Krystaly – „nerostné kv tiny“...

Podještědské gymnázium, s.r.o., Liberec, Sokolovská 328

Krystaly – „nerostné květiny“

(projekt)

Zpracovala: Jana Kittnerová

Ročník: septima 2010/2011

Zadal: Mgr. Jiří Machačný

Konzultant: Mgr. Zora Blažková

Datum odevzdání: 29. září 2010

OBSAH

ÚVOD ........................................................................................................................................ 3

1. Krystalografie ......................................................................................................................... 4

1.1 Krystalografie morfologická ............................................................................................. 4

1.2 Krystalografie strukturní ................................................................................................... 4

1.3 Krystalografie fyzikální .................................................................................................... 5

1.4 Krystalografie chemická ................................................................................................... 5

1.5 Krystalografie užitá .......................................................................................................... 5

2. Krystal .................................................................................................................................... 6

2.1 Pevné látky ....................................................................................................................... 6

2.2 Struktura krystalu ............................................................................................................. 6

2.3 Reálný krystal ................................................................................................................... 6

2.4 Formy krystalů .................................................................................................................. 7

2.5 Vazby v krystalech ........................................................................................................... 7

3. Krystalická mřížka ................................................................................................................. 8

3.1 Bravaisovy mřížky ............................................................................................................ 8

3.2 Centrování buněk .............................................................................................................. 9

3.3 Poruchy v krystalické mřížce ........................................................................................... 9

4. Krystalizace .......................................................................................................................... 10

4.1 Krystalizace z par ........................................................................................................... 10

4.2 Krystalizace z taveniny ................................................................................................... 10

4.3 Krystalizace z roztoku .................................................................................................... 10

4.4 Krystalová voda .............................................................................................................. 11

4.5 Růst krystalu ................................................................................................................... 11

4.6 Izomorfie ........................................................................................................................ 11

Krystaly vybraných solí ........................................................................................................... 12

ZÁVĚR ..................................................................................................................................... 25

Literatura .................................................................................................................................. 26

Přílohy ...................................................................................................................................... 27

3

ÚVOD Krystal je jedna z nejběžnějších forem výskytu pevných látek. Tato práce popisuje vznik této

formy a možnosti strukturního uspořádání, včetně možných odchylek od ideálního stavu.

Práce představuje vědu krystalografii, která se zabývá studiem krystalů, a její dělení. Cílem

práce je tento obor představit středoškolskému publiku. V části Krystaly vybraných solí bylo

cílem zmapovat možnosti jednotlivých sloučenin pro demonstraci v hodinách. Z tohoto

důvodu byly vytvořeny krystaly vybraných sloučenin z nasycených roztoků a pořízena

fotodokumentace výsledku.

4

1. KRYSTALOGRAFIE Krystalografie je věda o krystalech, zabývá se vnější i vnitřní stavbou krystalů, dále zkoumá

poruchy v ideální struktuře krystalu, jejich fyzikální a chemické vlastnosti a možnosti

technického využití krystalů.1

Název pochází z řeckého slova kristallos, které znamená led nebo ledový kus. Tento význam

mu dává již Homér ve svých eposech z 8. století př. n. l. Z řečtiny pochází také slovo

symetrie, neboli souměrnost, které se v krystalografii hojně využívá. Zavedl ho řecký

kovolijec Pythagoras z Rhegia pro vyjádření krásy a harmonie přírody a umění.2

1.1 Krystalografie morfologická Morfologická krystalografie zkoumá zákonitosti vnějšího tvaru krystalů. Předmětem

zkoumání morfologické krystalografie jsou krystaly omezené pouze vlastními plochami,

nikoliv prostředím. Takovéto krystaly jsou v přírodě velice vzácné. Krystal, nebo přesněji

krystalový mnohostěn, omezený pouze vlastními plochami vyhovuje Eulerově3 rovnici:

P + R = H + 2

Kde P je počet ploch, R je počet rohů a H je počet hran krystalu.4

Dále se morfologická krystalografie zabývá vznikem a růstem krystalů a symetrií vnější

stavby krystalu.

