Wykład 10: Kryształy kowalencyjne

Wykład 10
Kryształy kowalencyjne
1. Wiązanie atomowe i atomowe spolaryzowane w
kryształach.
2. Kowalencyjne kryształy pierwiastków niemetali.
3. Kowalencyjne kryształy związków typu AB i AxBy
4. Heterodesmiczne kryształy kowalencyjne.
Charakter wiązań w krysztale
Wiązanie 
2s2
↑↓
2px
2py
↑
↑
2pz
2s
2
↑
2p
2p
2p
x
y
z
↑
↑
↑
Oktety Lewisa
molekuły
kryształ
Kryształy kowalencyjne
Homodesmiczne
Heterodesmiczne
1. Pierwiastków
1. Pierwiastków
2. Związków AB
2. Molekularne
3. Związków Ax By
Pierwiastki grup głównych
tworzące kryształy kowalencyjne
IA
1H
3Li
IIA
IIIA
IVA
VA
VIA VIIA VIIIA
2He
4Be
5B
11Na 12Mg 13Al
6C
7N
8O
14Si
15P
16S
9F
10Ne
17Cl 18Ar
19K 20Ca +31Ga 32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr
37Rb 38Sr +49In 50Sn 52Sb 52Te 53 I 54Xe
55Cs 56Ba +81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn
87Fr 88Ra
Odmiany alotropowe węgla
Diament
Regularny (Fd3m) diament heksagonalny (lonsdejlit) P63/mmc
Heterodesmiczna struktura grafitu
2H
3R
Grafen
Krzem elementarny
Regularny (Fd3m) krzem
heksagonalny
Monokryształy krzemu otrzymane
metodą Czochralskiego
German
Cyna
Cyna szara (α – Sn)
struktura typu diamentu
< 13.2oC
Cyna biała (β – Sn)
tetragonalna I41/amd
Przemiana polimorficzna cyny
Wybrane właściwości regularnych struktur
pierwiastków grupy IV
PIERWIASTEK
WĘGIEL
(DIAMENT)
KRZEM
GERMAN
CYNA SZARA
Parametr a
komórki
elementarnej [Å]
3.56
5.43
5.64
6.48
Promień
kowalencyjny[Å]
(odległość
międzyatomowa)
0.77
1.11
1.22
1.41
Elektroujemność
wg. Görlicha
2.18
1.82
1.83
1.73
Energia wiązania
[kJ . mol-1]
348
226
163
195
Temperatura
topnienia
[oC]
>4000
1414
938
232
Twardość
(wg. Skali Mohsa)
10
6.5
6.0
1.5
Ciężar właściwy
[g/cm3]
3.53
2.33
5.32
5.77
SiC
regularny Fd3m
heksagonalny P63mc
trygonalny P3m1
Moissanit - SiC
Diamond
Moissanite
Brilliance
(Refractive index)
2.42
2.65
Fire
(Dispersion)
.044
.104
Hardness
(Mohs scale)
10
9.25
Color
Various: Graded from D – X
Colorless white
Weight
3.53 g/cm3
3.21 g/cm3
Heat Resistance
Burns at 800 °C
Undamaged up to 1800 °C
Double refraction
No
Yes
Cost
$3,400 – $25,000 / carat
$275 / carat
Public opinion
Widely accepted
Less accepted, but gaining
traction
Availability
Many retailers
Few retailers
Węglik krzemu SiC
regularny
heksagonalny
WŁAŚCIWOŚCI
 Odmiany krystalograficzne:
SiC – regularna niskotemperaturowa
SiC – heksagonalna wysokotemperaturowa
 Gęstość
3.21 g/cm3
 Temp. Sublimacji
2600-2800oC
 Współcz. rozsz. 5.12 10-61/K
 Wl. mechaniczne E do 500 Gpa, G do 170 Gpa
KIC do 5.5 MPam1/2 m - 8-15
 Przewodnictwo cieplne 170 W/mK
 Twardość
9 Mohsa
33,4 Gpa (Vickers)
 Półprzewodnik
 Odporność chemiczna
-nierozpuszczalny w kwasach organicznych
-odporny na HF
-odporny na utlenianie
Sfaleryt – blenda cynkowa
ZnS
F-43m
BP AlP
BAs AlAs
AlSb
GaP InP
GaAs InAs
GaSb InSb
Wurcyt - ZnS
P63mc
BN AlN
GaN
InN
Azotek boru (borazon) – BN
F-43m
Warstwowy - BN
Azotek galu - GaN
Węglik wolframu
Azotek krzemu - Si3N4
Dwie odmiany krystalograficzne:
-Si3N4 – heksagonalna niskotemperaturowa
-Si3N4 – heksagonalna wysokotemperaturowa
Obie fazy zbudowane z tetraedrów [SiN4 ]8- – ok. 80%
wiązania kowalencyjnego
Obie odmiany posiadają zbliżone właściwości
Gęstość
Temp. dysocjacji
Współcz. rozsz.
Wl. mechaniczne E
3.18-3.19 g/cm3
1977oC (1 atm azotu)
3.6 10-61/K
do 230 GPa
KIC do 8 MPam1/2

do 800 MPa
Przewodnictwo cieplne 63 W/mK
Twardość ok. 9 Mohsa
Odporność na wstrząsy cieplne do 1000 K
Odporność chemiczna:
nierozpuszczalny w kwasach organicznych
nieodporny na HF
odporny na utlenianie- pasywacja
sublimuje w wysokich temperaturach
Kryształy kowalencyjne
Węgliki
TiC, SiC, ZrC, TaC, NbC, WC, HfC, Cr3C2, Mo2C, SiC-B4C,
TiC-WC, W-Fe-C, TiC-Ce3C2, TiC-Mo2C, Ti3SiC2,
Borki
TiB, TiB2, ZrB2, NbB2, TaB2, CoB, HfB2, V3B2, VB, VB2,
CrB, CrB2, MoB, Mo2B, MoB2, WB, W2B, Mo2B5, MoB4,
HfB2, WB4, ZrB2-CrB2, NiB, FeB, LaB6, TiB2-CrB2
Azotki
Si3N4, a/b-sialony, AlN, TiN, TaN, ZrN, NbN, HiN, VN, BN,
NbN, LaN, ScN, ErN, PrN, NdN, SmN, GdN, DyN, TbN,
Si3N4-AlN, TiN-AlN
Krzemki
MoSi2, MoSi, ZrSi ,Ti5Si3, TiSi, VSi ,NbSi, TaSi2