Η κρυσταλλική δομή είναι η τρισδιάστατη διάταξη ατόμων σε ένα στερεό υλικό, η οποία καθορίζει τις φυσικές και χημικές του ιδιότητες. Υπάρχουν διάφοροι τύποι κρυσταλλικών δομών, όπως κυβικές, εξαγωνικές, ορθορομβικές και άλλες, καθεμία με τα δικά της ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Σε αυτό το κείμενο, θα συζητήσουμε τους διαφορετικούς τύπους κρυσταλλικών δομών, παραδείγματα υλικών που τις διαθέτουν και τη σημασία τους στην επιστήμη των υλικών.
Τύποι κρυσταλλικής δομής: μάθετε για τις διαφορετικές διαμορφώσεις της ατομικής διάταξης στα υλικά.
Μια κρυσταλλική δομή είναι ο τρόπος με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα σε ένα στερεό υλικό. Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι κρυσταλλικών δομών, ο καθένας με τα δικά του χαρακτηριστικά και ιδιότητες. Η κατανόηση αυτών των διαφορετικών ατομικών διατάξεων μας βοηθά να κατανοήσουμε καλύτερα τη συμπεριφορά των υλικών.
Ένας από τους πιο συνηθισμένους τύπους κρυσταλλικής δομής είναι η κυβική δομή, όπου τα άτομα είναι διατεταγμένα σε ένα μοτίβο κύβων. Ένας άλλος συνηθισμένος τύπος είναι η εξαγωνική δομή, όπου τα άτομα σχηματίζουν εξάγωνα σε επικαλυπτόμενα στρώματα.
Εκτός από αυτές, υπάρχουν και πιο σύνθετες κρυσταλλικές δομές, όπως η τετραγωνική δομή, η ορθορομβική δομή και η τριγωνική δομή. Κάθε μία από αυτές τις δομές έχει τα δικά της μοναδικά χαρακτηριστικά, τα οποία επηρεάζουν τις ιδιότητες των υλικών.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η κρυσταλλική δομή ενός υλικού μπορεί να επηρεάσει τις μηχανικές, θερμικές, ηλεκτρικές και οπτικές του ιδιότητες. Επομένως, η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα στα υλικά είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη και τον έλεγχο της συμπεριφοράς τους.
Εν ολίγοις, η κατανόηση των διαφορετικών τύπων κρυσταλλικών δομών μας βοηθά να κατανοήσουμε καλύτερα τις ιδιότητες των υλικών και να αναπτύξουμε νέες εφαρμογές για αυτά. Είναι μια θεμελιώδης πτυχή της επιστήμης και της μηχανικής υλικών.
Μάθετε για τα 14 υπάρχοντα κρυσταλλικά πλέγματα και τα μοναδικά χαρακτηριστικά τους για στερεά υλικά.
Τα κρυσταλλικά πλέγματα είναι τρισδιάστατες διατάξεις ατόμων σε ένα στερεό υλικό. Υπάρχουν 14 διαφορετικοί τύποι κρυσταλλικών πλεγμάτων, καθένας με τα δικά του μοναδικά χαρακτηριστικά. Αυτά τα πλέγματα καθορίζουν τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των στερεών υλικών. Ας μάθουμε για μερικά από τα κύρια κρυσταλλικά πλέγματα και τα χαρακτηριστικά τους:
Κυβικό με επίκεντρο την όψη (FCC)Σε αυτό το πλέγμα, άτομα υπάρχουν στις κορυφές και στο κέντρο κάθε όψης του κύβου. Είναι ένα από τα πιο συνηθισμένα πλέγματα και έχει υψηλή πυκνότητα και καλή ολκιμότητα.
Κυβικά με επίκεντρο το σώμα (BCC)Σε αυτό το πλέγμα, άτομα υπάρχουν στις κορυφές και στο κέντρο του κύβου. Έχει χαμηλότερη πυκνότητα από το πλέγμα FCC και είναι πιο ανθεκτικό, κάτι που είναι συνηθισμένο σε μέταλλα όπως ο σίδηρος και το χρώμιο.
Απλό Κυβικό (SC)Σε αυτό το πλέγμα, άτομα υπάρχουν μόνο στις κορυφές του κύβου. Έχει τη χαμηλότερη πυκνότητα μεταξύ των κυβικών πλεγμάτων και είναι το λιγότερο σταθερό, καθώς βρίσκεται σε υλικά όπως το πολώνιο και το νάτριο.