1.2 Krystalografie strukturní Strukturní krystalografie se zabývá studiem vnitřního uspořádání krystalů – struktury. Dále si

všímá poruch ideální struktury a jejich vlivu na vlastnosti krystalu. Zkoumá také vnitřní

symetrii.

1 Chvátal, M. Mineralogie pro 1. ročník – Krystalografie. 1. vydání. Praha: Karolinum 2002. ISBN 80-7184-998-7. s. 9 2 Kříž, D. Úvod do krystalografie a strukturní analýzy. http://www.xray.cz/krystalografie 3 L. Euler (1707 – 1783) – švýcarský matematik, který definoval vztah mezi počtem ploch, rohů a hran v mnohostěnu 4 Pro plochy, rohy a hrany platí: dvě plochy se setkávají v hraně, tři a více ploch v rohu.

5

1.3 Krystalografie fyzikální Fyzikální krystalografie, nebo též krystalofyzika či krystalová fyzika, se zabývá fyzikálními

vlastnostmi krystalů. Základem k výzkumu je strukturní analýza krystalu, protože krystaly se

stejným chemickým složením, ale jinou strukturou mohou mít různé fyzikální vlastnosti.

1.4 Krystalografie chemická Chemická krystalografie, nebo též krystalochemie či krystalová chemie, zkoumá vztah mezi

vnitřní stavbou a fyzikálně-chemickými vlastnostmi krystalu. Zabývá se velikostí a tvarem

atomů a iontů a silami, které tyto částice vážou a udržují v dané poloze.

1.5 Krystalografie užitá Užitá krystalografie využívá fyzikální vlastnosti krystalů k technickým účelům. Dále se

zabývá vývojem syntetických krystalů a jejich využitím.

6

2. KRYSTAL Látky se vyskytují ve třech skupenstvích: plynném, kapalném a pevném. Plynné látky nemají

pro tuto práci význam. Mezi kapalné látky řadíme tekuté krystaly. Tekutý krystal je fáze látek,

která se existencí anizotropie5 podobá krystalům, ale tekutostí a snadnou změnou tvaru

kapalinám.6 Tato práce se jimi dále nezabývá. Krystaly, které popisuje tato práce, náleží mezi

látky pevné.

2.1 Pevné látky Pevné látky se rozdělují na látky amorfní a látky krystalické. Uspořádání částic amorfních

látek je náhodné a jejich struktura se podobá struktuře kapalin. Částice krystalických látek

jsou uspořádány do krystalové mřížky. Základem této mřížky je elementární buňka, která se

neustále opakuje. Do látek krystalických řadíme nejenom látky, které v přírodě vznikají

v podobě krystalů, ale všechny látky, jejichž vnitřní strukturou je krystalická mřížka.

2.2 Struktura krystalu Struktura krystalické látky je konkrétní rozmístění částic v krystalu. Podle struktury a délky

opakování základního mnohostěnu se určuje, jedná-li se o krystal ideální, dokonalý nebo

reálný. Ideální krystal má pravidelnou strukturu zcela bez poruch opakující se do nekonečna.

Dokonalý krystal je ukončený ideální krystal. Oba tyto krystaly se v přírodě nevyskytují a

slouží pouze jako fyzikální modely.

2.3 Reálný krystal Reálný krystal je konečný krystal s řadou chemických či geometrických odchylek od

ideálního krystalu. K reálným krystalům náleží všechny krystalické látky. Některé látky se

vyskytují ve více krystalických modifikacích – tvoří více typů krystalické mřížky. U

sloučenin se tento jev nazývá polymorfie ale u prvků alotropie.

