Kryštálová štruktúra je trojrozmerné usporiadanie atómov v pevnej látke, ktoré určuje jej fyzikálne a chemické vlastnosti. Existuje niekoľko typov kryštálových štruktúr, ako sú kubické, hexagonálne, ortorombické a iné, pričom každá má svoje vlastné špecifické vlastnosti. V tomto texte sa budeme venovať rôznym typom kryštálových štruktúr, príkladom materiálov, ktoré ich majú, a ich významu v materiálovej vede.
Typy kryštálových štruktúr: dozviete sa o rôznych konfiguráciách usporiadania atómov v materiáloch.
Kryštálová štruktúra je spôsob, akým sú atómy usporiadané v pevnej látke. Existujú rôzne typy kryštálových štruktúr, pričom každá má svoje vlastné charakteristiky a vlastnosti. Pochopenie týchto rôznych usporiadaní atómov nám pomáha lepšie pochopiť správanie materiálov.
Jedným z najbežnejších typov kryštálovej štruktúry je kubická štruktúra, kde sú atómy usporiadané do vzoru kociek. Ďalším bežným typom je hexagonálna štruktúra, kde atómy tvoria šesťuholníky v prekrývajúcich sa vrstvách.
Okrem nich existujú aj zložitejšie kryštálové štruktúry, ako napríklad tetragonálna štruktúra, ortorombická štruktúra a trigonálna štruktúra. Každá z týchto štruktúr má svoje vlastné jedinečné vlastnosti, ktoré ovplyvňujú vlastnosti materiálov.
Je dôležité poznamenať, že kryštalická štruktúra materiálu môže ovplyvniť jeho mechanické, tepelné, elektrické a optické vlastnosti. Preto je pochopenie usporiadania atómov v materiáloch nevyhnutné pre predpovedanie a riadenie ich správania.
Stručne povedané, pochopenie rôznych typov kryštálových štruktúr nám pomáha lepšie pochopiť vlastnosti materiálov a vyvíjať pre ne nové aplikácie. Je to základný aspekt materiálovej vedy a materiálového inžinierstva.
Získajte informácie o 14 existujúcich kryštálových mriežkach a ich jedinečných vlastnostiach pre pevné materiály.
Kryštálové mriežky sú trojrozmerné usporiadania atómov v pevnej látke. Existuje 14 rôznych typov kryštálových mriežok, pričom každá má svoje vlastné jedinečné vlastnosti. Tieto mriežky určujú fyzikálne a chemické vlastnosti pevných materiálov. Poďme sa dozvedieť o niektorých hlavných kryštálových mriežkach a ich vlastnostiach:
Plošne centrovaný kubický (FCC)V tejto mriežke sú atómy prítomné vo vrcholoch a strede každej strany kocky. Je to jedna z najbežnejších mriežok a má vysokú hustotu a dobrú ťažnosť.
Telesno-centrovaný kubický (BCC)V tejto mriežke sú atómy prítomné vo vrcholoch a strede kocky. Má nižšiu hustotu ako mriežka FCC a je odolnejšia, čo je bežné v kovoch, ako je železo a chróm.
Jednoduchá kubická (SC)V tejto mriežke sú atómy prítomné iba vo vrcholoch kocky. Má najnižšiu hustotu spomedzi kubických mriežok a je najmenej stabilná, nachádza sa v materiáloch ako polónium a sodík.
Šesťuholníkové husto zbalené (HCP)V tejto mriežke tvoria atómy husto usporiadané hexagonálne vrstvy s ďalšími atómami v medzerách medzi vrstvami. Je menej bežná ako kubická mriežka, ale je prítomná v kovoch, ako je zinok a horčík.
Okrem týchto sietí existujú aj ďalšie, ako napr. čtyřúhelnýsa romboedrický a Monoklinický, pričom každý má svoje vlastné jedinečné vlastnosti. Pochopenie rôznych kryštálových mriežok je kľúčové pre lepšie pochopenie vlastností pevných materiálov a ich aplikácií v rôznych oblastiach vedy a techniky.
