โครงสร้างผลึก: โครงสร้าง ประเภท และตัวอย่าง

การเริ่มต้น » วิทยาศาสตร์ » เคมี » โครงสร้างผลึก: โครงสร้าง ประเภท และตัวอย่าง

โครงสร้างผลึกคือการจัดเรียงอะตอมแบบสามมิติในวัสดุแข็ง ซึ่งกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของผลึก โครงสร้างผลึกมีหลายประเภท เช่น ลูกบาศก์ หกเหลี่ยม ออร์โธรอมบิก และอื่นๆ ซึ่งแต่ละประเภทมีลักษณะเฉพาะของตนเอง ในบทความนี้ เราจะอภิปรายโครงสร้างผลึกประเภทต่างๆ ตัวอย่างของวัสดุที่มีโครงสร้างผลึกเหล่านี้ และความสำคัญของโครงสร้างเหล่านี้ในสาขาวิทยาศาสตร์วัสดุ

ประเภทของโครงสร้างผลึก: เรียนรู้เกี่ยวกับโครงสร้างที่แตกต่างกันของการจัดเรียงอะตอมในวัสดุ

โครงสร้างผลึกคือวิธีการจัดเรียงอะตอมในวัสดุแข็ง โครงสร้างผลึกมีหลายประเภท แต่ละประเภทมีคุณสมบัติและสมบัติเฉพาะตัว การทำความเข้าใจการจัดเรียงอะตอมที่แตกต่างกันเหล่านี้ช่วยให้เราเข้าใจพฤติกรรมของวัสดุได้ดีขึ้น

โครงสร้างผลึกที่พบมากที่สุดประเภทหนึ่งคือโครงสร้างลูกบาศก์ ซึ่งอะตอมเรียงตัวกันเป็นรูปทรงลูกบาศก์ อีกประเภทหนึ่งที่พบได้บ่อยคือโครงสร้างหกเหลี่ยม ซึ่งอะตอมเรียงตัวเป็นรูปหกเหลี่ยมในชั้นที่ซ้อนทับกัน

นอกจากนี้ ยังมีโครงสร้างผลึกที่ซับซ้อนกว่า เช่น โครงสร้างเตตระโกนัล โครงสร้างออร์โธรอมบิก และโครงสร้างสามเหลี่ยม ซึ่งแต่ละโครงสร้างมีลักษณะเฉพาะของตัวเอง ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติของวัสดุ

สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือโครงสร้างผลึกของวัสดุสามารถส่งผลต่อคุณสมบัติเชิงกล ความร้อน ไฟฟ้า และแสง ดังนั้น การทำความเข้าใจวิธีการจัดเรียงตัวของอะตอมในวัสดุจึงเป็นสิ่งสำคัญต่อการคาดการณ์และควบคุมพฤติกรรมของอะตอม

กล่าวโดยสรุป การทำความเข้าใจโครงสร้างผลึกประเภทต่างๆ ช่วยให้เราเข้าใจคุณสมบัติของวัสดุได้ดีขึ้น และพัฒนาการประยุกต์ใช้งานใหม่ๆ นับเป็นพื้นฐานสำคัญของวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมวัสดุ

เรียนรู้เกี่ยวกับโครงตาข่ายผลึกที่มีอยู่ 14 แบบและคุณลักษณะเฉพาะของโครงตาข่ายเหล่านี้สำหรับวัสดุแข็ง

โครงตาข่ายผลึกคือการจัดเรียงอะตอมแบบสามมิติในวัสดุแข็ง มีโครงตาข่ายผลึก 14 ประเภท ซึ่งแต่ละประเภทก็มีลักษณะเฉพาะของตนเอง โครงตาข่ายเหล่านี้กำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของวัสดุแข็ง มาเรียนรู้เกี่ยวกับโครงตาข่ายผลึกหลัก ๆ และลักษณะเฉพาะของมันกัน:

