מבנה גבישי הוא הסידור התלת-ממדי של אטומים בחומר מוצק, הקובע את תכונותיו הפיזיקליות והכימיות. ישנם מספר סוגים של מבני גביש, כגון קובי, משושה, אורתורומבי ואחרים, לכל אחד מאפיינים ספציפיים משלו. בטקסט זה נדון בסוגים השונים של מבני גביש, דוגמאות לחומרים המחזיקים בהם, וחשיבותם במדע החומרים.
סוגי מבנים גבישיים: למד על התצורות השונות של סידור אטומי בחומרים.
מבנה גבישי הוא האופן שבו האטומים מסודרים בחומר מוצק. ישנם סוגים שונים של מבני גביש, שלכל אחד מהם מאפיינים ותכונות משלו. הבנת הסידורים האטומיים השונים הללו עוזרת לנו להבין טוב יותר את התנהגותם של חומרים.
אחד הסוגים הנפוצים ביותר של מבנה גבישי הוא המבנה הקובי, שבו האטומים מסודרים בתבנית של קוביות. סוג נפוץ נוסף הוא המבנה המשושה, שבו האטומים יוצרים משושים בשכבות חופפות.
בנוסף לאלה, קיימים גם מבני גביש מורכבים יותר, כגון המבנה הטטרגונלי, המבנה האורתורומבי והמבנה הטריגונלי. לכל אחד מהמבנים הללו מאפיינים ייחודיים משלו, המשפיעים על תכונות החומרים.
חשוב לציין כי מבנה הגביש של חומר יכול להשפיע על תכונותיו המכניות, התרמיות, החשמליות והאופטיות. לכן, הבנת אופן המסידור של האטומים בחומרים חיונית לחיזוי ובקרה של התנהגותם.
בקיצור, הבנת הסוגים השונים של מבני גביש עוזרת לנו להבין טוב יותר את תכונות החומרים ולפתח עבורם יישומים חדשים. זהו היבט בסיסי של מדע החומרים והנדסת חומרים.
למד על 14 סריגי הגביש הקיימים והמאפיינים הייחודיים שלהם עבור חומרים מוצקים.
סריגי גביש הם סידורים תלת-ממדיים של אטומים בחומר מוצק. ישנם 14 סוגים שונים של סריגי גביש, שלכל אחד מהם מאפיינים ייחודיים משלו. סריגים אלה קובעים את התכונות הפיזיקליות והכימיות של חומרים מוצקים. בואו נלמד על כמה מסריגי הגביש העיקריים ומאפייניהם:
קובי ממורכז פנים (FCC)בסריג זה, אטומים נמצאים בקודקודים ובמרכז של כל פאה של הקובייה. זהו אחד הסריגים הנפוצים ביותר ובעל צפיפות גבוהה וגמישות טובה.
קובי ממוקד גוף (BCC)בסריג זה, אטומים נמצאים בקודקודים ובמרכז הקובייה. צפיפותו נמוכה יותר מאשר סריג FCC והוא עמיד יותר, בהיותו נפוץ במתכות כמו ברזל וכרום.
קובי פשוט (SC)בסריג זה, האטומים נמצאים רק בקודקודי הקובייה. יש לו את הצפיפות הנמוכה ביותר מבין הסריגים הקוביים והוא הכי פחות יציב, ונמצא בחומרים כמו פולוניום ונתרן.
משושה צפוף (HCP)בסריג זה, האטומים יוצרים שכבות משושה צפופות, עם אטומים נוספים ברווחים שבין השכבות. זה פחות נפוץ מסריגים קוביים, אך קיים במתכות כמו אבץ ומגנזיום.
בנוסף לרשתות אלו, קיימות רשתות נוספות כגון טטרגונלית, מעוינרהדרלית ו - מונוקליניק, לכל אחד מאפיינים ייחודיים משלו. הבנת סריגי הגביש השונים חיונית להבנה טובה יותר של תכונותיהם של חומרים מוצקים ויישומיהם בתחומים שונים של מדע וטכנולוגיה.
זיהוי האם המבנה הוא CCC או CFC: למד כיצד להבדיל בקלות.
