Die Kristallstruktur ist die dreidimensionale Anordnung der Atome in einem festen Material, die dessen physikalische und chemische Eigenschaften bestimmt. Es gibt verschiedene Arten von Kristallstrukturen, wie z. B. kubische, hexagonale, orthorhombische und andere, jede mit ihren eigenen spezifischen Eigenschaften. In diesem Text werden die verschiedenen Arten von Kristallstrukturen, Beispiele für Materialien mit diesen Strukturen und ihre Bedeutung in der Materialwissenschaft erläutert.
Arten von Kristallstrukturen: Erfahren Sie mehr über die verschiedenen Konfigurationen der Atomanordnung in Materialien.
Eine Kristallstruktur beschreibt die Anordnung der Atome in einem festen Material. Es gibt verschiedene Arten von Kristallstrukturen, jede mit ihren eigenen Merkmalen und Eigenschaften. Das Verständnis dieser unterschiedlichen Atomanordnungen hilft uns, das Verhalten von Materialien besser zu verstehen.
Eine der häufigsten Arten von Kristallstrukturen ist die kubische Struktur, bei der die Atome in einem Würfelmuster angeordnet sind. Ein weiterer häufiger Typ ist die hexagonale Struktur, bei der die Atome in überlappenden Schichten Sechsecke bilden.
Darüber hinaus gibt es auch komplexere Kristallstrukturen, wie die tetragonale Struktur, die orthorhombische Struktur und die trigonale Struktur. Jede dieser Strukturen hat ihre eigenen einzigartigen Merkmale, die die Eigenschaften der Materialien beeinflussen.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Kristallstruktur eines Materials dessen mechanische, thermische, elektrische und optische Eigenschaften beeinflussen kann. Daher ist das Verständnis der Anordnung der Atome in Materialien entscheidend, um deren Verhalten vorhersagen und steuern zu können.
Kurz gesagt: Das Verständnis der verschiedenen Arten von Kristallstrukturen hilft uns, die Eigenschaften von Materialien besser zu verstehen und neue Anwendungen für sie zu entwickeln. Es ist ein grundlegender Aspekt der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik.
Erfahren Sie mehr über die 14 vorhandenen Kristallgitter und ihre einzigartigen Eigenschaften für feste Materialien.
Kristallgitter sind dreidimensionale Anordnungen von Atomen in einem festen Material. Es gibt 14 verschiedene Arten von Kristallgittern, jedes mit seinen eigenen einzigartigen Eigenschaften. Diese Gitter bestimmen die physikalischen und chemischen Eigenschaften von festen Materialien. Lernen wir einige der wichtigsten Kristallgitter und ihre Eigenschaften kennen:
Flächenzentriertes kubisches System (FCC): In diesem Gitter befinden sich Atome an den Eckpunkten und in der Mitte jeder Würfelfläche. Es ist eines der am häufigsten vorkommenden Gitter und weist eine hohe Dichte und gute Duktilität auf.
Kubisch-raumzentriertes System (BCC): In diesem Gitter befinden sich Atome an den Eckpunkten und in der Mitte des Würfels. Es hat eine geringere Dichte als das FCC-Gitter und ist widerstandsfähiger. Es kommt häufig bei Metallen wie Eisen und Chrom vor.
Einfach kubisch (SC): In diesem Gitter befinden sich Atome nur an den Ecken des Würfels. Es hat die geringste Dichte unter den kubischen Gittern und ist am wenigsten stabil. Es kommt in Materialien wie Polonium und Natrium vor.
Hexagonal dicht gepackt (HCP): In diesem Gitter bilden die Atome dicht gepackte hexagonale Schichten mit zusätzlichen Atomen in den Zwischenräumen zwischen den Schichten. Es ist weniger verbreitet als kubische Gitter, kommt aber in Metallen wie Zink und Magnesium vor.
Neben diesen Netzwerken gibt es noch weitere, wie z. B. tetragonalherunter, eine Rhomboedrisch und Monoklin, jedes mit seinen eigenen einzigartigen Eigenschaften. Das Verständnis der verschiedenen Kristallgitter ist entscheidend, um die Eigenschaften fester Materialien und ihre Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technologie besser zu verstehen.
Erkennen, ob es sich bei der Struktur um CCC oder CFC handelt: Erfahren Sie, wie Sie die Unterscheidung einfach vornehmen.
