar) veya çift yönlü
(tensoriel) vektöriyel özellikler mevcuttur.
A. Kohezyon özellikleri,
B. Termik/ısı özellikleri,
C. Manyetik özellikleri,
D. Elektrik özellikleri
A. Kohezyon Özellikleri, Yönlere bağlı özelliklerdir. Sıvı ve
katı maddelerin iç bağlılıkları akla gelir.
•
•
•
•
•
•
Sertlik,
Dilinimlenme,
Elastik Deformasyon,
Sıkışabilirlik (Kompresibilite)
Dayanıklılık,
Plastik deformasyon,
B. Termik/sıcaklık Özellikleri
•
Termik genleşme
•
Isı iletkenliği
C. Manyetik Özellikler
•
Diyamanyetik kristaller
•
Paramanyetik kristaller
•
Ferromanyetik kristaller
D.Elektriksel Özellikler
İzolatörler
Yarı iletkenler
İletkenler
SKALER ÖZELLİKLER
Yoğunluk,
Homojen bir maddenin yoğunluğu, bu maddenin 1 cm3 ‘nün +4 oC
de ve 760 mmHg basıncındaki gram cinsinden ağırlığıdır (gr/cm3).
Yoğunluk
Madde
Madde
Yoğunluk
Buz
(0 °C)
0.9168
Kükürt (monoklinal)
1.96
Su
(+4 °C)
1.0000
Kükürt (ortorombik)
2.07
Deniz suyu
(20°C)
1.02
Çinkoblend ZnS
4.083
Doymuş NaCl-çözeltisi
1.2001
Kalkopirit
CuFeS2
4.283
Metanol
(20°C)
0.7923
Galenit
PbS
7.57
Etanol
(20°C)
0.7892
Pirit
FeS2
5.013
Benzol
(20°C)
0.8786
Kayatuzu
NaCl
2.165
Bromoform
(20°C)
2.8899
Florit
Metileniyodür
(20°C)
3.3254
Magnetit
Thoulet-çözeltisi (20°C)
3.196
Clerici-çözeltisi
4.20
Civa
(20°C)
(20°C)
Dolomit CaMg(CO3) 2
13.546
2.85
CaF2
3.180
Fe3O4
5.20
Kromit
FeCr2O4
5.09
Kuvars
SiO2
2.65
Kalsit
CaCO3
2.71
Aragonit
CaCO3
2.94
Özgül Isınma
Bir maddenin özgül ısınması denildiğinde, o maddenin 1 gramının 1 oC ısıtılması
için gerekli ısı miktarı (kal/g/derece) akla gelir. Atom ısınma ve mol-ısınma olarak
iki türlüdür.
Kristal
Özgül-Isınma
Kristal
Özgül-Isınma
Bakir
0.092
Kuvars
0.178
Gümüş
0.056
Kalsit
0.206
Altın
0.031
Aragonit
0.203
Demir
0.108
Anhidrit
0.178
Nikel
0.107
Jips
0.27
Arsen
0.079
Granat
0.176
Antimon
0.050
Ojit
0.183
Bizmut
0.30
Hornblend
0.196
Grafit
0.167
Muskovit
0.205
Elmas
0.12
Ortoklas
0.188
Kükürt
0.172
Bazı kristallerin oda sıcaklığındaki özgül ısınmaları.
2. VEKTÖRİYEL ÖZELLİKLER
►
►
►
►
►
►
►
A. Kohezyon Özellikleri, Yönlere bağlı özelliklerdir. Sıvı
ve katı maddelerin iç bağlılıkları akla gelir ve bunlar
kimyasal yapı taşlarının birbirlerini karşılıklı çekmelerinin
bir sonucu olarak ortaya çıkar. Sıvı ve camlarda kohezyon
özellikleri skaler olmasına karşılık, kristallerde
vektöriyeldir.
Sertlik,
Dilinimlenme,
Elastik Deformasyon,
Sıkışabilirlik (Kompresibilite)
Dayanıklılık,
Plastik deformasyon,
Sertlik
Kristallerin kendisine uygulanan mekanik bir etkiye karşı olan
tepkisidir.
