بلورشناسی
تاریخچه بلورشناسی
علم بلورشناسی یا کریستالوگرافی درباره نحوه تشکیل و رشد بلورها و شکل ظاهری و ساختمان داخلی آنها و نیز خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مواد متبلور بحث می نماید. کلمه کریستال (Crystal) اصل یونانی دارد که از دو کلمه (سرد= Kryos) و (سخت شدن= Stellesual) تشکیل شده که مجموعا معنی سخت شدن در اثر سرما را می دهد.
فلاسفه قدیم نیز منشاء بلورهای یک سنگ را بلورهای یخ می دانستند که بر اثر تحمل سرمای بسیار شدید در طول مدت مدید ، طوری سخت و مقاوم شده است که می تواند حرارتهای بالاتر از صفر را هم تحمل نماید. در سال 1690 ، "Huyghens" دریافت که بلورها از اجتماع ذرات کوچکتر بوجود آمده اند و در سال 1912 ، "M.V.Laue" توانست تئوری ساختمان شبکه ای در بلورها را با استفاده از اشعه ایکس به اثبات برساند.
تبلور و نمو بلورها
برای اینکه یک بلور بتواند تشکیل گردد، باید در وحله اول نطفه آن بسته شود، پس از تشکیل ، نطفه شروع به نمو می کند تا بالاخره بلوری که بوسیله سطوح احاطه شده است، بوجود آید. نطفه های بلور عبارتند از بلورهای ریزی با قطر تقریبی 40 تا 180 آنگستروم که بطور ناگهانی در بخارات و مایعات اشباع شده و یا مواد مذاب سرد شده تشکیل می شوند. در اجسام جامد تشکیل بلور ، نقش مهمی را بازی می کند، مثلا تشکیل بلور که در اثر فعل و انفعالات شیمیایی یا نارسائی های حرارتی در شیشه ایجاد می گردد، باعث از بین رفتن شفافیت شیشه خواهد شد.
تبلور معمولا در موقع تبدیل یک حالت فیزیکی به حالت فیزیکی دیگر صورت می گیرد. این تبدیل به سه صورت زیر انجام می شود:
تبلور در هنگام تبدیل حالت مایع به جامد
این نوع تبلور به دو صورت انجماد مواد مذاب و تبلور مواد محلول انجام می گیرد:
انجماد مواد مذاب :
اگر ماده مذاب به سرعت سرد شود، اتمها یا مولکولها با هر موقعیتی که دارند، متراکم و بی حرکت می شوند و ماده منجمد می گردد. در این صورت جسمی جامد و ایزوتوپ بدون داشتن نظم ذره ای تشکیل می شود. اگر سرد شدن با آرامی و کند انجام شود، اتمها و مولکولها با توجه به نیروی جاذبه خود و اطاعت از شبکه تبلور کنار هم چیده شده و نطفه بلور را تشکیل می دهند. سپس در نتیجه اتصال سایر مولکولهای منزوی و معلق در ماده مذاب به نطفه بلور ، حجم آن افزایش می یابد تا اینکه به بلوری درشت تبدیل می گردد.
* تبلور مواد محلول :
در این نوع تبلور باید محلول به حال فوق اشباع باشد. در چنین محلولهایی بلورها تشکیل و ته نشین می شوند. این بلورها ابتدا به صورت نطفه های متحرک می باشند، علت تحرک آنها حرکات قبلی یونها و مولکولهای سازنده آنها است. در محلولها نیز مانند انجماد مواد مذاب ، رشد بلورها از طریق اتصال منظم یونها ، اتمها و مولکولهای معلق در محلول به نطفه های بلور صورت می گیرد.
تبلور در هنگام تبدیل حالت بخار به جامد سوبلیماسیون
در این حالت تبلور ، بلورها مستقیما از تبدیل بخار به جامد حاصل می شوند. این بلورها معمولا کوچک و دارای طرح اولیه می باشند که اصطلاحا اسکلت بلور گفته می شود. در طبیعت ، سوبلیماسیون در گازهای خشک آتشفشانی دیده می شود. در این حالت مواد گازی آتشفشانی در شکافهای توده آذرین مستقیما به بلور تبدیل می گردند. مثال بسیار روشن برای پدیده سوبلیمانسیون ، تشکیل قشرهای بلور یخ ناشی از انجماد مستقیم بخار آب اطاقها بر روی شیشه پنجره ها در سرمای زمستان می باشد.