Εξαγωνική Στενή Συσκευασία (HCP)Σε αυτό το πλέγμα, τα άτομα σχηματίζουν πυκνά εξαγωνικά στρώματα, με επιπλέον άτομα στα διάκενα μεταξύ των στρωμάτων. Είναι λιγότερο συνηθισμένο από τα κυβικά πλέγματα, αλλά υπάρχει σε μέταλλα όπως ο ψευδάργυρος και το μαγνήσιο.
Εκτός από αυτά τα δίκτυα, υπάρχουν και άλλα, όπως π. Τετράγωνος, έναν Ρομβοεδρικό και Μονοκλινές, το καθένα με τα δικά του μοναδικά χαρακτηριστικά. Η κατανόηση των διαφορετικών κρυσταλλικών πλεγμάτων είναι ζωτικής σημασίας για την καλύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων των στερεών υλικών και των εφαρμογών τους σε διάφορους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας.
Προσδιορισμός του εάν η δομή είναι CCC ή CFC: μάθετε πώς να κάνετε εύκολα τη διάκριση.
Για να προσδιορίσουμε εάν μια κρυσταλλική δομή είναι BCC (Κυβική με επίκεντρο το σώμα) ή FCC (Κυβική με επίκεντρο την όψη), είναι σημαντικό να παρατηρήσουμε τη θέση των ατόμων μέσα στο μοναδιαίο κελί. Στη δομή BCC, τα άτομα βρίσκονται στις γωνίες του κύβου και επίσης στο κέντρο του κύβου. Στη δομή FCC, τα άτομα βρίσκονται στις γωνίες του κύβου και επίσης στις έδρες του κύβου.
Ένας εύκολος τρόπος για να διαφοροποιήσετε τις δύο δομές είναι να μετρήσετε τον αριθμό των ατόμων που υπάρχουν σε κάθε κελί μονάδας. Στη δομή BCC, υπάρχει 1 άτομο στο κέντρο του κύβου και 8 άτομα στις γωνίες, συνολικά 2 άτομα ανά κελί. Στη δομή FCC, υπάρχει 1 άτομο στο κέντρο του κύβου και 6 άτομα στις έδρες, εκτός από τα 8 άτομα στις γωνίες, συνολικά 4 άτομα ανά κελί.
Επομένως, κατά την ανάλυση της κρυσταλλικής δομής ενός υλικού, μετρήστε τον αριθμό των ατόμων στο κελί μονάδας και προσδιορίστε αν αντιστοιχεί σε 2 άτομα (BCC) ή 4 άτομα (FCC). Με αυτήν την απλή παρατήρηση, θα μπορείτε εύκολα να προσδιορίσετε αν η δομή είναι BCC ή FCC.
Αναγνώριση της κρυσταλλικής δομής: συμβουλές και μέθοδοι για την αναγνώριση της οργάνωσης των ατόμων.
Η κρυσταλλική δομή είναι η διάταξη των ατόμων σε ένα υλικό, η οποία καθορίζει τις φυσικές και χημικές του ιδιότητες. Η αναγνώριση της κρυσταλλικής δομής ενός υλικού είναι απαραίτητη για την κατανόηση της συμπεριφοράς και των εφαρμογών του. Υπάρχουν αρκετές συμβουλές και μέθοδοι για την αναγνώριση της διάταξης των ατόμων σε μια κρυσταλλική δομή.
Μια σημαντική συμβουλή είναι να παρατηρήσετε το σχήμα των κρυστάλλων. κρυστάλλους είναι στερεές δομές με καθορισμένο γεωμετρικό σχήμα, το οποίο αντικατοπτρίζει τη διάταξη των ατόμων. Το σχήμα των κρυστάλλων μπορεί να υποδεικνύει τον τύπο της κρυσταλλικής δομής που υπάρχει στο υλικό.
Μια άλλη μέθοδος για την αναγνώριση της κρυσταλλικής δομής είναι η περίθλαση ακτίνων Χ. Όταν μια δέσμη ακτίνων Χ προσπίπτει σε ένα κρυσταλλικό υλικό, τα άτομα στην κρυσταλλική δομή περίθλασαν τις ακτίνες Χ, παράγοντας ένα χαρακτηριστικό μοτίβο. Η ανάλυση αυτού του μοτίβου μπορεί να αποκαλύψει τη διάταξη των ατόμων στο υλικό.
Η ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης είναι μια άλλη ισχυρή μέθοδος για την αναγνώριση της κρυσταλλικής δομής. Αυτή η τεχνική επιτρέπει την άμεση οπτικοποίηση της διάταξης των ατόμων σε ένα υλικό, επιτρέποντας την λεπτομερή ανάλυση της κρυσταλλικής δομής.