Sertlik
Derecesi
Mineral
Kimyasal Formül
Simetri
1
Talk
Mg3(OH)2/Si4O10
2/m
2
Jips
CaSO4.2H2O
2/m
3
Kalsit
CaCO3
3m
4
Florit
CaF2
m3m
5
Apatit
Ca5(F,Cl,OH)/(PO4) 3
6/m
6
Feldispat
KAlSi3O8
2/m
7
Kuvars
SiO2
32
8
Topaz
Al2F2/SiO4
mmm
9
Korund
Al2O3
3m
10
Elmas
C
43m
Talk
Apatit
Topaz
Jips
Feldispat
Korund
Kalsit
Kuvars
Florit
Elmas
Eş sertlikteki diğer mineraller şunlardır:
1.Talk: Grafit, pirolusit, kil mineralleri,
2.Jips: Galenit, zinober, realgar, orpiment, kükürt,
3. Kalsit: Anhidrit, barit, gümüs, altın,
4.Fluorit: Aragonit, siderit, sfalerit, malakit,
5.Apatit: Limonit, kromit, seelit,
6.Feldspat: Arsenopirit, pirit, hematit, piroksen,
7.Kuvars: Olivin, kasiterit, andalusit,
8.Topaz: Beril,
9.Korund: Korund
10. Elmas: Elmas
Dilinimlenme
►
Dilimlenme, minerallerin belirli yüzeyler boyunca kolaylıkla
ayrılabilme ve bölünebilme özelliğidir. Bu ayrılma ve bölünme
kristal yüzeylerine paralel şekilde olmaktadır. Dilinim öncelikle
atomik dizilisi çok sıkı olan kafes düzlemleri arasında oluşur ve
dilinim düzlemi kristalin belirli bir yüzeyine paralel olarak
gelişir.Buna göre dilinim; mineralin ic yapısının sebep olduğu
fiziksel bir olaydır.
Dilinimlenmeler;
-çok güzel,
-güzel,
-iyi,
-iyi olmayan,
-belirgin ve
-belirgin olmayan şeklinde sınıflandırılır.
►
Elastik Deformasyon
►
Darbe, basınç gibi mekanik bir etki altında kalan kristalde
şekil değişikliği veya deformasyon oluşur.
►
Örneğin boyunda uzama meydana gelir vs. Bu şekil
değişiklikleri geri dönüşümlü, yani mekanik etki ortadan
kalktığında kristal tekrar eski durumunu kazanıyorsa
elastik deformasyon’dan söz edilir. Mekanik etkinin son
bulmasına rağmen eski şekline dönmüyorsa, ortada bir
plastik deformasyon mevcuttur.
Elastik deformasyon
►
Sıkışabilirlik (Kompresibilite)
Elastikiyet altında kristallerin sıkıştırılabilmeleri üzerinde durmak
gerekir. Kristaller sabit sıcaklıkta tüm yönlü basıncın altında
kaldıklarında sıkışırlar.
Dayanıklılık
Dışarıdan uygulanan kuvvetler kafesin kohezyon kuvvetlerini
aştığı zaman kristalde parçalanma, kırılma olur. Parçalanma yüzeyleri
düzgün dilinim veya muntazam olmayan kırılma yüzeyleri halindedir.
Uygulanan etkime cinsine göre kafesin, Dolayısıyla kristalin muhtelif
tipte dayanıklılığından söz edilebilir. Örneğin çekme-, basınç-, bükme-,
döndürme-dayanıklılığı vs. Bu dayanıklılıklarda yönlere bağlı olarak
değişir.
Örneğin kuvars c-eksenine dik yönde ortalama 22800 kp/cm2, c-eksenine
paralel yönde ise ortalama 25000 kp/cm2 mertebesinde basınçdayanıklılığına sahiptir.
Mineral topluluklarının basınç-dayanıklılığı ise örneğin granitte ortalama
1500 kp/cm2, mermerde 400-1200 kp/cm2 ve kumtaşında 175-1800
kp/cm2’dir.
►
Plastik Deformasyon
►
Kristal plastikiyeti denildiğinde; kristallerin mekanik
veya termik etkenler ile geri dönüşümlü olmayarak
şekillenebilme yetenekleri akla gelir. Kendilerine
uygulanan etkenler kalktığında madde tekrar eski şeklini
alamamaktadır.
►
Kristallerin plastik durumları doğada ve teknikte büyük
rol oynamaktadır. Örneğin kayatuzu ve jips yüksek
sıcaklıklarda kolaylıkla bükülebilmekte,
şekillenebilmektedir.
