zobacz slajdy z pierwszego wykładu
TRANSCRIPT
![Page 1: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/1.jpg)
1
Niezwykły Świat Krystalografii
Dr Małgorzata Domagała Katedra Chemii Teoretycznej i Strukturalnej UŁ
![Page 2: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/2.jpg)
2
Krystalografia - termin pochodzi od greckich słów κρύσταλλος krystallos – „lód”, oraz γράφω grapho – „piszę”)
kryształy insuliny kryształy kwarcu – nauka zajmująca się opisem, klasyfikacją i badaniem ciał stałych o strukturze częściowo uporządkowanej.
![Page 3: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/3.jpg)
3
Stany skupienia różnią się między sobą:
• uporządkowaniem • odległościami międzycząsteczkowymi • wielkością sił międzycząsteczkowych • ruchem cząsteczek • energią wewnętrzną
![Page 4: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/4.jpg)
Ciało krystaliczne – ciało stałe, w którym cząsteczki, atomy lub jony są ułożone w uporządkowany schemat powtarzający się we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych. Każdy kryształ zbudowany jest z wielu powtarzających się tzw. komórek elementarnych.
4
![Page 5: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/5.jpg)
Ciało amorficzne (ciało bezpostaciowe) – stan skupienia materii
charakteryzujący się własnościami reologicznymi zbliżonymi do ciała
krystalicznego, w którym nie występuje uporządkowanie dalekiego zasięgu.
Tworzące je cząsteczki są ułożone w sposób dość chaotyczny, bardziej
zbliżony do spotykanego w cieczach.
bursztyn obsydian opal 5
![Page 6: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/6.jpg)
KWAZIKRYSZTAŁY
- struktury uporządkowane ale nie periodyczne
Obraz dyfrakcyjny stopu Al-Mn
Nagroda Nobla w dziedzinie Chemii w 2011 „Za odkrycie kwazikryształów"
Daniel Shechtman zaobserwował w kryształach stopu glinu i manganu
niedopuszczalną w krystalografii pięciokrotną oś symetrii (1984)
6
![Page 7: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/7.jpg)
7
Krystalografia jest nauką przyrodniczą historycznie związaną z mineralogią
Kryształy rosnące swobodnie samorzutnie przybierają kształt wielościanów o regularnych kształtach (np.: minerały).
![Page 8: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/8.jpg)
8
Czym zajmuje się krystalografia? Przedmiotem badań krystalografii są budowa oraz właściwości:
fluoryt CaF2
piryt FeS2
kwazikryształ Ho-Mg-Zn
piryt FeS2
Kwazikryształ Al-Mn
Si
• kwazikryształów • ciał polikrystalicznych • krystalitów • kryształów
![Page 9: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/9.jpg)
9 9
Historia krystalografii
„Noworoczny podarek albo o sześciokątnych
płatkach śniegu” (1611)
Johannes Keppler (1571-1630) - niemiecki matematyk,
astronom i astrolog
![Page 10: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Morfologia – dziedzina krystalografii zajmująca się badaniem zewnętrznego wyglądu kryształów (pokroju kryształów).
XVII – XIX wiek - rozwój krystalografii geometrycznej
• wynalazek mikroskopu Hans i Zacharias Janssen (1595) Robert Hooke (1665) Anton van Leeuwenhoek (1677)
Mikroskop firmy Carl Zeiss (1879)
![Page 11: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/11.jpg)
XVII – XIX wiek rozwój krystalografii geometrycznej
11
• wynalazek goniometru optycznego oraz refraktometru William H. Wollaston (1809)
• Jean B. R. de l'Isle (1736-1790) przyczynił się do wynalezienia goniometru kontaktowego
![Page 12: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/12.jpg)
12
René J. Haüy (1743 -1822) - francuski mineralog
• na podstawie obserwacji mikroskopowych opisał i usystematyzował zewnętrzne kształty kryształów (1792),
Określa się je, porównując wymiary kryształu w trzech prostopadłych do siebie kierunkach (a, b, c).
