A kristályszerkezet az atomok háromdimenziós elrendeződése egy szilárd anyagban, amely meghatározza annak fizikai és kémiai tulajdonságait. Többféle kristályszerkezet létezik, például köbös, hexagonális, rombos és mások, mindegyiknek megvannak a sajátos jellemzői. Ebben a szövegben a különböző kristályszerkezeteket, az azokat tartalmazó anyagok példáit és az anyagtudományban betöltött jelentőségüket tárgyaljuk.
Kristályszerkezeti típusok: ismerkedjen meg az anyagok atomszerkezetének különböző konfigurációival.
A kristályszerkezet az atomok elrendeződését jelenti egy szilárd anyagban. Különböző típusú kristályszerkezetek léteznek, mindegyiknek megvannak a saját jellemzői és tulajdonságai. Ezen különböző atomelrendezések megértése segít jobban megérteni az anyagok viselkedését.
A kristályszerkezet egyik leggyakoribb típusa a köbös szerkezet, ahol az atomok kockák mintázatában helyezkednek el. Egy másik gyakori típus a hexagonális szerkezet, ahol az atomok hatszögeket alkotnak átfedő rétegekben.
Ezeken kívül léteznek összetettebb kristályszerkezetek is, mint például a tetragonális szerkezet, az ortorombos szerkezet és a trigonális szerkezet. Ezen szerkezetek mindegyikének megvannak a saját egyedi jellemzői, amelyek befolyásolják az anyagok tulajdonságait.
Fontos megjegyezni, hogy egy anyag kristályszerkezete befolyásolhatja mechanikai, termikus, elektromos és optikai tulajdonságait. Ezért az atomok anyagokban való elrendeződésének megértése elengedhetetlen a viselkedésük előrejelzéséhez és szabályozásához.
Röviden, a különböző kristályszerkezetek megértése segít jobban megérteni az anyagok tulajdonságait, és új alkalmazásokat fejleszteni ki számukra. Ez az anyagtudomány és az anyagmérnöki tudományok alapvető aspektusa.
Ismerd meg a 14 létező kristályrácsot és azok egyedi jellemzőit szilárd anyagokra vonatkozóan.
A kristályrácsok az atomok háromdimenziós elrendeződését jelentik egy szilárd anyagban. 14 különböző típusú kristályrács létezik, mindegyiknek megvannak a saját egyedi jellemzői. Ezek a rácsok határozzák meg a szilárd anyagok fizikai és kémiai tulajdonságait. Ismerjünk meg néhány főbb kristályrácsot és azok jellemzőit:
Lapközpontú köbös (FCC)Ebben a rácsban az atomok a kocka minden lapjának csúcsaiban és középpontjában helyezkednek el. Ez az egyik leggyakoribb rács, nagy sűrűségű és jó képlékenységű.
Testközpontú köbös (BCC)Ebben a rácsban az atomok a kocka csúcsaiban és középpontjában helyezkednek el. Alacsonyabb sűrűségű, mint az FCC-rács, és ellenállóbb, ami gyakori a fémekben, például a vasban és a krómban.
Egyszerű köbös (SC)Ebben a rácsban az atomok csak a kocka csúcsaiban vannak jelen. A köbös rácsok közül a legalacsonyabb a sűrűsége, és a legkevésbé stabil, olyan anyagokban található, mint a polónium és a nátrium.
Hatszögletű, szorosan pakolt (HCP)Ebben a rácsban az atomok szorosan egymáshoz illeszkedő hatszögletű rétegeket alkotnak, további atomokkal a rétegek közötti hézagokban. Ritkább, mint a köbös rácsok, de előfordul olyan fémekben, mint a cink és a magnézium.
Ezeken a hálózatokon kívül vannak mások is, mint például NégyszögűEgy Romboéderes és Monoklinika, mindegyiknek megvannak a saját egyedi jellemzői. A különböző kristályrácsok megértése kulcsfontosságú a szilárd anyagok tulajdonságainak és a tudomány és a technológia különböző területein való alkalmazásuk jobb megértéséhez.
