Kiderakenne on atomien kolmiulotteinen järjestyminen kiinteässä materiaalissa, joka määrittää sen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Kiderakenteita on useita erityyppisiä, kuten kuutiollisia, kuusikulmaisia, ortorombisia ja muita, joilla jokaisella on omat erityispiirteensä. Tässä tekstissä käsittelemme erityyppisiä kiderakenteita, esimerkkejä niitä omaavista materiaaleista ja niiden merkitystä materiaalitieteessä.
Kiderakenteiden tyypit: opi materiaalien atomien erilaisista järjestyksistä.
Kiderakenne on tapa, jolla atomit ovat järjestäytyneet kiinteässä materiaalissa. On olemassa erityyppisiä kiderakenteita, joilla jokaisella on omat ominaisuutensa ja ominaisuutensa. Näiden erilaisten atomien järjestysten ymmärtäminen auttaa meitä ymmärtämään paremmin materiaalien käyttäytymistä.
Yksi yleisimmistä kiderakennetyypeistä on kuutiollinen rakenne, jossa atomit ovat järjestäytyneet kuutiokuvioon. Toinen yleinen tyyppi on kuusikulmainen rakenne, jossa atomit muodostavat kuusikulmioita päällekkäisissä kerroksissa.
Näiden lisäksi on olemassa myös monimutkaisempia kiderakenteita, kuten tetragonaalinen rakenne, ortorombinen rakenne ja trigonaalinen rakenne. Jokaisella näistä rakenteista on omat ainutlaatuiset ominaisuutensa, jotka vaikuttavat materiaalien ominaisuuksiin.
On tärkeää huomata, että materiaalin kiderakenne voi vaikuttaa sen mekaanisiin, lämpöön, sähköisiin ja optisiin ominaisuuksiin. Siksi atomien järjestyksen ymmärtäminen materiaaleissa on olennaista niiden käyttäytymisen ennustamiseksi ja hallitsemiseksi.
Lyhyesti sanottuna erilaisten kiderakenteiden ymmärtäminen auttaa meitä ymmärtämään materiaalien ominaisuuksia paremmin ja kehittämään niille uusia sovelluksia. Se on materiaalitieteen ja -tekniikan perustavanlaatuinen osa-alue.
Opi 14 olemassa olevasta kidehilasta ja niiden ainutlaatuisista ominaisuuksista kiinteille materiaaleille.
Kristallihilat ovat atomien kolmiulotteisia järjestyksiä kiinteässä materiaalissa. Kristallihiloja on 14 erilaista, joilla jokaisella on omat ainutlaatuiset ominaisuutensa. Nämä hilat määrittävät kiinteiden materiaalien fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Tutustutaanpa joihinkin tärkeimpiin kidehiloihin ja niiden ominaisuuksiin:
Pintakeskeinen kuutio (FCC)Tässä hilassa atomit sijaitsevat kuution kunkin pinnan kärjissä ja keskellä. Se on yksi yleisimmistä hiloista ja sillä on suuri tiheys ja hyvä venyvyys.
Kehokeskeinen kuutio (BCC)Tässä hilassa atomit sijaitsevat kuution kärjissä ja keskellä. Sen tiheys on pienempi kuin FCC-hilan ja se on kestävämpi, mikä on yleistä metalleissa, kuten raudassa ja kromissa.
Yksinkertainen kuutio (SC)Tässä hilassa atomit ovat läsnä vain kuution kärjissä. Sillä on pienin tiheys kuutiollisten hilojen joukossa ja se on vähiten stabiili, ja sitä esiintyy esimerkiksi poloniumissa ja natriumissa.
Kuusikulmainen tiiviisti pakattu (HCP)Tässä hilassa atomit muodostavat tiiviisti pakkautuneita kuusikulmaisia kerroksia, ja kerrosten välissä on lisää atomeja. Se on harvinaisempi kuin kuutiolliset hilat, mutta sitä esiintyy metalleissa, kuten sinkissä ja magnesiumissa.
Näiden verkostojen lisäksi on muitakin, kuten tetragonaltai Romboedrinen ja Monoklinikka, jokaisella on omat ainutlaatuiset ominaisuutensa. Erilaisten kidehilojen ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää, jotta voidaan ymmärtää paremmin kiinteiden materiaalien ominaisuuksia ja niiden sovelluksia eri tieteen ja tekniikan aloilla.