►
Metallerin kristal durumlarında tel haline çekilebilmesi
ve ince levhalar halinde haddeden geçirilebilmesi bilinen
plastik özelliğindendir.
Plastik Deformasyon
Mekanik Translasyon : Mekanik translasyonda
kristalin parçaları iskambil kağıtları gibi birbirinin
üzerinden yapraklar, levhalar halinde kaymaktadır.
Ayrıca kıvrılma ve bükülme translasyonu da vardır.
► İkizlenme Translasyonu : İkizlenme translasyonu
(mekanik ikizlenme translasyonu/Basınç ikizlenmesi) tek
yönlü bir basıncın etkisiyle meydana gelen bir
translasyondur. Burada kayma atom ağı periyotları kadar
olmamaktadır. Kafesin bir kısmi öyle kaymıştır ki, bu
kısım translasyon düzlemine göre diğer kısmın simetrisi
durumunu almıştır (Örn; Kalsit)
►
Termik/Sıcaklık Özellikler
►
►
Termik Genleşme
Termik genleşmeye aynı zamanda sıcaklık/termik
dilatasyon ismi de verilir. Bir kristalden belirli yönde
kesilmiş bir çubuk alalım ve bunu ısıtalım. Bu takdirde
kristal çubuğunun boyunda bir uzama meydana gelecektir.
►
►
Isı İletgenliği
Isı iletme yeteneği; 1 cm2 kesitindeki kristalden bir
birim zamanda 1 oC/cm mertebesinde geçen ısı miktarı
(kalori) ile ifade edilir ve k simgesi ile gösterilir. Kristallere k
ısı iletme yeteneği yönlere bağlı olarak değişir.
Manyetik Özellikler
►
H şiddetindeki bir manyetik alan kristalde (her birim
hacminde) M kadar bir manyetik moment meydana
getiriyorsa;
►
Manyetik suseptibilite (x) = Manyetik moment (M) / Manyetik
alan (H) dir.
►
Manyetik suseptibilite/duyarlık, kristalin belirli bir
doğrultusu için verilir ve birim hacime veya birim kütleye
veya gram-moleküle göre ifade edilir. Manyetik momente
de manyetikleşme ismi verilir.
Kristaller manyetik özellikleri itibariyle iki gruba ayrılır.
1.
2.
Kendileri manyetik olan kristaller ve
Manyetik etkilenebilen kristaller.
1.Kendileri manyetik olan kristaller:
►
Az miktarda mineral bilinmektedir.
►
Örneğin manyetit (Fe3O4) ve onun bozunmasından
oluşan maghemit. Bazı saf platin ve pirotin oluşumları da
az olmakla beraber manyetizma göstermektedir. Bu
manyetizma muhtemelen yerküresi manyetik alanın
indüksiyonu sonucu meydana gelmektedir.
2. Manyetik etkilenebilen kristaller.
►
-
-
Manyetik etkilenebilen kristaller
mıknatıs kutupları tarafından itilmekte (diyamanyetik),
mıknatıs kutupları tarafından çekilmekte (paramanyetik)
veya
manyetik alanın etkisiyle manyetikleşmektedir
(ferromanyetik).
Manyetik etkilenme hemen hemen bütün minerallerde az
veya çok mevcuttur. Bu etkilenme manyetik alanın
şiddetine veya mıknatıs çubuğunun hassasiyetine
bağlıdır. Bu tip kristaller
diyamanyetik,
paramanyetik ve
ferromanyetik olmak üzere üç gruba ayrılmaktadır.
Diyamanyetik Kristaller
►
Bunlar mıknatıs kutupları tarafından itilirler.
►
Örneğin kaya tuzu, kalsit, vulfenit (PbMoO4) ve buz.
►
Bunların suseptibiliteleri (M) sıfırdan küçüktür ve kristalin
yönlerine bağlı olarak değişen bir sabitedir.
Diyamanyetik kristallerin atom veya iyonları başlangıçta
herhangi bir manyetik momente sahip değildir. Bu ancak bir
manyetik alanın indüksiyonu ile elde edilmektedir.
►
Paramanyetik Kristaller
►
►
►
►
Bu kristaller ise mıknatıs kutupları tarafından çekilirler.
Örneğin alüminyum, siderit (FeCO3), barit, diyoptas vs.
