Кристалічна структура — це тривимірне розташування атомів у твердому матеріалі, яке визначає його фізичні та хімічні властивості. Існує кілька типів кристалічних структур, таких як кубічна, гексагональна, орторомбічна та інші, кожна зі своїми специфічними характеристиками. У цьому тексті ми обговоримо різні типи кристалічних структур, приклади матеріалів, які їх мають, та їх значення в матеріалознавстві.
Типи кристалічних структур: дізнайтеся про різні конфігурації розташування атомів у матеріалах.
Кристалічна структура – це спосіб розташування атомів у твердому матеріалі. Існують різні типи кристалічних структур, кожна з яких має свої характеристики та властивості. Розуміння цих різних атомних розташування допомагає нам краще зрозуміти поведінку матеріалів.
Одним із найпоширеніших типів кристалічної структури є кубічна структура, де атоми розташовані у вигляді кубів. Іншим поширеним типом є гексагональна структура, де атоми утворюють шестикутники в шарах, що перекриваються.
Окрім них, існують також складніші кристалічні структури, такі як тетрагональна структура, орторомбічна структура та тригональна структура. Кожна з цих структур має свої унікальні характеристики, які впливають на властивості матеріалів.
Важливо зазначити, що кристалічна структура матеріалу може впливати на його механічні, теплові, електричні та оптичні властивості. Тому розуміння того, як атоми розташовані в матеріалах, є важливим для прогнозування та контролю їхньої поведінки.
Коротше кажучи, розуміння різних типів кристалічних структур допомагає нам краще зрозуміти властивості матеріалів та розробляти для них нові застосування. Це фундаментальний аспект матеріалознавства та матеріалознавства.
Дізнайтеся про 14 існуючих кристалічних ґраток та їхні унікальні характеристики для твердих матеріалів.
Кристалічні ґратки – це тривимірне розташування атомів у твердому матеріалі. Існує 14 різних типів кристалічних ґраток, кожна з яких має свої унікальні характеристики. Ці ґратки визначають фізичні та хімічні властивості твердих матеріалів. Давайте дізнаємося про деякі основні кристалічні ґратки та їхні характеристики:
Гранецентрований кубічний (FCC)У цій ґратці атоми присутні у вершинах та центрі кожної грані куба. Це одна з найпоширеніших ґраток, яка має високу щільність і добру пластичність.
Об'ємно-центрований кубічний (BCC)У цій ґратці атоми присутні у вершинах та центрі куба. Вона має нижчу щільність, ніж ґратка FCC, і є більш стійкою, що є поширеним явищем у металах, таких як залізо та хром.
Проста кубічна (SC)У цій ґратці атоми присутні лише у вершинах куба. Вона має найнижчу щільність серед кубічних ґраток і є найменш стабільною, зустрічається в таких матеріалах, як полоній і натрій.
Гексагональна щільноупакована (HCP)У цій ґратці атоми утворюють щільно упаковані гексагональні шари з додатковими атомами в проміжках між шарами. Вона менш поширена, ніж кубічні ґратки, але присутня в металах, таких як цинк і магній.
Окрім цих мереж, існують й інші, такі як Тетрагональний, то Ромбоедричний і Моноклінічний, кожен зі своїми унікальними характеристиками. Розуміння різних кристалічних решіток має вирішальне значення для кращого розуміння властивостей твердих матеріалів та їх застосування в різних галузях науки і техніки.
Визначення того, чи є структура CCC чи CFC: навчіться легко розрізняти.
Щоб визначити, чи є кристалічна структура ОЦК (об'ємно-центрованою кубічною) чи ГЦК (гранецентрованою кубічною), важливо спостерігати за положенням атомів в елементарній комірці. У структурі ОЦК атоми розташовані в кутах куба, а також у центрі куба. У структурі ГЦК атоми розташовані в кутах куба, а також на гранях куба.
Простий спосіб розрізнити ці дві структури – підрахувати кількість атомів, присутніх у кожній елементарній комірці. У структурі ОЦК (округлена каркасна крила) 1 атом знаходиться в центрі куба та 8 атомів у кутах, що становить 2 атоми на комірку. У структурі ГЦК (функційна каркасна крила) 1 атом знаходиться в центрі куба та 6 атомів на гранях, на додаток до 8 атомів у кутах, що становить 4 атоми на комірку.
Тому, аналізуючи кристалічну структуру матеріалу, підрахуйте кількість атомів в елементарній комірці та визначте, чи відповідає вона 2 атомам (ОЦК) чи 4 атомам (ГЦК). За допомогою цього простого спостереження ви зможете легко визначити, чи є структура ОЦК чи ГЦК.
