Kristályrács

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A kristályrácsok a kristályos anyagokban a részecskék a tér minden irányában szabályos rendben helyezkednek el, térrácsot alkotnak. Ezek az anyagok jellemző hőmérsékleti ponton, az olvadásponton olvadnak meg. A kristály rácspontjaiban található anyagi részecskék és a közöttük működő erők típusa szerint négyféle rácstípust különböztetünk meg: atom-, fém-, molekula-, ionrács.

Atomrács[szerkesztés]

Gyémántrács

Rácspontjaiban atomok helyezkednek el, melyeket meghatározott számú, irányított kovalens kötés kapcsol össze. Az erős kovalens kötés következtében az atomrácsos kristályok kemények, a hőt és az elektromosságot nem, egyes esetekben igen gyengén vezetik. (pl.: szilícium: félvezető). Olvadáspontjuk magas, sem vízben, sem szerves oldószerekben nem oldódnak. Ilyen elemek, pl.: gyémánt, szilícium, germánium, bór. Vegyületek: kvarc, cink-szulfid, szilícium-karbid.

Gyémánt[szerkesztés]

Minden szénatomhoz négy másik szénatom kapcsolódik szigma-kötéssel. Az atomrács tetraéderes, térhálós, a kötésszög 109,5 °. Az erős kovalens kötések miatt a legkeményebb természetes anyag, olvadáspontja is nagyon magas, kb. 3500°C.

Cink-szulfid[szerkesztés]

Egyik módosulatának kristályszerkezete nagyon hasonlít a gyémántéhoz, annak megfelelő elrendezésben cink és kénatomok helyezkednek el. A módosulat neve: szfalerit. Néhány atomrácsos elem kötése átmenetet képez a fémes kötés felé, pl.: szelén.

Fémrács[szerkesztés]

Rácspontjaiban pozitív töltésű fématomtörzsek vannak, amelyeket a hozzájuk közösen tartozó delokalizált elektronok kötnek össze. A fémes kötés nem irányított, a közös elektronok a rácspontok között viszonylag szabadon mozognak. Ez a szerkezet magyarázza a fémek tulajdonságát: jól vezetik az áramot és a hőt. Az elektromos vezetést a fémes rácsban szabadon elmozduló „elektrongáz” teszi lehetővé. A fémrács delokalizált elektronjai bármilyen hullámhosszú sugárzással gerjeszthetők, ezért a fémek átlátszatlanok, és általában szürke színűek (kivétel: arany, réz). Az erős fémes kötés miatt halmazállapotuk szobahőmérsékleten szilárd, kivéve a higany, amely folyékony halmazállapotú. A fémek többi tulajdonsága a rácsban lévő tömegpontok méretétől és a közöttük működő erők nagyságától függ.

Lapközepes köbös rács
Térközepes köbös rács

A fémes rácsban a rácsot alkotó azonos részecskék a legszorosabb illeszkedésre törekszenek. A fémrács az alábbi alapvető típusokba sorolhatók:

A rács olyan kockából épül fel, melyben a részecskék a csúcsokban és a lapok középpontjában vannak. Pl.: arany, ezüst, réz, alumínium.

  • térben középpontos kockarács:

A részecskék a kocka csúcsaiban és a középpontjában helyezkednek el. Pl.: nátrium, kálium, vas.

Olyan hatszög alapú hasábokból épül fel, amelynek két lapján hét-hét, a hasáb közepén pedig három részecske van. Pl.: magnézium, nikkel, cink.


