Krystalstruktur er den tredimensionelle arrangement af atomer i et fast materiale, som bestemmer dets fysiske og kemiske egenskaber. Der findes flere typer krystalstrukturer, såsom kubiske, hexagonale, orthorhombiske og andre, hver med sine egne specifikke karakteristika. I denne tekst vil vi diskutere de forskellige typer krystalstrukturer, eksempler på materialer, der besidder dem, og deres betydning inden for materialevidenskab.
Typer af krystalstrukturer: lær om de forskellige konfigurationer af atomarrangement i materialer.
En krystalstruktur er den måde, atomer er arrangeret på i et fast materiale. Der findes forskellige typer krystalstrukturer, hver med sine egne karakteristika og egenskaber. At forstå disse forskellige atomstrukturer hjælper os med bedre at forstå materialers opførsel.
En af de mest almindelige typer krystalstrukturer er den kubiske struktur, hvor atomer er arrangeret i et mønster af terninger. En anden almindelig type er den hexagonale struktur, hvor atomer danner hexagoner i overlappende lag.
Ud over disse findes der også mere komplekse krystalstrukturer, såsom den tetragonale struktur, den orthorhombiske struktur og den trigonale struktur. Hver af disse strukturer har sine egne unikke karakteristika, som påvirker materialernes egenskaber.
Det er vigtigt at bemærke, at et materiales krystalstruktur kan påvirke dets mekaniske, termiske, elektriske og optiske egenskaber. Derfor er det afgørende at forstå, hvordan atomer er arrangeret i materialer, for at forudsige og kontrollere deres adfærd.
Kort sagt, forståelsen af de forskellige typer krystalstrukturer hjælper os med bedre at forstå materialers egenskaber og udvikle nye anvendelser for dem. Det er et grundlæggende aspekt af materialevidenskab og materialeteknik.
Lær om de 14 eksisterende krystalgitre og deres unikke egenskaber for faste materialer.
Krystalgitre er tredimensionelle arrangementer af atomer i et fast materiale. Der findes 14 forskellige typer krystalgitre, hver med sine egne unikke egenskaber. Disse gitre bestemmer de fysiske og kemiske egenskaber ved faste materialer. Lad os lære om nogle af de vigtigste krystalgitre og deres egenskaber:
Ansigtscentreret kubisk (FCC)I dette gitter er atomer til stede i hjørnerne og midten af hver flade af kuben. Det er et af de mest almindelige gitre og har høj densitet og god duktilitet.
Kropscentreret kubisk (BCC)I dette gitter er atomerne til stede i kubens hjørner og centrum. Det har en lavere densitet end FCC-gitteret og er mere modstandsdygtigt, da det er almindeligt i metaller som jern og krom.
Simpel kubisk (SC)I dette gitter er atomerne kun til stede i kubens hjørner. Det har den laveste tæthed blandt kubiske gitre og er det mindst stabile, da det findes i materialer som polonium og natrium.
Sekskantet tætpakket (HCP)I dette gitter danner atomerne tætpakkede hexagonale lag med yderligere atomer i mellemrummene mellem lagene. Det er mindre almindeligt end kubiske gitre, men forekommer i metaller som zink og magnesium.
Ud over disse netværk findes der andre, som f.eks. tetragonal, en Romboedrisk og Monoklinisk, hver med sine egne unikke karakteristika. Forståelse af de forskellige krystalgitre er afgørende for bedre at forstå egenskaberne ved faste materialer og deres anvendelser inden for forskellige områder af videnskab og teknologi.
Identifikation af om strukturen er CCC eller CFC: lær hvordan man nemt kan skelne.
For at identificere, om en krystalstruktur er BCC (Body-Centered Cubic) eller FCC (Face-Centered Cubic), er det vigtigt at observere atomernes position i enhedscellen. I BCC-strukturen er atomerne placeret i hjørnerne af kuben og også i midten af kuben. I FCC-strukturen er atomerne placeret i hjørnerne af kuben og også på kubens flader.
En nem måde at skelne mellem de to strukturer er at tælle antallet af atomer i hver enhedscelle. I BCC-strukturen er der 1 atom i midten af kuben og 8 atomer i hjørnerne, i alt 2 atomer pr. celle. I FCC-strukturen er der 1 atom i midten af kuben og 6 atomer i fladerne, ud over de 8 atomer i hjørnerne, i alt 4 atomer pr. celle.
Når du analyserer et materiales krystalstruktur, skal du derfor tælle antallet af atomer i enhedscellen og bestemme, om det svarer til 2 atomer (BCC) eller 4 atomer (FCC). Med denne enkle observation vil du nemt kunne identificere, om strukturen er BCC eller FCC.