ลูกบาศก์หน้ากลาง (FCC):ในโครงตาข่ายนี้ อะตอมจะอยู่ที่จุดยอดและจุดศูนย์กลางของแต่ละหน้าของลูกบาศก์ โครงตาข่ายนี้เป็นหนึ่งในโครงตาข่ายที่พบมากที่สุด มีความหนาแน่นสูงและมีความเหนียวที่ดี

ลูกบาศก์ศูนย์กลางร่างกาย (BCC):ในโครงตาข่ายนี้ อะตอมจะอยู่ที่จุดยอดและจุดศูนย์กลางของลูกบาศก์ โครงตาข่ายนี้มีความหนาแน่นต่ำกว่าโครงตาข่าย FCC และมีความทนทานมากกว่า ซึ่งพบได้ทั่วไปในโลหะ เช่น เหล็กและโครเมียม

ลูกบาศก์ธรรมดา (SC):ในโครงตาข่ายนี้ อะตอมจะปรากฏเฉพาะที่จุดยอดของลูกบาศก์เท่านั้น โครงตาข่ายนี้มีความหนาแน่นต่ำที่สุดในบรรดาโครงตาข่ายลูกบาศก์ และมีเสถียรภาพน้อยที่สุด พบในวัสดุต่างๆ เช่น พอโลเนียมและโซเดียม

บรรจุภัณฑ์แบบหกเหลี่ยมปิด (HCP):ในโครงตาข่ายนี้ อะตอมจะก่อตัวเป็นชั้นหกเหลี่ยมที่อัดแน่นกัน โดยมีอะตอมเพิ่มเติมในช่องว่างระหว่างชั้น โครงตาข่ายแบบนี้พบได้น้อยกว่าโครงตาข่ายลูกบาศก์ แต่พบในโลหะ เช่น สังกะสีและแมกนีเซียม

นอกจากเครือข่ายเหล่านี้แล้วยังมีเครือข่ายอื่น ๆ เช่น tetragonal, รอมโบฮีดรัล และ โมโนคลินิกซึ่งแต่ละชนิดมีลักษณะเฉพาะของตัวเอง การทำความเข้าใจโครงตาข่ายผลึกที่แตกต่างกันเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจคุณสมบัติของวัสดุแข็งและการประยุกต์ใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีต่างๆ ได้ดียิ่งขึ้น

การระบุว่าโครงสร้างเป็น CCC หรือ CFC: เรียนรู้วิธีแยกแยะอย่างง่ายดาย

เพื่อระบุว่าโครงสร้างผลึกเป็น BCC (Body-Centered Cubic) หรือ FCC (Face-Centered Cubic) สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตตำแหน่งของอะตอมภายในเซลล์หน่วย ในโครงสร้าง BCC อะตอมจะอยู่ที่มุมของลูกบาศก์และที่จุดศูนย์กลางของลูกบาศก์ ในโครงสร้าง FCC อะตอมจะอยู่ที่มุมของลูกบาศก์และที่หน้าของลูกบาศก์

วิธีง่ายๆ ในการแยกความแตกต่างของโครงสร้างทั้งสองคือการนับจำนวนอะตอมที่มีอยู่ในแต่ละเซลล์หน่วย ในโครงสร้าง BCC มีอะตอม 1 อะตอมที่จุดศูนย์กลางของลูกบาศก์และ 8 อะตอมที่มุม รวมเป็น 2 อะตอมต่อเซลล์ ในโครงสร้าง FCC มีอะตอม 1 อะตอมที่จุดศูนย์กลางของลูกบาศก์และ 6 อะตอมที่หน้าตัด นอกเหนือจาก 8 อะตอมที่มุม รวมเป็น 4 อะตอมต่อเซลล์