Bunlarda manyetik suseptibilite (M) daima sıfırdan büyük bir
sabite olup, manyetik alanın şiddetine bağlıdır.
Paramanyetik kristallerde, diyamanyetik kristallerden farklı
olarak, başlangıçtan itibaren bir manyetik moment
mevcuttur. Fakat bu manyetik moment kafes içinde ısı
hareketlerinden dolayı düzenli değildir. Bu nedenle kristal bir
bütün olarak her hangi bir manyetik moment
göstermemektedir. Ancak dışarıdan uygulanan bir manyetik
alanın etkisiyle mevcut manyetik moment düzenli bir durum
kazanmaktadır
Ferromanyetik Kristaller
►
►
Fe, Co, Ni elementleri, bunların birbirleriyle ve
ferromanyetik olmayan Mn, Cr, Si, Al gibi elementlerle yapmış
oldukları muhtelif alaşımlar, nihayet ferromanyetik olmayan bazı
elementlerin (Cu, Mn, Al) oluşturdukları ve HEUSLER-Alaşımı
ismi verilen alaşımlar ferromanyetik özellik göstermektedir.
Bunlarda zayıf bir manyetik alanın etkisiyle çok şiddetli
manyetikleşebilme hassasiyeti mevcuttur. Manyetik alanın
uzaklaştırılması veya kesilmesine rağmen, bu maddelerde bir
miktar manyetizma mevcudiyetini korur. Buna manyetik kalıntı
(remanenz) denir.
Ferromanyetik kristallerde suseptibilite sıfırdan büyüktür.
Fakat paramanyetik kristallere oranla bunlardaki suseptibilite
değerleri çok yüksek değerlere ulaşmaktadır.
Ferromanyetik kristallerde;
a) Manyetikleşmemiş durum,
b) Uygun olmayan oriyantasyonlu bölgelerin büyümesi şeklinde
manyetikleşme,
c) Rotasyon mekanizması ile manyetikleşme
Elektiriksel Özellikler
►
Kristallerin elektriği iletmeleri, kimyasal yapı
unsurları arasındaki bağ tipi ile yakından ilişkilidir.
Kristaller spesifik elektrik dirençlerine, diğer bir ifadeyle
elektriği iletme yeteneklerine göre üç gruba ayrılırlar.
►
Yalıtganlar/izolatörler (elektriği iletmezler)
Yarı iletgenler (elektriği az da olsa iletirler)
İletgenler (elektriği iletirler)
►
►
Bazı maddelerin elektrik iletgenlikleri
İletgenlik
Ohm-1 cm-1
Madde
1020
Pb-levhası (3.5 mikron)
Pb
1015
Pb
105
Au-Cu direnci
Sınıflama
Supra- iletgen
Ag
Metaller (en iyi iletgenler)
104
Hg
103
-Sn
100
Te
10-5
Si
10-10
Mermer
Yari iletgenler
Cu2O
10-15
Elmas
10-17
Polistirol
10-20
Kehribar
İzolatörler (Yalıtkanlar)
İzalatörler (Yalıtkanlar)
►
Elektriği iletmeyen kristallerdir. Bu minerallerde atomlar sıkı
bağlanmıştır ancak dış etkilerle kopabilirler ancak mutlak
yalıtkan hiçbir madde yoktur.
Elektriği iletme örtü yüzeyleri,
► kübik kristallerde bir küre; hekzagonal,
► tetragonal ve trigonal sistemde bir rotasyon elipsoyidi;
► ortorombik, monoklinik ve triklinik sistemde üç eksenli
elipsoyid şeklindedir.
►
Örneğin, elmas, kükürt, beyaz fosfor, SiO2, MgO ve Al2O3
Yarı iletkenler
1. Örgü Hatalı yarı iletkenler
1) noksan yarı iletme, 2) fazla yarı iletme)
1. Örgü hatasız yarı iletkenler (Bor)
İletkenler
Metaller en iyi iletkenleri oluşturmaktadır. Bunlarda
iletgenliği pozitif yüklü atom gövdelerinin arasını dolduran
serbest elektronlar sağlar. Bundan dolayı metallere
elektron ileticiler adı da verilmektedir.
