Kristalna struktura je trodimenzionalni raspored atoma u čvrstom materijalu koji određuje njegova fizikalna i kemijska svojstva. Postoji nekoliko vrsta kristalnih struktura, kao što su kubne, heksagonalne, ortorombske i druge, svaka sa svojim specifičnim karakteristikama. U ovom tekstu raspravljat ćemo o različitim vrstama kristalnih struktura, primjerima materijala koji ih posjeduju i njihovoj važnosti u znanosti o materijalima.
Vrste kristalnih struktura: upoznajte se s različitim konfiguracijama rasporeda atoma u materijalima.
Kristalna struktura je način na koji su atomi raspoređeni u čvrstom materijalu. Postoje različite vrste kristalnih struktura, svaka sa svojim karakteristikama i svojstvima. Razumijevanje ovih različitih atomskih rasporeda pomaže nam da bolje razumijemo ponašanje materijala.
Jedan od najčešćih tipova kristalne strukture je kubna struktura, gdje su atomi raspoređeni u obliku kocki. Drugi uobičajeni tip je heksagonalna struktura, gdje atomi tvore šesterokute u preklapajućim slojevima.
Osim ovih, postoje i složenije kristalne strukture, kao što su tetragonalna struktura, ortorombska struktura i trigonalna struktura. Svaka od ovih struktura ima svoje jedinstvene karakteristike koje utječu na svojstva materijala.
Važno je napomenuti da kristalna struktura materijala može utjecati na njegova mehanička, toplinska, električna i optička svojstva. Stoga je razumijevanje načina na koji su atomi raspoređeni u materijalima ključno za predviđanje i kontrolu njihovog ponašanja.
Ukratko, razumijevanje različitih vrsta kristalnih struktura pomaže nam da bolje razumijemo svojstva materijala i razvijemo nove primjene za njih. To je temeljni aspekt znanosti o materijalima i inženjerstva materijala.
Saznajte više o 14 postojećih kristalnih rešetki i njihovim jedinstvenim karakteristikama za čvrste materijale.
Kristalne rešetke su trodimenzionalni rasporedi atoma u čvrstom materijalu. Postoji 14 različitih vrsta kristalnih rešetki, svaka sa svojim jedinstvenim karakteristikama. Ove rešetke određuju fizikalna i kemijska svojstva čvrstih materijala. Upoznajmo se s nekim od glavnih kristalnih rešetki i njihovim karakteristikama:
Kubični centrirani na plohu (FCC)U ovoj rešetki, atomi su prisutni u vrhovima i središtu svake strane kocke. To je jedna od najčešćih rešetki i ima visoku gustoću i dobru duktilnost.
Kubični centrirani po tijelu (BCC)U ovoj rešetki, atomi su prisutni u vrhovima i središtu kocke. Ima nižu gustoću od FCC rešetke i otpornija je, što je uobičajeno kod metala poput željeza i kroma.
Jednostavni kubični (SC)U ovoj rešetki, atomi su prisutni samo u vrhovima kocke. Ima najnižu gustoću među kubnim rešetkama i najmanje je stabilna, a nalazi se u materijalima poput polonija i natrija.
Heksagonalno gusto pakirano (HCP)U ovoj rešetki atomi tvore gusto zbijene heksagonalne slojeve, s dodatnim atomima u međuprostorima između slojeva. Manje je uobičajena od kubičnih rešetki, ali je prisutna u metalima poput cinka i magnezija.
Osim ovih mreža, postoje i druge, kao što su npr. ČetverokutnaA Romboedarski i Monoklinski, svaki sa svojim jedinstvenim karakteristikama. Razumijevanje različitih kristalnih rešetki ključno je za bolje razumijevanje svojstava čvrstih materijala i njihove primjene u raznim područjima znanosti i tehnologije.
Utvrđivanje je li struktura CCC ili CFC: naučite kako ih jednostavno razlikovati.
Kako bi se utvrdilo je li kristalna struktura BCC (Body-Centered Cubic - prostorno centrirana kubična) ili FCC (Face-Centered Cubic - plosko centrirana kubična), važno je promatrati položaj atoma unutar jedinične ćelije. U BCC strukturi, atomi se nalaze u kutovima kocke, a također i u središtu kocke. U FCC strukturi, atomi se nalaze u kutovima kocke, a također i na stranama kocke.
Jednostavan način za razlikovanje dviju struktura je brojanje atoma prisutnih u svakoj jediničnoj ćeliji. U BCC strukturi, postoji 1 atom u središtu kocke i 8 atoma u kutovima, što ukupno čini 2 atoma po ćeliji. U FCC strukturi, postoji 1 atom u središtu kocke i 6 atoma na stranama, uz 8 atoma u kutovima, što ukupno čini 4 atoma po ćeliji.
Stoga, prilikom analize kristalne strukture materijala, prebrojite broj atoma u jediničnoj ćeliji i odredite odgovara li ona 2 atoma (BCC) ili 4 atoma (FCC). Ovim jednostavnim promatranjem moći ćete lako utvrditi je li struktura BCC ili FCC.
