Твёрдые тела и кристаллические структуры

В изучении материи понимание того, как молекулы и атомы конфигурируются, является определяющим аспектом химии. Из трёх классических состояний материи – твёрдых тел, жидкостей и газов – твёрдые тела определяются своей жёсткой структурой и регулярными геометрическими рисунками, известными как кристаллы. Этот документ образовывает читателей о природе твёрдых тел и сложностях различных кристаллических структур.

Характеристики твёрдых тел

Отличительные свойства твёрдых тел происходят от плотно упакованных молекул и атомов, из которых они состоят. В отличие от текучести жидкостей и газов, твёрдые тела сохраняют фиксированную форму и объём. Эта фиксированная природа объясняется сильными межмолекулярными силами, действующими внутри твёрдого тела, которые препятствуют свободному движению составляющих частиц.

• Определённая форма и объём: Твёрдые тела сохраняют постоянную форму и не могут принимать форму сосуда, если не приложить силу.
• Несжимаемость: Из-за минимального пространства между частицами твёрдые тела, как правило, несжимаемые.
• Жёсткость: Сильные межмолекулярные силы обеспечивают жёсткость, которая препятствует изменениям формы.

Не все твёрдые тела одинаковы. Они могут быть дополнительно классифицированы на основе их внутренней структуры, что приводит к различным видам твёрдых тел.

Виды твёрдых тел

Кристаллическое твёрдое тело

Кристаллические твёрдые тела содержат упорядоченные и повторяющиеся узоры атомов, ионов или молекул, формирующие организованную внутреннюю структуру, называемую кристаллической решёткой. Предсказуемая геометрия этих решёток позволяет учёным тщательно изучать их свойства.

    Примеры:
    - Натрий хлорид (NaCl)
    - Алмаз
    - Кварц ( SiO2 )
    

Аморфное твёрдое тело

В отличие от кристаллических твёрдых тел, аморфные твёрдые тела не имеют дальнего порядка или повторяющихся узоров. Они не формируют кристаллы и часто имеют более беспорядочную структуру.

    Примеры:
    - стекло
    - резина
    - пластик
    

Кристаллические структуры

Понимание кристаллических структур является фундаментальным для понимания явления кристалличности в твёрдых телах. Кристаллические структуры определяются трансляционной симметрией и описываются типами решёток и элементарными ячейками.

Элементарная ячейка

Элементарная ячейка - это наименьшая повторяющаяся единица в кристаллической решётке, отражающая полную симметрию всей структуры твёрдого тела.

Рассмотрим следующий визуальный пример кубической элементарной ячейки:

На фигуре выше показана простая кубическая ячейка, где каждая точка в углу представляет атом или ион.

Типы кристаллических систем

Кристаллические системы классифицируют кристаллы на основе их осей и симметрических свойств. Существует семь основных кристаллических систем:

• Кубическая: Симметричная во всех трёх измерениях (a = b = c; α = β = γ = 90°). Пример: NaCl
• Тетрагональная: две оси равны, одна отличается; все углы 90° (a = b ≠ c; α = β = γ = 90°). Пример: TiO 2
• Орторомбическая: ни одна из осей не равна; все углы 90° (a ≠ b ≠ c; α = β = γ = 90°). Пример: Сера (S 8 )
• Гексагональная: две равные оси, одна отличается; углы: 120°, 90° (a = b ≠ c; α = β = 90°, γ = 120°). Пример: Графит
• Тригональная: Похожа на гексагональную, но с тремя равными осями, формирующими ромб (a = b = c; α = β = γ ≠ 90°). Пример: Кальцит
• Моноклинная: неравные оси; два угла равны 90°, один отличается (a ≠ b ≠ c; α = γ = 90°, β ≠ 90°). Пример: Сахар
• Триклинная: нет равных осей или углов (a ≠ b ≠ c; α ≠ β ≠ γ). Пример: K 2 Cr 2 O 7

Кубические кристаллические структуры

Особый интерес представляют кубические структуры, которые часто изучаются из-за их симметрии:

• Простой Куб (SC): Самый простой, атомы находятся в каждом углу. Очень редкий в природе из-за неэффективности упаковки.

          Координационное число = 6
          Коэффициент упаковки = 52%
        

• Объёмноцентрированный куб (BCC): атомы находятся в каждом углу и один атом в центре.

          Координационное число = 8
          Коэффициент упаковки = 68%
        

• Границентрированный куб (FCC): атомы находятся в каждом углу и в центре каждой грани.

          Координационное число = 12
          Коэффициент упаковки = 74%
        

Примеры твёрдых тел и их кристаллическая структура

Алмаз

Алмазы, одна из аллотропных форм углерода, формируют кубические кристаллические структуры, принимая вариант FCC структуры, называемой алмазной решёткой. Каждый атом углерода образует четыре ковалентные связи в трёхмерной сети.

    Структура: границентрированный куб (модифицированный)
    Координационное число: 4
  

Натрий хлорид

Натрий хлорид, или поваренная соль, является ионным кристаллическим твёрдым телом, состоящим из ионов натрия (Na⁺) и хлорида (Cl⁻), формирующих простую кубическую кристаллическую решётку.

    Структура: Простой Куб
    Координационное число: 6
  

Графит

Графит - это ещё одна аллотропная форма углерода, принимающая гексагональную кристаллическую систему. Его слоистая структура позволяет легко скользить плоскостям, что способствует его смазочным свойствам.

    Структура: гексагональная
    Координационное число: 3
  

Применение твёрдых тел и кристаллических структур

Изучение твёрдых тел и кристаллических структур оказывает значительное влияние на различные области. От материаловедения, где внутренняя структура определяет свойства металлов и сплавов, используемых в строительстве и производстве, до электроники, где уникальные свойства полупроводников, таких как кремний, используются для создания интегральных схем. Понимание кристалличности и расположения частиц в решётке позволяет учёным и инженерам создавать инновационные решения и новые материалы.

Резюме

Твёрдые тела преимущественно отражают стабильные, жёсткие и фиксированные структуры из-за плотно упакованных молекул и атомов. Их способность сохранять определённую форму отличает их от других форм материи. Кристаллические твёрдые тела, с повторяющимися и повторяющимися единицами, отличаются от аморфных твёрдых тел с нерегулярными структурами. Основная единица, элементарная ячейка, воплощает сложность внутри структуры. Будь то в природе или технологии, применения кристалличности и твёрдого тела разнообразны и важны, влияя на многие области повседневной жизни.

Комментарии