Докторант → Неорганическая химия → Химия твердых тел ↓
Кристаллические структуры и решетки
В увлекательном мире химии твердого тела одним из фундаментальных понятий является кристаллическая структура. Понимание кристаллических структур необходимо для всех, кто углубляется в химию и физику твердых тел. Кристаллические структуры определяют упорядоченное расположение атомов, ионов или молекул в кристаллическом веществе и значительно влияют на физические свойства вещества.
Введение в кристаллы
Кристалл - это твердое вещество, чьи атомы расположены в высокоупорядоченной повторяющейся структуре, которая охватывает все три пространственные измерения. Повторяющийся блок в этой упорядоченной структуре известен как элементарная ячейка, самая маленькая часть кристаллической решетки, которая при повторении восстанавливает всю кристаллическую структуру.
Изучение формирования кристаллов и кристаллических решеток относится к области кристаллографии, которая использует различные методы для определения расположения атомов внутри твердого тела.
Элементарные ячейки и решетки
Элементарная ячейка определяется своими параметрами решетки, такими как длины ребер ячейки и углы между ними. Самые простые примеры элементарной ячейки - это ячейки кубической решетки, где углы между ребрами равны 90 градусам, а длины всех ребер равны.
Тип сетки | Длина ребер | межосевой угол
Простая Куб | a = b = c | α = β = γ = 90°
Объемноцентрированная кубическая (ОЦК) | a = b = c | α = β = γ = 90°
Границентрированная кубическая (ГЦК) | a = b = c | α = β = γ = 90°
Различные материалы могут кристаллизоваться в различных системах решеток, которые в основном классифицируются на семь кристаллических систем:
- Куб
- Квадрат
- Орторомбическая
- Гексагональная
- Ромбоидная
- Моноклинная
- Триклинная
Семь кристаллических систем
Каждая из этих кристаллических систем обладает своими отличительными характеристиками:
- Кубическая: Характеризуется тремя перпендикулярными осями равной длины. Пример: хлорид натрия (NaCl).
Oh Oh O------O | O-----O Oh Oh - Тетрагональная: Похожа на куб, но с одной более длинной осью. Пример: белое олова (Sn).
Oh Oh O------O | O-----O Oh Oh - Орторомбическая: Все три оси разной длины. Пример: сера (S).
Oh Oh O------O | O-----O Oh Oh - Гексагональная: Две оси равной длины под углом 120° и третья ось перпендикулярна плоскости других двух. Пример: графит.
Oh Oh Oh Oh O-------O | O-----O Oh Oh - Ромбовидная: Также называется треугольной. Все оси одинаковой длины и все углы равны, но не 90°. Пример: кальцит (CaCO3).
Oh Oh Oh Oh O------O | O----O Oh Oh - Моноклинная: Оси неравной длины, с двумя углами по 90° и одним углом немного отличным. Пример: гипс (CaSO4·2H2O).
Oh Oh Oh Oh O-------O | O-----O Oh Oh - Триклинная: Наименее симметричная. Все стороны и углы различны. Пример: дихромат калия (K2Cr2O7).
Oh Oh Oh Oh O------O | O----O Oh Oh
Плотная упаковка в кристалле
В природе многие кристаллические структуры формируются через процесс, называемый плотной упаковкой. Плотная упаковка заключается в расположении сфер (представляющих атомы) так, чтобы они занимали максимум возможного пространства с минимальным пустым объемом.
Виды плотной упаковки
- Гексагональная плотная упаковка (ГПУ): Эта структура может быть представлена в виде повторяющегося узора ABAB. Каждый атом окружен 12 другими атомами. Пример: магний (Mg).
Слой A: oooo Слой B: ooo Слой A: oooo - Границентрированная кубическая структура (ГЦК): Эта система также известна как кубическая плотная упаковка (КПУ) и следует узору ABCABC. Эта структура характерна для многих металлов, таких как алюминий (Al).
Слой A: oooo Слой B: ooo Слой C: oooo
Кубические кристаллические структуры
Многие повседневные металлы и сплавы кристаллизуются в кубических структурах из-за своей симметрии и простоты.
Простая Кубическая (ПК)
В простой кубической структуре атомы расположены в каждом углу куба. Элементарная ячейка содержит кубическую примитивную (или чистую) сетку из одного атома.
Объемноцентрированная Кубическая (ОЦК)
В ОЦК структуре атомы расположены в восьми углах и одном центре куба. Железо (Fe) - классический пример этого. Это расположение обеспечивает более эффективную упаковку, чем простая кубическая структура.
Границентрированная Кубическая (ГЦК)
В ГЦК структуре атомы расположены в каждом углу и в центре всех граней куба. Это расположение обеспечивает высокую упаковочную эффективность и встречается в металлах, таких как медь (Cu).
Понимание координационного числа и атомного упаковочного фактора
Координационное число - это количество ближайших соседей, окружающих атом в кристаллической структуре. Атомный упаковочный фактор (АПФ) - это доля объема в кристаллической структуре, занятого атомами.
Кубические структуры и их свойства
Ниже приведены свойства простой, объемноцентрированной и границентрированной кубических структур:
Тип структуры | Координационное число | Атомный упаковочный фактор
Простая кубическая | 6 | 0,52
Объемноцентрированная кубическая (ОЦК) | 8 | 0,68
Границентрированная кубическая (ГЦК) | 12 | 0,74
Иллюстрация кристаллических структур
Рассмотрите простую кубическую структуру, представленную визуально в виде решетки, где атом расположен в каждом углу куба:
,
,
,
,
,
Вкратце, изучение кристаллических структур и решеток дает глубокое понимание физических свойств материалов, влияющее на все - от электрической проводимости до механической прочности. Упорядоченное расположение атомов, регулярность решеточных структур и красота кристаллографических систем играют ключевую роль в определении характеристик материалов, с которыми мы сталкиваемся как в природе, так и в промышленности.
Заключение
Изучение кристаллических структур и решеток является основополагающим для понимания химического и физического поведения материалов. От простых кубов до сложных полигонов, каждое расположение раскрывает сложность и красоту твердого вещества. По мере погружения в химию твердого тела эти фундаментальные концепции прокладывают путь к инновациям и открытиям в науке о материалах.
Комментарии