Кристаллические структуры

В химии твердого тела кристаллические структуры представляют собой упорядоченное расположение атомов внутри вещества. Понимание этих структур важно для объяснения многих физических свойств веществ, таких как проводимость, магнетизм и оптические свойства. В неорганической химии эти кристаллические структуры особенно важны, поскольку они помогают понять структуру и функциональность металлов, керамики, минералов и других неорганических соединений.

Основные концепции

Кристаллические твердые тела определяются периодической организацией атомов, ионов или молекул в трехмерной решетке. Наименьшая повторяющаяся единица этой структуры называется элементарной ячейкой. Расположение элементарных ячеек формирует весь кристалл, предоставляя информацию о структуре и возможных свойствах твердого тела.

Элементарная ячейка

Элементарная ячейка является строительным блоком кристаллической структуры. Она определяется своими параметрами решетки, которые включают длины ребер ячейки (a, b, c) и углы между ними (α, β, γ). Эти ячейки повторяются в узоре, чтобы заполнить пространство без наложения.

Типы элементарных ячеек

Существует несколько различных типов элементарных ячеек, которые формируют основу кристаллических структур:

• Простая кубическая (ПК): В каждом углу куба находится один атом. Простая кубическая структура является самой простой, но встречается редко.
• Объемно-центрированная кубическая (ОЦК): Похожа на ПК, но имеет дополнительный атом в центре куба. Примером является железо при низких температурах.
• Кубическая с центрированием по граням (КЦГ): Атом расположен в каждом углу и в центре всех граней куба. Распространена в металлах, таких как алюминий, медь и золото.
• Гексагональная плотная упаковка (ГПУ): Атомы плотно упакованы в гексагональной конфигурации. Примеры включают магний и титан.

Пример текста простой кубической структуры

Простая Кубическая Структура:
 
Атом угла
(0,0,0) -------------------*------------------- (A,0,0)
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
(0,0,a) -------------------*------------------- (a,0,a)
  

Кубическая система кристаллов

Кубическая система кристаллов является одной из наиболее распространенных и важных систем кристаллов. Она имеет три равные оси, пересекающиеся под углом 90 градусов. Внутри кубической системы существуют три основных типа:

• Простая кубическая (ПК): Эта система не очень эффективна с точки зрения использования пространства. Коэффициент упаковки или доля заполненного атомами объема составляет около 52%.
• Объемно-центрированная кубическая (ОЦК): Коэффициент упаковки выше, чем у ПК, около 68% из-за центрального атома.
• Кубическая с центрированием по граням (КЦГ): Это самая эффективная из кубических форм, с коэффициентом упаковки около 74%.

На этом изображении показана объемно-центрированная кубическая структура, где угловые атомы окрашены в синий цвет, а центральный атом — в красный.

Гексагональная система кристаллов

Другой широко изучаемой системой кристаллов является гексагональная система, которая имеет две равные оси, перпендикулярные друг другу, и третью ось другой длины, которая пересекает их обе под углом 90 градусов. Традиционным примером является структура гексагональной плотной упаковки (ГПУ).

Пример текста гексагональной плотной упаковки

Верхний слой:
 
атом 1 атом 2 атом 3
 
  ,
   ,
 
нижний слой:
 
     атом 4 атом 5 атом 6
  
      ,
       ,
  
(Вид снизу)
  

Координационное число

Координационное число является важной концепцией в понимании кристаллических структур. Оно относится к числу ближайших соседних атомов, окружающих центральный атом. Оно варьируется в зависимости от типа кристаллической структуры:

• Координационное число для ПК составляет 6.
• Координационное число для ОЦК составляет 8.
• Координационное число для КЦГ и ГПУ составляет 12.

Визуализация кристаллических структур

Визуализация кристаллических структур может быть сложной. Однако, анализируя симметрию решетки и повторяющиеся узоры, сложную природу этих структур можно лучше понять. Здесь симметрия приводит к уникальным свойствам, которые напрямую влияют на функциональность материала.

Рассмотрим кубическую структуру алмаза, где атомы углерода ковалентно соединены в тетраэдрическую геометрию.

Полиморфизм и аллотропия

Полиморфизм относится к способности вещества существовать в более чем одной кристаллической структуре. Это явление важно в науке о материалах и влияет на физические свойства, такие как температура плавления и растворимость. Аллотропия — это подобная концепция, но ограниченная элементарными сущностями.

Классическим примером этого является углерод, который может образовывать либо графит, либо алмаз в зависимости от его связи и структуры. Графит имеет слоистую структуру с слабыми силами между слоями, в то время как алмаз имеет тетраэдрически связанную структуру, что приводит к его твердости.

Применение кристаллических структур

Понимание кристаллических структур важно для многих технологических применений. Например, полупроводниковая промышленность сильно зависит от знаний о кристаллической структуре для разработки таких материалов, как кремний и арсенид галлия. Аналогично, фармацевтическая промышленность оценивает кристаллические структуры для проектирования и производства лекарств.

Открытие новых кристаллических структур ведет инновации в науке о материалах, что приводит к разработке сверхпроводников, катализаторов и новых конструкционных материалов с улучшенными свойствами.

Заключение

В заключение, кристаллические структуры в химии твердого тела являются основой для понимания широкого спектра физических свойств и технологических применений. Анализируя геометрическое расположение атомов и возникающую симметрию, ученые могут предсказывать и оптимизировать физические свойства, необходимые для конкретных целей.

Комментарии