L'estructura cristal·lina és la disposició tridimensional dels àtoms en un material sòlid, que determina les seves propietats físiques i químiques. Hi ha diversos tipus d'estructures cristal·lines, com ara cúbiques, hexagonals, ortoròmbiques i altres, cadascuna amb les seves pròpies característiques específiques. En aquest text, parlarem dels diferents tipus d'estructures cristal·lines, exemples de materials que les posseeixen i la seva importància en la ciència de materials.
Tipus d'estructura cristal·lina: aprendre sobre les diferents configuracions de la disposició atòmica en els materials.
Una estructura cristal·lina és la manera com els àtoms s'organitzen en un material sòlid. Hi ha diferents tipus d'estructures cristal·lines, cadascuna amb les seves pròpies característiques i propietats. Comprendre aquestes diferents disposicions atòmiques ens ajuda a entendre millor el comportament dels materials.
Un dels tipus més comuns d'estructura cristal·lina és l'estructura cúbica, on els àtoms estan disposats en un patró de cubs. Un altre tipus comú és l'estructura hexagonal, on els àtoms formen hexàgons en capes superposades.
A més d'aquestes, també hi ha estructures cristal·lines més complexes, com ara l'estructura tetragonal, l'estructura ortoròmbica i l'estructura trigonal. Cadascuna d'aquestes estructures té les seves pròpies característiques úniques, que influeixen en les propietats dels materials.
És important tenir en compte que l'estructura cristal·lina d'un material pot afectar les seves propietats mecàniques, tèrmiques, elèctriques i òptiques. Per tant, entendre com s'organitzen els àtoms en els materials és essencial per predir i controlar el seu comportament.
En resum, comprendre els diferents tipus d'estructures cristal·lines ens ajuda a entendre millor les propietats dels materials i a desenvolupar noves aplicacions per a ells. És un aspecte fonamental de la ciència i l'enginyeria de materials.
Aprèn sobre les 14 xarxes cristal·lines existents i les seves característiques úniques per als materials sòlids.
Les xarxes cristal·lines són disposicions tridimensionals d'àtoms en un material sòlid. Hi ha 14 tipus diferents de xarxes cristal·lines, cadascuna amb les seves pròpies característiques. Aquestes xarxes determinen les propietats físiques i químiques dels materials sòlids. Coneixem algunes de les principals xarxes cristal·lines i les seves característiques:
Cúbica centrada en cares (FCC)En aquesta xarxa, els àtoms són presents als vèrtexs i al centre de cada cara del cub. És una de les xarxes més comunes i té una alta densitat i bona ductilitat.
Cúbic Centrat en el Cos (BCC)En aquesta xarxa, els àtoms són presents als vèrtexs i al centre del cub. Té una densitat menor que la xarxa FCC i és més resistent, sent comú en metalls com el ferro i el crom.
Cúbic simple (SC)En aquesta xarxa, els àtoms només són presents als vèrtexs del cub. Té la densitat més baixa entre les xarxes cúbiques i és la menys estable, i es troba en materials com el poloni i el sodi.
Hexagonal compacte (HCP)En aquesta xarxa, els àtoms formen capes hexagonals denses, amb àtoms addicionals als intersticis entre les capes. És menys comú que les xarxes cúbiques, però present en metalls com el zinc i el magnesi.
A més d'aquestes xarxes, n'hi ha d'altres com ara tetragonal, un Romboèdric i Monoclínica, cadascuna amb les seves pròpies característiques úniques. Comprendre les diferents xarxes cristal·lines és crucial per entendre millor les propietats dels materials sòlids i les seves aplicacions en diversos camps de la ciència i la tecnologia.
Identificar si l'estructura és CCC o CFC: aprendre a diferenciar-la fàcilment.
Per identificar si una estructura cristal·lina és BCC (cúbica centrada en el cos) o FCC (cúbica centrada en les cares), és important observar la posició dels àtoms dins de la cel·la unitària. En l'estructura BCC, els àtoms es troben a les cantonades del cub i també al centre del cub. En l'estructura FCC, els àtoms es troben a les cantonades del cub i també a les cares del cub.
Una manera fàcil de diferenciar les dues estructures és comptar el nombre d'àtoms presents a cada cel·la unitària. A l'estructura BCC, hi ha 1 àtom al centre del cub i 8 àtoms a les cantonades, amb un total de 2 àtoms per cel·la. A l'estructura FCC, hi ha 1 àtom al centre del cub i 6 àtoms a les cares, a més dels 8 àtoms a les cantonades, amb un total de 4 àtoms per cel·la.
Per tant, quan analitzeu l'estructura cristal·lina d'un material, compteu el nombre d'àtoms de la cel·la unitària i determineu si correspon a 2 àtoms (BCC) o 4 àtoms (FCC). Amb aquesta simple observació, podreu identificar fàcilment si l'estructura és BCC o FCC.