Визначення кристалічної структури: поради та методи розпізнавання організації атомів.
Кристалічна структура — це розташування атомів у матеріалі, що визначає його фізичні та хімічні властивості. Визначення кристалічної структури матеріалу є важливим для розуміння його поведінки та застосування. Існує кілька порад та методів для розпізнавання розташування атомів у кристалічній структурі.
Важлива порада – спостерігати за формою кристалів. Крістаїс – це тверді структури з певною геометричною формою, яка відображає розташування атомів. Форма кристалів може вказувати на тип кристалічної структури, присутньої в матеріалі.
Іншим методом визначення кристалічної структури є рентгенівська дифракція. Коли рентгенівський промінь потрапляє на кристалічний матеріал, атоми в кристалічній структурі дифракують рентгенівські промені, створюючи характерний малюнок. Аналіз цього малюнка може виявити розташування атомів у матеріалі.
Трансмісійна електронна мікроскопія – ще один потужний метод визначення кристалічної структури. Цей метод дозволяє безпосередньо візуалізувати розташування атомів у матеріалі, що дає змогу проводити детальний аналіз кристалічної структури.
Коротше кажучи, визначення кристалічної структури матеріалу має вирішальне значення для розуміння його властивостей та застосування. Спостереження за формами кристалів, проведення рентгенівської дифракції та використання просвічувальної електронної мікроскопії – це деякі з методів, доступних для розпізнавання розташування атомів у кристалічній структурі.
Кристалічна структура: структура, типи та приклади
A кристалічна структура — один із твердих станів, які атоми, іони або молекули можуть приймати в природі, що характеризується високим просторовим порядком. Іншими словами, це свідчить про «корпускулярну архітектуру», яка визначає багато тіл зі склоподібним, блискучим виглядом.
Що сприяє або яка сила відповідає за цю симетрію? Частинки не існують окремо, а взаємодіють одна з одною. Ці взаємодії споживають енергію та впливають на стабільність твердих тіл, тому частинки прагнуть пристосуватися одна до одної, щоб мінімізувати ці втрати енергії.
Таким чином, їхня внутрішня природа призводить до формування найстабільнішого просторового розташування. Наприклад, це може бути випадок, коли відштовхування між однаково зарядженими іонами мінімальне або коли атоми, такі як атоми металів, займають максимально можливий об'єм у своїх упаковках.
Слово «кристал» має хімічне значення, яке може бути спотворене для інших тіл. Хімічно воно стосується впорядкованої структури (мікроскопічно), яка, наприклад, може складатися з молекул ДНК (кристал ДНК).
Однак, його часто неправильно використовують для позначення будь-якого скляного предмета чи поверхні, такого як дзеркала чи пляшки. На відміну від справжніх кристалів, скло складається з аморфної (сплутаної) структури силікатів та багатьох інших добавок.
Структура
Смарагдові дорогоцінні камені зображені на зображенні вище. Багато інших мінералів, солей, металів, сплавів та діамантів мають кристалічну структуру; але який зв'язок між їхнім порядком та симетрією?
Якщо кристал, частинки якого можна спостерігати неозброєним оком, виконати операції симетрії (інвертувати його, обертати під різними кутами, відбивати на площині тощо), то виявиться, що він залишається незмінним у всіх вимірах простору.
Протилежне відбувається для аморфного твердого тіла, з якого отримують різні системи шляхом піддавання його операції симетрії. Крім того, йому бракує структурних повторюваних закономірностей, що демонструє випадковість розподілу його частинок.
Яка найменша одиниця, що утворює структурний візерунок? На зображенні вище кристалічна тверда речовина симетрична в просторі, тоді як аморфна тверда речовина — ні.
Якби намалювали квадрати, до яких застосовували б помаранчеві сфери та операції симетрії, вони б генерували інші частини кристала.
Вищезазначене повторюється зі все меншими квадратами, доки не буде знайдено асиметричний; той, що передує йому за розміром, за визначенням, є елементарною коміркою.
Елементарна комірка
Елементарна комірка – це мінімальний структурний вираз, який дозволяє повне відтворення кристалічного твердого тіла. З неї можна зібрати скло, рухаючи його в усіх напрямках простору.
Його можна вважати невеликою шухлядою (скринею, відром, контейнером тощо), де частинки, представлені сферами, розміщені за певним шаблоном заповнення. Розміри та геометрія цієї шухляди залежать від довжин її осей (a, b та c), а також кутів між ними (α, β та γ).