5 Anizotropní látka má různé vlastnosti v různých směrech. 6 Všeobecná encyklopedie 2. svazek. 1. vydání. Praha: Nakladatelský dům OP 1996. ISBN 80-85841-33-9. s. 401

7

2.4 Formy krystalů Krystaly se v přírodě nacházejí ve více formách. Vzácně se v přírodě vyskytují monokrystaly

– samostatně rostoucí krystaly. Mnohem častěji se vyskytují drůzy – ,,slepence“ většího

množství krystalů. Dále se v přírodě nacházejí agregáty – navzájem prorostlé skupiny

krystalů.

2.5 Vazby v krystalech Částice v krystalech jsou vázány různými druhy vazeb. Podle těchto vazeb se rozlišuje pět

druhů krystalů. Vazby jsou rozdělené na silné kovalentní, kovové a iontové vazby a slabé

vodíkové a van der Waalsovy vazby. V krystalech se nacházejí tyto vazby:7

• Kovalentní vazba k sobě váže atomy. Vzniká přiblížením dvou atomů do takové

blízkosti, že se jejich atomové orbitaly překryjí. V této oblasti lze najít elektrony

náležící obou atomům. Tyto elektrony udržují atomy pohromadě. Tato vazba se

nachází u atomových krystalů. A mezi atomy v jedné vrstvě u vrstevnatých krystalů.

• Kovová vazba se skládá z kationtů a elektronového mraku. Kolem kationtů se volně

pohybují elektrony – elektronový mrak, který zajišťuje vodivost této vazby. Atomové

orbitaly jsou spojeny do energetických pásů. Tato vazba se nachází v kovových

krystalech.

• Iontová vazba se nachází mezi anionty a kationty. Krystaly s touto vazbou se nazývají

iontové krystaly.

• Vodíková vazba je kovalentní vazba mezi vodíkem a dalším prvkem.

• Van der Waalsova vazba je vazba mezi polárními molekulami nebo ionty. Jedná se o

přitahování kladně nabitých částí molekuly k záporně nabitým. Tato vazba se nachází

u molekulových krystalů a mezi vrstvami u vrstevnatých krystalů.

7 http://fyzika.jreichl.com/index.php?sekce=browse&page=763

8

3. KRYSTALICKÁ M ŘÍŽKA Krystalická mřížka vyjadřuje rozmístění mřížkových bodů v krystalu. Základem je

elementární buňka – rovnoběžnostěn s parametry mřížky. Parametry mřížky jsou vektory a, b,

c na osách x, y, z a úhly α, β, γ mezi nimi. Body elementární buňky se periodicky opakují,

posunuty vždy o příslušný vektor.8

3.1 Bravaisovy mřížky V krystalu lze najít velké množství krystalických mřížek, protože je možné spojit zvolený

počáteční bod s třemi dalšími body velkým množstvím možností. Proto byla ustanovena

pravidla pro výběr základní buňky:

• Základní buňka co nejlépe vystihuje symetrii krystalu.

• Základní buňka má co největší počet pravých úhlů nebo stejných úhlů a co nejvíce

stejných hran (viz příloha č. 1: Tabulka základních buněk a jejich parametrů).

• Při splnění předcházejících podmínek má základní buňka co nejmenší objem.

Pomocí těchto pravidel bylo stanoveno čtrnáct základních buněk (mřížek). Tyto základní

mřížky se též nazývají Bravaisovy9 mřížky (viz příloha č. 2: Čtrnáct Bravaisových buněk).

Mezi těmito mřížkami najdeme i takové, které mají stejný základní rovnoběžnostěn, ale jsou

různě centrované.10

8 Chvátal, M. Mineralogie pro 1. ročník – Krystalografie. 1. vydání. Praha: Karolinum 2002. ISBN 80-7184-998-7. s. 65 9 A. Bravais (1811 – 1863) – francouzský krystalograf, který jako první použil tuto metodu určování krystalické mřížky 10 Chvátal, M. Mineralogie pro 1. ročník – Krystalografie. 1. vydání. Praha: Karolinum 2002. ISBN 80-7184-998-7. s. 66

9

3.2 Centrování buněk Mřížka, která má mřížkové body pouze ve vrcholech buňky, se nazývá primitivní (značení P,

v romboedrické soustavě R). Mřížky, ve kterých se nacházejí mřížkové body i mezi vrcholy

buňky se nazývají centrované. Existují tři typy centrovaných buněk (příloha č. 3: Typy

centrování buněk):11

• Bazálně centrované buňky mají dva mřížkové body uprostřed protilehlých ploch

(značení A, B, C12).