Identificació de l'estructura cristal·lina: consells i mètodes per reconèixer l'organització dels àtoms.
L'estructura cristal·lina és la disposició dels àtoms en un material, que determina les seves propietats físiques i químiques. Identificar l'estructura cristal·lina d'un material és essencial per entendre el seu comportament i les seves aplicacions. Hi ha diversos consells i mètodes per reconèixer la disposició dels àtoms en una estructura cristal·lina.
Un consell important és observar la forma dels cristalls. cristalls són estructures sòlides amb una forma geomètrica definida, que reflecteix la disposició dels àtoms. La forma dels cristalls pot indicar el tipus d'estructura cristal·lina present en el material.
Un altre mètode per identificar l'estructura cristal·lina és la difracció de raigs X. Quan un feix de raigs X incideix en un material cristal·lí, els àtoms de l'estructura cristal·lina difracten els raigs X, produint un patró característic. L'anàlisi d'aquest patró pot revelar la disposició dels àtoms en el material.
La microscòpia electrònica de transmissió és un altre mètode potent per identificar l'estructura cristal·lina. Aquesta tècnica permet la visualització directa de la disposició dels àtoms en un material, cosa que permet una anàlisi detallada de l'estructura cristal·lina.
En resum, identificar l'estructura cristal·lina d'un material és crucial per comprendre les seves propietats i aplicacions. L'observació de formes cristal·lines, la realització de difracció de raigs X i l'ús de microscòpia electrònica de transmissió són alguns dels mètodes disponibles per reconèixer la disposició dels àtoms en una estructura cristal·lina.
Estructura cristal·lina: estructura, tipus i exemples
A estructura cristal·lina és un dels estats sòlids que els àtoms, els ions o les molècules poden adoptar a la natura, caracteritzat per un alt ordre espacial. En altres paraules, això és una evidència de l'"arquitectura corpuscular" que defineix molts cossos amb aspectes vítrios i brillants.
Què promou o quina força és responsable d'aquesta simetria? Les partícules no estan soles, sinó que interactuen entre si. Aquestes interaccions consumeixen energia i afecten l'estabilitat dels sòlids, de manera que les partícules busquen acomodar-se mútuament per minimitzar aquesta pèrdua d'energia.
Així, la seva naturalesa intrínseca els porta a formar la disposició espacial més estable. Per exemple, aquest podria ser un cas on les repulsions entre ions amb càrrega similar són mínimes o on els àtoms, com ara els àtoms metàl·lics, ocupen el volum més gran possible en els seus empaquetaments.
La paraula "cristall" té un significat químic que es pot distorsionar per a altres cossos. Químicament, es refereix a una estructura ordenada (microscòpicament) que, per exemple, podria consistir en molècules d'ADN (un cristall d'ADN).
Tanmateix, popularment s'utilitza incorrectament per referir-se a qualsevol objecte o superfície vítria, com ara miralls o ampolles. A diferència dels cristalls veritables, el vidre consisteix en una estructura amorfa (confusa) de silicats i molts altres additius.
Estructura
Les pedres precioses de maragda s'il·lustren a la imatge superior. Molts altres minerals, sals, metalls, aliatges i diamants presenten una estructura cristal·lina; però quina relació té el seu ordre amb la simetria?
Si un cristall, les partícules del qual es poden observar a simple vista, realitza operacions de simetria (invertir-lo, girar-lo en diferents angles, reflectir-lo en un pla, etc.), es comprovarà que roman intacte en totes les dimensions de l'espai.
El contrari passa en un sòlid amorf, del qual s'obtenen diferents sistemes sotmetent-lo a una operació de simetria. A més, aquest no té patrons de repetició estructurals, la qual cosa demostra l'aleatorietat en la distribució de les seves partícules.
Quina és la unitat més petita que conforma el patró estructural? A la imatge superior, el sòlid cristal·lí és simètric a l'espai, mentre que el sòlid amorf no ho és.
Si es dibuixessin quadrats que apliquessin esferes taronges i operacions de simetria, generarien altres parts del cristall.
L'anterior es repeteix amb quadrats cada cop més petits, fins que se'n troba un que sigui asimètric; el que el precedeix en mida és, per definició, la cel·la unitària.
Cel·la unitària
La cel·la unitària és l'expressió estructural mínima que permet la reproducció completa del sòlid cristal·lí. A partir d'aquesta, és possible muntar el vidre, movent-lo en totes les direccions de l'espai.
Es pot considerar un petit calaix (baul, galleda, contenidor, etc.) on es col·loquen partícules, representades per esferes, seguint un patró d'ompliment. Les dimensions i geometries d'aquest calaix depenen de les longituds dels seus eixos (a, b i c), així com dels angles entre ells (α, β i γ).
La més simple de totes les cel·les unitàries és l'estructura cúbica simple (imatge superior (1)). En aquesta, els centres de les esferes ocupen les cantonades del cub, col·locant-ne quatre a la base i quatre al sostre.
