البنية البلورية والعيوب
تصف البنية البلورية والعيوب كيفية ترتيب الذرات والأيونات في الشبكات الدورية للمواد الصلبة غير العضوية، وكيف تنحرف البلورات الحقيقية عن هذا النموذج المثالي من خلال الشواغر، والمواقع البينية، والخلع، وحدود الحبيبات.
Definition
البنية البلورية هي الترتيب الدوري ثلاثي الأبعاد للذرات في مادة صلبة توصف بواسطة خلية وحدة وشبكة؛ والعيوب هي الانحرافات الموضعية عن تلك الدورية المثالية، وتتراوح من ذرات فردية مفقودة أو في غير مكانها إلى الخلوع والواجهات.
Scope
يتناول هذا الموضوع الأنواع الهيكلية الشائعة للمواد الصلبة غير العضوية — مثل الملح الصخري، والفلوريت، وزنك بلند، والإسبينيل، والبيروفسكايت — باعتبارها مشتقات من المصفوفات المكتظة مع الكاتيونات في المواقع البينية، والقواعد (نسب الأقطار، وقواعد باولنغ) التي تفسرها. ثم يغطي العيوب التي تجعل المواد الصلبة الحقيقية وظيفية: العيوب النقطية وتوازناتها، واضطراب شوتكي وفرينكل، وعدم التكافؤ الكيميائي، والعيوب الخطية والمستوية التي تتحكم في السلوك الميكانيكي والنقل.
Core questions
- ما هو نوع البنية الذي يتبناه مركب غير عضوي معين، ولماذا؟
- ما هي الأنواع الرئيسية للعيوب النقطية والخطية والمستوية؟
- كيف تحدد الديناميكا الحرارية تركيزات العيوب المتوازنة؟
- كيف ينشأ عدم التكافؤ الكيميائي وما هي الخصائص التي يتحكم فيها؟
Key concepts
- خلية الوحدة ومعاملات الشبكة
- الفجوات الثمانية السطوح والرباعية السطوح
- عيوب شوتكي وفرينكل
- عدم التكافؤ الكيميائي
- الخلوع
- حدود الحبيبات
Key theories
- التعبئة المكتظة وأنواع البنية
- توصف العديد من المواد الصلبة الأيونية والتساهمية بأنها مصفوفات مكتظة من الأنيونات مع كاتيونات تملأ الفجوات الرباعية السطوح أو الثمانية السطوح؛ ويتم تحديد الفجوات التي تملأ، وبأي نسبة، لتوليد أنواع البنية القياسية، ويحكمها نسب الأقطار وتفضيلات الترابط.
- توازنات العيوب النقطية
- تتشكل عيوب شوتكي وفرينكل بتركيزات متوازنة تحددها طاقة تكوينها ودرجة الحرارة من خلال تعبير شبيه بـ بولتزمان؛ تتحكم هذه العيوب الجوهرية، جنبًا إلى جنب مع العيوب الخارجية المستحثة بالشوائب، في التوصيلية الأيونية والانتشار.
Mechanisms
تنتقل الشواغر والمواقع البينية عن طريق القفز بين مواقع الشبكة؛ وتتحرك الخلوع تحت الإجهاد لإنتاج تشوه لدن؛ وتعيق حدود الحبيبات حركة الخلوع وتوفر مسارات انتشار سريعة. تتوسط عمليات العيوب على المستوى الذري هذه الانتشار، والتوصيل الأيوني، والاستجابة الميكانيكية في المواد الصلبة.
Clinical relevance
كيمياء العيوب هي ما يجعل المواد الصلبة مفيدة: تمكن شواغر الأكسجين التوصيل الأيوني في مواد خلايا الوقود وأجهزة الاستشعار، ويضبط عدم التكافؤ الكيميائي المتحكم فيه لون الأصباغ وسعة أقطاب البطاريات، وتحكم الخلوع قوة ومتانة المواد الإنشائية.
History
قدمت قواعد باولنغ في أواخر عشرينيات القرن الماضي الأساس المنهجي الأول للتنبؤ بالبنى البلورية الأيونية من نسب الأقطار وقوى الروابط. في ثلاثينيات القرن الماضي، أظهر شوتكي، وواغنر، وفرينكل أن الديناميكا الحرارية تتطلب أن تحتوي البلورات الحقيقية على عيوب نقطية، مما حول صورة الشبكة المثالية إلى كيمياء العيوب التي تفسر الانتشار، والتوصيلية، وعدم التكافؤ الكيميائي.
Key figures
- Linus Pauling
- Walter Schottky
- Yakov Frenkel
Related topics
Seminal works
- west2014
- smartmoore2012
Frequently asked questions
- ما الفرق بين عيب شوتكي وعيب فرينكل؟
- عيب شوتكي هو زوج من شواغر الكاتيون والأنيون يحافظ على حيادية الشحنة، وبالتالي تفقد المادة الصلبة وحدات صيغة؛ عيب فرينكل هو أيون مزاح من موقعه الشبكي إلى موقع بيني، تاركًا فراغًا خلفه دون تغيير التركيب.
- هل يمكن أن يكون المركب مستقرًا بينما يكون غير متكافئ كيميائيًا؟
- نعم. توجد العديد من أكاسيد وكبريتيدات الفلزات الانتقالية ضمن نطاق من التركيبات لأن حالات الأكسدة المتغيرة للكاتيون تستوعب نقص الأنيون أو الكاتيون من خلال العيوب النقطية، وبالتالي يظل المركب طورًا مستقرًا واحدًا عبر نافذة تركيبية بدلاً من نسبة دقيقة واحدة.