CCC vagy CFC szerkezet azonosítása: tanulja meg, hogyan lehet könnyen megkülönböztetni őket.
Annak megállapításához, hogy egy kristályszerkezet BCC (Body-Centered Cubic – testközpontú köbös) vagy FCC (Lapközpontú köbös) típusú-e, fontos megfigyelni az atomok helyzetét az egységcellán belül. A BCC szerkezetben az atomok a kocka sarkaiban és a kocka közepén helyezkednek el. Az FCC szerkezetben az atomok a kocka sarkaiban és a kocka lapjain is elhelyezkednek.
A két szerkezet megkülönböztetésének egy egyszerű módja, ha megszámoljuk az egyes egységcellákban található atomok számát. A BCC szerkezetben 1 atom található a kocka közepén és 8 atom a sarkokon, összesen 2 atom cellánként. Az FCC szerkezetben 1 atom található a kocka közepén és 6 atom a lapokon, a sarkokon lévő 8 atomon felül, összesen 4 atom cellánként.
Ezért egy anyag kristályszerkezetének elemzésekor számoljuk meg az egységcellában lévő atomok számát, és állapítsuk meg, hogy ez 2 atomnak (BCC) vagy 4 atomnak (FCC) felel-e meg. Ezzel az egyszerű megfigyeléssel könnyen azonosíthatjuk, hogy a szerkezet BCC vagy FCC.
A kristályszerkezet azonosítása: tippek és módszerek az atomok szerveződésének felismeréséhez.
A kristályszerkezet az atomok elrendeződését jelenti egy anyagban, meghatározva annak fizikai és kémiai tulajdonságait. Egy anyag kristályszerkezetének azonosítása elengedhetetlen a viselkedésének és alkalmazásainak megértéséhez. Számos tipp és módszer létezik az atomok elrendeződésének felismerésére egy kristályszerkezetben.
Fontos tipp a kristályok alakjának megfigyelése. kristályok A kristályok meghatározott geometriai alakú szilárd szerkezetek, amelyek az atomok elrendeződését tükrözik. A kristályok alakja jelezheti az anyagban jelen lévő kristályos szerkezet típusát.
A kristályszerkezet azonosításának egy másik módszere a röntgendiffrakció. Amikor egy röntgensugár kristályos anyagra esik, a kristályszerkezet atomjai elhajtják a röntgensugarakat, jellegzetes mintázatot hozva létre. Ennek a mintázatnak az elemzése feltárhatja az atomok elrendeződését az anyagban.
A transzmissziós elektronmikroszkópia egy másik hatékony módszer a kristályszerkezet azonosítására. Ez a technika lehetővé teszi az atomok elrendezésének közvetlen vizualizálását egy anyagban, lehetővé téve a kristályszerkezet részletes elemzését.
Röviden, egy anyag kristályszerkezetének azonosítása kulcsfontosságú tulajdonságainak és alkalmazásainak megértéséhez. A kristályformák megfigyelése, a röntgendiffrakció és a transzmissziós elektronmikroszkópia használata néhány módszer a kristályszerkezetben lévő atomok elrendezésének felismerésére.
Kristályszerkezet: Szerkezet, típusok és példák
A kristályszerkezet az atomok, ionok vagy molekulák egyik szilárd halmazállapota a természetben, amelyet magas térbeli rendezettség jellemez. Más szóval, ez a „korpuszkuláris architektúra” bizonyítéka, amely számos testet üvegszerű, fényes megjelenéssel határoz meg.
Mi segíti elő, vagy milyen erő felelős ezért a szimmetriáért? A részecskék nincsenek egyedül, hanem kölcsönhatásba lépnek egymással. Ezek a kölcsönhatások energiát fogyasztanak és befolyásolják a szilárd anyagok stabilitását, ezért a részecskék igyekeznek egymáshoz alkalmazkodni, hogy minimalizálják ezt az energiaveszteséget.