En aquesta disposició, les esferes amb prou feines ocupen el 52% del volum total del cub i, com que la natura avorreix el buit, no hi ha molts compostos o elements que adoptin aquesta estructura.
Tanmateix, si les mateixes esferes del cub es disposen de manera que ocupen el centre (cúbiques al cos, bcc), caldrà un empaquetament més compacte i eficient (2). Ara, les esferes ocupen el 68% del volum total.
D'altra banda, a (3) cap esfera ocupa el centre del cub, però sí el centre de les seves cares, i totes ocupen fins a un 74% del volum total (centre cúbic a les cares, ccp).
Així, es pot observar que es poden obtenir altres disposicions per al mateix cub, variant la manera com s'empaqueta les esferes (ions, molècules, àtoms, etc.).
Tipus
Les estructures cristal·lines es poden classificar segons els seus sistemes cristal·lins o la naturalesa química de les seves partícules.
Per exemple, el sistema cúbic és el més comú de tots i molts sòlids cristal·lins es regeixen per ell; tanmateix, aquest mateix sistema s'aplica als cristalls iònics i als cristalls metàl·lics.
Segons el vostre sistema cristal·lí
Els set sistemes cristal·lins principals estan representats a la imatge anterior. Es pot observar que, de fet, catorze d'ells són productes d'altres formes d'empaquetament per als mateixos sistemes i constitueixen les xarxes de Bravais.
De (1) a (3) hi ha cristalls amb sistemes cristal·lins cúbics. A (2) es pot veure (a partir de les franges blaves) que l'esfera central i l'esfera de la cantonada interactuen amb vuit veïns, de manera que les esferes tenen un nombre de coordinació de 8. I a (3) el nombre de coordinació és 12 (per veure això cal duplicar el cub en qualsevol direcció).
Els elements (4) i (5) corresponen als sistemes tetragonals simples i centrats en el centre. A diferència del cúbic, el seu eix c és més llarg que els eixos a i b.
De (6) a (9) hi ha els sistemes ortoròmbics: des dels simples centrats en les bases (7), fins als centrats en el cos i les cares. En aquests, α, β i γ són a 90º, però tots els costats tenen longituds diferents.
Les figures (10) i (11) són cristalls monoclínics i la (12) són triclínics, presentant les últimes desigualtats en tots els seus angles i eixos.
L'element (13) és el sistema romboèdric, anàleg al cúbic, però amb un angle γ diferent de 90°. Finalment, hi ha els cristalls hexagonals.
Els desplaçaments dels elements (14) donen lloc al prisma hexagonal dibuixat per les línies verdes de punts.
Segons la seva naturalesa química
– Si els cristalls estan formats per ions, són cristalls iònics presents en sals (NaCl, CaSO4 4 , CuCl 2 , KBr, etc.)
– Molècules com la glucosa formen (sempre que és possible) cristalls moleculars; en aquest cas, els famosos cristalls de sucre.
– Els àtoms els enllaços dels quals són essencialment covalents formen cristalls covalents. Aquest és el cas del diamant i del carbur de silici.
– De la mateixa manera, metalls com l'or formen estructures cúbiques compactes, que constitueixen cristalls metàl·lics.
Exemples
K 2 Cr 2 O 7 (sistema triclínic)
NaCl (sistema cúbic)
ZnS (wurtzita, sistema hexagonal)
CuO (sistema monoclínic)
Referències
- Quimitube (2015). Per què els "cristalls" no són cristalls . Recuperat el 24 de maig de 2018 de: quimitube.com
- Press Books 10.6 Estructures de xarxa en sòlids cristal·lins. Recuperat el 26 de maig de 2018 de: opentextbc.ca
- Centre de Recursos Acadèmics d'Estructures Cristallines. [PDF]. Recuperat el 24 de maig de 2018 de: web.iit.edu
- Ming (30 de juny de 2015). Tipus d'estructures cristal·lines . Recuperat el 26 de maig de 2018 a: crystalvisions-film.com
- Helmenstine, Anne Marie, doctora en filosofia (31 de gener de 2018). Tipus de cristalls . Recuperat el 26 de maig de 2018 de: thoughtco.com
- KHI (2007). Estructures cristal·lines . Recuperat el 26 de maig de 2018 de: folk.ntnu.no
- Paweł Maliszczak. (25 d'abril de 2016). Cristalls d'esmeralda en brut de la vall de Panjshir, Afganistan . [Figura]. Recuperat el 24 de maig de 2018 de: commons.wikimedia.org
- Napy1kenobi. (26 d'abril de 2008). Malhas Bravais. [Figura]. Recuperat el 26 de maig de 2018 a: commons.wikimedia.org
- Usuari: Sbyrnes321. (21 de novembre de 2011). Cristal·lí o amorf. [Figura]. Recuperat el 26 de maig de 2018 de: commons.wikimedia.org