Identifikation af krystalstrukturen: tips og metoder til at genkende atomernes organisering.
Krystalstruktur er arrangementet af atomer i et materiale, der bestemmer dets fysiske og kemiske egenskaber. At identificere et materiales krystalstruktur er afgørende for at forstå dets opførsel og anvendelser. Der findes adskillige tips og metoder til at genkende arrangementet af atomer i en krystalstruktur.
Et vigtigt tip er at observere krystallernes form. krystaller er faste strukturer med en defineret geometrisk form, som afspejler atomernes arrangement. Krystallernes form kan indikere den type krystallinsk struktur, der er til stede i materialet.
En anden metode til at identificere krystalstruktur er røntgendiffraktion. Når en røntgenstråle rammer et krystallinsk materiale, diffrakterer atomerne i krystalstrukturen røntgenstrålerne og producerer et karakteristisk mønster. Analyse af dette mønster kan afsløre atomernes arrangement i materialet.
Transmissionselektronmikroskopi er en anden effektiv metode til at identificere krystalstruktur. Denne teknik muliggør direkte visualisering af atomernes arrangement i et materiale, hvilket muliggør en detaljeret analyse af krystalstrukturen.
Kort sagt er det afgørende at identificere et materiales krystalstruktur for at forstå dets egenskaber og anvendelser. Observation af krystalformer, udførelse af røntgendiffraktion og brug af transmissionselektronmikroskopi er nogle af de metoder, der er tilgængelige til at genkende atomernes arrangement i en krystalstruktur.
Krystalstruktur: Struktur, typer og eksempler
A krystalstruktur er en af de faste tilstande, som atomer, ioner eller molekyler kan antage i naturen, karakteriseret ved en høj rumlig orden. Med andre ord er dette bevis på den "korpuskulære arkitektur", der definerer mange legemer med glasagtige, skinnende udseender.
Hvad fremmer eller hvilken kraft er ansvarlig for denne symmetri? Partiklerne er ikke alene, men vekselvirker med hinanden. Disse vekselvirkninger forbruger energi og påvirker stabiliteten af faste stoffer, så partiklerne søger at akkommodere hinanden for at minimere dette energitab.
Deres iboende natur fører således til, at de danner den mest stabile rumlige ordning. For eksempel kan dette være et tilfælde, hvor frastødninger mellem ioner med samme ladning er minimale, eller hvor atomer - såsom metalatomer - optager det størst mulige volumen i deres pakninger.
Ordet "krystal" har en kemisk betydning, der kan forvrænges til andre legemer. Kemisk set refererer det til en ordnet struktur (mikroskopisk), der for eksempel kan bestå af DNA-molekyler (en DNA-krystal).
Det er dog populært misbrugt til at henvise til enhver glasagtig genstand eller overflade, såsom spejle eller flasker. I modsætning til ægte krystaller består glas af en amorf (forvirret) struktur af silikater og mange andre tilsætningsstoffer.
Struktur
Smaragdsten er illustreret på billedet ovenfor. Mange andre mineraler, salte, metaller, legeringer og diamanter udviser en krystallinsk struktur; men hvilket forhold har deres rækkefølge til symmetri?
Hvis en krystal, hvis partikler kan observeres med det blotte øje, udfører symmetrioperationer (inverterer den, roterer den i forskellige vinkler, reflekterer den på et plan osv.), vil det vise sig, at den forbliver intakt i alle rummets dimensioner.
Det modsatte gælder for et amorft fast stof, hvorfra forskellige systemer opnås ved at underkaste det en symmetrioperation. Desuden mangler dette strukturelle gentagelsesmønstre, hvilket demonstrerer tilfældigheden i fordelingen af dets partikler.
Hvad er den mindste enhed, der udgør det strukturelle mønster? På billedet ovenfor er det krystallinske faste stof symmetrisk i rummet, mens det amorfe faste stof ikke er det.
Hvis der blev tegnet firkanter, der anvendte orange kugler og symmetrioperationer, ville de generere andre dele af krystallen.
Ovenstående gentages med stadig mindre firkanter, indtil der findes en, der er asymmetrisk; den forudgående i størrelse er per definition enhedscellen.
Enhedscelle
Enhedscellen er det minimale strukturelle udtryk, der tillader fuldstændig reproduktion af det krystallinske faste stof. Ud fra dette er det muligt at samle glasset og bevæge det i alle retninger af rummet.
Den kan betragtes som en lille skuffe (kuffert, spand, beholder osv.), hvor partikler, repræsenteret af kugler, placeres efter et fyldningsmønster. Dimensionerne og geometrierne af denne skuffe afhænger af længderne af dens akser (a, b og c) samt vinklerne mellem dem (α, β og γ).
