Vazby, struktury, povrchy Prvky a periodický systém Elektronová struktura Kvantová čísla: hlavní n = 1, 2, 3... : určuje hlavní část energie elektronu a průměrnou vzdálenost od jádra vedlejší (azimutální) I = 0, 1, n-1: celkový úhlový moment a tvar orbitalu magentické m = — I, ..., 0, ..., I: určuje z-komponentu úhlového momentu a tedy orientaci orbitalu spin ms = - 1/2, +1/2: určuje spin elektronu Pauliho princip výlučnosti - žádné dva elektrony v elektronovém obalu nemohou mít všechna kvantová čísla stejná Princip obsazování orbitalů: 1s 2e 2s 2p 8 e 3s 3p 8 e 4s3d4p 18 e 5s4d5p 18 e 6s 4f 5d 6p 32 e 7s 5f 6d 7p 32 e Vazby a velikosti Vazby: mezní typy vazeb - kovalentní, iontová, kovová, Van der Waalsova, vodíková - ve strukturách minerálů se většinou setkáváme s jejich kombinacemi Velikosti stavebních částic minerálů U neutrálních atomů závisí jejich poloměr na atomovém čísle, tedy na počtu elektronů v elektronovém obalu atomu. U nabitých částic - ionů - závisí v hlavní míře na jejich náboji. Obecně platí, že čím vyšší je jejich kladný náboj, tím jsou menší - výrazné přitahování kladným nábojem protonů jádra; čím je vyšší záporný náboj, tím jsou větší -vzájemné odpuzování stejných nábojů elektronů. Relativní srovnání iontových poloměrů nejzastoupenějších prvků v zemské kůře (čísla udávají poloměr v pm - pikometrech - 1Ch9 m) Základy výstavby struktur Když se Robert Hook v roce 1665 zamýšlel nad podstatou pravidelných tvarů krystalů, došel k závěru, že je to důsledek pravidelného ukládání malých kulových částic: „[...] A tak se domnívám, že kdybych měl čas a příležitost, mohl bych prokázat, že všechny tyto pravidelné útvary, jež jsou tak nápadně rozmanité a zvláštní a v takové míře zdobí a zkrášlují tak mnohá tělesa ... mají s největší pravděpodobností původ ve třech nebo čtyřech polohách či postaveních kulovitých částic ... A to jsem také názorně demonstroval se souborem kuliček a s několika málo dalšími velmi jednoduchými tělesy, takže mohu říci, že ani jediný pravidelný tvar, s nímž jsem se dosud setkal, není takový ... abych ho nemohl napodobit pomocí souboru kuliček a jednoho nebo dvou dalších těles, k čemuž dokonce někdy téměř úplně postačí setřepat tyto částečky dobře dohromady." Hook Robert (1665): Micrographia, or Some physiological Description of Minuté Bodies made by Magnifying glasses with observations and Inquiries thereupon. Jo. Martyn and Ja. Allestry, London. Uspořádání - 2 vrstvy 04 5 Uspořádání - 2 vrstvy Uspořádání - 3 vrstvy 04 9 10 04 11 #--A • • * * * * plgínŕ Mntrgv^né míiik? - difliny * gkl?eflrii;kgii J3 [etoednckpu symetrii Uspořádání obecný vzorec* ke křemení poměr n ji ^\ ' minerál vzorec MO:Si02 Si02 0 : 1 křemen Si02 MSi2AI208 AI ^ Si 1 : 4 anortit CaSi2AI208 M3Si4O10(OH)2 O^OH ^Si 3 : 4 mastek Mg3Si4O10(OH)2 M6Si4O10(OH)8 O^OH ^Si 6 : 4 chlorit (Mg,Fe,AI)6 (Si,AI)4O10(OH)8 MSi03 1 : 1 enstatit MgSi03 1 : 1 diopsid CaMgSi206 M2Si04 2 : 1 olivín (Fe,Mg)2Si04 04 13 Olivín - (Mg, Fe)2Si04 Olivín - (Mg, Fe)2Si04 SiO ► • (Mg.Fe)O, Pyroxeny - diopsid Ca(Mg, Fe)Si206 04 15b Mezi vrstvou A a B jsou obsazovány jen oktaedrické dutiny (Ca, Mg-Fe) mezi vrstvou B a C pouze tetraedrícké dutiny (Si). Pyroxeny - diopsid Ca(Mg, Fe)Si206 Pyroxeny - diopsid Ca(Mg, Fe)Si206 04 15a Amfiboly - N a Ca 2( Mg, Fe, AI)5(OH)2(Si, Al)80 Na Na, K Mezi