تبلور مواد جامد
حالت سوم تبلور که خوب شناخته نشده و در طبیعت فراوان دیده می شود، تبلور در محیط جامد است. در این حالت رشد بلورها بخرج بلورهای کوچکتر و تحت تاثیر فشار و حرارت و در مدت زمان طولانی صورت می گیرد. برای مثال امروزه سنگهای شیشه ای آتشفشانی خیلی قدیمی را متبلور می بینیم. بنابراین معلوم می شود که این گونه سنگها به تدریج در طول زمان متبلور شده اند. سنگهای آهکی دانه ریز که از بلورهای ریز کربنات کلسیم تشکیل شده اند، تحت تاثیر عوامل دگرگونی (فشار و حرارت) به مرمر که دارای بلورهای دانه درشت کلسیت است، تبدیل می گردد.
تاثیر عوامل خارجی در نمو بلورها
شرایط زیر سبب بوجود آمدن اختلاف در اندازه بلورها می گردد:
سرعت انجماد :
افزایش طول مدت انجماد یک ماده مذاب امکان تغذیه شیمیایی بیشتر بلورها از ماده مذاب را فراهم می سازد. بنابراین کم شدن سرعت انجماد ، موجب تشکیل بلورهای درشت و تسریع در انجماد سبب تشکیل بلورهای کوچک و ریز می گردد.
1. وجود مواد فرار :
وجود بخار آب و گازها در یک ماده مذاب ، نقطه انجماد را پایین آورده و سرعت انجماد را کند می سازد. بنابراین باعث افزایش رشد بلورهای آن ماده می شود. به عنوان مثال در رگه های پگماتیت به علت وجود بخار آب و گازهای فراوان در ماده مذاب پگماتیتی ، بلورها به مراتب درشت تر از بلورهای توده آذرین اصلی است، حال آنکه سرعت انجماد در رگه های پگماتیت از سرعت انجماد توده آذرین اصلی بیشتر بوده است.
2. تراکم محلول :
اندازه بلورها در یک محلول بستگی به درجه اشباع شدگی آن محلول دارد. در محلولهای فوق اشباع تعداد مراکز تبلور فراوان می باشد و در نتیجه اندازه بلورها کوچک خواهد شد. برعکس در محلولهائی با درجه اشباع شدگی کمتر تعداد مراکز تبلور کم بوده و بنابراین اندازه بلورها درشت تر خواهد بود.
میانبار یا ادخال در بلورها
در حین رشد بلور ممکن است موادی به صورت جامد ، مایع و یا گاز به سطح بلور بچسبد. ادامه رشد بلور باعث می شود که این مواد در درون بلور قرار گرفته، موجب تشکیل ادخال در داخل بلور گردد، حبابهایی خیلی کوچک گاز کربنیک همراه با آب در داخل بلور کوارتز و یا قطرات خیلی کوچک آب در بلورهای نمک طعام و نیز قطرات مواد مذاب غیر متبلور (شیشه) در درون بلورهای فلدسپات ادخالهائی می باشند که همزمان با تبلور بلور در داخل آن قرار می گیرند.
اجتماع بلورها
اجتماع بلورها به دو صورت اجتماع منظم و نامنظم مشاهده می شود:
* اجتماع نامنظم :
در این نوع ، اجتماع بلورها در جهات مختلف بدون رعایت نظم و ترتیب صورت می گیرد. مثلا در یک توده نبات یا در اختلاط گچ زنده با آب می بینیم که گچ می بندد. سخت و یکپارچه شدن این ماده به علت تبلور مجدد بلورهای ژیپس و چسبیدن آنها به یکدیگر صورت می گیرد.
* اجتماع منظم :
هرگاه در زمان تشکیل و نمو بلورها ، شرایط مناسب باشد، نطفه های بلور بطور اتفاقی در کنار هم نمی گیرند، بلکه طبق قواعد معین با نظم و ترتیب خاصی با یکدیگر ، رشد و نمو خواهند نمود. صورتهای مختلف اجتماع منظم بلورها عبارتند از:
o اجتماع کروی (اسفرولیتی :
اگر تبلور ماده مذاب سریع صورت بگیرد و تعداد مراکز تبلور کم باشد، بلورها به شکل سوزنهای باریک و به صورت دستجات کروی و جدا از هم تشکیل می شوند، مانند بلورهای سوزنی شکل طلا و کلرور پتاسیم که در سیستم کوپیک متبلور می شوند.
اجتماع موازی :
در این گونه تجمع ، بلورها بطور موازی در کنار یکدیگر قرار می گیرند و دارای سطوح مشترکی می باشند. در اجتماع موازی بلورها معمولا بلورهای هم جنس شرکت دارند، مانند بلور کوارتز.