İyon kafesli kristallerde ise iletgenlik görevini
difüzyon halindeki iyonlar sağlar ve bunlara iyon ileticiler
adi verilir. Kafeslerinde iyon ve metal bağını birlikte
bulunduran kristaller karışım veya yarı iletici olarak
adlandırılırlar.
Metallerin spesifik elektrik iletkenliği 1.104
mertebesindedir. Cu ve Ag’te bu değer daha yüksek olup
60-70.104 civarındadır. Sıcaklığın düşmesiyle bu değer
108 mertebesine kadar yükselebilir. Mutlak sıfır noktasında
ise hemen hemen sonsuz büyüklüktedir. Bunlara suprailetgenler ismi verilir.
Dielektriksel Polarizasyon
İzolatör (yalıtkan) kristaller bir elektrik alanının etkisiyle
bir elektrik yük dağılımına sahip olurlar. Bu elektriksel
etkilenmeye dielektriksel polarizasyon, böyle maddelere de
izalatör denir. Elektriksel etkilenmenin şiddeti E dielektrizite
sabitesi ile ifade edilir. Normal sıcaklıkta (18 C) havanın
dielektrizite sabitesi 1,000546, suyunki ise 81’dir.
Aragonit, Beril, Elmas, Florit, Kalsit, Kuvars, Rutil, Kayatuzu,
Turmalin
İzolatör kristallerin elektriksel özellikleri ve kafes yapıları
incelendiğinde; şu ilişkilerin varlığı görülür:
1-İyon-, atom- ve molekül-kafesli, şeffaf, metalik
olmayan mineraller izolatördür.
2-Dielektriksel sabitesinin büyüklüğü kafes yapıtaşlarının
büyüklüğüne bağlıdır.
Piroelektrizite ve Piyezoelektrizite
İzolatör bazı kristaller, dışarıdan uygulanan ısı ve basınç gibi
bazı etkenlerle elektriklenebilirler.
Termik bir etkenle kristal kafesin deformasyonu neticesinde
meydana gelen elektriklenmeye piroelektrizite,
mekaniksel bir etkenle kristal kafesin deformasyonu sonucu
meydana gelen elektriklenmeye de piyezoelektrizıte denir.
Piroelektriksel kristaller: turmalin
Piyezoelektrizıte gösteren kristaller; kuvars en güzel örnektir.
Kuvars piyezoelektrizıte özelliğinden dolayı teknikte, özellikle
telsiz haberleşme gereçlerinde, metalurjide kalite kontrolunde,
hassas kuvars saaatlerinin üretiminde, tıpta ve yiyeceklerin
kontrolünde oldukça önemlidir.
Piroelektrizite ve piyezoelektrizite kristalin atom ağı seviyesindeki
yapısı ile açıklanabilir.
MİNERALLERİN PRATİK TANINMASINDA
YARARLANILAN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ
►
►
►
►
►
►
►
►
Renk,
Şekil-biçim,
Parlaklık,
Sertlik, elastikiyet,
Dilinim/süreksizlik yönleri,
Özgül ağırlık,
Manyetik özellik,
Kimyasal özellikler (tat alma, asit testi, ...)
Dilinim ve elastikiyet için en güzel örnek mikalar.
Kayatuzu, üç yönde
dilinimli
İki yönde dilinim gelişmiş Jips
(selenit) minerali
Y. Eren, 2007
Renk
Parlaklık
1. Metalik parlaklık
2. Metalik Olmayan parlaklık
Yağsı (kükürt),
Camsı (kuvars)
İpeksi, (asbest),
Sedefsi (mika),
Manyetizma
Manyetit
Özgül Ağırlık
kuvars
turmalin
KRİSTAL KİMYA
►Kristal
kimyanın görevi; kristallerin kimyasal bileşimi ile fiziksel
ve geometrik özellikleri arasındaki ilişkileri saptamak, özellikle
kristal yapılarının (strüktürlerinin), yani kristaldeki atom
dizilişlerinin hangi esaslara göre onun kimyasal bileşimine bağlı
olduğunu ortaya çıkarmaktadır.
►Bir
diğer ifade ile kristal kimyanın vazifesi; kristalin maddeler
yapısında etkin olan kimyasal yasaları göstermek, bunlar
yardımıyla fiziksel ve geometrik özelliklerini açıklamak, farklı
kristaller arasındaki belirli ilişkileri ortaya çıkarmaktır. Tek tek
moleküllerle ilgilenen molekülkimyasından farklı olarak,
kristalkimya sayısız atom ve moleküller arasındaki karşılıklı
etkilerden bahseder.