Így belső természetüknél fogva a legstabilabb térbeli elrendezést alkotják. Ez lehet például az az eset, amikor az azonos töltésű ionok közötti taszítások minimálisak, vagy amikor az atomok – például a fématomok – a lehető legnagyobb térfogatot foglalják el a csomagolásukban.
A „kristály” szó kémiai jelentése más testekre torzítható. Kémiailag egy rendezett szerkezetre utal (mikroszkopikusan), amely például DNS-molekulákból (egy DNS-kristály) állhat.
Azonban gyakran használják helytelenül bármilyen üvegszerű tárgy vagy felület, például tükrök vagy palackok megnevezésére. Az igazi kristályokkal ellentétben az üveg amorf (zavaros) szilikátokból és számos más adalékanyagból álló szerkezetből áll.
szerkezet
A fenti kép smaragd drágaköveket szemléltet. Sok más ásvány, só, fém, ötvözet és gyémánt kristályos szerkezetet mutat; de milyen kapcsolatban áll a sorrendjük a szimmetriával?
Ha egy kristály, amelynek részecskéi szabad szemmel megfigyelhetők, szimmetriaműveleteket végez (megfordítja, különböző szögekben elforgatja, síkra tükrözi stb.), akkor azt tapasztaljuk, hogy a tér minden dimenziójában sértetlen marad.
Az ellenkezője történik egy amorf szilárd anyag esetében, amelyből szimmetriaművelet végrehajtásával különböző rendszereket kapunk. Továbbá, ebből hiányoznak a szerkezeti ismétlődési minták, ami a részecskeeloszlás véletlenszerűségét mutatja.
Melyik a szerkezeti mintázatot alkotó legkisebb egység? A fenti képen a kristályos szilárd anyag térben szimmetrikus, míg az amorf szilárd anyag nem.
Ha olyan négyzeteket rajzolnánk, amelyek narancssárga gömböket és szimmetriaműveleteket alkalmaznának, akkor a kristály más részeit hoznák létre.
A fentieket egyre kisebb négyzetekkel ismételjük, amíg egy aszimmetrikus négyzetet nem találunk; a méretében megelőző négyzet definíció szerint az egységcella.
Egységcella
Az egységcella a minimális szerkezeti kifejezés, amely lehetővé teszi a kristályos szilárd anyag teljes reprodukcióját. Ebből lehetséges az üveg összeállítása, a tér minden irányába mozgatása.
Ez egy kis fióknak (ládának, vödörnek, tartálynak stb.) tekinthető, ahol a gömbök által képviselt részecskék egy kitöltési mintát követve helyezkednek el. A fiók méretei és geometriája a tengelyeinek hosszától (a, b és c), valamint a közöttük lévő szögektől (α, β és γ) függ.
Az egységcellák közül a legegyszerűbb az egyszerű köbös szerkezet (felső kép (1)). Ebben a gömbök középpontjai a kocka sarkait foglalják el, négyet az alján és négyet a tetején helyezve el.
Ebben az elrendezésben a gömbök alig foglalják el a kocka teljes térfogatának 52%-át, és mivel a természet irtózik a vákuumtól, nem sok vegyület vagy elem veszi fel ezt a szerkezetet.
Ha azonban a kocka ugyanazon gömbjeit úgy rendezzük el, hogy a középpontot foglalják el (a test köbös, bcc), akkor kompaktabb és hatékonyabb pakolásra lesz szükség (2). Ekkor a gömbök a teljes térfogat 68%-át foglalják el.
Másrészt a (3) egyenletben egyetlen gömb sem foglalja el a kocka középpontját, de a lapjainak középpontja igen, és mindegyik a teljes térfogat 74%-át foglalja el (a lapokon lévő köbös középpont, ccp).
Így megfigyelhető, hogy ugyanannak a kockának más elrendezései is elérhetők, változtatva a gömbök (ionok, molekulák, atomok stb.) csomagolásának módját.
Típusai
A kristályszerkezeteket a kristályrendszerük vagy részecskéik kémiai jellege szerint osztályozhatjuk.
