結晶構造とは、固体物質における原子の三次元的な配列であり、その物理的および化学的特性を決定します。立方晶系、六方晶系、斜方晶系など、いくつかの種類の結晶構造があり、それぞれに固有の特性があります。本稿では、様々な種類の結晶構造、それらを持つ物質の例、そして材料科学におけるそれらの重要性について解説します。
結晶構造の種類: 物質内の原子配列のさまざまな構成について学びます。
結晶構造とは、固体物質における原子の配列のことです。結晶構造には様々な種類があり、それぞれに独自の特徴と特性があります。これらの異なる原子配列を理解することは、物質の挙動をより深く理解するのに役立ちます。
最も一般的な結晶構造の一つは立方晶構造で、原子は立方体のパターンに配列しています。もう一つの一般的な結晶構造は六方晶構造で、原子は重なり合った層状に六角形を形成します。
これらに加えて、正方晶、斜方晶、三方晶といったより複雑な結晶構造も存在します。これらの構造はそれぞれ独自の特性を持ち、材料の特性に影響を与えます。
物質の結晶構造は、その機械的、熱的、電気的、そして光学的特性に影響を与える可能性があることに留意することが重要です。したがって、物質中の原子の配列を理解することは、物質の挙動を予測し制御するために不可欠です。
つまり、さまざまな種類の結晶構造を理解することは、材料の特性をより深く理解し、それらの新たな用途を開発するのに役立ちます。これは、材料科学と材料工学の基本的な側面です。
存在する 14 種類の結晶格子と、固体材料の固有の特性について学びます。
結晶格子とは、固体物質における原子の三次元的な配列です。結晶格子には14種類あり、それぞれ独自の特性を持っています。これらの格子が固体物質の物理的および化学的特性を決定します。主要な結晶格子とその特性について学びましょう。
面心立方格子（FCC）この格子では、原子は立方体の各面の頂点と中心に存在します。これは最も一般的な格子の一つであり、高密度と優れた延性を備えています。
体心立方格子（BCC）この格子では、原子は立方体の頂点と中心に存在します。FCC格子よりも密度が低く、より耐性があり、鉄やクロムなどの金属によく見られます。
シンプルキュービック（SC）この格子では、原子は立方体の頂点にのみ存在します。立方格子の中で最も密度が低く、最も安定性が低く、ポロニウムやナトリウムなどの物質に見られます。
六方最密充填（HCP）この格子では、原子は最密充填された六角形の層を形成し、層間の隙間にも原子が存在します。立方格子ほど一般的ではありませんが、亜鉛やマグネシウムなどの金属に見られます。
これらのネットワークに加えて、次のようなものもある。 正方晶 菱面体 と 単斜晶系それぞれが独自の特性を持っています。異なる結晶格子を理解することは、固体材料の特性と、科学技術分野におけるその応用をより深く理解するために不可欠です。
構造が CCC か CFC かを識別する: 簡単に区別する方法を学びます。
結晶構造がBCC（体心立方）かFCC（面心立方）かを識別するには、単位胞内の原子の位置を観察することが重要です。BCC構造では、原子は立方体の角と中心の両方に配置されています。FCC構造では、原子は立方体の角と面の両方に配置されています。
二つの構造を区別する簡単な方法は、各単位胞に含まれる原子の数を数えることです。体心立方構造では、立方体の中心に1個の原子、角に8個の原子があり、合計で単位胞あたり2個の原子があります。面心立方構造では、立方体の中心に1個の原子、面と角に6個の原子があり、合計で単位胞あたり8個の原子があります。
したがって、物質の結晶構造を分析する際には、単位胞内の原子数を数え、それが2原子（BCC）か4原子（FCC）かを判断する必要があります。この簡単な観察によって、構造がBCCかFCCかを簡単に識別できます。
結晶構造の識別: 原子の構成を認識するためのヒントと方法。
結晶構造とは、物質中の原子の配列であり、その物理的および化学的特性を決定します。物質の結晶構造を特定することは、その挙動と用途を理解する上で不可欠です。結晶構造における原子の配列を認識するためのヒントや方法はいくつかあります。
重要なヒントは結晶の形を観察することです。 クリステイス 結晶は、原子の配列を反映した明確な幾何学的形状を持つ固体構造です。結晶の形状は、物質中に存在する結晶構造の種類を示すことができます。
結晶構造を特定するもう一つの方法は、X線回折です。X線ビームが結晶物質に当たると、結晶構造中の原子がX線を回折し、特徴的なパターンを形成します。このパターンを分析することで、物質中の原子の配列を明らかにすることができます。
透過型電子顕微鏡は、結晶構造を特定するためのもう一つの強力な方法です。この技術により、物質中の原子の配列を直接観察することができ、結晶構造の詳細な分析が可能になります。
つまり、物質の結晶構造を特定することは、その特性と用途を理解する上で極めて重要です。結晶形状の観察、X線回折、透過型電子顕微鏡の使用などは、結晶構造における原子の配列を認識するための方法の一部です。
結晶構造：構造、種類、例
A 結晶構造 原子、イオン、または分子が自然界で取り得る固体状態の一つであり、高い空間秩序を特徴とします。言い換えれば、これはガラスのように光沢のある外観を持つ多くの物体を特徴づける「粒子構造」の証拠です。
