КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА: СТРОЕНИЕ, ВИДЫ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2024

Кристаллическая структура является одним из твердых состояний , что атомы, ионы или молекулы могут принимать в природе, который характеризуется наличием высокого пространственного упорядочения. Другими словами, это свидетельство «корпускулярной архитектуры», которая определяет многие тела со стеклянным и блестящим внешним видом.

Что способствует или какая сила отвечает за эту симметрию? Частицы не одни, но взаимодействуют друг с другом. Эти взаимодействия потребляют энергию и влияют на стабильность твердых тел, так что частицы стремятся приспосабливаться, чтобы минимизировать эту потерю энергии.

Таким образом, их внутренняя природа побуждает их располагаться в наиболее стабильном пространственном расположении. Например, это может быть тот, где отталкивание между ионами с одинаковыми зарядами минимально, или где некоторые атомы, такие как металлические, также занимают максимально возможный объем в своих упаковках.

Слово «кристалл» имеет химическое значение, которое может быть искажено для других тел. Химически это относится к упорядоченной структуре (микроскопически), которая, например, может состоять из молекул ДНК (кристалл ДНК).

Тем не менее, его часто неправильно используют для обозначения любого стеклянного предмета или поверхности, например зеркал или бутылок. В отличие от настоящих кристаллов, стекло состоит из аморфной (неупорядоченной) структуры силикатов и многих других добавок.

Структура

На изображении выше проиллюстрированы некоторые изумрудные камни. Подобно этим, многие другие минералы, соли, металлы, сплавы и алмазы имеют кристаллическую структуру; но какое отношение имеет его упорядоченность к симметрии?

Если к кристаллу, частицы которого можно наблюдать невооруженным глазом, применить операции симметрии (перевернуть его, повернуть под разными углами, отразить на плоскости и т. Д.), То окажется, что он остается нетронутым во всех измерениях пространства.

Противоположное происходит с аморфным твердым телом, из которого различные порядки получаются путем выполнения операции симметрии. Кроме того, в нем отсутствуют структурные шаблоны повторения, что показывает случайность в распределении его частиц.

Какая наименьшая единица составляет структурный образец? На верхнем изображении кристаллическое твердое тело симметрично в пространстве, а аморфное - нет.

Если бы квадраты были нарисованы для заключения оранжевых сфер и к ним были применены операции симметрии, было бы обнаружено, что они порождают другие части кристалла.

Вышесказанное повторяется с меньшими и меньшими квадратами, пока не будет найден тот, который является асимметричным; предшествующий ему по размеру, по определению, является элементарной ячейкой.

Ячейка

Элементарная ячейка - это минимальное структурное выражение, позволяющее полностью воспроизвести кристаллическое твердое тело. Из этого можно собрать стекло, перемещая его во всех направлениях в пространстве.

Его можно рассматривать как небольшой ящик (сундук, ведро, контейнер и т. Д.), В который частицы, представленные сферами, размещаются по схеме заполнения. Размеры и геометрия этого ящика зависят от длин его осей (a, b и c), а также углов между ними (α, β и γ).

Самая простая из всех элементарных ячеек - это ячейка простой кубической структуры (верхнее изображение (1)). Здесь центр сфер занимает углы куба: четыре у его основания и четыре у потолка.

При таком расположении сферы занимают только 52% от общего объема куба, и поскольку природа не терпит вакуума, не многие соединения или элементы принимают эту структуру.

Однако, если сферы расположены в одном кубе таким образом, что каждый занимает центр (кубический центр в теле, ОЦК), тогда будет более компактная и эффективная упаковка (2). Сейчас сферы занимают 68% от общего объема.

С другой стороны, в (3) никакая сфера не занимает центр куба, но центр его граней занимает, и все они занимают до 74% от общего объема (гранецентрированный куб, cc).

Таким образом, можно понять, что для одного и того же куба можно получить другие конфигурации, варьируя способ упаковки сфер (ионы, молекулы, атомы и т. Д.).

Типы

Кристаллические структуры можно классифицировать по их кристаллическим системам или химической природе их частиц.

Например, кубическая система является наиболее распространенной из всех, и многие кристаллические твердые тела подчиняются ей; однако эта же система применима как к ионным, так и к металлическим кристаллам.

По своей кристаллической системе

На предыдущем изображении представлены семь основных кристаллических систем. Можно отметить, что на самом деле их четырнадцать, которые являются продуктом других форм упаковки для тех же систем и составляют сети Bravais.

От (1) до (3) кристаллы с кубической кристаллической системой. В (2) видно (по синим полосам), что сфера в центре и в углах взаимодействует с восемью соседями, поэтому у сфер есть координационное число 8. А в (3) координационное число равно 12 (чтобы его увидеть нужно продублировать куб в любом направлении).

Элементы (4) и (5) соответствуют простой и гранецентрированной тетрагональной системе. В отличие от кубического, его ось c длиннее осей a и b.

От (6) до (9) - орторомбические системы: от простых и центрированных на основаниях (7) до систем, центрированных на теле и на гранях. В них α, β и γ равны 90º, но все стороны имеют разную длину.

Рисунки (10) и (11) представляют собой моноклинные кристаллы, а (12) - триклинный кристалл, причем последний демонстрирует неравенства по всем его углам и осям.

Элемент (13) представляет собой ромбоэдрическую систему, аналогичную кубической, но с углом γ, отличным от 90º. Наконец, есть гексагональные кристаллы

Смещения элементов (14) образуют гексагональную призму, очерченную зелеными пунктирными линиями.

По химической природе

- Если кристаллы состоят из ионов, то это ионные кристаллы, присутствующие в солях (NaCl, CaSO ₄ , CuCl ₂ , KBr и т. Д.)

- Молекулы, подобные глюкозе, образуют (когда могут) молекулярные кристаллы; в данном случае знаменитые кристаллы сахара.

- Атомы с ковалентными связями образуют ковалентные кристаллы. Таковы случаи алмаза или карбида кремния.

- Точно так же металлы, такие как золото, образуют компактные кубические структуры, которые представляют собой металлические кристаллы.

Примеры

К

NaCl (кубическая система)

ZnS (вюрцит, гексагональная система)

CuO (моноклинная система)

Ссылки

1. Quimitube. (2015). Почему «кристаллы» не кристаллы. Получено 24 мая 2018 г. с: quimitube.com.
2. Pressbooks. 10.6. Структуры решеток в кристаллических твердых телах. Получено 26 мая 2018 г. с: opentextbc.ca
3. Академический ресурсный центр Crystal Structures. , Получено 24 мая 2018 г. с: web.iit.edu
4. Мин. (2015, 30 июня). Типы кристаллических структур. Получено 26 мая 2018 г. с сайта crystalvisions-film.com.
5. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (31 января 2018 г.). Типы кристаллов. Получено 26 мая 2018 г. с: thinkco.com
6. НКГ. (2007). Кристаллические структуры. Получено 26 мая 2018 г. с сайта folk.ntnu.no.
7. Павел Малищак. (25 апреля 2016 г.). Необработанные кристаллы изумруда из Панджшерской долины Афганистана. , Получено 24 мая 2018 г. с: commons.wikimedia.org.
8. Napy1kenobi. (26 апреля 2008 г.). Решетки Браве. , Получено 26 мая 2018 г. с: commons.wikimedia.org.
9. Пользователь: Sbyrnes321. (21 ноября 2011 г.). Кристаллический или аморфный. , Получено 26 мая 2018 г. с: commons.wikimedia.org.