Εν ολίγοις, η αναγνώριση της κρυσταλλικής δομής ενός υλικού είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση των ιδιοτήτων και των εφαρμογών του. Η παρατήρηση των σχημάτων των κρυστάλλων, η εκτέλεση περίθλασης ακτίνων Χ και η χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης είναι μερικές από τις διαθέσιμες μεθόδους για την αναγνώριση της διάταξης των ατόμων σε μια κρυσταλλική δομή.
Κρυσταλλική Δομή: Δομή, Τύποι και Παραδείγματα
A κρυσταλλική δομή είναι μια από τις στερεές καταστάσεις που μπορούν να υιοθετήσουν άτομα, ιόντα ή μόρια στη φύση, που χαρακτηρίζεται από υψηλή χωρική τάξη. Με άλλα λόγια, αυτό αποτελεί απόδειξη της «σωματιδιακής αρχιτεκτονικής» που ορίζει πολλά σώματα με υαλώδη, λαμπερή εμφάνιση.
Τι προάγει ή ποια δύναμη είναι υπεύθυνη για αυτή τη συμμετρία; Τα σωματίδια δεν είναι μόνα τους, αλλά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις καταναλώνουν ενέργεια και επηρεάζουν τη σταθερότητα των στερεών, επομένως τα σωματίδια επιδιώκουν να προσαρμοστούν το ένα στο άλλο για να ελαχιστοποιήσουν αυτήν την απώλεια ενέργειας.
Έτσι, η εγγενής τους φύση τα οδηγεί στο να σχηματίζουν την πιο σταθερή χωρική διάταξη. Για παράδειγμα, αυτή μπορεί να είναι μια περίπτωση όπου οι απωθήσεις μεταξύ όμοια φορτισμένων ιόντων είναι ελάχιστες ή όπου άτομα - όπως μεταλλικά άτομα - καταλαμβάνουν τον μεγαλύτερο δυνατό όγκο στις συσκευασίες τους.
Η λέξη «κρύσταλλος» έχει μια χημική σημασία που μπορεί να παραμορφωθεί σε σχέση με άλλα σώματα. Χημικά, αναφέρεται σε μια οργανωμένη δομή (μικροσκοπικά) που, για παράδειγμα, μπορεί να αποτελείται από μόρια DNA (ένας κρύσταλλος DNA).
Ωστόσο, χρησιμοποιείται ευρέως λανθασμένα για να αναφερθεί σε οποιοδήποτε γυάλινο αντικείμενο ή επιφάνεια, όπως καθρέφτες ή μπουκάλια. Σε αντίθεση με τους πραγματικούς κρυστάλλους, το γυαλί αποτελείται από μια άμορφη (συγχυμένη) δομή πυριτικών αλάτων και πολλών άλλων προσθέτων.
Δομή
Οι σμαραγδένιες πολύτιμες πέτρες απεικονίζονται στην παραπάνω εικόνα. Πολλά άλλα ορυκτά, άλατα, μέταλλα, κράματα και διαμάντια εμφανίζουν κρυσταλλική δομή. Αλλά ποια σχέση έχει η σειρά τους με τη συμμετρία;
Αν ένας κρύσταλλος, του οποίου τα σωματίδια μπορούν να παρατηρηθούν με γυμνό μάτι, εκτελέσει πράξεις συμμετρίας (αναστροφή, περιστροφή υπό διαφορετικές γωνίες, ανάκλασή του σε επίπεδο κ.λπ.), θα διαπιστωθεί ότι παραμένει άθικτος σε όλες τις διαστάσεις του χώρου.
Το αντίθετο συμβαίνει για ένα άμορφο στερεό, από το οποίο λαμβάνονται διαφορετικά συστήματα υποβάλλοντάς το σε μια συμμετρική πράξη. Επιπλέον, αυτό δεν έχει δομικά επαναληπτικά μοτίβα, γεγονός που καταδεικνύει την τυχαιότητα στην κατανομή των σωματιδίων του.
Ποια είναι η μικρότερη μονάδα που αποτελεί το δομικό μοτίβο; Στην παραπάνω εικόνα, το κρυσταλλικό στερεό είναι συμμετρικό στο χώρο, ενώ το άμορφο στερεό όχι.
Αν σχεδιάζονταν τετράγωνα που εφάρμοζαν πορτοκαλί σφαίρες και πράξεις συμμετρίας, θα δημιουργούσαν άλλα μέρη του κρυστάλλου.
