Struktura krystaliczna to trójwymiarowy układ atomów w materiale stałym, który determinuje jego właściwości fizyczne i chemiczne. Istnieje kilka rodzajów struktur krystalicznych, takich jak sześcienna, heksagonalna, rombowa i inne, z których każdy ma swoje specyficzne cechy. W tym tekście omówimy różne rodzaje struktur krystalicznych, przykłady materiałów, które je posiadają, oraz ich znaczenie w materiałoznawstwie.
Rodzaje struktur krystalicznych: poznaj różne konfiguracje ułożenia atomów w materiałach.
Struktura krystaliczna to sposób, w jaki atomy są ułożone w ciele stałym. Istnieją różne rodzaje struktur krystalicznych, z których każda ma swoje własne cechy i właściwości. Zrozumienie tych różnych układów atomów pomaga nam lepiej zrozumieć zachowanie materiałów.
Jednym z najpowszechniejszych typów struktury krystalicznej jest struktura sześcienna, w której atomy układają się w sześciany. Innym popularnym typem jest struktura heksagonalna, w której atomy tworzą sześciokąty w nakładających się warstwach.
Oprócz nich istnieją również bardziej złożone struktury krystaliczne, takie jak struktura tetragonalna, rombowa i trygonalna. Każda z tych struktur ma swoje unikalne cechy, które wpływają na właściwości materiałów.
Należy pamiętać, że struktura krystaliczna materiału może wpływać na jego właściwości mechaniczne, termiczne, elektryczne i optyczne. Dlatego zrozumienie sposobu ułożenia atomów w materiałach jest kluczowe dla przewidywania i kontrolowania ich zachowania.
Krótko mówiąc, zrozumienie różnych typów struktur krystalicznych pomaga nam lepiej zrozumieć właściwości materiałów i opracowywać dla nich nowe zastosowania. To fundamentalny aspekt nauki o materiałach i inżynierii materiałowej.
Poznaj 14 istniejących sieci krystalicznych i ich wyjątkowe właściwości w przypadku materiałów stałych.
Sieci krystaliczne to trójwymiarowe układy atomów w ciele stałym. Istnieje 14 różnych typów sieci krystalicznych, z których każdy ma swoje unikalne cechy. Sieci te determinują właściwości fizyczne i chemiczne ciał stałych. Poznajmy niektóre z głównych typów sieci krystalicznych i ich cechy:
Sześcienny centrowany na twarzy (FCC)W tej sieci atomy znajdują się w wierzchołkach i środku każdej ściany sześcianu. Jest to jedna z najpowszechniejszych sieci, charakteryzująca się dużą gęstością i dobrą ciągliwością.
Sześcienny zorientowany na ciało (BCC)W tej sieci atomy znajdują się w wierzchołkach i środku sześcianu. Ma ona niższą gęstość niż sieć FCC i jest bardziej odporna, co jest powszechne w metalach takich jak żelazo i chrom.
Prosty sześcienny (SC):W tej sieci atomy znajdują się tylko w wierzchołkach sześcianu. Ma ona najniższą gęstość wśród sieci sześciennych i jest najmniej stabilna, występując w materiałach takich jak polon i sód.
Sześciokątny gęsto upakowany (HCP)W tej sieci atomy tworzą gęsto upakowane warstwy heksagonalne, z dodatkowymi atomami w przestrzeniach między nimi. Jest to mniej powszechne niż sieci sześcienne, ale występuje w metalach takich jak cynk i magnez.
Oprócz tych sieci istnieją inne, takie jak: Tetragonalny, A Romboedryczny i Jednoskośny, z których każdy ma swoje unikalne cechy. Zrozumienie różnych sieci krystalicznych jest kluczowe dla lepszego zrozumienia właściwości materiałów stałych i ich zastosowań w różnych dziedzinach nauki i technologii.
Określanie, czy struktura jest CCC czy CFC: dowiedz się, jak łatwo to rozróżnić.