Um festzustellen, ob es sich bei einer Kristallstruktur um eine kubisch-raumzentrierte (BCC) oder kubisch-flächenzentrierte (FCC) Struktur handelt, ist es wichtig, die Position der Atome innerhalb der Elementarzelle zu beobachten. In der BCC-Struktur befinden sich die Atome an den Ecken und in der Mitte des Würfels. In der FCC-Struktur befinden sich die Atome an den Ecken und auf den Flächen des Würfels.
Eine einfache Möglichkeit, die beiden Strukturen zu unterscheiden, besteht darin, die Anzahl der Atome in jeder Elementarzelle zu zählen. In der BCC-Struktur befindet sich 1 Atom in der Mitte des Würfels und 8 Atome an den Ecken, also insgesamt 2 Atome pro Zelle. In der FCC-Struktur befindet sich 1 Atom in der Mitte des Würfels und 6 Atome an den Flächen, zusätzlich zu den 8 Atomen an den Ecken, also insgesamt 4 Atome pro Zelle.
Zählen Sie daher bei der Analyse der Kristallstruktur eines Materials die Anzahl der Atome in der Elementarzelle und bestimmen Sie, ob sie 2 Atomen (BCC) oder 4 Atomen (FCC) entspricht. Mit dieser einfachen Beobachtung können Sie leicht feststellen, ob es sich um eine BCC- oder FCC-Struktur handelt.
Kristallstruktur bestimmen: Tipps und Methoden zum Erkennen der Anordnung von Atomen.
Die Kristallstruktur beschreibt die Anordnung der Atome in einem Material und bestimmt dessen physikalische und chemische Eigenschaften. Die Identifizierung der Kristallstruktur eines Materials ist entscheidend für das Verständnis seines Verhaltens und seiner Anwendungen. Es gibt verschiedene Tipps und Methoden, um die Anordnung der Atome in einer Kristallstruktur zu erkennen.
Ein wichtiger Tipp ist, die Form der Kristalle zu beobachten. Kristalle sind feste Strukturen mit einer definierten geometrischen Form, die die Anordnung der Atome widerspiegelt. Die Form von Kristallen kann Aufschluss über die Art der im Material vorhandenen Kristallstruktur geben.
Eine weitere Methode zur Bestimmung der Kristallstruktur ist die Röntgenbeugung. Trifft ein Röntgenstrahl auf ein kristallines Material, beugen die Atome in der Kristallstruktur die Röntgenstrahlen und erzeugen ein charakteristisches Muster. Die Analyse dieses Musters kann Aufschluss über die Anordnung der Atome im Material geben.
Die Transmissionselektronenmikroskopie ist eine weitere leistungsstarke Methode zur Identifizierung von Kristallstrukturen. Diese Technik ermöglicht die direkte Visualisierung der Anordnung der Atome in einem Material und damit eine detaillierte Analyse der Kristallstruktur.
Kurz gesagt: Die Identifizierung der Kristallstruktur eines Materials ist entscheidend für das Verständnis seiner Eigenschaften und Anwendungen. Die Beobachtung von Kristallformen, die Durchführung von Röntgenbeugung und die Transmissionselektronenmikroskopie sind einige der verfügbaren Methoden, um die Anordnung der Atome in einer Kristallstruktur zu erkennen.
Kristallstruktur: Aufbau, Typen und Beispiele
A Kristallstruktur ist einer der festen Zustände, die Atome, Ionen oder Moleküle in der Natur annehmen können und der sich durch eine hohe räumliche Ordnung auszeichnet. Mit anderen Worten, dies ist ein Beweis für die „korpuskulare Architektur“, die viele Körper mit glasartigem, glänzendem Aussehen definiert.
Was fördert oder welche Kraft ist für diese Symmetrie verantwortlich? Die Teilchen sind nicht allein, sondern interagieren miteinander. Diese Wechselwirkungen verbrauchen Energie und beeinträchtigen die Stabilität von Festkörpern, daher versuchen die Teilchen, sich aneinander anzupassen, um diesen Energieverlust zu minimieren.