Rakenteen CCC- tai CFC-tyypin tunnistaminen: opi erottamaan ne helposti.
Jotta voidaan tunnistaa, onko kiderakenne BCC (Body-Centered Cubic) vai FCC (Face-Centered Cubic), on tärkeää tarkkailla atomien sijaintia yksikkösolussa. BCC-rakenteessa atomit sijaitsevat kuution kulmissa ja myös kuution keskellä. FCC-rakenteessa atomit sijaitsevat kuution kulmissa ja myös kuution pinnoilla.
Helppo tapa erottaa nämä kaksi rakennetta on laskea kussakin yksikkösolussa olevien atomien lukumäärä. BCC-rakenteessa kuution keskellä on yksi atomi ja kulmissa on kahdeksan atomia, yhteensä kaksi atomia solua kohden. FCC-rakenteessa kuution keskellä on yksi atomi ja sen pinnoilla on kuusi atomia kulmissa olevien kahdeksan atomin lisäksi, yhteensä neljä atomia solua kohden.
Siksi materiaalin kiderakennetta analysoitaessa lasketaan atomien lukumäärä yksikkösolussa ja määritetään, vastaako se kahta atomia (BCC) vai neljää atomia (FCC). Tämän yksinkertaisen havainnon avulla pystyt helposti tunnistamaan, onko rakenne BCC vai FCC.
Kiderakenteen tunnistaminen: vinkkejä ja menetelmiä atomien organisaation tunnistamiseen.
Kiderakenne on atomien järjestyminen materiaalissa, joka määrittää sen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Materiaalin kiderakenteen tunnistaminen on olennaista sen käyttäytymisen ja sovellusten ymmärtämiseksi. Atomien järjestyksen tunnistamiseksi kiderakenteessa on useita vinkkejä ja menetelmiä.
Tärkeä vinkki on tarkkailla kiteiden muotoa. kiteitä ovat kiinteitä rakenteita, joilla on määritelty geometrinen muoto, joka heijastaa atomien järjestystä. Kiteiden muoto voi viitata materiaalin kiteisen rakenteen tyyppiin.
Toinen menetelmä kiderakenteen tunnistamiseksi on röntgendiffraktio. Kun röntgensäde osuu kiteiseen materiaaliin, kiderakenteen atomit diffraktoivat röntgensäteet, jolloin muodostuu tyypillinen kuvio. Tämän kuvion analysointi voi paljastaa atomien järjestyksen materiaalissa.
Läpäisyelektronimikroskopia on toinen tehokas menetelmä kiderakenteen tunnistamiseen. Tämä tekniikka mahdollistaa atomien järjestyksen suoran visualisoinnin materiaalissa, mikä mahdollistaa kiderakenteen yksityiskohtaisen analysoinnin.
Lyhyesti sanottuna materiaalin kiderakenteen tunnistaminen on ratkaisevan tärkeää sen ominaisuuksien ja sovellusten ymmärtämiseksi. Kiteiden muotojen tarkkailu, röntgendiffraktio ja läpäisyelektronimikroskopia ovat joitakin käytettävissä olevia menetelmiä atomien järjestyksen tunnistamiseksi kiderakenteessa.
Kristallirakenteen rakenne, tyypit ja esimerkit
A kiderakenne on yksi kiinteistä olomuodoista, joita atomit, ionit tai molekyylit voivat omaksua luonnossa, jolle on ominaista korkea spatiaalinen järjestys. Toisin sanoen tämä on osoitus "korpuskulaarisesta arkkitehtuurista", joka määrittelee monet kappaleet lasimaisella, kiiltävällä ulkonäöllä.
Mikä edistää tätä symmetriaa tai mikä voima on vastuussa siitä? Hiukkaset eivät ole yksin, vaan ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Nämä vuorovaikutukset kuluttavat energiaa ja vaikuttavat kiinteiden aineiden stabiilisuuteen, joten hiukkaset pyrkivät sopeutumaan toisiinsa minimoidakseen tämän energiahäviön.
Näin ollen niiden luontainen luonne johtaa siihen, että ne muodostavat vakaimman spatiaalisen järjestyksen. Esimerkiksi tämä voi olla tapaus, jossa samalla tavalla varautuneiden ionien väliset hylkimiset ovat minimaaliset tai jossa atomit – kuten metalliatomit – vievät suurimman mahdollisen tilavuuden pakkauksissaan.