ดังนั้น เมื่อวิเคราะห์โครงสร้างผลึกของวัสดุ ให้นับจำนวนอะตอมในเซลล์หน่วย แล้วพิจารณาว่าเป็น 2 อะตอม (BCC) หรือ 4 อะตอม (FCC) ด้วยการสังเกตง่ายๆ นี้ คุณจะสามารถระบุได้อย่างง่ายดายว่าโครงสร้างนั้นเป็น BCC หรือ FCC

การระบุโครงสร้างผลึก: เคล็ดลับและวิธีการในการรับรู้การจัดระเบียบของอะตอม

โครงสร้างผลึกคือการจัดเรียงอะตอมในวัสดุ ซึ่งเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี การระบุโครงสร้างผลึกของวัสดุเป็นสิ่งสำคัญต่อการทำความเข้าใจพฤติกรรมและการประยุกต์ใช้ มีเคล็ดลับและวิธีการมากมายในการจำแนกการจัดเรียงอะตอมในโครงสร้างผลึก

เคล็ดลับที่สำคัญคือการสังเกตรูปร่างของผลึก คริสตัล เป็นโครงสร้างแข็งที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่ชัดเจน ซึ่งสะท้อนการจัดเรียงตัวของอะตอม รูปร่างของผลึกสามารถบ่งบอกถึงชนิดของโครงสร้างผลึกที่มีอยู่ในวัสดุได้

อีกวิธีหนึ่งในการระบุโครงสร้างผลึกคือการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ เมื่อลำแสงรังสีเอกซ์กระทบกับวัสดุผลึก อะตอมในโครงสร้างผลึกจะเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ ก่อให้เกิดรูปแบบเฉพาะ การวิเคราะห์รูปแบบนี้สามารถเผยให้เห็นการจัดเรียงตัวของอะตอมในวัสดุได้

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านเป็นอีกวิธีหนึ่งที่มีประสิทธิภาพในการระบุโครงสร้างผลึก เทคนิคนี้ช่วยให้มองเห็นการจัดเรียงตัวของอะตอมในวัสดุได้โดยตรง ทำให้สามารถวิเคราะห์โครงสร้างผลึกได้อย่างละเอียด

กล่าวโดยสรุป การระบุโครงสร้างผลึกของวัสดุเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจคุณสมบัติและการประยุกต์ใช้งาน การสังเกตรูปร่างของผลึก การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ และการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน เป็นเพียงวิธีการบางส่วนที่ใช้เพื่อระบุการจัดเรียงตัวของอะตอมในโครงสร้างผลึก

โครงสร้างผลึก: โครงสร้าง ประเภท และตัวอย่าง

A โครงสร้างผลึก เป็นสถานะของแข็งชนิดหนึ่งที่อะตอม ไอออน หรือโมเลกุลสามารถดำรงอยู่ได้ในธรรมชาติ โดยมีลักษณะเด่นคือมีลำดับเชิงพื้นที่สูง กล่าวอีกนัยหนึ่ง นี่คือหลักฐานของ "โครงสร้างแบบคอร์พัสคิวลาร์" ที่นิยามวัตถุหลายชนิดที่มีลักษณะเป็นแก้วและแวววาว

อะไรส่งเสริมหรือแรงใดที่ทำให้เกิดความสมมาตรนี้? อนุภาคไม่ได้อยู่โดดเดี่ยว แต่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ใช้พลังงานและส่งผลต่อเสถียรภาพของของแข็ง ดังนั้นอนุภาคจึงพยายามปรับตัวเข้าหากันเพื่อลดการสูญเสียพลังงานนี้ให้น้อยที่สุด

ดังนั้น ลักษณะโดยธรรมชาติของพวกมันจึงนำไปสู่การจัดเรียงเชิงพื้นที่ที่เสถียรที่สุด ตัวอย่างเช่น กรณีนี้อาจเป็นกรณีที่แรงผลักระหว่างไอออนที่มีประจุเหมือนกันมีน้อยที่สุด หรือกรณีที่อะตอม เช่น อะตอมโลหะ ครอบครองปริมาตรสูงสุดที่เป็นไปได้ในการบรรจุของพวกมัน