KRİSTAL KAFESİN YAPI UNSURLARI
►
►
►
Atom ve İyon Çapları
Kristal kafesi oluşturan atom ve iyonlar birbirleriyle karşılıklı
temas eden kürecikler şeklinde kabul edilir ve
yarıçaplarının toplamı aralarındaki mesafeyi oluşturur.
Atomun yapısı;
Çekirdek: Proton (pozitif yüklü)
Nötron (yüksüz)
Çekirdekteki proton sayısı, atom numarasını ve
elementin adını belirler
6 protonlu element: karbon (C)
Karbona bir proton ve bir elektron eklenmesi sonucu
Nitrojen elementi oluşur (N)
Kütle numarası, atomun çekirdeğindeki
proton ve nötronların sayısına eşittir
Koordinasyon grupları ve sayıları
Kristal yapı unsurları katı kürecikler şeklinde kabul edildiğinde, farklı büyüklükteki
küreciklerin karşılıklı temaslarında bunlar mümkün geometrik dizilişler,
koordinasyon grupları meydana getirebilir.
a) A küresi üç tane B küresiyle sarılmıştır.B küreleri bir eşkenar üçgen oluştururlar.
b) A küresi dört tane B küresi ile sarılmıştır. Bu suretle tetraedrik bir dizilim meydana
gelmiştir.
c) A küresi altı tane B küresiyle sarılmıştır. Küreler bir oktaeder şeklinde
gruplanmıştır.
d) A küresi sekiz tane B küresi ile sarılmıştır ve küp şeklinde bir dizilim meydana
gelmiştir.
KRİSTAL KAFESTEKİ KİMYASAL BAĞLAR
►
Kristal kafesi oluşturan
yapıtaşları arasında özellikle
dört ayrı kimyasal bağ
mümkündür.
►
İyonik Bağ (Heteropolar
Bağ),
Atomik Bağ (Homoopolar
Bağ veya Kovalent Bağ),
Metalik Bağ
Van der Waals Bağ
(Molekül Bağ).
►
►
►
1. İyonik Bağ (Heteropolar Bağ)
►
►
►
►
İyonik bağlı kafeslerde kimyasal unsurlar, pozitif ve negatif
elektrik yüklü iyonlar, yani katyon(+) ve anyon (-) lardır.
Bir başka ifade ile, atomlar elektriksel nötr durumlarını
elektron vermek veya almak suretiyle yitirmişlerdir.
Bu tip kimyasal bağlarda atom elektronlarını vermekte, bir
diğer atom da bunları almakta, bu suretle oluşan iyonlar dış
elektron yörüngeleriyle asal gaz yapısına, dolayısıyla büyük
kararlılığa sahip olmaktadır.
Kafeste bulunan iyonlar Coulomb elektrostatik çekme
kuvveti ile birbirine bağlanmaktadır. İyonların birbirini
çekme kuvveti elektrik yükleri ile doğru, iyon çapları ile
ters orantılıdır.
►
Burada K çekme kuvveti, n dielektrizite sabitesi, e1 ve e2
elektrik yükleri, r1 ve r2 pozitif ve negatif elektrik yüklü iki
iyonun çaplarıdır.
►
K= 1/n . (e1 . e2) / (r1 + r2)
İyonik bağlı kristallerin;
a. Elektrik iletgenlikleri çok azdır.
b. Erimiş olduklarında oldukça büyük elektrik iletgenliğine
sahiptir.
c. Genellikle suda kolay çözünürler.
d. Erime ve süblimasyon (katıgaz) dereceleri yüksektir.
e. Genellikle şeffaf, renksiz ve renkli-şeffaftırlar.
f. Termik-genleşme, kompresibilite (sıkıştırılabilme), sertlik,
kopma gibi diğer fiziksel özellikler iyonik bağın şiddetine
bağlıdır.
2. Atomik Bağ (Homoopolar veya
Kovalent Bağ)
Atomlar dış yörünge elektronlarını ortak kullanarak yapılarını
asal gaz yapısına çevirirler.