Τα παραπάνω επαναλαμβάνονται με ολοένα και μικρότερα τετράγωνα, μέχρι να βρεθεί ένα που είναι ασύμμετρο· αυτό που προηγείται σε μέγεθος είναι, εξ ορισμού, το μοναδιαίο κελί.
Μοναδικό κελί
Το μοναδιαίο κελί είναι η ελάχιστη δομική έκφραση που επιτρέπει την πλήρη αναπαραγωγή του κρυσταλλικού στερεού. Από αυτό, είναι δυνατή η συναρμολόγηση του γυαλιού, μετακινώντας το προς όλες τις κατευθύνσεις του χώρου.
Μπορεί να θεωρηθεί ένα μικρό συρτάρι (μπαούλο, κουβάς, δοχείο κ.λπ.) όπου σωματίδια, που αντιπροσωπεύονται από σφαίρες, τοποθετούνται ακολουθώντας ένα μοτίβο πλήρωσης. Οι διαστάσεις και οι γεωμετρίες αυτού του συρταριού εξαρτώνται από τα μήκη των αξόνων του (a, b και c) καθώς και από τις γωνίες μεταξύ τους (α, β και γ).
Η απλούστερη από όλες τις μονάδες κελιών είναι η απλή κυβική δομή (πάνω εικόνα (1)). Σε αυτήν, τα κέντρα των σφαιρών καταλαμβάνουν τις γωνίες του κύβου, τοποθετώντας τέσσερις στη βάση του και τέσσερις στην οροφή.
Σε αυτή τη διάταξη, οι σφαίρες καταλαμβάνουν μόλις το 52% του συνολικού όγκου του κύβου και, καθώς η φύση απεχθάνεται το κενό, δεν υπάρχουν πολλές ενώσεις ή στοιχεία που υιοθετούν αυτή τη δομή.
Ωστόσο, αν οι ίδιες σφαίρες του κύβου είναι διατεταγμένες έτσι ώστε να καταλαμβάνουν το κέντρο (κυβικό στο σώμα, bcc), θα απαιτηθεί μια πιο συμπαγής και αποτελεσματική συσκευασία (2). Τώρα, οι σφαίρες καταλαμβάνουν το 68% του συνολικού όγκου.
Από την άλλη πλευρά, στο (3) καμία σφαίρα δεν καταλαμβάνει το κέντρο του κύβου, αλλά το κέντρο των εδρών του καταλαμβάνει, και όλες καταλαμβάνουν έως και το 74% του συνολικού όγκου (κυβικό κέντρο στις έδρες, ccp).
Έτσι, μπορεί να παρατηρηθεί ότι μπορούν να ληφθούν και άλλες διατάξεις για τον ίδιο κύβο, ποικίλλοντας τον τρόπο με τον οποίο συσκευάζονται οι σφαίρες (ιόντα, μόρια, άτομα κ.λπ.).
Τύποι
Οι κρυσταλλικές δομές μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με τα κρυσταλλικά τους συστήματα ή τη χημική φύση των σωματιδίων τους.
Για παράδειγμα, το κυβικό σύστημα είναι το πιο συνηθισμένο από όλα και πολλά κρυσταλλικά στερεά διέπονται από αυτό. Ωστόσο, το ίδιο σύστημα ισχύει και για ιοντικούς κρυστάλλους και μεταλλικούς κρυστάλλους.
Σύμφωνα με το κρυσταλλικό σας σύστημα
Τα επτά κύρια κρυσταλλικά συστήματα αναπαρίστανται στην προηγούμενη εικόνα. Μπορεί να σημειωθεί ότι, στην πραγματικότητα, δεκατέσσερα από αυτά είναι προϊόντα άλλων μορφών συσκευασίας για τα ίδια συστήματα και αποτελούν τα πλέγματα Bravais.
Από το (1) έως το (3) υπάρχουν κρύσταλλοι με κυβικά κρυσταλλικά συστήματα. Στο (2) φαίνεται (από τις μπλε ρίγες) ότι η κεντρική σφαίρα και η γωνιακή σφαίρα αλληλεπιδρούν με οκτώ γειτονικές σφαίρες, έτσι ώστε οι σφαίρες να έχουν αριθμό συντονισμού 8. Και στο (3) ο αριθμός συντονισμού είναι 12 (για να το δείτε αυτό, πρέπει να αντιγράψετε τον κύβο προς οποιαδήποτε κατεύθυνση).