คำว่า "ผลึก" มีความหมายทางเคมีที่สามารถบิดเบี้ยวไปเป็นวัตถุอื่นได้ ทางเคมีหมายถึงโครงสร้างที่เป็นระเบียบ (ในระดับจุลภาค) ซึ่งอาจประกอบด้วยโมเลกุลดีเอ็นเอ (ผลึกดีเอ็นเอ) เป็นต้น

อย่างไรก็ตาม มักมีการใช้คำนี้อย่างผิดๆ เพื่ออ้างถึงวัตถุหรือพื้นผิวที่มีลักษณะเป็นแก้ว เช่น กระจกหรือขวด ต่างจากผลึกแท้ แก้วประกอบด้วยโครงสร้างอะมอร์ฟัส (โครงสร้างที่สับสน) ของซิลิเกตและสารเติมแต่งอื่นๆ อีกมากมาย

เอสทรูทูร่า

ภาพด้านบนแสดงอัญมณีสีเขียวมรกต แร่ธาตุ เกลือ โลหะ โลหะผสม และเพชรอื่นๆ อีกมากมายมีโครงสร้างผลึก แต่ลำดับของพวกมันมีความสัมพันธ์กับความสมมาตรอย่างไร

หากผลึกที่มีอนุภาคที่สามารถสังเกตได้ด้วยตาเปล่า ดำเนินการแบบสมมาตร (กลับด้าน หมุนมุมต่างๆ สะท้อนบนระนาบ ฯลฯ) จะพบว่าผลึกนั้นยังคงสภาพเดิมในทุกมิติของอวกาศ

สิ่งตรงกันข้ามเกิดขึ้นกับของแข็งอสัณฐาน ซึ่งได้ระบบที่แตกต่างกันมาจากการนำไปปฏิบัติแบบสมมาตร ยิ่งไปกว่านั้น ของแข็งอสัณฐานยังขาดรูปแบบการทำซ้ำเชิงโครงสร้าง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสุ่มในการกระจายตัวของอนุภาค

หน่วยที่เล็กที่สุดที่ประกอบเป็นรูปแบบโครงสร้างคืออะไร ในภาพด้านบน ของแข็งผลึกมีความสมมาตรในอวกาศ ในขณะที่ของแข็งอสัณฐานไม่สมมาตร

หากมีการวาดสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่ใช้ทรงกลมสีส้มและการดำเนินการสมมาตร ก็จะสร้างส่วนอื่นๆ ของคริสตัล

ทำซ้ำขั้นตอนข้างต้นด้วยสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่เล็กลงเรื่อยๆ จนกระทั่งพบว่ามีสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่ไม่สมมาตร โดยสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่อยู่ก่อนหน้าจะมีขนาดเท่ากับเซลล์หน่วย ตามนิยามแล้ว

เซลล์หน่วย

เซลล์ยูนิตคือการแสดงออกเชิงโครงสร้างขั้นต่ำที่ช่วยให้สามารถผลิตผลึกของแข็งได้อย่างสมบูรณ์ จากจุดนี้ เราสามารถประกอบกระจกและเคลื่อนย้ายไปในทุกทิศทางของอวกาศได้

อาจถือได้ว่าเป็นลิ้นชักขนาดเล็ก (เช่น ลำต้น ถัง ภาชนะ ฯลฯ) ที่มีอนุภาคซึ่งแทนด้วยทรงกลม วางเรียงตามรูปแบบการเติม ขนาดและรูปทรงของลิ้นชักนี้ขึ้นอยู่กับความยาวของแกน (a, b และ c) รวมถึงมุมระหว่างแกน (α, β และ γ)

โครงสร้างเซลล์ยูนิตที่ง่ายที่สุดคือโครงสร้างลูกบาศก์แบบง่าย (ภาพบน (1)) ในรูปแบบนี้ จุดศูนย์กลางของทรงกลมจะอยู่ที่มุมของลูกบาศก์ โดยวาง XNUMX จุดไว้ที่ฐานและ XNUMX จุดไว้ที่หลังคา