Örneğin, klor atomunun dış yörüngesinde 7 elektron bulunmakta,
iki klor atomu yan yana gelerek dış yörüngelerindeki bir
elektronu ortak kullanarak 8 elektrona sahip olurlar ve kararlı
asal gaz yapısına ulaşırlar. (Cl+Cl -- ClCl ). Oluşan moleküller
Wan der Waals gibi başka kuvvetlerle birbirlerine bağlanarak
zincir oluşturabilirler.
Kovalent bağlı kristallere elmas örnek olarak verilebilir.
►
Kovalent bağlı kristaller şu karakteristik özelliklere
sahiptir;
a. Koordinasyon sayısının küçük olduğu durumlarda Cl2,
HCl, H2O, S8, P4 vs gibi tek molekül oluştururlar.
b. Erime ve buharlaşma dereceleri düşüktür.
c.Yüksek koordinasyon sayılı kristaller genellikle suda
çözünmezler, yüksek sertliğe ve erime derecelerine
sahiptirler.
d. Elektriği iletmezler, katı ve erimiş durumlarında iyi
izolatördürler.
e. Işığı kırma indisleri yüksek, refleksiyon (yansıtma)
yetenekleri kuvvetlidir. Örn: elmas ve karbidler.
f. Kristalin ve çözünmüş durumlarında farklı absorpsiyon
gösterirler. Buna karşılık iyonik bağlı kristallerde kristalin
fazdan çözünmüş faza geçişte herhangi bir absorpsiyon
değişimi beklenmez.
Metalik Bağ
► Atomlar
asal gaz yapısına dönüşme
eğilimindedir. Bunun için atomlar değerlik
elektronlarını vererek bir elektron bulutu
meydana getirmişlerdir. Bu elektron bulutu
içinde pozitif atom gövdeleri biraraya
toplanmış olup, bunlar arasındaki çekme
kuvveti kafes enerjisini meydana getirir.
Elementlerin çoğunluğu, 3/4 kadarı metalik bağa sahiptir.
Gerek katı, gerekse erimiş durumdaki metalik bağlı
kristaller;
a. Elektrik ve ısı iletgenlikleri yüksektir.
b. Işığı geçirmezler, yani şeffaf değillerdir.
c. Az veya çok metalik parlaklığa sahiptirler.
Metallerin erime ve kaynama dereceleri, termik
genleşmeleri, kompresibilite ve plastik şekillenme gibi diğer
mekanik ve fiziksel özellikleri bağ kuvvetlerinin farklığına
göre değişir.
4. Van der Waals Bağ (Molekül Bağ)
İyonik, kovalent ve metalik bağ tek başına asal gazların ve
moleküllerin (N2, H2, O2, CH4, C2H6, S8, As4O6 vs.) kristal
durumuna geçmesini mümkün kılmamaktadır.
Bu tip kimyasal unsurların birleşmesinde Van der Waals kuvveti
adı verilen zayıf bir ek kuvvet daha vardır. Van der Waals
kuvvetlerine diğer bağların egemen olduğu kristal kafeslerde de
rastlanmakla birlikte, diğer bağ kuvvetlerine göre çok küçüktür.
Bu nedenle, ancak çok düşük sıcaklıklarda asal gaz ve
moleküllerde fark edilebilecek niteliktedir.
Bu tip bağ organik bileşiklerde oldukça yaygındır. Minerallerde
ise kükürt (S8), realgar (As4S4), kalomel (Hg2Cl2), arsenolit
(As4O6) ve senarmontit (Sb4O6) bu gruba girerler. Van der
Waals bağa sahip kristallerin sertlikleri çok düşük olup, elektriği
de iletmezler.
Minerallerin çok az bir kısmında bir tek tip kimyasal bağ
mevcuttur. Çoğu kristallerde karışık bağlar egemendir.
POLİMORFİ VE İZOMORFİ
►
►
►
Polimorfi
Aynı kimyasal bileşime sahip bir maddenin iki veya daha fazla
kristal tipinde, yani farklı strüktürlerde oluşabilmesine
polimorfi, bu kristal tiplerine de polimorf kristaller denir.
Bir polimorf maddenin farklı dizilimlerine ise modifikasyon
denir. O halde modifikasyonlar aynı kimyasal bileşime sahip
bir maddenin farklı durumlardaki halleridir. İki kristalin
modifikasyona sahip maddelere dimorf, üç modifikasyona
sahip olanlara ise trimorf, fakat genel olarak polimorf denir.