כדי לזהות האם מבנה גבישי הוא BCC (קובי ממורכז גוף) או FCC (קובי ממורכז פנים), חשוב להתבונן במיקום האטומים בתוך תא היחידה. במבנה BCC, האטומים ממוקמים בפינות הקובייה וגם במרכז הקובייה. במבנה FCC, האטומים ממוקמים בפינות הקובייה וגם על פאות הקובייה.
דרך קלה להבדיל בין שני המבנים היא לספור את מספר האטומים הקיימים בכל תא יחידה. במבנה BCC, יש אטום אחד במרכז הקובייה ו-1 אטומים בפינות, סך הכל 8 אטומים לכל תא. במבנה FCC, יש אטום אחד במרכז הקובייה ו-2 אטומים בפאות, בנוסף ל-1 האטומים בפינות, סך הכל 6 אטומים לכל תא.
לכן, בעת ניתוח מבנה הגביש של חומר, יש לספור את מספר האטומים בתא היחידה ולקבוע האם הוא מתאים ל-2 אטומים (BCC) או ל-4 אטומים (FCC). בעזרת תצפית פשוטה זו, תוכלו לזהות בקלות האם המבנה הוא BCC או FCC.
זיהוי מבנה הגביש: טיפים ושיטות לזיהוי ארגון האטומים.
מבנה גבישי הוא סידור האטומים בחומר, הקובע את תכונותיו הפיזיקליות והכימיות. זיהוי מבנה הגביש של חומר חיוני להבנת התנהגותו ויישומיו. ישנן מספר טיפים ושיטות לזיהוי סידור האטומים במבנה גבישי.
טיפ חשוב הוא לשים לב לצורת הגבישים. כריסטאיס הם מבנים מוצקים בעלי צורה גיאומטרית מוגדרת, המשקפת את סידור האטומים. צורת הגבישים יכולה להצביע על סוג המבנה הגבישי הקיים בחומר.
שיטה נוספת לזיהוי מבנה גבישי היא דיפרקציית קרני רנטגן. כאשר קרן רנטגן פוגעת בחומר גבישי, האטומים במבנה הגבישי מפרידים את קרני הרנטגן, ויוצרים דפוס אופייני. ניתוח דפוס זה יכול לחשוף את סידור האטומים בחומר.
מיקרוסקופ אלקטרונים חודרניים היא שיטה רבת עוצמה נוספת לזיהוי מבנה גבישי. טכניקה זו מאפשרת ויזואליזציה ישירה של סידור האטומים בחומר, מה שמאפשר ניתוח מפורט של מבנה הגביש.
בקיצור, זיהוי מבנה הגביש של חומר הוא קריטי להבנת תכונותיו ויישומיו. התבוננות בצורות גבישים, ביצוע דיפרקציית קרני רנטגן ושימוש במיקרוסקופ אלקטרונים חודר הן חלק מהשיטות הזמינות לזיהוי סידור האטומים במבנה גבישי.
מבנה גבישי: מבנה, סוגים ודוגמאות
A מבנה גבישי הוא אחד ממצבי המוצק שאטומים, יונים או מולקולות יכולים לאמץ בטבע, המאופיין בסדר מרחבי גבוה. במילים אחרות, זוהי עדות ל"ארכיטקטורה גופנית" המגדירה גופים רבים בעלי מראה זכוכיתי ומבריק.
מה מקדם או איזה כוח אחראי לסימטריה הזו? החלקיקים אינם לבדם, אלא מקיימים אינטראקציה זה עם זה. אינטראקציות אלו צורכות אנרגיה ומשפיעות על יציבותם של מוצקים, ולכן החלקיקים מבקשים להתאים זה את זה כדי למזער את אובדן האנרגיה הזה.
לפיכך, טבעם הפנימי מוביל אותם ליצירת הסידור המרחבי היציב ביותר. לדוגמה, זה יכול להיות מקרה שבו דחיות בין יונים בעלי מטען דומה הן מינימליות או כאשר אטומים - כמו אטומי מתכת - תופסים את הנפח הגדול ביותר האפשרי באריזה שלהם.
למילה "קריסטל" יש משמעות כימית שיכולה להתעוות לגופים אחרים. מבחינה כימית, היא מתייחסת למבנה מסודר (מיקרוסקופי) שיכול, למשל, להיות מורכב ממולקולות DNA (גביש DNA).