Sanalla "kide" on kemiallinen merkitys, joka voidaan vääristää muille kappaleille. Kemiallisesti se viittaa järjestyneeseen rakenteeseen (mikroskooppisesti), joka voi esimerkiksi koostua DNA-molekyyleistä (DNA-kide).
Sitä käytetään kuitenkin yleisesti väärin viittaamaan mihin tahansa lasimaiseen esineeseen tai pintaan, kuten peileihin tai pulloihin. Toisin kuin aidot kiteet, lasi koostuu amorfisesta (sekaisesta) silikaattien ja monien muiden lisäaineiden rakenteesta.
Rakenne
Smaragdikiviä on havainnollistettu yllä olevassa kuvassa. Monilla muilla mineraaleilla, suoloilla, metalleilla, metalliseoksilla ja timanteilla on kiteinen rakenne, mutta miten niiden järjestys liittyy symmetriaan?
Jos kide, jonka hiukkasia voidaan havaita paljain silmin, suorittaa symmetriaoperaatioita (kääntää sen ylösalaisin, kiertää sitä eri kulmiin, heijastaa sitä tasossa jne.), havaitaan, että se pysyy ehjänä kaikissa avaruuden ulottuvuuksissa.
Päinvastoin tapahtuu amorfiselle kiinteälle aineelle, josta saadaan erilaisia järjestelmiä alistamalla se symmetriaoperaatiolle. Lisäksi tältä puuttuu rakenteellisia toistokuvioita, mikä osoittaa sen hiukkasten jakautumisen satunnaisuutta.
Mikä on pienin yksikkö, joka muodostaa rakennekuvion? Yllä olevassa kuvassa kiteinen kiinteä aine on avaruudessa symmetrinen, kun taas amorfinen kiinteä aine ei ole.
Jos piirrettäisiin neliöitä, joissa käytettäisiin oransseja palloja ja symmetriaoperaatioita, ne tuottaisivat kiteen muita osia.
Yllä oleva toistetaan yhä pienemmillä neliöillä, kunnes löydetään epäsymmetrinen; sitä kooltaan edeltävä on määritelmän mukaan yksikkösolu.
Yksikkösolu
Yksikkösolu on pienin rakenteellinen ilmentymä, joka mahdollistaa kiteisen kiinteän aineen täydellisen toistamisen. Tästä on mahdollista koota lasi ja liikuttaa sitä kaikkiin avaruuden suuntiin.
Sitä voidaan pitää pienenä laatikkona (tavaratilana, ämpärinä, astiana jne.), johon pallojen esittämät hiukkaset on sijoitettu täyttökuvion mukaisesti. Tämän laatikon mitat ja geometria riippuvat sen akselien (a, b ja c) pituuksista sekä niiden välisistä kulmista (α, β ja γ).
Kaikista yksikkösoluista yksinkertaisin on yksinkertainen kuutiollinen rakenne (ylempi kuva (1)). Tässä pallojen keskipisteet sijaitsevat kuution kulmissa, neljä palloa pohjassa ja neljä katossa.
Tässä järjestelyssä pallot vievät tuskin 52 % kuution kokonaistilavuudesta, ja koska luonto inhoaa tyhjiötä, ei ole paljon yhdisteitä tai alkuaineita, jotka omaksuvat tämän rakenteen.
Jos kuitenkin kuution samat pallot järjestetään siten, että ne ovat kuution keskipisteessä (kuutio kappaleessa, bcc), tarvitaan kompaktimpi ja tehokkaampi pakkaus (2). Nyt pallot vievät 68 % kokonaistilavuudesta.
Toisaalta yhtälössä (3) mikään pallo ei ole kuution keskipisteessä, mutta sen pintojen keskipiste on, ja ne kaikki vievät jopa 74 % kokonaistilavuudesta (pintojen kuutiokeskipiste, ccp).
Voidaan siis havaita, että samalle kuutiolle voidaan saada muita järjestelyjä, jotka vaihtelevat pallojen (ionien, molekyylien, atomien jne.) pakkaustapaa.
Tyypit
Kristallirakenteet voidaan luokitella niiden kidejärjestelmien tai hiukkasten kemiallisen luonteen mukaan.
Esimerkiksi kuutiollinen järjestelmä on yleisin kaikista ja monet kiteiset kiinteät aineet ovat sen hallitsemia; sama järjestelmä pätee kuitenkin ionikiteisiin ja metallikiteisiin.