vrstvou A a B jsou obsazovány jen oktaedrické dutiny (Ca, Mg-Fe. Al, Na, K), mezi vrstvou B a C pouze tetraedrické dutiny (Si). Si Amfiboly - N a Ca 2( Mg, Fe, AI)5(OH)2(Si, Al)80 Fylosilikáty - mastek Mg3(OH)2Si401 Mezi vrstvou A a B jsou obsazovány jen oktaedrické dutiny (Mg), mezi vrstvou B a C pouze tetraedrické dutiny (Si). Fylosilikáty - mastek Mg3(OH)2Si401 Fylosilikáty - mastek Mg3(OH)2Si401 Fylosilikáty - mastek Mg3(OH)2Si401 Fylosilikáty - pyrofillit AI2(OH)2Si401 Mezi vrstvou A a 8 jsou obsazeny 2/3 oktaedrických dutin (AI), mezi vrstvou B a C jsou obsazovány pouze tetraedrické dutiny (Si). Fylosilikáty - pyrofillit AI2(OH)2Si401 0419 1a Fylosilikáty 04 19a kaolinit AI4(OH)8Si4O10 (dioktaedrický), serpentin Mg6(OH)8Si4O10 (trioktaedrický) 0419 1b Fylosilikáty 04 19b pyrofilit Al2(OH)2Si4O10 (dioktaedrický), mastek Mg3(OH)2Si4O10 (trioktaedrický) Fylosilikáty «tmiculi« (Mg. Fe. Al),(<*),(*. «)4b1D x 4 H,G (trioktaedrkkfl ^ (Mg ^ A|>A T: 0= 1 : 1 T: O = 2 : 1 T: 0 = 2 : 1 : 1 04 20 Tektosilikáty Koordinační čísla poměr rkat/r02 koordinační číslo koord. polyedr 1 12 středy hran krychle 0,73-1 8 hexaedr 0,41 -0,73 6 oktaedr 0,22-0,41 4 tetraedr 0,15-0,22 3 uprostřed trojúhelníka C4+ vždy obsazuje mezery mezi třemi kyslíky (karbonáty) Si4+ obsazuje pozice v tetraedrických dutinách (může být zastoupen také Al3+ alumosilikáty, výjimečně Ti4+ - pyroxeny, amfiboly) další ionty (Fe3+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, Ca2+, Na+) obsazují oktaedrické dutiny v nejtěsnějším uspořádání kyslíků, přičemž se ve strukturách dobře zastupují (obsazují strukturně stejné pozice): Fe3+-Mg2+-Fe2+-Mn2+, Ca2+-Na+ K+ obsazuje pozice kyslíků, stejně jako skupiny OH- Povrchy - sorpce 0423 04 24 Sorpce ■orpct Pb niQOfthfeu Koloidy náboj povrchu +\- - " " ntuWlM ±\>^A Z- V+\ - / i-OH 1-OH J*P" \ y^A- -X C"°X_0/pH £©^©: ©i© ©©fe^©^© ^©©0©^3)(S 04 25 Povrchy - hustoty e STEM ^ * j\f Atomic-scale imaging of mica is one of the w if 9h a standard resolution tests for ambient SPMs. V ^ A * Even tnou9n tne SpM tJP is manY atoms wide, k fc & atomic-scale resolution is possible due to the * A, Jfr periodic arrangement of the atoms. Images A ' ^ ft were taken in air in constant-height mode g± ^ _ i using Micro levers. Purdue University. • • • ^ • •1 &\8 Povrchy - hustoty e STEM Freshly cleaved mica was attached to a standard microscope slide by double-sided adhesive and mounted onto a standard BioScope sample stage atop a Zeiss Axiovert 135 inverted optical microscope. The mica was imaged in contact mode using standard 450um long, single arm, etched silicon probes. Shown is a deflection image taken at a scan rate of 24.4Hz with integral gain set to 0.665 and proportional gain set to 0.176. Purdue University. Povrchy - sorpce STEM STM image of cyclopentene molecules on Ag(111) surface. It has long been thought that inhomogeneities such as defects and/or steps on metal surfaces act as sites for preferential chemical reactivity. This images shows a silver surface which has been exposed to cyclopentene. The cyclopentene molecules clearly adsorb almost exclusively along specific lines. These lines coincide with the locations of steps on the underlying silver surface. In this image, each round ball is a single cyclopentene molecules (Copyright R.J. Hamers and X. Chen).