עם זאת, הוא משמש באופן נפוץ לרעה כהתייחסות לכל חפץ או משטח זכוכיתי, כגון מראות או בקבוקים. בניגוד לגבישים אמיתיים, זכוכית מורכבת ממבנה אמורפי (מבולבל) של סיליקטים ותוספים רבים אחרים.
אסטרוטורה
אבני חן של אזמרגד מודגמות בתמונה למעלה. מינרלים, מלחים, מתכות, סגסוגות ויהלומים רבים אחרים מציגים מבנה גבישי; אך איזה קשר יש לסדר שלהם לסימטריה?
אם גביש, שניתן לצפות בחלקיקיו בעין בלתי מזוינת, מבצע פעולות סימטריה (היפוכו, סיבובו בזוויות שונות, החזרתו על מישור וכו'), יתגלה שהוא נשאר שלם בכל ממדי המרחב.
ההפך קורה עבור מוצק אמורפי, שממנו מתקבלות מערכות שונות על ידי ביצוע פעולת סימטריה. יתר על כן, חסרות דפוסי חזרה מבניים, דבר המדגים את האקראיות בהתפלגות החלקיקים שלו.
מהי היחידה הקטנה ביותר המרכיבה את התבנית המבנית? בתמונה למעלה, המוצק הגבישי סימטרי במרחב, בעוד שהמוצק האמורפי אינו.
אם היו מציירים ריבועים המיישמים כדורים כתומים ופעולות סימטריה, הם היו מייצרים חלקים אחרים של הגביש.
האמור לעיל חוזר על עצמו עם ריבועים הולכים וקטנים, עד שנמצא ריבועים אסימטריים; הריבוע שקודם לו בגודלו הוא, מעצם הגדרתו, תא היחידה.
תא יחידה
תא היחידה הוא הביטוי המבני המינימלי המאפשר את השחזור המלא של המוצק הגבישי. מכאן ניתן להרכיב את הזכוכית, ולהזיז אותה לכל כיווני החלל.
ניתן להתייחס אליה כאל מגירה קטנה (ארגז, דלי, מיכל וכו') שבה חלקיקים, המיוצגים על ידי כדורים, מונחים לפי תבנית מילוי. המימדים והגיאומטריה של מגירה זו תלויים באורכי הצירים שלה (a, b ו-c) וכן בזוויות ביניהם (α, β ו-γ).
תא היחידה הפשוט ביותר הוא המבנה הקובי הפשוט (תמונה עליונה (1)). במבנה זה, מרכזי הכדורים תופסים את פינות הקובייה, ארבעה מהם בבסיסה וארבעה בתקרה.
בסידור זה, הכדורים תופסים בקושי 52% מנפח הקובייה הכולל, וכיוון שהטבע מתעב ואקום, אין הרבה תרכובות או יסודות המאמצים מבנה זה.
עם זאת, אם אותם כדורים של הקובייה מסודרים כך שהם תופסים את המרכז (קובי בגוף, bcc), יידרש אריזה קומפקטית ויעילה יותר (2). כעת, הכדורים תופסים 68% מהנפח הכולל.
מצד שני, ב-(3) אף כדור לא תופס את מרכז הקובייה, אבל מרכז הפאות שלה כן, וכולן תופסות עד 74% מהנפח הכולל (מרכז מעוקב של הפאות, ccp).
לפיכך, ניתן לראות כי ניתן להשיג סידורים אחרים עבור אותה קובייה, תוך שינוי האופן שבו הכדורים (יונים, מולקולות, אטומים וכו') ארוזים.
סוגים
ניתן לסווג מבני גביש לפי מערכות הגביש שלהם או לפי האופי הכימי של החלקיקים שלהם.
לדוגמה, המערכת הקובית היא הנפוצה ביותר מכולן ומוצקים גבישיים רבים נשלטים על ידה; עם זאת, אותה מערכת חלה על גבישים יוניים וגבישים מתכתיים.
