Cristalografia fizică

Descrierea sumara a proprietatilor fizice si a dependentei lor de simetria morfologica si interna a cristalelor, a pus in evidenta totodata multiplele aplicatii practice ale solidelor cristaline. Aceste aplicatii cuprind aproape toate domeniile tehnicii, de la cele clasice la cele mai moderne. Amintim astfel:

- obtinerea generatoarelor cuantice (lasere si masere) in urma descifrarii mecanismului absorbtiei si emisiei radiatiilor electromagnetice in cristale;

- aplicatiile largi ale lamelor piezoelectrice in electrotehnica, acustica etc.;

- utilizarile semiconductorilor;

- obtinerea termoelementelor;

- stabilirea directiilor cristalografice favorabile pentru prelucrarea materialelor (clivaj, directii de duritate maxima si minima) etc.

4.1. Dependenta proprietatilor fizice de caracterul legaturilor chimice

Proprietatile fizice ale cristalelor sunt determinate in mod hotarator de legaturile chimice care se stabilesc intre particulele nodale ale retelei cristaline.

Evident, natura particulelor nodale are o influenta hotaratoare asupra caracterului legaturii chimice, acesta la randul lui conditionand independenta relativa a particulelor in ansamblul structurii cristaline. Spre exemplu in cristalul de NaCl, ionii de Na+ si Cl- isi pastreaza caracterul lor de particule incarcate electric ce se regaseste si in solutia sau topitura lor, in timp ce proprietatile atomilor de carbon in reteaua covalenta de diamant nu se intalnesc in alti compusi sau alte stari de agregare.

Stabilirea unui anumit tip de legatura are consecinte structurale imediate, in sensul ca taria legaturii determina stabilitatea edificiului cristalin, iar caracterul orientat sau neorientat al legaturii, importanta factorilor geometrici in realizarea unei anumite structuri (coordinanta, poliedrul de coordinare).

Clasificarea proprietatilor fizice in proprietati structurale sensibile si structural insensibile tine cont tocmai de aceste doua aspecte ale influentei legaturilor chimice asupra definitivarii unei structuri. Proprietatile structural-sensibile (aproximativ cele mecanice) sunt determinate de caracteristicile calitative si cantitative ale structurii reticulare (compactizare, grad de ordonare, parametrii retelei cristaline respectiv distantele internodale); in timp ce proprietatile structural-insensibile (optice, electrice) sunt conditionate de structura electronica a particulelor nodale si de tipul concret de legatura.

in cazul retelelor heterodesmice, proprietatile structural-sensibile sunt determinate, de regula, de legatura cea mai slaba, iar proprietatile structural-insensibile de legatura cea mai putenica din reteaua cristalina.

Tabelul 5 prezinta principalele caracteristici structurale si proprietatile fizice aferente celor 4 tipuri fundamentale de legatura chimica.

Tabelul 5. Influenta tipului de legatura asupra proprietatilor fizice

Proprietati Legatura ionicaLegatura covalentaLegatura metalicaLegatura van der Waals

StructuraleNeorientata. Structuri cu coordinanta ridicataOrientata. Structuri cu coordinanta micaNeorientata. Structuri cu coorinanta mareNeorientata. Structuri cu coordinanta ridicata

DensitateVariabilaScazutaRidicataScazuta

MecaniceRezistente mecanice ridicate. Duritate medie sau ridicataRezistente mecanice ridicate. Duritate ridicataRezistente mecanice foarte variabile. Duritate variabila. Maleabile. DuctileRezistente mecanice scaute. Duritate scazuta

TermiceTemperatura de topire destul de ridicata. Coeficient de dilatare redusTemperatura de topire ridicata. Coeficient de dilatare redusTemperatura de topire si coeficient de dilatare foarte variabileTemperaturi de topire scazute. Coeficient de dilare ridicat.

ElectriceIzolatii medii. Conductibilitate ionica in topituraIzolanti in stare solida si topituraConductibilitate electronica in stare solida si topituraIzolanti in stare solida si topitura

MagneticeSusceptibilitate aditiva. Para sau diamagnetismul se mentine in solutie. Ordonare antiferomagnetica in stare cristalinaDiamagneticeParamagnetice peste Tc si in topitura. Ordonare fero sau antiferomagnticaSusceptibilitatea diamagnetica (rareori paramagnetica) este aditiva. Se pastreaza in solutie si in stare gazoasa

OpticeAbsorbtia luinoasa, indicele de refractie etc. sunt aditive fata de cele ale particulelor individuale. Ele se pastreaza de obicei nemodificate si in solutieAbsorbtie si indici de refractie (ridicati) diferite fata de soluti sau stare gazosa.Coeficientii de absorbtie si indicii de refractie ridicati in stare topita si topituraCoeficientii de absorbtie si indicii de refractie sunt aditivi fata de ai moleculelor individuale. Se pastreaza practic nemodificati in stare lichida si gazoasa.

4.2. Proprietatile fizice si structura reala

4.2.1. Densitatea

Densitatea exprima din punct de vedere structural raportul dintre masa particulelor care alcatuiesc celula elementara si volumul acesteia.

intrucat cristalul macroscopic prezinta defecte fata de structura ideala, densitatea determinata experimetal va prezenta o valoare mai mult sau mai putin scazuta in raport cu cea calculata din date structurale.

Pentru o substanta data, densitatea depinde de gradul de cristalizare si simetria de ordonare a particulelor in reteaua cristalina, precum si de compactitatea structurii. Astfel, cuartul si albitul au in stare cristalina densiatea 2650 respetiv 2610 , in timp ce sticlele corespunzatoare obtinute prin topire si racire rapida - 2330 si 2380

Influenta compactitatii este ilustrata de cele doua varietati polimorfe ale CaCO3. Calcitul, in care coordinanta calciului este 6, are densitatea 2715 , iar aragonitul