Кристална структура: структура, типове и примери

Кристалната структура е едно от твърдите състояния, които атомите, йоните или молекулите могат да приемат в природата, което се характеризира с висока пространствена подредба. С други думи, това е доказателство за "корпускуларната архитектура", която определя много тела със стъкловидно и блестящо излъчване.

Какво насърчава или каква сила е отговорна за тази симетрия? Частиците не са сами, а си взаимодействат. Тези взаимодействия консумират енергия и влияят на стабилността на твърдите вещества, така че частиците се стремят да се приспособят, за да минимизират загубата на енергия.

Тогава тяхната присъща природа ги кара да се поставят в най-стабилната пространствена подредба. Например, това може да бъде, когато отблъскванията между йони с еднакви заряди са минимални, или където също някои атоми, като метал, заемат възможно най-голям обем в техните опаковки.

Думата "кристал" има химически смисъл, който може да бъде представен погрешно за други органи. Химически, той се отнася до подредена структура (микроскопски), която например може да се състои от ДНК молекули (ДНК кристал).

Въпреки това, той е широко използван за позоваване на всеки обект или стъклена повърхност, като огледала или бутилки. За разлика от истинските кристали, стъклото се състои от аморфна (разхвърлян) структура на силикати и много други добавки.

структура

В горното изображение са показани някои скъпоценни камъни от изумруди. Както тези, много други минерали, соли, метали, сплави и диаманти показват кристална структура; Но каква е връзката му със симетрията?

Ако кристал, чиито частици може да се наблюдава с просто око, се прилага операция на симетрия (инвертира се, завърта го под различни ъгли, отразява се в равнина и т.н.), след което се установява, че остава непокътната във всички измерения на пространството.

Обратното се случва за аморфно твърдо вещество, от което се получават различни подреждания, като се подлага на операция на симетрия. Освен това липсват структурни повторения, които демонстрират случайното разпределение на неговите частици.

Коя е най-малката единица, която съставя структурния модел? В горното изображение кристалното твърдо вещество е симетрично в пространството, а аморфното - не.

Ако нарисувате квадрати, които ограждат оранжевите сфери и прилагате операциите по симетрия, ще откриете, че те генерират други части на кристала.

Предишното нещо се повтаря с по-малки и по-малки квадрати, докато се намери този, който е асиметричен; този, който го предхожда по размер, по дефиниция е единичната клетка.

Единична килия

Единната клетка е минималната структурна експресия, която позволява пълното размножаване на кристалното твърдо вещество. От това е възможно да се сглоби кристалът, като се движи във всички посоки на пространството.

Тя може да се разглежда като малко чекмедже (багажник, кофа, контейнер и т.н.), където частиците, представени от сфери, се поставят след модел на пълнене. Размерите и геометриите на тази кутия зависят от дължините на осите му (а, b и в), както и от ъглите между тях (α, β и γ).

Най-простата от всички единични клетки е тази на простата кубична структура (отгоре изображение (1)). В този център на сферите заемат ъглите на куба, поставяйки четири в основата и четири на покрива.

При това подреждане сферите едва заемат 52% от общия обем на куба, и тъй като природата не се поддава на вакуум, няма много съединения или елементи, които да приемат тази структура.

Обаче, ако сферите са подредени в един куб по такъв начин, че да заемат центъра (кубичен центриран върху тялото, bcc), тогава ще има по-компактна и ефективна опаковка (2). Сега сферите заемат 68% от общия обем.

От друга страна, в (3) нито една сфера не заема центъра на куба, а центъра на лицата им, и всички те заемат до 74% от общия обем (кубичен центриран по лицата, ccp).

По този начин може да се види, че за една и съща куба могат да се получат други подреждания, които променят начина на опаковане на сферите (йони, молекули, атоми и т.н.).

тип

Кристалните структури могат да се класифицират според техните кристални системи или химическата природа на техните частици.

Например, кубичната система е най-често срещаната от всички и много кристални твърди вещества се управляват от нея; същата система обаче се прилага както за йонните кристали, така и за металните кристали.

Според неговата кристална система

В предишното изображение са представени седемте основни кристални системи. Може да се отбележи, че в действителност има четиринадесет от тях, които са продукт на други форми на опаковане за същите системи и съставляват мрежите на Брава.

От (1) до (3) са кристалите с кубични кристални системи. В (2) се наблюдава (чрез сините ивици), че сферата на центъра и тази на ъглите взаимодействат с осем съседи, така че сферите имат координатен номер 8. А в (3) координационният номер е 12 (за да го видите, е необходимо да дублирате куба във всяка посока).

Елементите (4) и (5) съответстват на простите тетрагонални системи и са центрирани върху лицата. За разлика от кубиката, нейната ос c е по-дълга от осите a и b.

От (6) до (9) са орторомбичните системи: от простото и центрирано на основите (7), до онези, центрирани по тялото и по лицата. При тях α, β и γ са 90º, но всички страни са с различна дължина.

Фигури (10) и (11) са моноклинни кристали и (12) е триклина, представяща последните неравенства във всичките ъгли и оси.

Елементът (13) е ромбоедричната система, аналогична на кубичната, но с ъгъл γ, различен от 90 °. Накрая има хексагонални кристали

Преместванията на елементите (14) идват от шестоъгълната призма, проследена от пунктираните зелени линии.

Според химическата си природа

- Ако кристалите се образуват от йони, то те са йонни кристали, присъстващи в солите (NaCl, CaSO 4, CuCl 2, KBr и др.)

- Молекули като глюкозна форма (когато е възможно) молекулярни кристали; в този случай, известните кристали на захарта.

- Атомите, чиито връзки са основно ковалентни, образуват ковалентни кристали. Такива са случаите на диамант или силициев карбид.

- По същия начин, метали като златото образуват компактни кубични структури, които са метални кристали.

Примери

K 2 Cr 2 O 7 (триклинна система)

NaCl (кубична система)

ZnS (wurtzite, хексагонална система)

CuO (моноклинна система)