Czy różne substancje mogą mieć taką samą strukturę krystaliczną?

(1)

Czy różne substancje mogą mieć taką samą strukturę krystaliczną?

Wprowadzenie Przeczytaj

Graﬁka interaktywna Sprawdź się

Dla nauczyciela

Dobrym przykładem polimorﬁzmu w przyrodzie są pszczoły. W obrębie tego samego gatunku dane osobniki różnią się od

(2)

Polimorfizm jest zjawiskiem, z którym spotykamy się nie tylko w chemii, ale np. w przyrodzie. Dobrym przykładem mogą być pszczoły – są królowe, robotnice, trutnie, żołnierze. Różnią się między sobą anatomią oraz funkcją pełnioną w ulu. W chemii z polimorfizmem zapoznaliśmy się już wcześniej – do przykładów substancji polimorficznych możemy zaliczyć węgiel, diament i grafit. Każda odmiana zbudowana jest z tego samego pierwiastka, jednak sieci krystaliczne tych minerałów są zupełnie inne, dzięki czemu różne są ich właściwości fizyczne bądź chemiczne.

Twoje cele

Wyjaśnisz różnicę między polimorﬁzmem a izomorﬁzmem.

Opiszesz budowę kryształów izomorﬁcznych i polimorﬁcznych.

Zaproponujesz związki, które mogą tworzyć struktury izomorﬁczne.

Czy różne substancje mogą mieć taką samą strukturę krystaliczną?

Dobrym przykładem polimorﬁzmu w przyrodzie są pszczoły. W obrębie tego samego gatunku dane osobniki różnią się od siebie w zależności od roli, jaką spełniają w ulu.

Źródło: domena publiczna, dostępny w internecie: h ps://pixabay.com/pl/.

(3)

Przeczytaj

Substancje krystaliczne mogą występować w odmianach polimorﬁcznych – takie same substancje, ale różniące się strukturą krystaliczną – oraz w odmianach izomorﬁcznych, gdzie różne substancje, krystalizując, tworzą taką samą strukturę.

Czym jest polimorﬁzm?

Polimorﬁzm to występowanie tego samego związku chemicznego, w różnych odmianach

krystalograficznych. Z polimorfizmem spotkaliśmy się przy omawianiu węgla, diamentu, grafitu –

w przypadku pierwiastków polimorﬁzm nazywany jest alotropią. Pierwsza odmiana polimorﬁczna związku została opisana przez Martina Klaproth’a w 1788 r.

Dotyczyło to trzech form węglanu wapnia (CaCO ) - kalcytu, waterytu i aragonitu.

Kalcyt

3

Kalcyt – najbardziej stabilna odmiana alotropowa węglanu wapnia Źródło: domena publiczna, dostępny w internecie: pixabay.com.

Mar n Heinrich Klaproth (1743–1817) - niemiecki chemik.

Źródło: domena publiczna, dostępny w internecie: pl.wikipedia.org.





(4)

Wateryt

Kalcyt krystalizuje w układzie trygonalnym w typie komórki R. W komórce elementarnej aniony węglanowe (czerwone kulki symbolizują tlen, szare węgiel) tworzą warstwy, które ułożone są równolegle do ka onów wapnia (na rysunku białe kulki).

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wateryt – heksagonalna, najmniej stabilna odmiana polimorﬁczna węglanu wapnia. Występuje w twardych tkankach organizmów żywych.

Źródło: Pavel M. Kartashov, licencja: CC BY-SA 3.0, dostępny w internecie: www.mindat.org.

 



 



 



 



(5)

Aragonit

Wateryt krystalizuje w układzie heksagonalnym w typie komórki P. W komórce elementarnej jony węglanowe (czerwone kulki symbolizują tlen, szare węgiel) ułożone są prostopadle do płaszczyzny, tworzonej przez ka ony wapnia (na rysunku białe kulki).

Aragonit – rombowa odmiana węglanu wapnia

Źródło: Didier Descouens, licencja: CC BY 4.0, dostępny w internecie: h ps://pl.wikipedia.org/wiki/Aragonit.