Kristallijärjestelmäsi mukaan
Edellisessä kuvassa on esitetty seitsemän pääkiteistä järjestelmää. Voidaan huomata, että itse asiassa neljätoista niistä on samojen järjestelmien muiden pakkausmuotojen tuotteita ja muodostavat Bravais-hilat.
Yhtälöistä (1) yhteen (3) on löydetty kuutiollisia kiderakenteita. Yhtälössä (2) voidaan (sinisistä raidoista) nähdä, että keskipallo ja kulmapallo ovat vuorovaikutuksessa kahdeksan naapuripallon kanssa, joten pallojen koordinaatioluku on 8. Ja yhtälössä (3) koordinaatioluku on 12 (tämän havaitsemiseksi kuutio on kopioitava jompaankumpaan suuntaan).
Elementit (4) ja (5) vastaavat yksinkertaisia ja keskipistekeskisiä tetragonaalisia järjestelmiä. Toisin kuin kuutiollisessa, sen c-akseli on pidempi kuin a- ja b-akselit.
Yhtälöistä (6) yhteen (9) löytyvät ortorombiset järjestelmät: yksinkertaisista, pohjien (7) ympärille keskittyneistä järjestelmistä runkoon ja pintoihin keskittyneisiin järjestelmiin. Näissä α, β ja γ ovat 90º, mutta kaikilla sivuilla on eri pituudet.
Kuviot (10) ja (11) ovat monokliinisiä kiteitä ja (12) trikliinisiä, esittäen viimeiset epäyhtälöt kaikissa kulmissaan ja akseleissaan.
Elementti (13) on romboedrinen järjestelmä, analoginen kuutiollisen kanssa, mutta kulma γ on eri kuin 90°. Lopuksi on olemassa kuusikulmaisia kiteitä
Elementtien (14) siirtymät synnyttävät vihreiden katkoviivojen piirtämän kuusikulmaisen prisman.
Kemiallisen luonteensa mukaan
– Jos kiteet muodostuvat ioneista, ne ovat suoloissa (NaCl, CaSO 4 , CuCl 2 , KBr jne.)
– Molekyylit, kuten glukoosi, muodostavat (aina kun mahdollista) molekyylikiteitä; tässä tapauksessa kuuluisia sokerikiteitä.
– Atomit, joiden sidokset ovat olennaisesti kovalenttisia, muodostavat kovalenttisia kiteitä. Näin on timantin ja piikarbidin tapauksessa.
– Samoin metallit, kuten kulta, muodostavat kompakteja kuutiomaisia rakenteita, jotka muodostavat metallikiteitä.
ESIMERKIT
K 2 Cr 2 O 7 (trikliininen järjestelmä)
NaCl (kuutiojärjestelmä)
ZnS (wurtsiitti, kuusikulmainen järjestelmä)
CuO (monokliininen systeemi)
Viitteet
- Quimitube (2015). Miksi "kiteet" eivät ole kiteitä Haettu 24. toukokuuta 2018 osoitteesta: quimitube.com
- Press Books 10.6 Hilarakenteet kiteisissä kiinteissä aineissa. Haettu 26. toukokuuta 2018 osoitteesta: opentextbc.ca
- Kristallirakenteiden akateeminen resurssikeskus. [PDF]. Haettu 24. toukokuuta 2018 osoitteesta: web.iit.edu.
- Ming (30. kesäkuuta 2015). Tyypit Kristallirakenteet Haettu 26. toukokuuta 2018 osoitteesta: crystalvisions-film.com
- Helmenstine, Anne Marie, filosofian tohtori (31. tammikuuta 2018). Kiteiden tyypit Haettu 26. toukokuuta 2018 osoitteesta: thoughtco.com
- KHI (2007). Kiteiset rakenteet Haettu 26. toukokuuta 2018 osoitteesta: folk.ntnu.no
- Paweł Maliszczak. (25. huhtikuuta 2016). Karkeita smaragdikiteitä Panjshirin laaksosta, Afganistanista . [Kuva]. Haettu 24. toukokuuta 2018 osoitteesta: commons.wikimedia.org
- Napy1kenobi. (26. huhtikuuta 2008). Malhas Bravais. [Kuva]. Haettu 26. toukokuuta 2018 osoitteesta: commons.wikimedia.org
- Käyttäjä: Sbyrnes321. (21. marraskuuta 2011). Kiteinen tai amorfinen. [Kuva]. Haettu 26. toukokuuta 2018 osoitteesta: commons.wikimedia.org