Ihre intrinsische Natur führt dazu, dass sie die stabilste räumliche Anordnung bilden. Dies könnte beispielsweise der Fall sein, wenn die Abstoßung zwischen gleich geladenen Ionen minimal ist oder wenn Atome – wie etwa Metallatome – in ihrer Packung das größtmögliche Volumen einnehmen.
Das Wort „Kristall“ hat eine chemische Bedeutung, die auf andere Körper übertragen werden kann. Chemisch gesehen bezeichnet es eine geordnete Struktur (mikroskopisch), die beispielsweise aus DNA-Molekülen bestehen kann (ein DNA-Kristall).
Allerdings wird der Begriff häufig fälschlicherweise für glasartige Objekte oder Oberflächen wie Spiegel oder Flaschen verwendet. Im Gegensatz zu echten Kristallen besteht Glas aus einer amorphen (unübersichtlichen) Struktur aus Silikaten und vielen anderen Zusätzen.
Struktur
Smaragd-Edelsteine sind im obigen Bild dargestellt. Viele andere Mineralien, Salze, Metalle, Legierungen und Diamanten weisen eine kristalline Struktur auf. Doch in welchem Zusammenhang steht ihre Ordnung mit der Symmetrie?
Wenn man an einem Kristall, dessen Partikel mit bloßem Auge beobachtet werden können, Symmetrieoperationen durchführt (ihn umkehren, ihn in verschiedenen Winkeln drehen, ihn an einer Ebene spiegeln usw.), stellt man fest, dass er in allen Raumdimensionen intakt bleibt.
Das Gegenteil ist bei einem amorphen Festkörper der Fall, aus dem durch eine Symmetrieoperation verschiedene Systeme entstehen. Darüber hinaus fehlen diesem strukturelle Wiederholungsmuster, was die Zufälligkeit in der Verteilung seiner Partikel belegt.
Was ist die kleinste Einheit, aus der das Strukturmuster besteht? Im obigen Bild ist der kristalline Feststoff räumlich symmetrisch, der amorphe Feststoff hingegen nicht.
Wenn Quadrate gezeichnet würden, die orangefarbene Kugeln und Symmetrieoperationen anwenden, würden sie andere Teile des Kristalls erzeugen.
Das oben Gesagte wird mit immer kleineren Quadraten wiederholt, bis ein asymmetrisches Quadrat gefunden wird; das Quadrat, das ihm in der Größe vorausgeht, ist per Definition die Elementarzelle.
Elementarzelle
Die Elementarzelle ist der minimale strukturelle Ausdruck, der die vollständige Reproduktion des kristallinen Festkörpers ermöglicht. Ausgehend davon kann das Glas zusammengesetzt und in alle Raumrichtungen bewegt werden.
Man kann es sich als eine kleine Schublade (Koffer, Eimer, Behälter usw.) vorstellen, in der Partikel, dargestellt durch Kugeln, einem Füllmuster folgend platziert werden. Die Abmessungen und Geometrien dieser Schublade hängen von der Länge ihrer Achsen (a, b und c) sowie den Winkeln zwischen ihnen (α, β und γ) ab.
Die einfachste aller Elementarzellen ist die einfache kubische Struktur (oberes Bild (1)). Dabei befinden sich die Mittelpunkte der Kugeln in den Ecken des Würfels, wobei sich vier an der Basis und vier an der Decke befinden.
In dieser Anordnung nehmen die Kugeln kaum 52 % des Gesamtvolumens des Würfels ein und da die Natur ein Vakuum verabscheut, gibt es nicht viele Verbindungen oder Elemente, die diese Struktur annehmen.
Wenn jedoch dieselben Kugeln des Würfels so angeordnet werden, dass sie das Zentrum einnehmen (kubisch im Körper, bcc), ist eine kompaktere und effizientere Packung erforderlich (2). Jetzt nehmen die Kugeln 68 % des Gesamtvolumens ein.
Andererseits nimmt in (3) keine Kugel den Mittelpunkt des Würfels ein, wohl aber den Mittelpunkt seiner Flächen, und alle nehmen bis zu 74 % des Gesamtvolumens ein (kubischer Mittelpunkt auf den Flächen, ccp).
So lässt sich beobachten, dass für denselben Würfel andere Anordnungen erreicht werden können, indem man die Art und Weise variiert, in der die Kugeln (Ionen, Moleküle, Atome usw.) gepackt sind.