Identifikácia, či je štruktúra CCC alebo CFC: naučte sa, ako ich jednoducho rozlíšiť.
Na určenie, či je kryštálová štruktúra BCC (Body-Centered Cubic - objemovo centrovaná kubická) alebo FCC (Face-Centered Cubic - plošne centrovaná kubická), je dôležité pozorovať polohu atómov v jednotkovej bunke. V štruktúre BCC sa atómy nachádzajú v rohoch kocky a tiež v strede kocky. V štruktúre FCC sa atómy nachádzajú v rohoch kocky a tiež na stranách kocky.
Jednoduchý spôsob, ako rozlíšiť tieto dve štruktúry, je spočítať počet atómov prítomných v každej jednotkovej bunke. V štruktúre BCC je 1 atóm v strede kocky a 8 atómov v rohoch, čo spolu predstavuje 2 atómy na bunku. V štruktúre FCC je 1 atóm v strede kocky a 6 atómov na stranách, okrem 8 atómov v rohoch, čo spolu predstavuje 4 atómy na bunku.
Preto pri analýze kryštálovej štruktúry materiálu spočítajte počet atómov v jednotkovej bunke a určte, či zodpovedá 2 atómom (BCC) alebo 4 atómom (FCC). Pomocou tohto jednoduchého pozorovania budete môcť ľahko identifikovať, či je štruktúra BCC alebo FCC.
Identifikácia kryštálovej štruktúry: tipy a metódy na rozpoznávanie organizácie atómov.
Kryštálová štruktúra je usporiadanie atómov v materiáli, ktoré určuje jeho fyzikálne a chemické vlastnosti. Identifikácia kryštálovej štruktúry materiálu je nevyhnutná pre pochopenie jeho správania a použitia. Existuje niekoľko tipov a metód na rozpoznanie usporiadania atómov v kryštálovej štruktúre.
Dôležitým tipom je pozorovať tvar kryštálov. kryštály sú pevné štruktúry s definovaným geometrickým tvarom, ktorý odráža usporiadanie atómov. Tvar kryštálov môže naznačovať typ kryštalickej štruktúry prítomnej v materiáli.
Ďalšou metódou na identifikáciu kryštálovej štruktúry je röntgenová difrakcia. Keď röntgenový lúč dopadne na kryštalický materiál, atómy v kryštálovej štruktúre difrakujú röntgenové lúče a vytvárajú charakteristický vzor. Analýza tohto vzoru môže odhaliť usporiadanie atómov v materiáli.
Transmisná elektrónová mikroskopia je ďalšou účinnou metódou na identifikáciu kryštálovej štruktúry. Táto technika umožňuje priamu vizualizáciu usporiadania atómov v materiáli, čo umožňuje detailnú analýzu kryštálovej štruktúry.
Stručne povedané, identifikácia kryštálovej štruktúry materiálu je kľúčová pre pochopenie jeho vlastností a aplikácií. Pozorovanie tvarov kryštálov, vykonávanie röntgenovej difrakcie a použitie transmisnej elektrónovej mikroskopie sú niektoré z metód dostupných na rozpoznanie usporiadania atómov v kryštálovej štruktúre.
Kryštalická štruktúra: štruktúra, typy a príklady
A kryštalická štruktúra je jeden z pevných skupenstiev, ktoré atómy, ióny alebo molekuly môžu v prírode zaujať, charakterizovaný vysokým priestorovým usporiadaním. Inými slovami, je to dôkaz „korpuskulárnej architektúry“, ktorá definuje mnoho telies so sklovitým, lesklým vzhľadom.
Čo podporuje alebo aká sila je zodpovedná za túto symetriu? Častice nie sú samostatné, ale interagujú navzájom. Tieto interakcie spotrebúvajú energiu a ovplyvňujú stabilitu pevných látok, takže sa častice snažia navzájom sa prispôsobiť, aby minimalizovali túto stratu energie.