Posąg Jeana B. R. de l'Isle (1736-1790)
− francuskiego mineraloga i krystalografa
XVII – XIX wiek rozwój krystalografii geometrycznej
![Page 13: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/13.jpg)
13
Izometryczny (a ≈ b ≈ c)
Tabliczkowy (a ≠ b ≠ c)
Płytkowy (a ≈ b > c)
Słupowy (a ≈ b < c)
Piryt – pokrój izometryczny
Kwarc – pokrój słupkowy
Celestyn – pokrój tabliczkowy
Gips – pokrój płytkowy
![Page 14: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/14.jpg)
14
układ krystalograficzny
grupy punktowe
trójskośny
1, -1 jednoskośny 2, m, 2/m
rombowy 222, mm2, mmm tetragonalny 4, -4, 4/m, 4mm, 4/mmm, 422, -42m heksagonalny 6, -6, 6/m, 6mm, 6/mmm, 622, -62m
trygonalny 3, -3, 3m, 32, -3m regularny 23, m-3, 432, -43m, m-3m
Johann F. Ch. Hessel (1796 – 1872)
- niemiecki fizyk i mineraolog
32 grupy punktowe (1830)
![Page 15: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/15.jpg)
15 15
Nagroda Nobla w dziedzinie Fizyki w1901
"W uznaniu zasług, które oddał przez odkrycie promieni nazwanych jego imieniem"
• okrycie promieni X (1895)
XX wiek rozwój współczesnej krystalografii
Wilhelm C. Röntgen(1845-1923) - niemiecki fizyk
![Page 16: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/16.jpg)
16
Zdjęcia Lauego (lauegramy)
• opis zjawiska dyfrakcji promieni rentgenowskich na kryształach (1912)
XX wiek rozwój współczesnej krystalografii
Nagroda Nobla w dziedzinie Fizyki w1914 "Za jego odkrycie zjawiska dyfrakcji promieni Röntgena na kryształach”
Max Von Laue (1879-1960) - niemiecki fizyk
Zjawisko dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego jest wynikiem specyficznej budowy wewnętrznej kryształów – budowy uporządkowanej
![Page 17: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Zjawisko dyfrakcji jest wynikiem oddziaływania atomów z promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali: od 0.001 do 5 Å (1Å =10-10m)
XX wiek rozwój współczesnej krystalografii
![Page 18: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/18.jpg)
18 18
William H. Bragg (1862-1942) - brytyjski fizyk
halit (NaCl)
Nagroda nobla w dziedzinie Fizyki w1915 „Za zasługi w badaniu struktury krystalicznej przy użyciu promieni Röntgena"
• teoretyczny model dyfrakcji (1913) „Prawo Braggów”
• konstrukcja spektrometru rentgenowskiego
• potwierdzenie poprawności teoretycznego modelu struktury soli kamiennej (halitu)
XX wiek rozwój współczesnej krystalografii
William L. Bragg (1890-1971) - australijski fizyk
![Page 19: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/19.jpg)
zaawansowany aparat matematyczny
19
Badanie budowy wewnętrznej (struktury) kryształów
Obraz dyfrakcyjny kryształu sfalerytu (ZnS)
Model budowy kryształu ZnS (sposób rozmieszczenia atomów)
sfaleryt ZnS
![Page 20: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/20.jpg)
20 20
Ustalenie struktury przestrzennej DNA (1953)
Nagroda Nobla w dziedzinie Fizjologii lub Medycyny w 1962 " Za odkrycie dotyczące struktury molekularnej kwasów nukleinowych i jej znaczenia w przekazywaniu informacji w substancjach ożywionych"
James Watson (1928) - amerykański genetyk i biochemik Francis Crick (1916-2004)
- angielski genetyk, biochemik i biolog molekularny
Maurice H. F. Wilkins (1916-2004) - brytyjski biochemik
Rosalind E. Franklin (1920-1958) - brytyjska biofizyk
![Page 21: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/21.jpg)
21 21
Pierwsze struktury białek globularnych mioglobina kaszalota (1958) hemoglobina ludzka (1959)
Nagroda Nobla w dziedzinie Chemii w 1962 „Za badania nad strukturą białek globularnych"
Max Perutz (1914-2002) - brytyjski biochemik i krystalograf
John Kendrow (1917-1997)
- brytyjski biochemik
