Starea cristalina

Starea cristalina

Substantele solide poseda forma si volum propriu. Dupa regularitatea repartizarii particulelor in solid exista:

a) substante cristaline;

b) substante amorfe.

Solidele cristaline se prezinta sub forme geometrice vizibil macroscopice sau ca agregate policristaline (gheata, marmura, metale).

Substantele solide cu structura cristalina sunt formate din ioni, atomi sau molecule care se gasesc intr-o ordonare aproape perfecta in tipare geometrice regulate. Gradul inalt de ordonare a structurii cristaline este consecinta echilibrului dintre fortele de atractie si cele de respingere care se manifesta intre aceste componente. Fortele de atractie sunt legaturile ionice, legaturile atomice, fortele Van der Waals, puntile de hidrogen si legaturile metalice, iar fortele de respingere sunt de natura cuantica si se datoresc repulsiei mutuale dintre orbitalii atomilor , ionilor sau moleculelor care compun substanta cristalina.

Cristalul este corpul solid care poseda in exterior o forma geometrica regulata. In cristal particulele sunt aranjate in mod regulat, la anumite distante unele fata de altele.

Cristalele au forme definite , marginite prin fete plane ce se intretaie in muchii care la randul lor se intalnesc in colturi. Elementele de simetrie ale cristalelor sunt axele de simetrie, planele de simetrie si centrul de simetrie.

Axa de simetrie este directia in jurul careia, rotind cu 360⁰ C un cristal, el se prezinta de n ori in pozitii identice cu cea de plecare.

Planul de simetrie taie un cristal in doua jumatati care reprezinta imaginea in oglinda a celeilalte.

Centrul de simetrie este un punct din interiorul cristalului fata de care muchiile, colturile si fetele cristalului sunt simetrice.

Celula elementara este portiunea limitata din reteaua cristalina prin a carei multiplicare in cele trei directii ale spatiului se obtine intregul cristal.

In functie de simetria lor exista sapte sisteme cristalografice:

1) sistemul cubic, cu formele cele mai simple ale sale: cubul si octaedrul.

Cristalizeaza: NaCl, Cu, Ag, Fe, diamant, P₄S, ZnS;

2) sistemul patratic, cu formele sale cele mai simple: prisma patratica si bipiramida patratica. Cristalizeaza: Sn, SnO₂.

3) sistemul rombic cu formele sale prisma rombica si bipiramida rombica.

Cristalizeaza:BaSO₄, K₂SO₄.

4) sistemul monoclinic. Cristalizeaza: sulful, gipsul, criolitul, boraxul, zaharul.

5) sistemul triclinic in care cristalizeaza CuSO₄ . 5H₂O.

6) sistemul trigonal (romboedric) in care cristalizeaza: CaCO₃, MgCO₃, FeCO₃, As.

7) sistemul hexagonal in care cristalizeaza: grafitul, apa, SiO₂, Al₂O₃, Mg, Zn.

Factorii determinanti ai tipului de retea cristalina sunt:

a) compozitia chimica a substantei;

b) dimensiunile particulelor: de exemplu AgF, AgCl, AgBr au o retea de tip NaCl, in timp ce Agl poseda o retea hexagonala.

c) natura fortelor care unesc particulele in retea. Particulele unite prin forte neorientate (ionice, metalice si van der Waals) tind sa se aseze in asa fel incat sa ocupe cat mai complet spatiul disponibil.

Compactitatea unei retele cristaline este influentata de numarul particulelor, raportul razelor lor, forma si polarizabilitatea lor. Cele mai compacte structuri sunt reteaua hexagonala si cubica cu fete centrate, in care spatiul este ocupat in procent de 74%.

Principalele tipuri de cristale sunt:

1) Cristale ionice

Sunt alcatuite din ioni ce se atrag prin forte de natura electrostatica. Se disting:

- retele ionice. Exemple: NaCl, CaF₂.

- retele ionice cu ioni complecsi. Exemple: Na₂SO₄, KNO₃, CaCO₃, NH₄Cl.

2) Cristale covalente (atomice)

Sunt alcatuite din atomi legati intre ei covalent. Aranjamentul atomilor din retea trebuie sa respecte unghiul de valenta, de aceea aceste retele nu sunt compacte.

Cel mai caracteristic cristal covalent este diamantul (cubic cu fete centrate). Cristale covalente mai pot forma: B, C, Si, Ge, As, Bi, Te, Po, SiO₂, SiC.

Retelele cristaline atomice sunt foarte stabile datorita tariei legaturilor covalente. Nu conduc curentul electric si caldura. Nu se solubizeaza in nici un solvent deoarece nu exista substanta cu structura asemanatoare care in conditii normale sa fie lichida. La lovire se sfarama.

Diamantul si grafitul sunt doua forme alotropice ale elementului carbon. Alotropia este existenta unui element in doua sau mai multe structuri cristaline sau moleculare diferite.

Exemple:

C_diamant - C_grafit - C_fulerene;

Sn_alb - Sn_cenusiu;

Fe - Fe - Fe - Fe;

O₂ - O₃.

3) Cristale metalice

Legatura metalica nu este nici orientata, nici rigida, de aceea metalele la lovire nu se sfarama ci se deformeaza, planurile de atomi pot aluneca unele fata de altele, fara ca legatura dintre atomi sa se rupa. Majoritatea metalelor cristalizeaza in retele compacte, cu simetrie inalta: cubica cu fete centrate, cubica centrata intern, hexagonala.

4) Cristale moleculare

In nodurile retelelor cristaline se gasesc molecule sau atomi uniti intre ei prin forte fizice slabe. Punctele de topire si stabilitatea cristalelor moleculare depind de urmatorii factori:

- taria legaturii dintre particule;

- marimea moleculelor;

- masa moleculara;

- simetria moleculelor.

Cu cat masa moleculara si marimea moleculei sunt mai mari, cresc punctele de contact dintre particule si creste punctul de topire: molecule simetrice pot efectua rotatii si vibratii mai ample in raport cu moleculele nesimetrice fara a iesi din sfera de atractie a moleculelor vecine, deci fara sa se distruga reteaua cristalina.

Izomorfism si polimorfism

Doua substante sunt izomorfe daca au o formula moleculara asemanatoare, cristalizeaza in acelasi sistem si pot sincristaliza, adica pot forma cristale mixte. Daca se amesteca solutiile a doua substante izomorfe se depun cristale omogene izomorfe.

Polimorfismul este proprietatea unei substante de a cristaliza in mai multe sisteme cristalografice. Transformarile polimorfe pot fi:

a) monotrope, cand formele alotrope trec una in alta intr-un singur sens.

Exemple: aragonitul (CaCO₃) trece in calcit prin calcinare la 400⁰C.

b) enantiotrope, cand o substanta trece dintr-o forma cristalina in alta, dintre care una este stabila deasupra unei temperaturi, cealalta sub aceasta temperatura. Exemple:

sulf a sulf b

rombic monoclinic

Transformarea de mai sus este reversibila.