Ich vnútorná povaha ich teda vedie k tvorbe najstabilnejšieho priestorového usporiadania. Môže to byť napríklad prípad, keď sú odpudivé sily medzi rovnako nabitými iónmi minimálne alebo keď atómy – napríklad atómy kovov – zaberajú v ich usporiadaní čo najväčší objem.
Slovo „kryštál“ má chemický význam, ktorý sa dá skresliť na iné telesá. Chemicky sa vzťahuje na usporiadanú štruktúru (mikroskopicky), ktorá môže napríklad pozostávať z molekúl DNA (kryštál DNA).
Avšak, bežne sa nesprávne používa na označenie akéhokoľvek skleného predmetu alebo povrchu, ako sú zrkadlá alebo fľaše. Na rozdiel od pravých kryštálov, sklo pozostáva z amorfnej (zmiešanej) štruktúry kremičitanov a mnohých ďalších prísad.
Štruktúra
Smaragdové drahokamy sú znázornené na obrázku vyššie. Mnoho ďalších minerálov, solí, kovov, zliatin a diamantov vykazuje kryštalickú štruktúru; ale aký vzťah má ich usporiadanie k symetrii?
Ak kryštál, ktorého častice možno pozorovať voľným okom, vykoná operácie symetrie (invertuje ho, otáča ho v rôznych uhloch, odráža ho v rovine atď.), zistí sa, že zostáva neporušený vo všetkých dimenziách priestoru.
Opak nastáva v prípade amorfnej pevnej látky, z ktorej sa rôzne systémy získavajú podrobením sa operácii symetrie. Okrem toho chýbajú štruktúrne opakujúce sa vzory, čo demonštruje náhodnosť v rozložení jej častíc.
Aká je najmenšia jednotka, ktorá tvorí štrukturálny vzor? Na obrázku vyššie je kryštalická pevná látka symetrická v priestore, zatiaľ čo amorfná pevná látka nie.
Ak by sa nakreslili štvorce s oranžovými guľami a operáciami symetrie, vytvorili by ďalšie časti kryštálu.
Vyššie uvedené sa opakuje so stále menšími štvorcami, až kým sa nenájde jeden, ktorý je asymetrický; ten, ktorý mu predchádza čo do veľkosti, je podľa definície jednotková bunka.
Jednotková bunka
Jednotková bunka je minimálnym štrukturálnym prejavom, ktorý umožňuje úplnú reprodukciu kryštalickej pevnej látky. Z nej je možné zostaviť sklo a posúvať ho vo všetkých smeroch priestoru.
Môžeme ju považovať za malú zásuvku (kufor, vedro, nádobu atď.), kde sú častice, znázornené guľami, umiestnené podľa vzoru plnenia. Rozmery a geometria tejto zásuvky závisia od dĺžok jej osí (a, b a c), ako aj od uhlov medzi nimi (α, β a γ).
Najjednoduchšou zo všetkých jednotkových buniek je jednoduchá kubická štruktúra (horný obrázok (1)). V nej stredy guľôčok zaberajú rohy kocky, pričom štyri sú umiestnené na jej základni a štyri na strope.
V tomto usporiadaní gule sotva zaberajú 52 % celkového objemu kocky a keďže príroda neznáša vákuum, neexistuje veľa zlúčenín alebo prvkov, ktoré by túto štruktúru prijali.
Ak sú však rovnaké gule kocky usporiadané tak, aby zaberali stred (kubické v telese, bcc), bude potrebné kompaktnejšie a efektívnejšie usporiadanie (2). Gule teraz zaberajú 68 % celkového objemu.
Na druhej strane, v (3) žiadna guľa nezaberá stred kocky, ale stred jej strán áno, a všetky zaberajú až 74 % celkového objemu (stred kocky na stranách, ccp).
Možno teda pozorovať, že pre tú istú kocku je možné dosiahnuť aj iné usporiadania, pričom sa mení spôsob, akým sú gule (ióny, molekuly, atómy atď.) usporiadané.
typ
Kryštálové štruktúry možno klasifikovať podľa ich kryštálových systémov alebo chemickej povahy ich častíc.