 



 



(6)

Jak możemy w laboratorium uzyskać odmiany polimorﬁczne związku?

Czym jest izomorﬁzm?

Z izomorfizmem mamy do czynienia, kiedy substancje tworzą struktury tego samego typu, różniące się jedynie parametrami komórki elementarnej. Przykładami substancji izomorficznych są fluorowce litowców, np.: chlorek sodu i chlorek rubidu.

Aragonit krystalizuje w układzie rombowym w typie komórki P. W odróżnieniu do wymienionych wcześniej odmian polimorﬁcznych węglanu wapnia, jony wapnia i aniony węglanowe nie tworzą naprzemiennych warstw. W tym przypadku, w komórce elementarnej znajduje się dużo mniej poszczególnych jonów. Jest on najtwardszą odmianą węglanu wapnia.

Model komórki elementarnej NaCl Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

(7)

Obie te substancje krystalizują w układzie regularnym w typie komórki F. Naroża komórki elementarnej są zajęte przez jony litowców, a przestrzenie między jonami litowców są zajęte przez atomy ﬂuorowców – takie substancje nazywamy izotypami.

Przykładem związków izomorﬁcznych są ałuny o wzorze ogólnym M M (SO ) ·12H O, gdzie M są to kationy Na, K, Rb, NH , a M są to kationy Al, Cr, Fe, Co, Mn.

Źródło: Maxim Bilovitskiy, GroMar Sp. z o.o., Ra’ike, W. Oelen, licencja: CC BY-SA 3.0.

Oba związki krystalizują w układzie regularnym w typie komórki F. Można zauważyć, że jon M jest ułożony w narożach komórki, a jon M znajduje się pomiędzy jonami M w komórce elementarnej, co zostało przedstawione na rysunkach poniżej. Warto zaznaczyć, że w przypadku tych wymienionych odmian izomorﬁcznych ałunów, ich kryształy różnią się barwą.

Model komórki elementarnej RbCl Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

I III

4 2 2 I

4 III

I

III I

KAl(SO ) ·12H O. Atom potasu jest M , a atom glinu M Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

4 2 2 III I

 



 



 



 



(8)

Aby otrzymać kryształy izomorﬁczne, przy ich projektowaniu należy zwrócić uwagę na promień jonowy, tworzących je indywiduów.

Porównanie jonów, tworzących ałuny, ukazano w poniższej tabeli.

M M

Symbol jonu Promień jonowy [Å] Symbol jonu Promień jonowy [Å]

K 1,52 Al 0,68

NH 1,51 Cr 0,64

Źródło: H. D. B. Jenkins, K. P. Thakur, Reappraisal of thermochemical radii for complex ions, Journal of Chemical Education, American Chemical Society, 1979.

Jak możesz zauważyć, różnice promieni jonowych są nieznaczne. Przyjęto zasadę, że aby otrzymać kryształy izomorﬁczne, promienie jonowe metali nie powinny się różnić więcej niż 15%. Dzięki temu występują formy izomorﬁczne ałunów i mamy możliwość zamiany M na inny metal M . To samo tyczy się metalu M , a czynnikiem ograniczającym jest promień jonowy.

Słownik

polimorﬁzm

(gr. polýs „wiele”, morphé „kształt, forma”) występowanie tej samej substancji chemicznej (o takim samym wzorze sumarycznym) w kilku odmianach krystalicznych; w przypadku pierwiastków polimorﬁzm jest nazywany alotropią

izomorﬁzm

(gr. ísos „równy”, morphḗ „kształt”) występowanie różnych substancji chemicznych w tym samym typie struktury krystalicznej

typ komórki F

komórka krystalograﬁczna, w której indywidua chemiczne są rozmieszczone na środkach ścian i na narożach komórki elementarnej

NH Cr(SO ) ·12H O. Atom chromu jest M , a amoniak M Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

4 4 2 2 III I

I III

+ 3+

4+ 3+

I I

III

 



 



(9)