Найпростішою з усіх елементарних комірок є проста кубічна структура (верхнє зображення (1)). У ній центри сфер займають кути куба, розміщуючи чотири біля його основи та чотири біля стелі.
У такому розташуванні сфери ледве займають 52% загального об'єму куба, і, оскільки природа не терпить вакууму, не так багато сполук чи елементів мають таку структуру.
Однак, якщо ті ж сфери куба розташувати так, щоб вони займали центр (кубічний у тілі, ОЦК), знадобиться більш компактне та ефективне пакування (2). Тепер сфери займають 68% загального об'єму.
З іншого боку, у (3) жодна сфера не займає центр куба, але центр його граней займає, і всі вони займають до 74% загального об'єму (центр куба на гранях, ccp).
Таким чином, можна спостерігати, що для того самого куба можна отримати інші розташування, змінюючи спосіб упаковки сфер (іонів, молекул, атомів тощо).
Види
Кристалічні структури можна класифікувати за їх кристалічними системами або хімічною природою їхніх частинок.
Наприклад, кубічна система є найпоширенішою з усіх, і багато кристалічних твердих тіл регулюються нею; однак, ця ж система застосовується до іонних кристалів та металевих кристалів.
Відповідно до вашої кристалічної системи
На попередньому зображенні представлено сім основних кристалічних систем. Можна зазначити, що насправді чотирнадцять з них є продуктами інших форм упаковки для тих самих систем і складають ґратки Браве.
Від (1) до (3) – це кристали з кубічними кристалічними системами. У (2) видно (за синіми смугами), що центральна сфера та кутова сфера взаємодіють з вісьмома сусідами, так що сфери мають координаційне число 8. А в (3) координаційне число дорівнює 12 (щоб побачити це, потрібно продублювати куб в будь-якому напрямку).
Елементи (4) та (5) відповідають простій та центрально-центрованій тетрагональній системам. На відміну від кубічної, її вісь c довша за осі a та b.
Від (6) до (9) – це орторомбічні системи: від простих, центрованих на основах (7), до тих, що центровані на тілі та гранях. У них α, β та γ дорівнюють 90º, але всі сторони мають різну довжину.
На рисунках (10) та (11) зображено моноклінні кристали, а на рисунку (12) – триклінні, що демонструють останні нерівності у всіх кутах та осях.
Елемент (13) – це ромбоедрична система, аналогічна кубічній, але з кутом γ, відмінним від 90°. Нарешті, є гексагональні кристали
Зміщення елементів (14) призводять до утворення шестикутної призми, намальованої зеленими пунктирними лініями.
За своєю хімічною природою
– Якщо кристали утворені іонами, то це іонні кристали, присутні в солях (NaCl, CaSO4 4 , CuCl 2 , KBr тощо)
– Молекули, подібні до глюкози, утворюють (коли це можливо) молекулярні кристали; у цьому випадку, відомі кристали цукру.
– Атоми, зв’язки яких по суті ковалентні, утворюють ковалентні кристали. Це стосується алмазу та карбіду кремнію.
– Аналогічно, метали, такі як золото, утворюють компактні кубічні структури, які являють собою металеві кристали.
Приклади
K 2 Cr 2 O 7 (триклінічна система)
NaCl (кубічна система)
ZnS (вюрцит, гексагональна система)
CuO (моноклінна система)
Список літератури
- Кімітубе (2015). Чому «кристали» не є кристалами Отримано 24 травня 2018 року з: quimitube.com
- Видавництво 10.6 Ґратчасті структури в кристалічних твердих тілах. Отримано 26 травня 2018 р. з: opentextbc.ca
- Академічний ресурсний центр кристалічних структур. [PDF]. Отримано 24 травня 2018 р. з: web.iit.edu
- Мін (30 червня 2015 р.). Типи кристалічних структур Отримано 26 травня 2018 року з: crystalvisions-film.com
- Гельменстін, Анна Марія, доктор філософії (31 січня 2018 р.). Види кристалів Отримано 26 травня 2018 року з: thoughtco.com
- ХІ (2007). Кристалічні структури Отримано 26 травня 2018 року з: folk.ntnu.no
- Павло Маліщак. (25 квітня 2016 року). Необроблені кристали смарагду з долини Панджшер, Афганістан [Рисунок]. Отримано 24 травня 2018 року з: commons.wikimedia.org
- Напи1кенобі. (26 квітня 2008 р.). Малхас Браве. [Малюнок]. Отримано 26 травня 2018 року з: commons.wikimedia.org
- Користувач: Sbyrnes321. (21 листопада 2011 р.). Кристалічний або аморфний. [Рисунок]. Отримано 26 травня 2018 р. з: commons.wikimedia.org