Aby określić, czy struktura krystaliczna jest BCC (Body-Centered Cubic), czy FCC (Face-Centered Cubic), ważne jest zwrócenie uwagi na położenie atomów w komórce elementarnej. W strukturze BCC atomy znajdują się w narożnikach sześcianu, a także w jego środku. W strukturze FCC atomy znajdują się w narożnikach sześcianu, a także na jego ścianach.
Łatwym sposobem na rozróżnienie tych dwóch struktur jest policzenie liczby atomów obecnych w każdej komórce elementarnej. W strukturze BCC 1 atom znajduje się w środku sześcianu, a 8 atomów w rogach, co daje łącznie 2 atomy na komórkę. W strukturze FCC 1 atom znajduje się w środku sześcianu, a 6 atomów na ścianach, oprócz 8 atomów w rogach, co daje łącznie 4 atomy na komórkę.
Dlatego analizując strukturę krystaliczną materiału, należy policzyć liczbę atomów w komórce elementarnej i określić, czy odpowiada ona 2 atomom (BCC), czy 4 atomom (FCC). Dzięki tej prostej obserwacji łatwo będzie określić, czy struktura jest BCC, czy FCC.
Określanie struktury kryształu: wskazówki i metody rozpoznawania organizacji atomów.
Struktura krystaliczna to układ atomów w materiale, który decyduje o jego właściwościach fizycznych i chemicznych. Identyfikacja struktury krystalicznej materiału jest niezbędna do zrozumienia jego zachowania i zastosowań. Istnieje kilka wskazówek i metod rozpoznawania układu atomów w strukturze krystalicznej.
Ważną wskazówką jest obserwacja kształtu kryształów. kryształy Kryształy to stałe struktury o określonym kształcie geometrycznym, który odzwierciedla układ atomów. Kształt kryształów może wskazywać na rodzaj struktury krystalicznej występującej w materiale.
Inną metodą identyfikacji struktury krystalicznej jest dyfrakcja rentgenowska. Gdy wiązka promieni rentgenowskich pada na materiał krystaliczny, atomy w strukturze krystalicznej ulegają dyfrakcji, tworząc charakterystyczny wzór. Analiza tego wzoru pozwala na określenie rozmieszczenia atomów w materiale.
Transmisyjna mikroskopia elektronowa to kolejna skuteczna metoda identyfikacji struktury kryształu. Technika ta pozwala na bezpośrednią wizualizację rozmieszczenia atomów w materiale, umożliwiając szczegółową analizę struktury kryształu.
Krótko mówiąc, identyfikacja struktury krystalicznej materiału ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia jego właściwości i zastosowań. Obserwacja kształtów kryształów, dyfrakcja rentgenowska i transmisyjna mikroskopia elektronowa to tylko niektóre z metod dostępnych do rozpoznania rozmieszczenia atomów w strukturze krystalicznej.
Struktura kryształu: struktura, typy i przykłady
A struktura krystaliczna to jeden ze stanów stałych, jakie atomy, jony lub cząsteczki mogą przyjmować w naturze, charakteryzujący się wysokim uporządkowaniem przestrzennym. Innymi słowy, jest to dowód na istnienie „architektury korpuskularnej”, która charakteryzuje wiele ciał o szklistym, błyszczącym wyglądzie.
Co sprzyja tej symetrii lub jaka siła jest za nią odpowiedzialna? Cząsteczki nie są odizolowane, lecz oddziałują ze sobą. Oddziaływania te pochłaniają energię i wpływają na stabilność ciał stałych, dlatego cząstki dążą do wzajemnego dopasowania się, aby zminimalizować tę stratę energii.
Zatem ich wewnętrzna natura prowadzi je do tworzenia najbardziej stabilnego układu przestrzennego. Na przykład, może to być przypadek, w którym odpychanie między jonami o podobnym ładunku jest minimalne lub w którym atomy – takie jak atomy metali – zajmują największą możliwą objętość w swoich upakowaniach.