Źródło: Daniel Mayer, licencja: CC BY-SA 3.0, dostępny w internecie: h ps://pl.wikipedia.org/wiki/Układ_krystalograﬁczny#/media/Plik:Cubic- face-centered.svg.

typ komórki P

komórka prymitywna, indywidua są rozmieszczone na narożach komórki

Źródło: Daniel Mayer, licencja: CC BY-SA 3.0, dostępny w internecie:

h ps://pl.wikipedia.org/wiki/Układ_krystalograﬁczny#/media/Plik:Cubic.svg.

jon

(gr. iṓn „idący”) cząsteczka, atom obdarzona dodatnim bądź ujemnym ładunkiem elektrycznym ka on

(gr. katión „schodzący”) jon obdarzony dodatnim ładunkiem elektrycznym anion

(gr. anaión „wchodzący, w górę”) jon obdarzony ujemnym ładunkiem elektrycznym komórka elementarna

równoległościan stanowiący podstawowy, powtarzający się okresowo w przestrzeni element sieci przestrzennej; kształt i rozmiary komórki elementarnej określają stałe sieciowe: długości krawędzi: a, b, c, i kąty: α, β, γ między nim

ałuny

I III

(10)

(łac. alumen „ałun”) związki nieorganiczne o wzorze ogólnym M M (SO ) ·12H O; tworzą układy izomorﬁczne

Bibliograﬁa

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2007.

Borchardt‑Ott W., Crystallography an intoduction, Third Edition, New York 2011.

Brog J. P., Chanez C. L., Crochet, A., Fromm, K. M., Polymorphism, what it isand how to identify it:

a systematic review, „RSC Advances” 2013, 3, pp. 16905‑16931.

Cruz‑Cabeza A. J., Bernstein J., Conformational polymorphism, „Chemical Reviews” 2014, 114, 4, pp. 2170–

2191.

Encyklopedia PWN

Graf D. L., Crystallographic tables for the rhombohedral carbonates, „American Mineralogist” 1961, 46, pp. 1283‑1316.

Kamenícek J., Melichárek M., Experimental Demonstration of Isomorphism, „Journal of Chemical Education” 2000, 77, 5, p. 623.

McConnell J. D. C., Vaterite from Ballycraigy, Larne, Northern Ireland, „Mineralogical Magazine and Journal of the Mineralogical Society” 1960, 32, p. 535–545.

Van Meerssche M., Feneau‑Dupont J., Krystalograﬁa i chemia strukturalna, Warszawa 1984.

Wang J., Becker U., Structure and carbonate orientation of vaterite (CaCO3) Note: Coordinates corrected by Wang, „American Mineralogist” 2009, 94, p. 380‑386.

I III

4 2 2

(11)

Graﬁka interaktywna

Polecenie 1

Zapoznaj się z graﬁką interaktywną, a następnie odpowiedz na pytanie.

Diagram fazowy jest graﬁcznym przedstawieniem zależności temperatury (T) i ciśnienia (p). Informuje nas o występowaniu substancji w danej fazie (gazowej, stałej lub ciekłej).

Dzięki temu wykresowi możemy również określić odmiany polimorﬁczne substancji, która istnieje w danych warunkach temperatury i ciśnienia. Linie pomiędzy fazami oznaczają termodynamiczną równowagę.

Odmianę polimorﬁczną β‑kwarcu można uzyskać w temperaturze 1400°C oraz pod ciśnieniem 1,5 GPa. Jak myślisz, czy istnieje możliwość zmiany struktury krystalicznej w odmianę polimorﬁczną α‑kwarcu w tych samych warunkach ciśnienia, ale przy wyższej temperaturze?

Wykres fazowy tlenku krzemu

Źródło: GroMar Sp. z o.o. oprac. na podst. h ps://d32ogoqmya1dw8.cloudfront.net/images/research_educa on/equilibria/sio2.jpg, licencja: CC BY- SA 3.0.

Ćwiczenie 1 Uzupełnij tekst.