Aynı elementin modifikasyonlarına ise allotrop
modifikasyonlar denir.
Örneğin kükürt, karbon ve bir çok metalin allotrop
modifikasyonları mevcuttur.
Polimorf maddelerin farklı kafes yapıları, onların sertlik,
dilinimlenme, yoğunluk, erime noktası vs. gibi fiziksel, keza
kimyasal özelliklerinin farklı olmasına neden olur.
Madde sabit P altında belirli bir T’de diğer modifikasyonuna
dönüşür. Bu sıcaklık noktasına dönüşüm noktası denir. Bu,
iki kristalin yanyana kararlı olduğu noktadır
Madde
Kararlı
Kararsız
modifikasyon
modifikasyon
Karbon (C)
Grafit (Hekzagonal) Elmas (Kübikhemimorf)
Pirit (Kübik
Markasit
Demir sülfür (FeS2)
paramorf)
(Ortorombik)
Civa sülfür (HgS)
Sinnober (Trigonal Metasinnober
enantiyomorf)
(Kübik)
Kalsiyum karbonat (CaCO3) Kalsit
Aragonit
(Romboedrik)
(Ortorombik)
►
İki tip dönüşüm vardır. Monotrop dönüşüm 'de süreç tek yönlü,
enantiyotrop dönüşüm 'de ise süreç iki yönlüdür (tersinir).
Politipi
Polimorfinin özel bir tipi politipidir. Polimorf bir maddenin cekseni yönünde farklı kafes sabitesine sahip olmasına politipi
denir.
Politip strüktüre en karekteristik örnek kaolinit, dikit ve nakrit,
Al4((OH)8/Si4O10), polimorflarıdır.
İzomorfi
Kristallerin aynı sınıfa ve benzer kimyasal bileşime sahip olması
ve değişik oranlarda birbiriyle karışabilmesine izomorfi, bu tip
kristallere ise izomorf kristaller denir.
İzomorfiye tipik bir örnek olarak feldispatlar verilebilir. Ortoklaz
(KalSi3O8), albit (NaAlSI3O8) ve anortit (CaAl2Si2O8). Bu
üyelerden albit ve anortit birbirleriyle sürekli karışım kristalleri
(plajiyoklazlar) oluşturmasına rağmen, ortoklaz diğer üyelerle
sürekli karışamaz.
İzotipi
Aynı strüktüre ve atomik oranlara sahip, yapıtaşlarının yarıçap
oranları eşit veya yaklaşık eşit olan kristallere izotip kristaller
denir. Diğer bir ifadeyle, iki kristalin izotip olabilmesi için;
• aynı simetriye (hacim grubu),
• belirli mesafede içi içe geçmiş iki aynı kafese,
• ayrıca iki kafesin aynı eksenler ilişkisine ve parametre
değerlerine sahip olması gerekir.
Izotip kristallere halit (NaCl), galenit (PbS) ve periklaz (MgO)
örnek verilebilir. Bu kristaller aynı yapıda olup, NaCl yapısında
(yüzey merkezli küp kafes) kristalleşirler.
Diyadohi (Sübstitüsyon)
Kristal kafesteki bir yapıtaşının (atom ve iyon) yerini bir başka
yapıtaşının almasına diyadohi, birbirlerinin yerini alan
elementlere de diyadoh elementler adı verilir.
KRİSTALLERDE ÖRGÜ HATALARI
►Kristallerde
teorik ve deneysel değerler arasındaki
uyuşmaksızlıklar örgü hataları'nın varlığını ortaya koymaktadır.
Kristal Örgü Hatalarının Sınıflandırılması
I. Strüktürel (yapısal) Örgü Hataları
1. Noktasal Örgü Hataları
a) Ara yabancı atom hataları
b) Boşluk hataları
c) Schotty ve Anti-Schotty hataları
d) Frenkel ve Anti-Frenkel hataları
2. Çizgisel Örgü Hataları
a) Kamasal hatalar
b) Vidasal (helezoni) hatalar
3. Düzlemsel Örgü Hataları
a) Kristal içi hatalar
b) Kristal yapışma yüzeyleri hataları
c) Dizilim hataları
4. Hacimsel Örgü Hataları
II. Kimyasal Örgü Hataları
III. Elektiriksel Örgü Hataları
Götit+kuvars