• Prostorově centrované buňky obsahují mřížkový bod na průsečíku tělesových

úhlopříček (značení I).

• Plošně centrované buňky mají mřížkový bod uprostřed každé plochy buňky

(značení F).

3.3 Poruchy v krystalické mřížce Reálný krystal téměř vždy obsahuje nepravidelnost v krystalické mřížce. Tyto nepravidelnosti

se nazývají poruchy a dělí se na čtyři typy: bodové, čárové, plošné a objemové.13

Bodové poruchy:

• Vakance nastává, pokud v krystalické mřížce chybí jedna částice.

• Intersticiální porucha nastává, pokud v krystalické mřížce jedna částice přebývá.

• Substituce je nahrazení částice krystalické látky částicí jiné krystalické látky.

• Frenkelova porucha je kombinace vakance a intersticiální poruchy.

• Schottkyho porucha se vyskytuje u krystalů s iontovou vazbou v případě, kdy dojde

k kationové vakanci, ta musí být vyvážena aniontovou vakancí.

Čárové poruchy – dislokace:

• Hranová dislokace nastává při vložení nebo odstranění řady buněk.

• Šroubová dislokace je posunutí buněk v rovině o velikost rovnoběžného vektoru.

Plošné a objemové poruchy jsou nejčastěji kombinací a násobením bodových a čárových

poruch.

11 Chvátal, M. Mineralogie pro 1. ročník – Krystalografie. 1. vydání. Praha: Karolinum 2002. ISBN 80-7184-998-7. s. 65 12 Bazálně centrovaná buňka A má mřížkové body ve stěně ohraničené hranami b a c. (Podobně u B a C.) 13 Kříž, D. Úvod do krystalografie a strukturní analýzy. http://www.xray.cz/krystalografie

10

4. KRYSTALIZACE Vznik krystalů neboli krystalizace je jev, při kterém se z tekuté látky vlivem prostředí stávají

pevné, pravidelně uspořádané krystaly. Krystaly mohou vznikat z roztoků, tavenin nebo par,

kde změnou tlaku, teploty nebo koncentrace látky může dojít ke krystalizaci. Pro plynulost

procesu je nutné splnění alespoň jedné z následujících podmínek:14

• Snížení teploty výchozí tekuté látky.

• Zvýšení koncentrace krystalizující látky díky odpařování rozpouštědla.

• Dosycování výchozí látky krystalizující látkou.

4.1 Krystalizace z par Krystalizace z par je nejméně běžný způsob vzniku krystalů. Dochází k němu při vzniku

sněhových vloček z vodní páry rozptýlené ve vzduchu, nebo při krystalizaci síry ze sopečných

par. Jedná se o jev desublimace – vykrystalizování plynné látky na chladnějším místě.

4.2 Krystalizace z taveniny Taveninou pro krystalizaci je zejména láva, která je složena z více látek schopných

krystalizace. V závislosti na teplotě a dalších podmínkách postupně krystalizují jednotlivé

složky. Pro krystalizaci je nutný vznik krystalizačního jádra.

4.3 Krystalizace z roztoku Ke krystalizaci z roztoku dochází, pokud látku pro krystalizaci rozpouštíme až do nasycení

roztoku při dané teplotě. Při zahřátí by se roztok stal opět nenasyceným, ale při ochlazení

nebo odpaření rozpouštědla se roztok stane přesyceným a dochází ke krystalizaci. Přirozená

krystalizace nastane po vzniku krystalizačních jader – nukleí. Krystalizaci lze i uměle vyvolat

tzv. očkováním – vložením cizího tělesa do roztoku, tato metoda se využívá při výrobě cukru.