Rozwój rentgenowskich metod badania struktury kryształów
Struktura drugorzędowa hemoglobiny
![Page 22: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/22.jpg)
22
penicyliny (1946) witaminy B12 (1956) insuliny (1962)
Dorothy Crowfoot Hodgkin (1910-1994)
- angielska biochemiczka i krystalograf
Nagroda Nobla w dziedzinie Chemii w 1964 „Za ustalenie budowy ważnych substancji
biochemicznych”
struktura witaminy B12
ogólny wzór penicyliny
![Page 23: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/23.jpg)
23
Analiza struktury
Wybór monokryształu
-dobrze wykształcone ściany -odpowiednie wymiary (od 0,1 do 0,6 mm) -efekt rozjaśniania w świetle spolaryzowanym
Głowica goniometryczna
![Page 24: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/24.jpg)
24
cząstki przyspieszane są do ½ prędkości światła w rurze próżniowej, tor zakrzywiany jest przez elektromagnesy
Grenoble we Francji
Dyfraktometr albo synchrotron
![Page 25: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/25.jpg)
25
...
-7 -2 3 366.74 23.10
-7 -2 4 32.69 8.67
-7 -2 5 91.15 9.50
-7 -2 6 287.11 22.91
-7 -2 7 24.84 9.53
-7 -1 -4 53.66 9.74
-7 -1 -3 81.33 9.60
...
Analiza danych i pierwsze wyniki
obraz cząsteczki dane numeryczne… obraz dyfrakcyjny
![Page 26: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Wyniki badań krystalograficznych
Sposób połączenia atomów Ustalenie budowy przestrzennej cząsteczki Rozmieszczenie cząsteczek w komórce elementarnej
Analiza oddziaływań Zmiany położenia atomów
![Page 27: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/27.jpg)
27
Ułożenie cząsteczek w komórce elementarnej - model uproszczony
model bardziej rzeczywisty
![Page 28: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/28.jpg)
Kryształy rzeczywiste defekty struktury krystalicznej
Kryształy rzeczywiste od idealnych różni obecność różnego rodzaju zaburzeń periodycznego uporządkowania struktury. Zaburzenia te nazywane są defektami struktury. Defekty powodują zniekształcenia sieci krystalicznej i są ośrodkami nagromadzenia energii.
28
Ze względu na charakter przestrzenny defekty dzieli się na: • punktowe (wakanse, domieszki) • liniowe (dyslokacje) • płaszczyznowe (powierzchniowe – granice międzyziarnowe,
granice bliźniacze, mikropęknięcia) • objętościowe (puste miejsca, wytrącenia innych faz)
![Page 29: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/29.jpg)
29
(a) wakans; (b) atom międzywęzłowy; (c) mały atom domieszkowy; (d) duży atom domieszkowy; (e) defekt Frenkla; (f) defekt Schottky’ego
![Page 30: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/30.jpg)
30
Defekty liniowe (dyslokacje) Defektami liniowymi nazywa się zakłócenia budowy krystalicznej, które w jednym kierunku mają wymiar kilku odległości atomowych, a w drugim całego ziarna krystalicznego.
Dyslokację krawędziową powoduje obecność w sieci przestrzennej dodatkowej półpłaszczyzny obsadzonej atomami
![Page 31: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/31.jpg)
31
Właściwości optyczne
Atomy pierwiastków domieszkowych absorbują bądź emitują światło o innej długości fali niż czysta substancja krystaliczna. Wskutek tego mogą zmienić kolor kryształu.
kwarc różowy domieszki Mn
kwarc zadymiony / czarny (morion)
domieszki Al
kwarc fioletowy (ametyst)
domieszki Fe
kwarc (SiO2) kryształ górski
![Page 32: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/32.jpg)
32
Warunkiem podwyższenia wytrzymałości metali jest wytworzenie odpowiedniej liczby defektów i dyslokacji (liczba defektów zależy od temperatury) - hartowanie stali
Defekty osłabiają kryształ. Wytrzymałość rzeczywista zmniejsza się wraz ze zwiększeniem liczby (gęstości) defektów sieciowych, ale tylko do pewnej wartości.