この対称性を促進するもの、あるいはその原因となる力は何でしょうか？粒子は単独で存在するのではなく、互いに相互作用します。これらの相互作用はエネルギーを消費し、固体の安定性に影響を与えるため、粒子はエネルギー損失を最小限に抑えるために互いに調和しようとします。
したがって、それらの本質的な性質は、最も安定した空間配置を形成するように導きます。例えば、同電荷イオン間の反発が最小限である場合や、金属原子などの原子が可能な限り最大の体積をパッキング内で占める場合などがこれに該当します。
「結晶」という言葉は、他の物質に歪められる可能性のある化学的な意味を持ちます。化学的には、例えばDNA分子（DNA結晶）で構成される、（微視的に）秩序だった構造を指します。
しかし、ガラスは鏡や瓶など、ガラス質の物体や表面を指すために誤用されることがよくあります。真の結晶とは異なり、ガラスはケイ酸塩やその他の多くの添加物からなる非晶質（混乱した）構造で構成されています。
構造
上の画像はエメラルドの宝石です。他の多くの鉱物、塩、金属、合金、そしてダイヤモンドも結晶構造を示しますが、それらの秩序と対称性にはどのような関係があるのでしょうか？
肉眼で粒子を観察できる結晶に対して対称操作（反転、異なる角度で回転、平面上で反射など）を実行すると、空間のすべての次元で結晶がそのままの状態を維持することがわかります。
非晶質固体では逆のことが起こり、対称操作を施すことで異なる系が得られます。さらに、非晶質固体には構造的な繰り返しパターンが見られず、粒子の分布がランダムであることを示しています。
構造パターンを構成する最小単位は何ですか？上の画像では、結晶固体は空間的に対称ですが、非晶質固体はそうではありません。
オレンジ色の球と対称操作を適用した正方形を描くと、結晶の他の部分が生成されます。
上記の手順を、だんだん小さくなる正方形で繰り返し、非対称の正方形が見つかるまで続けます。そのサイズに先行する正方形は、定義により、単位格子です。
ユニットセル
ユニットセルとは、結晶固体の完全な再現を可能にする最小の構造表現です。これにより、ガラスを空間のあらゆる方向に移動させながら組み立てることができます。
これは小さな引き出し（トランク、バケツ、容器など）のようなもので、球で表される粒子が充填パターンに従って配置されています。この引き出しの寸法と形状は、軸の長さ（a、b、c）と、それらの間の角度（α、β、γ）によって決まります。
最も単純な単位格子は、単純な立方体構造です（上図（1））。この構造では、球の中心が立方体の角を占め、底面にXNUMXつ、天井面にXNUMXつ配置されます。
この配置では、球体は立方体の総体積のわずか 52% を占めるにすぎず、自然は真空を嫌うため、この構造を採用する化合物や要素は多くありません。
しかし、立方体の中心（立方体中心、bcc）に同じ球を配置すると、よりコンパクトで効率的なパッキングが必要になります（2）。この場合、球は全体の体積の68%を占めます。
一方、（3）では、立方体の中心は球面上にありませんが、立方体の面の中心は球面上にあり、それらの面すべてが全体の体積（面心ccp）の最大74%を占めます。
このように、球体（イオン、分子、原子など）の詰め方を変えることで、同じ立方体でも他の配置が得られることがわかります。
種類
結晶構造は、結晶系または粒子の化学的性質に応じて分類できます。
たとえば、立方晶系は最も一般的であり、多くの結晶固体はこれに従いますが、この同じ系はイオン結晶や金属結晶にも適用されます。
あなたの結晶システムによると
7つの主要な結晶系は前の図に示されています。実際には、そのうち14個は同じ系の他のパッキング形態の積であり、ブラベ格子を構成していることがわかります。
(1)から(3)は立方晶系の結晶です。(2)では、中央の球と隅の球が8つの隣接する球と相互作用し、配位数が3であることがわかります（青い縞模様から）。(12)では、配位数はXNUMXです（これを確認するには、立方体をいずれかの方向に複製する必要があります）。
元素(4)と(5)は、単純正方晶系と中心正方晶系に対応する。立方晶系とは異なり、c軸はa軸とb軸よりも長い。
(6) から (9) は斜方晶系です。(7) の底辺を中心とした単純なものから、体と面を中心としたものまであります。これらの斜方晶系では、α、β、γ は 90º ですが、すべての辺の長さは異なります。
図(10)と(11)は単斜晶系、(12)は三斜晶系で、すべての角度と軸において不等式を示しています。
元素（13）は菱面体晶系で、立方晶系と類似しているが、角度γが90°ではない。最後に六方晶系がある。
要素（14）の変位は緑の点線で描かれた六角柱を生じさせる。
その化学的性質によれば
– 結晶がイオンによって形成される場合、それは塩（NaCl、CaSO 4 、CuCl 2 、KBrなど）
– グルコースのような分子は（可能な限り）分子結晶を形成します。この場合、有名な砂糖の結晶です。
– 本質的に共有結合的な結合を持つ原子は共有結合結晶を形成します。ダイヤモンドや炭化ケイ素がこれに該当します。
– 同様に、金などの金属はコンパクトな立方構造を形成し、金属結晶を構成します。
模範
K 2 Cr 2 O 7 （三斜晶系）
NaCl（立方晶系）
ZnS（ウルツ鉱型、六方晶系）
CuO（単斜晶系）
参照
- キミチューブ（2015）。 「結晶」が結晶ではない理由 24年2018月XNUMX日閲覧。quimitube.comより。
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