Τα στοιχεία (4) και (5) αντιστοιχούν στα απλά και κεντροκεντρικά τετραγωνικά συστήματα. Σε αντίθεση με το κυβικό, ο άξονας c του είναι μακρύτερος από τους άξονες a και b.
Από την (6) έως την (9) είναι τα ορθορομβικά συστήματα: από τα απλά με κέντρο τις βάσεις (7), έως αυτά με κέντρο το σώμα και τις έδρες. Σε αυτά, τα α, β και γ είναι 90º, αλλά όλες οι πλευρές έχουν διαφορετικά μήκη.
Τα σχήματα (10) και (11) είναι μονοκλινείς κρύσταλλοι και το (12) είναι τρικλινείς, παρουσιάζοντας τις τελευταίες ανισότητες σε όλες τις γωνίες και τους άξονές τους.
Το στοιχείο (13) είναι το ρομβοεδρικό σύστημα, ανάλογο με το κυβικό, αλλά με γωνία γ διαφορετική από 90°. Τέλος, υπάρχουν οι εξαγωνικοί κρύσταλλοι
Οι μετατοπίσεις των στοιχείων (14) δημιουργούν το εξαγωνικό πρίσμα που σχεδιάζεται από τις πράσινες διακεκομμένες γραμμές.
Σύμφωνα με τη χημική του φύση
– Εάν οι κρύσταλλοι σχηματίζονται από ιόντα, είναι ιοντικοί κρύσταλλοι που υπάρχουν σε άλατα (NaCl, CaSO4 4 CuCl 2 , KBr, κ.λπ.)
– Μόρια όπως η γλυκόζη σχηματίζουν (όποτε είναι δυνατόν) μοριακούς κρυστάλλους· σε αυτήν την περίπτωση, τους διάσημους κρυστάλλους ζάχαρης.
– Άτομα των οποίων οι δεσμοί είναι ουσιαστικά ομοιοπολικοί σχηματίζουν ομοιοπολικούς κρυστάλλους. Αυτή είναι η περίπτωση του διαμαντιού και του καρβιδίου του πυριτίου.
– Ομοίως, μέταλλα όπως ο χρυσός σχηματίζουν συμπαγείς κυβικές δομές, οι οποίες αποτελούν μεταλλικούς κρυστάλλους.
Παραδείγματα
K 2 Cr 2 O 7 (τρικλινικό σύστημα)
NaCl (κυβικό σύστημα)
ZnS (βουρτσιτής, εξαγωνικό σύστημα)
CuO (μονοκλινές σύστημα)
Αναφορές
- Quimitube (2015). Γιατί οι «κρύσταλλοι» δεν είναι κρύσταλλοι Ανακτήθηκε στις 24 Μαΐου 2018 από: quimitube.com
- Βιβλία Τύπου 10.6 Δομές Πλέγματος σε Κρυσταλλικά Στερεά. Ανακτήθηκε στις 26 Μαΐου 2018 από: opentextbc.ca
- Κέντρο Ακαδημαϊκών Πόρων Κρυσταλλικών Δομών. [PDF]. Ανακτήθηκε στις 24 Μαΐου 2018 από: web.iit.edu
- Μινγκ (30 Ιουνίου 2015). Τύποι Κρυσταλλικών Δομών Ανακτήθηκε στις 26 Μαΐου 2018 από: crystalvisions-film.com
- Χελμενστίν, Αν Μαρί, Διδάκτωρ (31 Ιανουαρίου 2018). Τύποι κρυστάλλων Ανακτήθηκε στις 26 Μαΐου 2018 από: thoughtco.com
- ΚΗΙ (2007). Κρυσταλλικές Δομές Ανακτήθηκε στις 26 Μαΐου 2018 από: folk.ntnu.no
- Paweł Maliszczak. (25 Απριλίου 2016). Ακατέργαστοι κρύσταλλοι σμαραγδιού από την κοιλάδα Panjshir, Αφγανιστάν . [Εικόνα]. Ανακτήθηκε στις 24 Μαΐου 2018 από: commons.wikimedia.org
- Napy1kenobi. (26 Απριλίου 2008). Malhas Bravais. [Εικόνα]. Ανακτήθηκε στις 26 Μαΐου 2018, από: commons.wikimedia.org
- Χρήστης: Sbyrnes321. (21 Νοεμβρίου 2011). Κρυσταλλικό ή άμορφο. [Σχήμα]. Ανακτήθηκε στις 26 Μαΐου 2018 από: commons.wikimedia.org