לפי מערכת הקריסטלים שלך
שבע מערכות הגבישים העיקריות מיוצגות בתמונה הקודמת. ניתן לציין כי למעשה, ארבע עשרה מהן הן תוצרים של צורות אריזה אחרות עבור אותן מערכות ומרכיבות את סריגי Bravais.
מ-(1) עד (3) ישנם גבישים בעלי מערכות גבישים קובייות. ב-(2) ניתן לראות (מהפסים הכחולים) שהכדור המרכזי והכדור הפינתי מקיימים אינטראקציה עם שמונה שכנים, כך שלכדורים יש מספר קואורדינציה של 8. וב-(3) מספר הקואורדינציה הוא 12 (כדי לראות זאת צריך לשכפל את הקובייה בכל כיוון).
אלמנטים (4) ו-(5) תואמים למערכות הטטרגונליות הפשוטות ובעלות מרכז-מרכז. שלא כמו הקובייתית, ציר ה-c שלה ארוך יותר מצירי a ו-b.
מ-(6) עד (9) נמצאות המערכות האורתורומביות: מהפשוטות שבמרכזן הבסיסים (7), ועד לאלו שבמרכזן הגוף והפאות. באלה, α, β ו-γ הן בזווית של 90 מעלות, אך לכל הצלעות אורכים שונים.
איורים (10) ו-(11) הם גבישים מונוקליניים ו-(12) הם טריקליניים, המציגים את אי-השוויונים האחרונים בכל הזוויות והצירים שלהם.
אלמנט (13) הוא מערכת רומבוהדרלית, אנלוגית למערכת הקובית, אך עם זווית γ שונה מ-90°. לבסוף, ישנם גבישים משושים.
תזוזות היסודות (14) יוצרות את הפריזמה המשושה המצוירת בקווים המקווקווים הירוקים.
לפי טבעו הכימי
– אם הגבישים נוצרים על ידי יונים, מדובר בגבישים יוניים הנמצאים במלחים (NaCl, CaSO4). 4 , CuCl 2 , KBr וכו')
מולקולות כמו גלוקוז יוצרות (בכל הזדמנות אפשרית) גבישים מולקולריים; במקרה זה, גבישי הסוכר המפורסמים.
– אטומים שקשריהם קוולנטיים במהותם יוצרים גבישים קוולנטיים. זה המקרה עם יהלום וסיליקון קרביד.
באופן דומה, מתכות כמו זהב יוצרות מבנים קוביים קומפקטיים, המרכיבים גבישים מתכתיים.
דוגמאות
K 2 Cr 2 O 7 (מערכת טריקלינית)
NaCl (מערכת קובייתית)
ZnS (וורציט, מערכת משושה)
CuO (מערכת מונוקלינית)
הפניות
- קווימיטובה (2015). למה "גבישים" אינם גבישים אוחזר ב-24 במאי 2018, מאתר: quimitube.com
- ספרי פרס 10.6 מבני סריג במוצקים גבישיים. אוחזר ב-26 במאי 2018, מאתר: opentextbc.ca
- מרכז משאבים אקדמי למבני קריסטל. [PDF]. אוחזר ב-24 במאי 2018, מאתר: web.iit.edu
- מינג (30 ביוני, 2015). סוגי מבני גביש אוחזר ב-26 במאי 2018, מאתר: crystalvisions-film.com
- הלמנסטין, אן מארי, דוקטור לפילוסופיה (31 בינואר, 2018). סוגי גבישים אוחזר ב-26 במאי 2018, מאתר: thoughtco.com
- קה"י (2007). מבנים גבישיים אוחזר ב-26 במאי 2018, מאתר: folk.ntnu.no
- פאוול מלישצ'ק. (25 באפריל, 2016). גבישי אזמרגד מחוספסים מעמק פנג'שיר, אפגניסטן [איור]. אוחזר ב-24 במאי 2018, מאתר: commons.wikimedia.org
- Napy1kenobi. (26 באפריל, 2008). מלחאס בראווייס. [דְמוּת]. אוחזר ב-26 במאי 2018 מ: commons.wikimedia.org
- משתמש: Sbyrnes321. (21 בנובמבר, 2011). גבישי או אמורפי. [איור]. אוחזר ב-26 במאי, 2018, מאתר: commons.wikimedia.org