Słowo „kryształ” ma znaczenie chemiczne, które można przeinaczyć na inne ciała. Z chemicznego punktu widzenia odnosi się ono do uporządkowanej struktury (mikroskopowo), która może na przykład składać się z cząsteczek DNA (kryształ DNA).
Jednak termin ten jest powszechnie błędnie używany w odniesieniu do wszelkich szklanych obiektów lub powierzchni, takich jak lustra czy butelki. W przeciwieństwie do prawdziwych kryształów, szkło składa się z amorficznej (niejasnej) struktury krzemianów i wielu innych dodatków.
Struktura
Szmaragdowe kamienie szlachetne są zilustrowane na powyższym zdjęciu. Wiele innych minerałów, soli, metali, stopów i diamentów ma strukturę krystaliczną; ale jaki związek ma ich uporządkowanie z symetrią?
Jeśli kryształ, którego cząsteczki można obserwować gołym okiem, wykona operacje symetrii (odwróci go, obróci pod różnymi kątami, odbije na płaszczyźnie itd.), okaże się, że pozostaje on nienaruszony we wszystkich wymiarach przestrzeni.
W przypadku ciała amorficznego sytuacja jest odwrotna, z którego poprzez poddanie go operacji symetrii uzyskuje się różne układy. Co więcej, w ciele tym brakuje strukturalnych wzorców powtarzalności, co świadczy o losowości rozmieszczenia jego cząstek.
Jaka jest najmniejsza jednostka tworząca ten wzór strukturalny? Na powyższym obrazku ciało krystaliczne jest symetryczne w przestrzeni, podczas gdy ciało amorficzne nie.
Gdyby narysować kwadraty, które nakładałyby pomarańczowe kule i operacje symetrii, wygenerowałyby one inne części kryształu.
Powyższe czynności powtarzamy z coraz mniejszymi kwadratami, aż do znalezienia kwadratu asymetrycznego; poprzedni kwadrat jest, zgodnie z definicją, komórką elementarną.
Komórka jednostkowa
Komórka elementarna to minimalny element strukturalny, który pozwala na pełne odtworzenie ciała krystalicznego. Z niej można zbudować szkło, przemieszczając je we wszystkich kierunkach przestrzeni.
Można ją traktować jako małą szufladę (kufer, wiadro, pojemnik itp.), w której cząstki, reprezentowane przez kule, są umieszczane zgodnie z określonym wzorem wypełnienia. Wymiary i geometria tej szuflady zależą od długości jej osi (a, b i c) oraz kątów między nimi (α, β i γ).
Najprostszą ze wszystkich komórek elementarnych jest prosta struktura sześcienna (górny rysunek (1)). W tym przypadku środki sfer zajmują rogi sześcianu, umieszczając cztery przy jego podstawie i cztery przy dachu.
W tym układzie kule zajmują zaledwie 52% całkowitej objętości sześcianu. A ponieważ natura nie znosi próżni, nie ma w niej wielu związków ani pierwiastków o takiej strukturze.
Jeśli jednak te same kule sześcianu ułożymy tak, że zajmują środek (sześcienny w bryle, bcc), konieczne będzie bardziej zwarte i wydajne upakowanie (2). Teraz kule zajmują 68% całkowitej objętości.
Z drugiej strony, w równaniu (3) żadna kula nie zajmuje środka sześcianu, ale zajmują go środki jego ścian, a wszystkie one zajmują do 74% całkowitej objętości (środek sześcienny na ścianach, cp).
Można zatem zaobserwować, że dla tego samego sześcianu można uzyskać inne układy, zmieniając sposób upakowania sfer (jonów, cząsteczek, atomów itd.).
Rodzaje
Struktury krystaliczne można klasyfikować według ich układów krystalicznych lub natury chemicznej ich cząsteczek.
Na przykład układ sześcienny jest najbardziej powszechny i podlega mu wiele ciał krystalicznych; jednak ten sam układ stosuje się do kryształów jonowych i kryształów metalicznych.