Identificiranje kristalne strukture: savjeti i metode za prepoznavanje organizacije atoma.
Kristalna struktura je raspored atoma u materijalu koji određuje njegova fizikalna i kemijska svojstva. Identificiranje kristalne strukture materijala ključno je za razumijevanje njegovog ponašanja i primjene. Postoji nekoliko savjeta i metoda za prepoznavanje rasporeda atoma u kristalnoj strukturi.
Važan savjet je promatrati oblik kristala. kristali su čvrste strukture s definiranim geometrijskim oblikom, koji odražava raspored atoma. Oblik kristala može ukazivati na vrstu kristalne strukture prisutne u materijalu.
Druga metoda za identifikaciju kristalne strukture je difrakcija X-zraka. Kada snop X-zraka pogodi kristalni materijal, atomi u kristalnoj strukturi difraktiraju X-zrake, stvarajući karakterističan uzorak. Analiza ovog uzorka može otkriti raspored atoma u materijalu.
Transmisijska elektronska mikroskopija je još jedna moćna metoda za identifikaciju kristalne strukture. Ova tehnika omogućuje izravnu vizualizaciju rasporeda atoma u materijalu, što omogućuje detaljnu analizu kristalne strukture.
Ukratko, identificiranje kristalne strukture materijala ključno je za razumijevanje njegovih svojstava i primjene. Promatranje kristalnih oblika, izvođenje rendgenske difrakcije i korištenje transmisijske elektronske mikroskopije neke su od dostupnih metoda za prepoznavanje rasporeda atoma u kristalnoj strukturi.
Kristalna struktura: struktura, vrste i primjeri
A kristalna struktura je jedno od čvrstih stanja koje atomi, ioni ili molekule mogu poprimiti u prirodi, a karakterizira ga visoki prostorni red. Drugim riječima, ovo je dokaz "korpuskularne arhitekture" koja definira mnoga tijela sa staklastim, sjajnim izgledom.
Što potiče ili koja je sila odgovorna za ovu simetriju? Čestice nisu same, već međusobno djeluju. Te interakcije troše energiju i utječu na stabilnost krutih tvari, pa se čestice nastoje prilagoditi jedna drugoj kako bi smanjile taj gubitak energije.
Stoga, njihova intrinzična priroda dovodi do formiranja najstabilnijeg prostornog rasporeda. Na primjer, to bi mogao biti slučaj gdje su odbijanja između istovjetno nabijenih iona minimalna ili gdje atomi - poput metalnih atoma - zauzimaju najveći mogući volumen u svojim pakiranjima.
Riječ "kristal" ima kemijsko značenje koje se može prenijeti na druga tijela. Kemijski se odnosi na uređenu strukturu (mikroskopski) koja se, na primjer, može sastojati od molekula DNA (kristal DNA).
Međutim, često se pogrešno koristi za označavanje bilo kojeg staklenog predmeta ili površine, poput ogledala ili boca. Za razliku od pravih kristala, staklo se sastoji od amorfne (zbrkane) strukture silikata i mnogih drugih dodataka.
Struktura
Smaragdno drago kamenje prikazano je na gornjoj slici. Mnogi drugi minerali, soli, metali, legure i dijamanti pokazuju kristalnu strukturu; ali kakav je odnos njihovog redoslijeda i simetrije?
Ako kristal, čije se čestice mogu promatrati golim okom, izvodi operacije simetrije (okreće ga, rotira pod različitim kutovima, reflektira ga na ravnini itd.), utvrdit će se da ostaje netaknut u svim dimenzijama prostora.
Suprotno se događa kod amorfne krutine, iz koje se podvrgavanjem operacije simetrije dobivaju različiti sustavi. Nadalje, nedostaju joj strukturni obrasci ponavljanja, što pokazuje slučajnost u raspodjeli njezinih čestica.
Koja je najmanja jedinica koja čini strukturni uzorak? Na gornjoj slici, kristalna čvrsta tvar je simetrična u prostoru, dok amorfna čvrsta tvar nije.
Kad bi se nacrtali kvadrati koji bi primjenjivali narančaste sfere i operacije simetrije, oni bi generirali druge dijelove kristala.
Gore navedeno se ponavlja sa sve manjim kvadratima, sve dok se ne pronađe jedan koji je asimetričan; onaj koji mu prethodi po veličini je, po definiciji, jedinična ćelija.
Jedinična ćelija
Jedinična ćelija je minimalni strukturni izraz koji omogućuje potpunu reprodukciju kristalne čvrste tvari. Iz toga je moguće sastaviti staklo, pomičući ga u svim smjerovima prostora.
Može se smatrati malom ladicom (prtljažnikom, kantom, spremnikom itd.) gdje su čestice, predstavljene kuglama, smještene prema uzorku punjenja. Dimenzije i geometrije ove ladice ovise o duljinama njezinih osi (a, b i c), kao i o kutovima između njih (α, β i γ).