14 http://www.sci.muni.cz/~vavra/vyuka/min-krystal/prednaska3-morfologie_soubory/frame.htm

11

4.4 Krystalová voda Některé krystalické látky obsahují ve své krystalické mřížce vodu, týká se to většiny solí,

například síranu měďnatého. Tyto látky se nazývají hydráty. Voda v nich obsažená se nazývá

krystalová voda. Některé látky tvoří více hydrátů, u kterých obsah krystalové vody záleží na

teplotě při krystalizaci. Většinou platí, že čím menší teplota okolí při krystalizaci, tím více

krystalové vody v hydrátu. Méně stabilní hydráty se samovolně rozpadají na vodu a látku

bezvodou.15

4.5 Růst krystalů Po vzniku krystalizačního jádra začíná růst krystalu, který probíhá přikládáním stavebních

částic na povrch krystalu – apozicí. Konečný tvar krystalu je ovlivněn následujícími

podmínkami:16

• Dostatek atomů nebo iontů a možnost slučovat se v odpovídajících poměrech.

• Fyzikálně chemické podmínky.

• Velikost prostoru.

4.6 Izomorfie Některé látky se mohou ve svých krystalech zastupovat, k čemuž dochází díky jevu izomorfie.

Tímto způsobem vznikají směsné krystaly. Izomorfní krystaly mohou růst v roztoku jiné

podobné látky. Pokud se krystal přesunuje z tohoto roztoku do roztoku látky, kterou je tvořen,

a tyto roztoky mají jinou barvu, výsledný krystal bude po rozříznutí pruhovaný.17

15 http://www.fp.vslib.cz/kch/texty/fp/AOL/AOL_navody.pdf 16 http://www.sci.muni.cz/~vavra/vyuka/min-krystal/prednaska3-morfologie_soubory/frame.htm 17 http://www.sci.muni.cz/mineralogie/kap_1_8_struktura/kap_1_8_struktura.htm#1.8.4.

Krystaly vybraných solí

13

POSTUP PRÁCE

Praktická část projektu se zabývá vytvářením krystalů z nasycených roztoků. Nasycené

roztoky krystalizovaly na Petriho miskách při teplotě 21°C a vlhkosti vzduchu 44%. Krystaly

byly položeny, proto byl jejich růst směrem dolů omezen. Délka krystalizace byla u každé

sloučeniny jiná. Výsledek práce byl vyfotografován a doplněn nákresem.

14

CHLORID DRASELNÝ

Vzorec: KCl

Mřížka: kubická

Barva: bezbarvý

Doba krystalizace: 7 dní

Krystaly se tvořily snadno, na vzduchu dochází k zvětrávání.

Krystaly chloridu draselného. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.

Nákres jednoho krystalu

15

CHLORID KOBALTNATÝ

Vzorec: CoCl2 . 6 H2O

Hydrát: hexahydrát

Mřížka: monoklinická

Barva: červená


Krystalizace probíhala pomalu.

Krystaly chloridu kobaltnatého. Foto: Klára Vohlídková, 27. 9. 2010.


16

CHLORID M ĚĎNATÝ

Vzorec: CuCl2 . 2 H2O

Hydrát: dihydrát

Mřížka: ortorhombická

Barva: zelená

Doba krystalizace: 2 dny


Krystaly chloridu měďnatého. Foto: Klára Vohlídková, 27. 9. 2010.

(Jehlicovité krystaly jsou příliš malé, nejde rozpoznat tvar jejich řezu.)

17

CHLORID SODNÝ

Vzorec: NaCl

Mřížka: kubická

Barva: bezbarvý


Krystaly se tvořily snadno.

Krystaly chloridu sodného. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.