Napríklad kubický systém je najbežnejší zo všetkých a riadi sa ním mnoho kryštalických pevných látok; ten istý systém však platí aj pre iónové kryštály a kovové kryštály.
Podľa vášho kryštálového systému
Sedem hlavných kryštálových systémov je znázornených na predchádzajúcom obrázku. Je možné si všimnúť, že v skutočnosti štrnásť z nich je produktom iných foriem usporiadania pre tie isté systémy a tvoria Bravaisove mriežky.
Od (1) do (3) sú kryštály s kubickými kryštálovými systémami. V (2) je vidieť (z modrých pruhov), že centrálna guľa a rohová guľa interagujú s ôsmimi susedmi, takže gule majú koordinačné číslo 8. A v (3) je koordinačné číslo 12 (aby ste to videli, musíte kocku duplikovať v oboch smeroch).
Prvky (4) a (5) zodpovedajú jednoduchým a stredovo orientovaným tetragonálnym systémom. Na rozdiel od kubického je jeho os c dlhšia ako osi a a b.
Od (6) do (9) sú ortorombické systémy: od jednoduchých so stredom na základniach (7) až po tie so stredom na telese a stenách. V nich sú α, β a γ uhly 90°, ale všetky strany majú rôznu dĺžku.
Obrázky (10) a (11) zobrazujú monoklinické kryštály a (12) sú triklinické, pričom posledné nerovnosti sa prejavujú vo všetkých ich uhloch a osiach.
Prvok (13) je romboedrický systém, analogický ku kubickému, ale s uhlom γ iným ako 90°. Nakoniec sú tu hexagonálne kryštály
Posuny prvkov (14) dávajú vzniknúť šesťuholníkovému hranolu nakreslenému zelenými bodkovanými čiarami.
Podľa svojej chemickej povahy
– Ak sú kryštály tvorené iónmi, ide o iónové kryštály prítomné v soliach (NaCl, CaSO 4 CuCl 2 , KBr atď.)
– Molekuly ako glukóza tvoria (vždy, keď je to možné) molekulárne kryštály; v tomto prípade slávne kryštály cukru.
– Atómy, ktorých väzby sú v podstate kovalentné, tvoria kovalentné kryštály. To je prípad diamantu a karbidu kremíka.
– Podobne aj kovy, ako napríklad zlato, tvoria kompaktné kubické štruktúry, ktoré predstavujú kovové kryštály.
Príklady
K 2 Cr 2 O 7 (triklinický systém)
NaCl (kubický systém)
ZnS (wurtzit, hexagonálna sústava)
CuO (monoklinická sústava)
Referencie
- Quimitube (2015). Prečo „kryštály“ nie sú kryštály Zdroj: 24. mája 2018, quimitube.com
- Tlačové knihy 10.6 Mriežkové štruktúry v kryštalických pevných látkach. Zdroj: opentextbc.ca
- Akademické centrum zdrojov pre kryštálové štruktúry. [PDF]. Získané 24. mája 2018 z: web.iit.edu
- Ming (30. júna 2015). Typy kryštálových štruktúr Zdroj: 26. mája 2018, crystalvisions-film.com
- Helmenstine, Anne Marie, PhD. (31. januára 2018). Druhy kryštálov Zdroj: 26. mája 2018, z: thoughtco.com
- KHI (2007). Kryštalické štruktúry Zdroj: folk.ntnu.no, 26. mája 2018
- Paweł Maliszczak. (25. apríla 2016). Neopracované smaragdové kryštály z údolia Pandžšír v Afganistane . [Obrázok]. Zdroj: 24. mája 2018, commons.wikimedia.org
- Napy1kenobi. (26. apríla 2008). Malhas Bravais. [Obrázok]. Získané 26. mája 2018, z: commons.wikimedia.org
- Používateľ: Sbyrnes321. (21. novembra 2011). Kryštalický alebo amorfný. [Obrázok]. Získané 26. mája 2018 z: commons.wikimedia.org