Unsere
Kristallstrukturen können nach ihrem Kristallsystem oder der chemischen Natur ihrer Partikel klassifiziert werden.
Beispielsweise ist das kubische System das am weitesten verbreitete und viele kristalline Feststoffe unterliegen diesem System; dasselbe System gilt jedoch auch für Ionenkristalle und Metallkristalle.
Entsprechend Ihrem Kristallsystem
Die sieben Hauptkristallsysteme sind im vorherigen Bild dargestellt. Es ist zu beachten, dass vierzehn davon Produkte anderer Packungsformen für dieselben Systeme sind und die Bravais-Gitter bilden.
Von (1) bis (3) handelt es sich um Kristalle mit kubischem Kristallsystem. In (2) erkennt man (an den blauen Streifen), dass die Zentralkugel und die Eckkugel mit acht Nachbarn wechselwirken, sodass die Kugeln eine Koordinationszahl von 8 haben. Und in (3) beträgt die Koordinationszahl 12 (um dies zu erkennen, muss man den Würfel in eine beliebige Richtung duplizieren).
Die Elemente (4) und (5) entsprechen dem einfachen und dem zentrierten tetragonalen System. Im Unterschied zum kubischen System ist seine c-Achse länger als die a- und b-Achse.
Von (6) bis (9) sind die orthorhombischen Systeme: von den einfachen, auf den Basen zentrierten (7), bis zu denen, die auf dem Körper und den Flächen zentriert sind. In diesen sind α, β und γ 90º, aber alle Seiten haben unterschiedliche Längen.
Die Abbildungen (10) und (11) sind monokline Kristalle und (12) sind trikline Kristalle, die die letzten Ungleichungen in allen ihren Winkeln und Achsen aufweisen.
Element (13) ist das rhomboedrische System, analog zum kubischen, jedoch mit einem von 90° abweichenden Winkel γ. Schließlich gibt es noch die hexagonalen Kristalle
Durch die Verschiebungen der Elemente (14) entsteht das sechseckige Prisma, das durch die grünen gepunkteten Linien dargestellt ist.
Nach seiner chemischen Natur
– Wenn die Kristalle durch Ionen gebildet werden, handelt es sich um ionische Kristalle, die in Salzen (NaCl, CaSO 4 , CuCl 2 , KBr usw.)
– Moleküle wie Glucose bilden (wenn möglich) Molekülkristalle; in diesem Fall die berühmten Zuckerkristalle.
– Atome, deren Bindungen im Wesentlichen kovalent sind, bilden kovalente Kristalle. Dies ist bei Diamant und Siliziumkarbid der Fall.
– In ähnlicher Weise bilden Metalle wie Gold kompakte kubische Strukturen, die metallische Kristalle bilden.
Beispiele
K 2 Cr 2 O 7 (triklinisches System)
NaCl (kubisches System)
ZnS (Wurtzit, hexagonales System)
CuO (monoklines System)
Referenzen
- Quimitube (2015). Warum „Kristalle“ keine Kristalle sind Abgerufen am 24. Mai 2018 von: quimitube.com
- Press Books 10.6 Gitterstrukturen in kristallinen Festkörpern. Abgerufen am 26. Mai 2018 von: opentextbc.ca
- Akademisches Ressourcenzentrum für Kristallstrukturen. [PDF]. Abgerufen am 24. Mai 2018 von: web.iit.edu
- Ming (30. Juni 2015). Typen Kristallstrukturen Abgerufen am 26. Mai 2018 von: crystalvisions-film.com
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31. Januar 2018). Arten von Kristallen Abgerufen am 26. Mai 2018 von: thoughtco.com
- KHI (2007). Kristalline Strukturen Abgerufen am 26. Mai 2018 von: folk.ntnu.no
- Paweł Maliszczak. (25. April 2016). Rohe Smaragdkristalle aus dem Panjshir-Tal, Afghanistan . [Abbildung]. Abgerufen am 24. Mai 2018 von: commons.wikimedia.org
- Napy1kenobi. (26. April 2008). Malhas Bravais. [Figur]. Abgerufen am 26. Mai 2018 von: commons.wikimedia.org
- Benutzer: Sbyrnes321. (21. November 2011). Kristallin oder amorph. [Abbildung]. Abgerufen am 26. Mai 2018 von: commons.wikimedia.org