Den enkleste af alle enhedsceller er den simple kubiske struktur (øverste billede (1)). I denne optager kuglernes centre kubens hjørner, med fire ved dens base og fire ved dens loft.
I dette arrangement optager kuglerne knap 52% af kubens samlede volumen, og da naturen afskyr et vakuum, er der ikke mange forbindelser eller elementer, der antager denne struktur.
Hvis de samme kugler i kuben imidlertid arrangeres, så de optager midten (kubisk i kroppen, bcc), kræves der en mere kompakt og effektiv pakning (2). Kuglerne optager nu 68% af det samlede volumen.
På den anden side, i (3), optager ingen kugle terningens centrum, men centrum af dens flader gør, og alle optager op til 74% af det samlede volumen (kubisk centrum på fladerne, ccp).
Det kan således observeres, at andre arrangementer kan opnås for den samme terning, hvorved man varierer den måde, hvorpå kuglerne (ioner, molekyler, atomer osv.) er pakket.
Typer
Krystalstrukturer kan klassificeres efter deres krystalsystemer eller den kemiske natur af deres partikler.
For eksempel er det kubiske system det mest almindelige af alle, og mange krystallinske faste stoffer styres af det; dog gælder det samme system for ioniske krystaller og metalliske krystaller.
Ifølge dit krystalsystem
De syv primære krystalsystemer er repræsenteret i det foregående billede. Det kan bemærkes, at fjorten af dem faktisk er produkter af andre pakningsformer for de samme systemer og udgør Bravais-gitrene.
Fra (1) til (3) er krystaller med kubiske krystalsystemer. I (2) kan det ses (ud fra de blå striber), at den centrale kugle og hjørnekuglen vekselvirker med otte naboer, således at kuglerne har et koordinationstal på 8. Og i (3) er koordinationstallet 12 (for at se dette skal du duplikere kuben i begge retninger).
Elementerne (4) og (5) svarer til de simple og centercentrerede tetragonale systemer. I modsætning til det kubiske system er dets c-akse længere end a- og b-akserne.
Fra (6) til (9) er de orthorhombiske systemer: fra de simple centrerede omkring baserne (7) til dem centreret omkring kroppen og fladerne. I disse er α, β og γ 90º, men alle sider har forskellig længde.
Figur (10) og (11) er monokliniske krystaller, og (12) er trikliniske, idet de sidste uligheder vises i alle deres vinkler og akser.
Element (13) er det romboedriske system, analogt med det kubiske, men med en vinkel γ forskellig fra 90°. Endelig er der de hexagonale krystaller
Elementernes (14) forskydninger giver anledning til det sekskantede prisme tegnet af de grønne stiplede linjer.
Ifølge dens kemiske natur
– Hvis krystallerne dannes af ioner, er de ioniske krystaller, der findes i salte (NaCl, CaSO4 4 , CuCl 2 , KBr osv.)
– Molekyler som glukose danner (når det er muligt) molekylære krystaller; i dette tilfælde de berømte sukkerkrystaller.
– Atomer, hvis bindinger i det væsentlige er kovalente, danner kovalente krystaller. Dette er tilfældet med diamant og siliciumcarbid.
– På samme måde danner metaller som guld kompakte kubiske strukturer, der udgør metalliske krystaller.
Eksempler
K 2 Cr 2 O 7 (triklinisk system)
NaCl (kubisk system)
ZnS (wurtzit, hexagonalt system)
CuO (monoklint system)
Referencer
- Quimitube (2015). Hvorfor "krystaller" ikke er krystaller Hentet 24. maj 2018 fra: quimitube.com
- Press Books 10.6 Gitterstrukturer i krystallinske faste stoffer. Hentet 26. maj 2018 fra: opentextbc.ca
- Krystalstrukturer Akademisk Ressourcecenter. [PDF]. Hentet 24. maj 2018 fra: web.iit.edu
- Ming (30. juni 2015). Typer af krystalstrukturer Hentet 26. maj 2018 fra: crystalvisions-film.com
- Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (31. januar 2018). Typer af krystaller Hentet 26. maj 2018 fra: thoughtco.com
- KHI (2007). Krystallinske strukturer Hentet 26. maj 2018 fra: folk.ntnu.no
- Paweł Maliszczak. (25. april 2016). Rå smaragdkrystaller fra Panjshir-dalen, Afghanistan [Figur]. Hentet 24. maj 2018 fra: commons.wikimedia.org
- Napy1kenobi. (26. april 2008). Malhas Bravais. [Figur]. Hentet 26. maj 2018 fra: commons.wikimedia.org
- Bruger: Sbyrnes321. (21. november 2011). Krystallinsk eller amorf. [Figur]. Hentet 26. maj 2018 fra: commons.wikimedia.org