Például a köbös rendszer a leggyakoribb, és sok kristályos szilárd anyagot ez szabályoz; ugyanez a rendszer azonban vonatkozik az ionos kristályokra és a fémes kristályokra is.
A kristályrendszered szerint
A hét fő kristályrendszert az előző kép mutatja. Megjegyzendő, hogy valójában tizennégy közülük ugyanazon rendszerek más csomagolási formáinak terméke, és a Bravais-rácsokat alkotják.
Az (1)-től (3)-ig köbös kristályrendszerű kristályok láthatók. A (2)-ben (a kék csíkokból) látható, hogy a központi gömb és a sarokgömb nyolc szomszéddal lép kölcsönhatásba, így a gömbök koordinációs száma 8. A (3)-ban pedig a koordinációs szám 12 (ennek megtekintéséhez a kockát mindkét irányban meg kell duplikálni).
A (4) és (5) elemek az egyszerű és a középpontos tetragonális rendszereknek felelnek meg. A köbössel ellentétben a c-tengelye hosszabb, mint az a és b tengelyek.
A (6)-tól (9)-ig az ortorombos rendszerek tartoznak: az egyszerű, a (7) bázisokra középpontos rendszerektől a testre és a lapokra középpontosakig. Ezekben az α, β és γ 90º-osak, de az összes oldal hossza eltérő.
A (10) és (11) ábrák monoklin, a (12) pedig triklin kristályok, amelyek az utolsó egyenlőtlenségeket minden szögükben és tengelyükben mutatják.
A (13) elem a romboéderes rendszer, analóg a köbössel, de a γ szöge nem 90°. Végül ott vannak a hatszögletű kristályok.
Az elemek (14) elmozdulásaiból jön létre a zöld pontozott vonalak által rajzolt hatszögletű prizma.
Kémiai jellege szerint
– Ha a kristályokat ionok alkotják, akkor azok sókban (NaCl, CaSO 4 , CuCl 2 , KBr stb.)
– Az olyan molekulák, mint a glükóz (amikor csak lehetséges), molekuláris kristályokat alkotnak; ebben az esetben a híres cukorkristályokat.
– Azok az atomok, amelyek kötései lényegében kovalensek, kovalens kristályokat alkotnak. Ez a helyzet a gyémánt és a szilícium-karbid esetében.
– Hasonlóképpen, a fémek, mint például az arany, kompakt köbös szerkezeteket alkotnak, amelyek fémkristályokat alkotnak.
Példák
K 2 Cr 2 O 7 (triklinikai rendszer)
NaCl (köbös rendszer)
ZnS (wurtzit, hatszögletű rendszer)
CuO (monoklin rendszer)
Hivatkozások
- Quimitube (2015). Miért a „kristályok” nem kristályok? Letöltve: 24. május 2018., innen: quimitube.com
- Press Books 10.6 Rácsszerkezetek kristályos szilárd anyagokban. Letöltve: 26. május 2018., innen: opentextbc.ca
- Kristályszerkezetek Akadémiai Erőforrás Központ. [PDF]. Letöltve: 24. május 2018., innen: web.iit.edu
- Ming (30. június 2015.). Típusok kristályszerkezetek Letöltve: 26. május 2018., innen: crystalvisions-film.com
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31. január 2018.). Kristályok típusai Letöltve: 26. május 2018., innen: thoughtco.com
- KHI (2007). Kristályos szerkezetek Letöltve: 26. május 2018., innen: folk.ntnu.no
- Paweł Maliszczak. (25. április 2016.). Durva smaragdkristályok a Panjshir-völgyből, Afganisztánból . [Ábra]. Letöltve: 24. május 2018., innen: commons.wikimedia.org
- Napy1kenobi. (26. április 2008.). Malhas Bravais. [Ábra]. Letöltve 26. május 2018-án, innen: commons.wikimedia.org
- Felhasználó: Sbyrnes321. (21. november 2011.). Kristályos vagy amorf. [Ábra]. Letöltve: 26. május 2018., innen: commons.wikimedia.org