Najjednostavnija od svih jediničnih ćelija je jednostavna kubna struktura (gornja slika (1)). U njoj, središta sfera zauzimaju kutove kocke, postavljajući četiri u njezinu bazu i četiri na krov.
U ovom rasporedu, sfere zauzimaju jedva 52% ukupnog volumena kocke i, budući da priroda mrzi vakuum, ne postoji mnogo spojeva ili elemenata koji usvajaju ovu strukturu.
Međutim, ako su iste kugle kocke raspoređene tako da zauzimaju središte (kubične u tijelu, bcc), bit će potrebno kompaktnije i učinkovitije pakiranje (2). Sada kugle zauzimaju 68% ukupnog volumena.
S druge strane, u (3) nijedna sfera ne zauzima središte kocke, ali središte njezinih ploha zauzima, a sve one zauzimaju do 74% ukupnog volumena (središte kocke na plohama, ccp).
Dakle, može se primijetiti da se za istu kocku mogu dobiti i drugi rasporedi, mijenjajući način na koji su sfere (ioni, molekule, atomi itd.) pakirane.
Vrsta
Kristalne strukture mogu se klasificirati prema njihovim kristalnim sustavima ili kemijskoj prirodi njihovih čestica.
Na primjer, kubični sustav je najčešći od svih i njime su regulirane mnoge kristalne tvari; međutim, isti se sustav primjenjuje i na ionske kristale i metalne kristale.
Prema tvom kristalnom sustavu
Sedam glavnih kristalnih sustava prikazano je na prethodnoj slici. Može se primijetiti da je, zapravo, četrnaest njih produkt drugih oblika pakiranja za iste sustave i čine Bravaisove rešetke.
Od (1) do (3) su kristali s kubnim kristalnim sustavima. U (2) se može vidjeti (iz plavih pruga) da središnja sfera i kutna sfera međusobno djeluju s osam susjeda, tako da sfere imaju koordinacijski broj 8. A u (3) koordinacijski broj je 12 (da biste to vidjeli, morate duplicirati kocku u bilo kojem smjeru).
Elementi (4) i (5) odgovaraju jednostavnim i centriranim tetragonskim sustavima. Za razliku od kubnog, njegova c-os je dulja od osi a i b.
Od (6) do (9) su ortorombski sustavi: od jednostavnih centriranih na bazama (7), do onih centriranih na tijelu i stranama. U njima su α, β i γ pod kutom od 90º, ali sve stranice imaju različite duljine.
Slike (10) i (11) prikazuju monoklinske kristale, a (12) su triklinske, s prikazom posljednjih nejednakosti u svim njihovim kutovima i osima.
Element (13) je romboedarski sustav, analogan kubnom, ali s kutom γ različitim od 90°. Konačno, tu su i heksagonalni kristali
Pomaci elemenata (14) daju šesterokutnu prizmu nacrtanu zelenim isprekidanim linijama.
Prema svojoj kemijskoj prirodi
– Ako su kristali formirani ionima, to su ionski kristali prisutni u solima (NaCl, CaSO4 4 , CuCl 2 , KBr, itd.)
– Molekule poput glukoze tvore (kad god je to moguće) molekularne kristale; u ovom slučaju, poznate kristale šećera.
– Atomi čije su veze u biti kovalentne tvore kovalentne kristale. To je slučaj s dijamantom i silicijevim karbidom.
– Slično tome, metali poput zlata tvore kompaktne kubične strukture, koje predstavljaju metalne kristale.
Primjeri
K 2 Cr 2 O 7 (triklinički sustav)
NaCl (kubni sustav)
ZnS (wurtzit, heksagonalni sustav)
CuO (monoklinski sustav)
Reference
- Quimitube (2015). Zašto "kristali" nisu kristali Preuzeto 24. svibnja 2018. s: quimitube.com
- Press Books 10.6 Rešetkaste strukture u kristalnim čvrstim tijelima. Preuzeto 26. svibnja 2018. s: opentextbc.ca
- Akademski resursni centar za kristalne strukture. [PDF]. Preuzeto 24. svibnja 2018. s: web.iit.edu
- Ming (30. lipnja 2015.). Vrste kristalnih struktura Preuzeto 26. svibnja 2018. s: crystalvisions-film.com
- Helmenstine, Anne Marie, dr. sc. (31. siječnja 2018.). Vrste kristala Preuzeto 26. svibnja 2018. s: thoughtco.com
- KHI (2007). Kristalne strukture Preuzeto 26. svibnja 2018. s: folk.ntnu.no
- Paweł Maliszczak. (25. travnja 2016.). Neobrađeni smaragdni kristali iz doline Panjshir, Afganistan [Slika]. Preuzeto 24. svibnja 2018. s: commons.wikimedia.org
- Napy1kenobi. (26. travnja 2008.). Malhas Bravais. [Lik]. Preuzeto 26. svibnja 2018. s: commons.wikimedia.org
- Korisnik: Sbyrnes321. (21. studenog 2011.). Kristalan ili amorfan. [Slika]. Preuzeto 26. svibnja 2018. s: commons.wikimedia.org