Po osiągnięciu tzw. krytycznej gęstości dyslokacji wytrzymałość zaczyna znowu wzrastać.
![Page 33: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/33.jpg)
Odmiany alotropowe węgla
33
a) diament, b) grafit, c) lonsdaleit, d) C60 (Buckminsterfulleren buckyball), e) C540, f) C70, g) węgiel amorficzny, h) nanorurka (.buckytube)
grafen, karbin , −(C≡C)n− nanocebulka, nanopianka.
![Page 34: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/34.jpg)
34
Odmiany alotropowe węgla
grafit diament
![Page 35: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/35.jpg)
35
Kolory diamentów
domieszki N
wakanse
domieszki Th, U
domieszki B
![Page 36: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/36.jpg)
36
Polimorfizm i alotropia • Polimorfizm - zjawisko występowania pierwiastka lub związku
chemicznego w różnych strukturach (odmianach) krystalicznych w stałym stanie skupienia
• Alotropia - zjawisko występowania pierwiastka w różnych postaciach (odmianach) bez względu na stan skupienia (w tej samej fazie)
A P
kalcyt aragonit (CaCO3)
diament grafit
tlen O2
ozon O3
![Page 37: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/37.jpg)
Rodzaje polimorfizmu
37
• polimorfizm upakowania- polimorfizm jest wynikiem różnic w upakowaniu komórki
• polimorfizm konformacyjny – jest wynikiem istnienia tej samej cząsteczki w różnych konformacjach
• pseudopolimorfizm (solvomorphism)- jest wynikiem hydratacji lub solwatacji (różne rozpuszczalniki)
Glicyna tworzy kryształy jednoskośne i heksagonalne
Polimorfizm ma ogromne znaczenie w przypadku produktów farmaceutycznych, środków agrochemicznych, pigmentów, barwników spożywczych i substancji wybuchowych.
![Page 38: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/38.jpg)
38
(R)- (S)-talidomid
Krystalografia w medycynie - cząsteczki chiralne
działanie lecznicze: • przeciwwymiotne, • przeciwbólowe, • usypiające
• działanie teratogenne: • hamuje tworzenie nowych
naczyń krwionośnych w kończynach oraz rozwój już istniejących
Krystalografia jest najbardziej skuteczną metodą określania trójwymiarowego kształtu cząsteczki
talidomid
![Page 39: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/39.jpg)
39
Paracetamol
N-(4-hydroksyfenylo)acetamid Forma I
Forma II Trójwymiarowy model paracetamolu. Czarny kolor symbolizuje atomy węgla, biały – wodór, czerwony – tlen, niebieski – azot
![Page 40: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/40.jpg)
40
Przemiany polimorficzne
Ritonavir (w środku) przyłączony do centrum aktywnego proteazy HIV
Ritonavir • stosowany w leczeniu HIV
![Page 41: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/41.jpg)
41
Przemiany polimorficzne Tempering – jeden z elementów procesu produkcji czekolady polegający na kontrolowanej krystalizacji masła kakaowego w celu zapewnienia tabliczce czekolady połysku, gładkiej powierzchni i równomiernej łamliwości.
Owoce kakaowca (przekrój), surowiec do otrzymywania masła kakaowego i kakao
Temp. topnienia
[⁰C] γ 18 α 21-22 β 28-31 β’ 34,5
![Page 42: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/42.jpg)
42
Krystalografia w przestrzeni kosmicznej
• badanie składu powierzchni Marsa, • identyfikacja minerałów, • poszukiwanie wody,
Łazik na Marsie –2011
CheMin – dyfraktometr rentgenowski
wielkości laptopa
• krystalizacja białek
![Page 43: Zobacz slajdy z pierwszego wykładu](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051404/586f60cf1a28abb6398b71ed/html5/thumbnails/43.jpg)
Dziękuję za uwagę
43