Zgodnie z twoim systemem kryształów
Siedem głównych układów krystalicznych przedstawiono na poprzednim rysunku. Można zauważyć, że w rzeczywistości czternaście z nich to produkty innych form wypełnienia dla tych samych układów i stanowią sieci Bravais.
Od (1) do (3) przedstawiają kryształy z układami sześciennymi. W (2) widać (na podstawie niebieskich pasków), że sfera centralna i sfera narożna oddziałują z ośmioma sąsiadami, tak że sfery mają liczbę koordynacyjną równą 8. W (3) liczba koordynacyjna wynosi 12 (aby to zobaczyć, należy powielić sześcian w dowolnym kierunku).
Elementy (4) i (5) odpowiadają prostym i środkowo-centrowanym układom czworokątnym. W przeciwieństwie do układu sześciennego, jego oś c jest dłuższa niż osie a i b.
Od (6) do (9) znajdują się układy rombowe: od prostych, których środek stanowią podstawy (7), do tych, których środek stanowią korpusy i ściany. W tych układach α, β i γ mają kąt prosty 90°, ale wszystkie boki mają różną długość.
Rysunki (10) i (11) przedstawiają kryształy jednoskośne, a (12) trójskośne, przy czym ostatnie nierówności występują we wszystkich kątach i osiach.
Pierwiastek (13) to układ romboedryczny, analogiczny do sześciennego, ale z kątem γ innym niż 90°. Wreszcie istnieją kryształy heksagonalne
Przemieszczenia elementów (14) powodują powstanie graniastosłupa sześciokątnego narysowanego zielonymi liniami przerywanymi.
Zgodnie z jego naturą chemiczną
– Jeżeli kryształy tworzą się z jonów, to są to kryształy jonowe występujące w solach (NaCl, CaSO 4 , CuCl 2 , KBr, itp.)
– Cząsteczki takie jak glukoza tworzą (jeśli to możliwe) kryształy molekularne; w tym przypadku słynne kryształy cukru.
– Atomy, których wiązania są zasadniczo kowalencyjne, tworzą kryształy kowalencyjne. Tak jest w przypadku diamentu i węglika krzemu.
– Podobnie metale takie jak złoto tworzą zwarte struktury sześcienne, które stanowią kryształy metalu.
Przykłady
K 2 Cr 2 O 7 (układ trójskośny)
NaCl (układ sześcienny)
ZnS (wurcyt, układ heksagonalny)
CuO (układ jednoskośny)
Referencje
- Quimitube (2015). Dlaczego „kryształy” nie są kryształami . Pobrano 24 maja 2018 r. z: quimitube.com
- Press Books 10.6 Struktury sieciowe w ciałach stałych krystalicznych. Pobrano 26 maja 2018 r. z: opentextbc.ca
- Centrum Zasobów Akademickich Struktur Kryształowych. [PDF]. Pobrano 24 maja 2018 r. z: web.iit.edu
- Ming (30 czerwca 2015). Typy struktur krystalicznych . Pobrano 26 maja 2018 r. z: crystalvisions-film.com
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31 stycznia 2018). Rodzaje kryształów . Pobrano 26 maja 2018 r. z: thoughtco.com
- KHI (2007). Struktury krystaliczne . Pobrano 26 maja 2018 r. z: folk.ntnu.no
- Paweł Maliszczak. (25 kwietnia 2016). Surowe kryształy szmaragdów z doliny Pandższir w Afganistanie . [Rysunek]. Pobrano 24 maja 2018 r. z: commons.wikimedia.org
- Napy1kenobi. (26 kwietnia 2008). Malhas Bravais. [Postać]. Pobrano 26 maja 2018 r. z: commons.wikimedia.org
- Użytkownik: Sbyrnes321. (21 listopada 2011). Krystaliczny lub amorficzny. [Rysunek]. Pobrano 26 maja 2018 r. z: commons.wikimedia.org