A fémek mérsékelt alakváltozással szemben rugalmasan viselkednek, ha az alakváltoztató ok megszűnik, eredeti alakjukat nyerik vissza. Maradandó alakváltoztatást is előidézhetünk, ez a fémekre jellemző megmunkálhatóság. Kalapálhatók, nyújthatók, a megmunkálhatóság oka a fémes rács. Ütésre, nyomásra, húzásra a rácspontok bármely síkban elcsúszhatnak, egy másik tömegpont helyét foglalják el, végül ugyanolyan kristályrács alakul ki, mint az eredeti. A legjobban megmunkálhatók a lapon középpontos kockarácsot alkotó fémek, pl.: a réz, az arany jól nyújtható, kalapálható, az alumíniumból vékony fólia készíthető. A térben középpontos kockarácsú fémek egy része nagyon lágy, pl.: a nátrium késsel vágható; másik része igen kemény, pl.: króm, amely acéllal ütve szikrázik. A hatszöges rácsszerkezetű fémek ridegebbek, keményebbek, nehezebb megmunkálni őket, pl.: cink, nikkel. A fémek sűrűsége tág határok között mozog, általában annak a fémnek nagyobb a sűrűsége, amelynek nagyobb az atomtömege. Sűrűségük alapján két csoportba oszthatjuk őket: könnyűfémek ρ<5 g/cm³, pl.: nátrium, alumínium; nehézfémek ρ>5 g/cm³, pl.: vas, réz. A fémek olvadáspontja és keménysége a fémes kötés erősségétől függ, minél nagyobb a kötés erőssége, annál keményebb a fém, és annál magasabb az olvadáspontja. Oldódásuk eltér a nemfémek oldódásától: kémiai átalakulás nélkül csak egymás olvadékaiban oldódnak. A fémelegyek olvadékának megszilárdulásával keletkező anyag az ötvözet.

Molekularács[szerkesztés]

Ezeknek az anyagoknak egy részük szobahőn gáz halmazállapotú, megfelelő hőmérsékleten azonban szilárd molekularácsba rendeződnek. A kristályok rácspontjaiban molekulák helyezkednek el, ezeket a molekulákat gyenge másodlagos kötőerők tartják össze. A másodlagos kötések miatt keménységük kicsi, olvadás- és forráspontjuk alacsony, egyesek szublimálnak (kámfor). A rácsban a részecskék illeszkedése laza, térkitöltésük csekély. Az elektromos áramot sem kristályos, sem olvadt formában nem vezetik. A molekulák közti kötőerő attól függ, hogy a rácsban apoláris vagy poláris molekulák kapcsolódnak össze. Az apoláris molekulák között lényegesen gyengébb kötőerők működnek, mint a poláris molekulák között, így az apoláris molekulák csak igen alacsony hőmérsékleten képesek kristályossá válni, pl.: H2, O2, N2. A molekulák méretének növekedésével nő a polarizálhatóságuk, a diszperziós kötések erősödnek, ezért a kristályok olvadáspontja emelkedik. Azoknál a molekularácsos anyagoknál, amelyekben hidrogénkötések is kialakulhatnak, az olvadáspont értékek a moláris tömeg alapján a vártnál magasabbak. Oldódásukra érvényes a hasonló hasonlót old szabály, pl.: az apoláris jód és kén nem oldódik poláris, de oldódik apoláris oldószerekben.

Ionrács[szerkesztés]

Az ionrács rácspontjaiban elhelyezkedő pozitív és negatív töltésű ionokat elektromos kölcsönhatás, az ionkötés tartja össze. Az ionok pozitív és negatív töltésének mennyisége megegyezik, ezért az ionkristályok sem mutatnak kifelé töltést. Az ellentétes töltésű ionok egymáshoz közel, az azonos töltésűek egymástól távol helyezkednek el. A rácsban összetett ionok is lehetnek, pl.: CO2−3. Az ionvegyületek a kötés erőssége miatt általában kemények, olvadáspontjuk magas. Az ionok helyhez kötöttek, az elektromos áramot nem vezetik, olvadékuk és oldatuk azonban vezeti azt. Az ionvegyületek képlete az ionok számarányát fejezik ki. Az ionkristályos anyagok ridegek, törékenyek, ez a részecskeszerkezetük következménye. Ha külső hatásra a rácscsík eltolódik, azonos töltésű ionok kerülnek egymás mellé, amelyek taszítják egymást.

Grafit- átmeneti rács[szerkesztés]

A kristályrács rétegeiben elhelyezkedő minden szénatom három szigma-kötéssel kapcsolódik három szomszédos szénatomhoz, ez adja a grafit atomrácsos jellegét. Minden szénatom negyedik elektronja delokalizáltan erősíti meg a szigma-kötéseket a síkban, a delokalizált elektronok miatt vezeti a grafit az elektromosságot. Ez a tulajdonság a fémrácsos anyagokra jellemző. A rétegeket gyenge másodlagos kötőerők tartják össze, hasonlóan, mint a molekularácsos anyagokban. A rétegen belüli erős kötések miatt azonban olvadáspontja magas. A síkok nehezen darabolódnak, de egymáson könnyen elcsúsznak, ezért jó kenőanyag a grafit, ezt mutatja az is, hogy a papíron nyomot hagy.