ในการจัดเรียงนี้ ทรงกลมแทบจะครอบครอง 52% ของปริมาตรทั้งหมดของลูกบาศก์ และเนื่องจากธรรมชาติเกลียดชังสุญญากาศ จึงไม่มีสารประกอบหรือธาตุจำนวนมากนักที่มีโครงสร้างนี้

อย่างไรก็ตาม หากนำทรงกลมเดียวกันของลูกบาศก์มาจัดเรียงให้อยู่กึ่งกลางของลูกบาศก์ (ลูกบาศก์ในตัววัตถุ, bcc) จำเป็นต้องมีการจัดวางที่กะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น (2) ปัจจุบัน ทรงกลมเหล่านี้ครอบครองพื้นที่ 68% ของปริมาตรทั้งหมด

ในทางกลับกัน ใน (3) ไม่มีทรงกลมใดครอบครองจุดศูนย์กลางของลูกบาศก์ แต่จุดศูนย์กลางของหน้าต่างๆ ครอบครอง และทรงกลมทั้งหมดครอบครองพื้นที่ถึง 74% ของปริมาตรทั้งหมด (จุดศูนย์กลางลูกบาศก์บนหน้าต่างๆ หรือ ccp)

ดังนั้น เราจะสังเกตได้ว่าลูกบาศก์เดียวกันสามารถจัดเรียงรูปแบบอื่นได้ โดยเปลี่ยนแปลงวิธีการบรรจุทรงกลม (ไอออน โมเลกุล อะตอม ฯลฯ)

ชนิด

โครงสร้างผลึกสามารถจำแนกตามระบบผลึกหรือลักษณะทางเคมีของอนุภาคได้

ตัวอย่างเช่น ระบบลูกบาศก์เป็นระบบที่พบมากที่สุด และของแข็งผลึกหลายชนิดก็อยู่ภายใต้ระบบนี้ อย่างไรก็ตาม ระบบเดียวกันนี้ยังใช้ได้กับผลึกไอออนิกและผลึกโลหะด้วย

ตามระบบคริสตัลของคุณ

ภาพก่อนหน้าแสดงระบบผลึกหลักทั้งเจ็ดระบบ สังเกตได้ว่าในจำนวนนี้ มีสิบสี่ระบบที่เป็นผลผลิตจากรูปแบบการบรรจุอื่นๆ ของระบบเดียวกัน และประกอบกันเป็นโครงตาข่าย Bravais

จาก (1) ถึง (3) เป็นผลึกที่มีระบบผลึกลูกบาศก์ ใน (2) จะเห็นได้ (จากแถบสีน้ำเงิน) ว่าทรงกลมตรงกลางและทรงกลมมุมมีปฏิสัมพันธ์กับทรงกลมข้างเคียงแปดลูก ทำให้ทรงกลมทั้งสองมีเลขพิกัดเท่ากับ 8 และใน (3) เลขพิกัดคือ 12 (หากต้องการดูข้อมูลนี้ คุณต้องสร้างลูกบาศก์ซ้ำในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง)

องค์ประกอบ (4) และ (5) สอดคล้องกับระบบเตตระโกนัลแบบง่ายที่มีจุดศูนย์กลาง ต่างจากระบบลูกบาศก์ แกน c ขององค์ประกอบนี้ยาวกว่าแกน a และแกน b

จาก (6) ถึง (9) เป็นระบบออร์โธรอมบิก ตั้งแต่ระบบง่าย ๆ ที่มีจุดศูนย์กลางอยู่ที่ฐาน (7) ไปจนถึงระบบที่มีจุดศูนย์กลางอยู่ที่ลำตัวและหน้า ในระบบเหล่านี้ α, β และ γ มีค่า 90º แต่ด้านทั้งหมดมีความยาวต่างกัน