اجتماع بلورهای غیرهم جنس :
علاوه بر بلور هم جنس ، بلورهای غیرهم جنس نیز به نوبه خود تشکیل اجتماع منظم و یا جهت دار می دهند. این نوع اجتماعات بر پایه تشکیل نطفه بلوری بر روی بلور دیگری قرار دارد، به نحوی که سطح مشترک بین دو بلور از نظر ساختمان شبکه ای مشابه باشند. برای مثال ، اغلب بر روی بلورهای ورقه ای هماتیت بلورهای سوزنی شکل روتیل نمو نموده اند و در پگماتیتها بلورهای کوارتز در داخل بلور ارتوز به صورت اجتماع موازی دیده می شود.
اختصاصات مواد متبلور
اجسام متبلور به خاطر داشتن شکل مخصوص ، سختی ، خاصیت ارتجاعی ، مقاومت محدود در مقابل حرارت و فشار و نقطه ذوب از مایعات و گازها متمایز می شوند. بعضی از مواد متبلور مانند پارافین نرم هستند و اجسامی مانند شیشه و پلاستیک هرچند که جامدند، ولی متبلور نمی باشند. بلورها اجسامی همگن و ان ایزوتوپ هستند. ان ایزوتوپ بودن بلور به این علت است که اختصاصات فیزیکی مانند سرعت انتشار حرارت و نور یا درجه سختی و غیره در جهات موازی آنها برابر می باشد و در جهات مختلف نابرابر می باشد.
رنگ بلورها
هرگاه بخش اعظم نور از بلور عبور کند و فقط مقدار کمی از آن جذب گردد، بلور شفاف دیده می شود و چنانچه مقدار نور جذب شده و نوری که از بلور عبور می کند، تقریبا برابر باشد، بلور نیمه شفاف به نظر می رسد. در صورتی که اگر تمام نور وارده جذب گردد، بلور تیره دیده می شود. هرگاه جذب نور برای طول موجهای مختلف متفاوت باشد، بلور رنگی بنظر می رسد.
بعضی از بلورها دارای رنگهای مشخص هستند، مثلا مالاکیت دارای رنگ سبز و ازوریت دارای رنگ آبی آسمانی می باشد. تعدادی از بلورها در اصل بی رنگ می باشند، ولی در اثر وجود ناخالصی و یا پیگمان به رنگهای مختلفی دیده می شوند. مثلا کوارتز بی رنگ بوده، ولی در اثر ناخالص دارای رنگهای سفید ، بنفش ، دودی ، زرد ، صورتی و سیاه می باشد و یا وجود کروم به صورت پیگمان در کروندوم باعث رنگ قرمز آن می شود.
برخی از کاربردهای بلورها
* بلورهای و نظایر آنها در ساختن وسایل نوری بکار می روند.
* بلورهائی با خاصیت پیروالکتریسته مثل در صنعت الکترونیک کاربرد دارند.
* بلورهای SiC در تهیه ترانزیستور و روبین یا یاقوت در تهیه اشعه لیزر مورد استفاده قرار می گیرند.
بلورها برحسب نوع ذرات تشکیل دهنده و نیروهای نگه دارنده این ذرات به چهار نوع بلورهای یونی ، مولکولی ، کووالانسی (مشبک) ، فلزی گروه بندی می شوند.
1.آب تبلور به چه معناست؟
2.فرمول کلی چگونگی بدست آوردن مولکول های آب تبلور چیست؟
پاسخ : در مورد تبلور، می دانید که یون های سازنده ی برخی از نمکها می توانند با مولکول های آب پیوند دهند و وقتی نمک در تماس با آب قرار می گیرد، تعدادی مولکول آب درون شبکه ی بلور نمک به دام می افتد. این نمک ها را نمک های آب پوشیده و مولکول های آب را آب تبلور می نامند. با حرارت دادن برخی از نمک های آب پوشیده می توان تمام یا بخشی از مولکول های آب تبلور آن را بخار نمود.