Tlenek krzemu pod wpływem ... i ... może zmienić swoją sieć krystaliczną. To zjawisko nazywamy ... W przyrodzie występują również związki, które są zbudowane z różnych pierwiastków, a mają ... strukturę krystaliczną. Zjawisko to nazywamy ...

Ćwiczenie 2

Czy podczas przemiany fazowej krystobalitu w β‑kwarc, następuje zmiana położenia atomów w strukturze krystalicznej?

Uzupełnij

(12)

Sprawdź się

Ćwiczenie 1

Uzupełnij zdania wybierając jedno z określeń.

Polimorfizm, nazywany jest inaczej alotropią/izomorfizmem. To zjawisko występowania substancji chemicznej w takich samych/różnych typach struktur krystalicznych. Przykładem pary substancji polimorficznej może być:diament i kalcyt/kalcyt i aragonit.

Ćwiczenie 2

Źródło: Daniel Mayer, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 3

Ćwiczenie 4

Przyporządkuj odpowiednią odmianę polimorﬁczną do substancji.

aragonit, twaleryt, kalcyt, graﬁt, diament, kwarc

CaCO

C

SiO

3

2

輸

(13)

Ćwiczenie 5

Ćwiczenie 6

Ćwiczenie 7

Oliwiny są grupą minerałów, zawierających związki krzemu. Ich ogólny wzór chemiczny to (Mg, Fe) SiO . W zależności od zawartości jonów magnezu czy żelaza, otrzymujemy różne odmiany izomorﬁczne. Jeżeli w oliwinie znajduje się wyłączenie jon magnezu, otrzymujemy minerał o nazwie forsteryt (Mg SiO ), a jeżeli występuje tylko jon żelaza – fajalit (Fe SiO ). Promienie jonowe poszczególnych jonów przedstawione zostały w tabeli.

Promienie jonowe wybranych jonów:

2 4

醙

難

(14)

Jon Promień jonowy [Å]

Na 1,16

Cs 1,81

Mg 0,86

Ba 1,49

Fe 0,92

Mn 0,91

Zn 0,88

Cu 0,87

NH 1,51

Czy możemy otrzymać oliwiny o wzorze strukturalnym Ba SiO , które będą izostrukturalne do forstertu?

Uzupełnij

+

2+

4+

2 4

(15)

Ćwiczenie 8

Na podstawie tabeli z promieniami jonowymi zaproponuj trzy wzory strukturalne związków, które będą izostrukturalne do oliwin.

Promienie jonowe wybranych jonów:

Jon Promień jonowy [Å]

Na 1,16

Cs 1,81

Mg 0,86

Ba 1,49

Fe 0,92

Mn 0,91

Zn 0,88

Cu 0,87

NH 1,51

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je pod ćwiczeniem.

+

2+

4+

難

(16)

(17)

Dla nauczyciela

Scenariusz zajęć

Autor: Robert Wróbel, Krzysztof Błaszczak Przedmiot: chemia

Temat: Czy różne substancje mogą mieć taką samą strukturę krystaliczną?

Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum – zakres podstawowy i zakres rozszerzony;

uczniowie III etapu edukacyjnego – kształcenie w zakresie podstawowym i rozszerzonym Podstawa programowa:

Treści wykraczające poza podstawę programową.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji;

kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii;

kompetencje cyfrowe;

kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

wyjaśnia różnicę między polimorﬁzmem a izomorﬁzmem;

opisuje budowę kryształów izomorﬁcznych i polimorﬁcznych;

proponuje związki, które mogą tworzyć struktury izomorﬁczne.

Strategie nauczania:

asocjacyjna.

Metody i techniki nauczania:

burza mózgów;

dyskusja dydaktyczna;

analiza tekstu źródłowego;

ćwiczenia uczniowskie;

technika zdań podsumowujących.

Formy pracy:

praca indywidualna;

praca zbiorowa;

w parach.

Środki dydaktyczne:

komputery z głośnikami, słuchawkami i dostępem do Internetu;

rzutnik multimedialny;

zasoby multimedialne zawarte w e‑materiale;

tablica interaktywna/tablica.