18

SÍRAN HLINITO – DRASELNÝ

Vzorec: KAl(SO4)2 . 12 H2O

Hydrát: dodekahydrát

Mřížka: kubická

Barva: bezbarvý



Krystaly síranu hlinito – draselného. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.


19

SÍRAN CHROMITO – DRASELNÝ

Vzorec: KCr(SO4)2 . 12 H2O

Hydrát: dodekahydrát

Mřížka: kubická

Barva: červenofialová



Krystaly síranu chromito – draselného. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.


20

SÍRAN HOŘEČNATÝ

Vzorec: MgSO4 . 7 H2O

Hydrát: heptahydrát


Barva: bezbarvý



Krystaly síranu hořečnatého. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.


21

SÍRAN MANGANATÝ

Vzorec: MnSO4 . 5 H2O

Hydrát: pentahydrát


Barva: růžová



Krystaly síranu manganatého. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.


22

SÍRAN MĚĎNATÝ

Vzorec: CuSO4 . 5 H2O

Hydrát: pentahydrát

Mřížka: triklinická

Barva: modrá



Krystaly síranu měďnatého. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9. 2010.


23

SÍRAN SODNÝ

Vzorec: Na2SO4 . 10 H2O

Hydrát: dekahydrát


Barva: bezbarvý


Krystalizace probíhala pomalu, na vzduchu dochází k zvětrávání.

Krystaly síranu sodného. Foto: Klára Vohlídková, 27. 9. 2010.


24

SIŘIČITAN SODNÝ

Vzorec: Na2SO3 . 7 H2O

Hydrát: heptahydrát


Barva: bezbarvý


Krystalizace probíhala pomalu, na vzduchu dochází k zvětrávání.

Krystaly siřičitanu sodného. Foto: Klára Vohlídková, 24. 9.2010.


25

ZÁVĚR Označení nerostné květiny může nést jen několik vybraných krystalů, stejně tak ne každý

krystal je drahý kámen. Krystalickou strukturu má mnoho látek, bez kterých bychom se

neobešli.

Tato práce představila krystaly zevnitř a v části Krystaly vybraných solí předvedla

rozmanitost jejich tvarů. Některé látky vykrystalizovaly do roztoku, jiné pouze po odpaření

roztoku na dno Petriho misky. Po porovnání velikosti, doby krystalizace a způsobu jakým

látky krystalizovaly, jsou tyto látky vhodné k ukázce vzniku krystalů:

• Chlorid draselný

• Chlorid sodný

• Síran hlinito – draselný

• Síran chromito – draselný

• Síran měďnatý

• Siřičitan sodný

Vznik krystalů není jednoduchá záležitost, a proto je velký zázrak, že na této planetě vzniklo

tolik krystalických látek.

26

Literatura

Chvátal, M. Mineralogie pro 1. ročník – Krystalografie. 1. vydání. Praha: Karolinum 2002.

ISBN 80-7184-998-7

Julák, A., Štulík, K., Vohlídal, J. Chemické a analytické tabulky. 1. vydání.

Praha: Grada publishing 1999. ISBN 80-7169-855-5

Remy, H. Anorganická chemie 1, 2. 2. vydání.

Praha: Nakladatelství technické literatury n. p. 1971

Všeobecná encyklopedie ve čtyřech svazcích 2. svazek. 1. vydání.

Praha: Nakladatelský dům OP 1996. ISBN 80-85841-33-9

Kříž, D. Úvod do krystalografie a strukturní analýzy. http://www.xray.cz/krystalografie

http://www.fp.vslib.cz/kch/texty/fp/AOL/AOL_navody.pdf

http://fyzika.jreichl.com/index.php?sekce=browse&page=763

http://www.sci.muni.cz/mineralogie/kap_1_8_struktura/kap_1_8_struktura.htm#1.8.4.

http://www.sci.muni.cz/~vavra/vyuka/min-krystal/prednaska3-morfologie_soubory/frame.htm

Date post:	02-Dec-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	1 times
Download:	0 times

Krystaly – „nerostné kv tiny“...

Documents