آب تبلور آبی است که به همراه مولکولهای بعضی بلورهای جامدهای یونی است. هنگامی که یک جامد یونی از محلول آبی متبلور می شود به عنوان مثال باریم کلرید محلول در آب است و ما به وسیله ی تبخیر یک مقدار از محلول و اشباع کردن محلول، مقداری بلور BaCl2 بدست می آوریم. در این هنگام تعدادی از مولکولهای آب در شبکه بلور به دام افتاده و با بلور پیوندهای ضعیف واندروالسی برقرار می کند. در این هنگام ما به جای BaCl2 خالص، نمک متبلور آن را داریم و فرمول آن به صورت
BaCl2, 2H2O(s) می باشد. به این گونه بلورهای نمکی که با مولکولهای آب همراه هستند، هیدرات و به آبی که این بلورها را همراهی می کند و در شبکه بلوری این نمکها وارد شده است، آب تبلور گفته می شود. مثال دیگر از این دست، سولفات مس هیدراته است که دارای 5 مولکول آب تبلور می باشد: CuSO4, 5H2O (s)
معمولا" ظاهر هیدراتها با ترکیبات بی آب آنها کاملا" تفاوت دارد. به طور معمول، هیدراتها بلورهای نسبتا" بزرگ و غالبا" شفاف تشکیل می دهند. هیدراتها بر اثر گرم شدن تجزیه می شوند و آب تبلور خود را به صورت بخار آب از دست می دهند.
BaCl2, 2H2O(s) ? heat BaCl2 (s) + 2H2O(g)
از بین رفتن آب تبلور یک هیدرات را شکوفا شدن می نامند.
رنگ برخی از نمک های آب پوشیده با رنگ نمک بی آب آنها متفاوت است، از این رو، از این نمکها به عنوان شناساگر رطوبت استفاده می کنند. مثلا"
قرمز رنگ CoCl2.2H2O
صورتی رنگ CoCl2.5H2O
بنفش رنگ CoCl2.4H2O
آبی رنگ CoCl2
مسائل مربوط متبلور معمولا" به این صورت است که مقدار مشخصی از نمک را حرارت داده و وزن آن در اثر تبخیر آب درون آن کاسته می شود. از روی کاهش وزن داده شده از ما می خواهند که نسبت آب به نمک را محاسبه کنیم. به عنوان مثال:
023/1 گرم نمک آب پوشیده ی مس II سولفات را در یک بوته چینی حرارت می دهیم تا آب آن بخار شود. 654/0 گرم نمک بی آب مس II سولفات در بوته باقی می ماند. حساب کنید به ازای هر مول CuSO4، چند مول آب در نمک آبدار وجود داشته است.(جرم مولی مس، گوگرد، اکسیژن و هیدروژن به ترتیب 64، 32، 16 و 1 گرم بر مول است.)
برای حل این گونه سوالات باید سه مرحله طی کنیم:
1- ابتدا این رابطه را بنویسیم و جرم هر یک از این گونه ها را حساب کنیم: آ- جرم نمک آبدار ب- جرم نمک بی آب ج- جرم آب و این رابطه را برایش بنویسیم:
جرم نمک آبدار = جرم نمک بی آب + جرم آب
2- تبدیل کردن جرم نمک بی آب به مول
3- تبدیل کردن جرم آب به مول
4- بدست اوردن نسبت مولی آب به نمک به وسیله ی تقسیم کردن مرحله ی 4 به مرحله ی 3
پس با استفاده از مرحله ی اول، ابتدا جرم آب بخار شده را حساب کنیم:
جرم آب بخار شده= جرم نمک آب پوشیده – جرم نمک بی آب
369/0 = 654/0 – 023/1
بنابراین مقدار آب بخار شده برابر 369/0 گرم می باشد.
2- حال باید تعداد مول نمک بی آب را محاسبه می نماییم. برای این منظور جرم نمک مورد نظر را در معکوس جرم مولی آن ضرب می نماییم.
= تعداد مول نمک بی آب
Mol 004/0=g CuSO4 160 / mol CuSO4 1 * g CuSO4 654/0
3- حال باید ببینیم این مقدار گرم آب برابر چند مول آب می باشد. برای این منظور به این ترتیب عمل می کنیم:یعنی باید جرم مورد نظر را در معکوس جرم مولی آب ضرب نماییم. جرم مولی نیز با جمع جرم اتمهای تشکیل دهنده با در نظر گرفتن تعداد آن ها بدست می آید.
= تعداد مول آب بخار شده
Mol 020/0=g H2O 0/18 / mol H2O 1 * g H2O 369/0
4- حال نسبت تعداد مول های آب بخار شده به مول های نمک بی آب را به وسیله تقسیم آن ها به یکدیگر بدست می آوریم.
1/5 = mol 400/0 / mol 020/0 = تعداد مول CuSO4 / تعداد مول H2O
پس نسبت آب به نمک برابر 5 به 1 است. بنابراین فرمول تجربی این نمک CuSO4.5H2O بوده، تعداد آب تبلور آن 5 است.
منابع :
استفاده از دانشنامه رشد
www.irandoc.ir
http://daneshnameh.roshd.ir
www.tebyan.net
30