Przebieg zajęć

(18)

Faza wstępna:

1. Zaciekawienie i dyskusja. Nauczyciel zadaje uczniom pytania, np.: co to jest polimorﬁzm? Czy mogą podać przykład polimorﬁzmu, z którym spotykają się na co dzień?

2. Ustalenie celów lekcji. Nauczyciel podaje temat zajęć i wspólnie z uczniami ustala cele.

3. Rozpoznanie wiedzy wstępnej uczniów. Burza mózgów wokół pojęcia polimorﬁzmu.

Faza realizacyjna:

1. Uczniowie dobierają się w pary. Nauczyciel rozdaje uczniom wcześniej przygotowane rysunki struktur krystalicznych – po jednym rysunku na parę. Uczniowie analizują rysunki, po czym podejmują decyzję i zajmują miejsca tak, aby po jednej stronie klasy byli ci, którzy mają struktury polimorﬁczne, a po drugiej stronie klasy ci ze strukturami izomorﬁcznymi.

2. Analiza tekstu źródłowego zawartego w e‑materiale i skonfrontowanie swoich rysunków z nowo zdobytymi wiadomościami. Po zapoznaniu się z materiałem i analizie nauczyciel zadaje uczniom pytanie, czy wszystkie pary siedzą w odpowiednich miejscach na sali, które wybrali na samym początku, a może ktoś chce zmienić swoje miejsce i przejść do innej grupy? Chętni lub wskazani uczniowie uzasadniają swój wybór (ze strukturami polimorﬁcznymi i izomorﬁcznymi). Nauczyciel wspiera uczniów i ewentualnie wyjaśnia niezrozumiałe kwestie.

3. Uczniowie pracują w parach z z wykorzystaniem graﬁki interaktywnej oraz wykonują zaproponowane ćwiczenia.

4. Uczniowie samodzielnie sprawdzają swoją wiedzę, wykonując ćwiczenia w e‑materiale – sprawdź się.

Faza podsumowująca:

1. Nauczyciel sprawdza wiedzę uczniów zadając różne pytania, np.: jak nazywany jest inaczej polimorﬁzm? Jakie warunki w laboratorium muszą być spełnione, by uzyskać odmiany

polimorficzne? Czym charakteryzują się kryształy izomorficzne? Czym charakteryzują się kryształy polimorficzne?

2. Jako podsumowanie lekcji nauczyciel może wykorzystać zdania do uzupełnienia, które uczniowie również zamieszczają w swoim portfolio:

Przypomniałam/łem sobie, że...

Co było dla mnie łatwe...

Przypomniałam/łem sobie, że...

Co sprawiało mi trudności...

Praca domowa:

W zeszycie podaj po dwa przykłady struktur izomorﬁcznych i polimorﬁcznych.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania multimedium:

Grafika interaktywna może być wykorzystana na lekcji w celu zilustrowania, czym różnią się odmiany polimorficzne od izomorficznych. Uczniowie mogą ją wykorzystać przygotowując się do lekcji.

Materiały pomocnicze:

1. Polecenia podsumowujące (nauczyciel przed lekcją zapisuje je na niewielkich kartkach):

Jak nazywany jest inaczej polimorﬁzm?

Jakie warunki w laboratorium muszą być spełnione, by uzyskać odmiany polimorﬁczne?

Czym charakteryzują się kryształy izomorﬁczne?

Czym charakteryzują się kryształy polimorﬁczne?

2. Przed zajęciami nauczyciel przygotowuje kartki z odmianami polimorﬁcznymi i izomorﬁcznymi:

Plik o rozmiarze 146.06 KB w języku polskim Plik o rozmiarze 112.97 KB w języku polskim

(19)

Plik o rozmiarze 350.76 KB w języku polskim Plik o rozmiarze 395.67 KB w języku polskim Plik o rozmiarze 351.95 KB w języku polskim Plik o rozmiarze 270.58 KB w języku polskim Plik o rozmiarze 52.85 KB w języku polskim Plik o rozmiarze 67.69 KB w języku polskim Plik o rozmiarze 49.52 KB w języku polskim