รูปที่ (10) และ (11) เป็นผลึกโมโนคลินิกและ (12) เป็นไตรคลินิก โดยแสดงความไม่เท่าเทียมครั้งสุดท้ายในมุมและแกนทั้งหมด

องค์ประกอบ (13) คือระบบรอมโบฮีดรัล คล้ายกับระบบลูกบาศก์ แต่มีมุม γ ต่างจาก 90° สุดท้ายคือผลึกหกเหลี่ยม

การเคลื่อนตัวขององค์ประกอบ (14) ทำให้เกิดปริซึมหกเหลี่ยมที่วาดด้วยเส้นประสีเขียว

ตามลักษณะทางเคมีของมัน

– หากผลึกเกิดจากไอออน พวกมันจะเป็นผลึกไอออนิกที่มีอยู่ในเกลือ (NaCl, CaSO ₄ ,คิวซีแอล ₂ , KBr ฯลฯ)

– โมเลกุล เช่น กลูโคส จะก่อตัวเป็นผลึกโมเลกุล (เมื่อทำได้) ในกรณีนี้ คือ ผลึกน้ำตาลที่มีชื่อเสียง

– อะตอมที่มีพันธะโควาเลนต์โดยพื้นฐานจะก่อตัวเป็นผลึกโควาเลนต์ เช่นเดียวกับเพชรและซิลิคอนคาร์ไบด์

– ในทำนองเดียวกัน โลหะ เช่น ทองคำ ก็มีโครงสร้างลูกบาศก์ที่แน่นหนา ซึ่งประกอบเป็นผลึกโลหะ

ตัวอย่าง

K ₂ Cr ₂ O ₇ (ระบบไตรคลินิก)

NaCl (ระบบลูกบาศก์)

ZnS (เวิร์ตไซต์ ระบบหกเหลี่ยม)

CuO (ระบบโมโนคลินิก)

อ้างอิง

1. ควิมิทูบ (2015) ทำไม “คริสตัล” ถึงไม่ใช่คริสตัล . ดึงข้อมูลเมื่อ 24 พฤษภาคม 2018 จาก: quimitube.com
2. Press Books 10.6 โครงสร้างแลตทิซในของแข็งผลึก สืบค้นเมื่อ 26 พฤษภาคม 2018 จาก: opentextbc.ca
3. ศูนย์ทรัพยากรวิชาการโครงสร้างผลึก [PDF]. สืบค้นเมื่อ 24 พฤษภาคม 2018, จาก: web.iit.edu
4. หมิง (30 มิถุนายน 2015) ประเภทโครงสร้างผลึก . ดึงข้อมูลเมื่อวันที่ 26 พฤษภาคม 2018 จาก: crystalvisions-film.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31 มกราคม 2018). ประเภทของคริสตัล . ดึงข้อมูลเมื่อวันที่ 26 พฤษภาคม 2018 จาก: thoughtco.com
6. ข.เอช.ไอ. (2007). โครงสร้างผลึก . สืบค้นเมื่อ 26 พฤษภาคม 2018 จาก: folk.ntnu.no
7. ปาเวล มาลิสซ์แซค. (25 เมษายน 2016). คริสตัลมรกตดิบจากหุบเขา Panjshir ประเทศอัฟกานิสถาน . [รูปภาพ]. สืบค้นเมื่อ 24 พฤษภาคม 2018, จาก: commons.wikimedia.org
8. เนปี1เคโนบี. (26 เมษายน 2008). มัลฮาส บราเวส. [รูป]. สืบค้นเมื่อวันที่ 26 พฤษภาคม 2018 จาก: commons.wikimedia.org
9. ผู้ใช้: Sbyrnes321 (21 พฤศจิกายน 2011) ผลึกหรืออสัณฐาน [รูปภาพ] สืบค้นเมื่อ 26 พฤษภาคม 2018 จาก: commons.wikimedia.org