Кристаллические решетки и элементарные ячейки

В области химии твердых тел понимание природы кристаллических решеток и элементарных ячеек необходимо для понимания структуры и свойств твердых тел. Эти понятия являются ключевыми для понимания того, как атомы и молекулы располагаются в пространстве, образуя вещества, встречающиеся в повседневной жизни, от поваренной соли до алмазов. В этом уроке мы детально рассматриваем природу кристаллических решеток и элементарных ячеек, используя простой язык и иллюстрированные примеры.

Что такое кристаллическая решетка?

Кристаллическая решетка — это трехмерное расположение атомов или молекул в кристаллическом твердом теле. Представьте себе это как сетку, где каждая точка сетки представляет позицию атома или группы атомов. Вся решетка представляет собой повторяющийся упорядоченный узор, который простирается во всех направлениях.

Представьте себе кристаллическую решетку простой структуры, такой как хлорид натрия (NaCl). В NaCl каждый ион натрия (Na⁺) окружен шестью ионами хлора (Cl⁻) и наоборот, расположенными в кубической структуре. Мы можем представить эту структуру следующим образом:

На этой иллюстрации зеленые квадраты представляют ионы натрия, а желтые квадраты — ионы хлора в кристаллической решетке.

Основная терминология

Прежде чем углубляться дальше, важно познакомиться с некоторой терминологией, связанной с кристаллическими решетками:

• Точечная решетка: Трехмерное расположение точек, соответствующих положению атомов в кристалле.
• Основа: Атом или группа атомов, связанных с каждой точкой решетки.
• Координационное число: Количество ближайших соседних атомов вокруг данного атома.
• Параметры решетки: Определения, такие как длины ребер и углы между сторонами элементарной ячейки.

Элементарная ячейка: строительный блок кристалла

Элементарная ячейка — это наименьшая повторяющаяся часть кристаллической решетки, которая, будучи сложенной во всех направлениях, воссоздает полную решетку. Она содержит всю структурную информацию о решетке и может быть повторена бесконечно, чтобы образовать полную структуру.

Существует семь уникальных кристаллических систем, которые определяют различные элементарные ячейки на основе их геометрических свойств. Эти системы включают:

1. Кубическая
2. Квадратная
3. Орторомбическая
4. Ромбическая (или треугольная)
5. Гексагональная
6. Моноклинная
7. Тригональная

Кубическая кристаллическая система

Кубическая система является одной из самых простых и симметричных. Она состоит из ячеек, в которых все стороны (ребра) имеют одинаковую длину, а все углы составляют 90 градусов. Примеры включают NaCl, где атомы натрия и хлора образуют кубическую структуру с гранецентрированным кубом (FCC).

Давайте рассмотрим простую кубическую элементарную ячейку:

Здесь линии представляют ребра куба, а вершины (углы) — это конкретные положения точек решетки.

Типы элементарных ячеек

Элементарные ячейки могут существовать в различных типах в зависимости от расположения и расположения атомов по отношению к ребрам и граням ячейки. Основные типы включают:

Простой куб (SC)

В простой кубической структуре атомы расположены только на углах куба. Координационное число составляет 6, то есть каждый атом касается шести других. Примеры включают структуру полония.

Объемноцентрированный куб (BCC)

Объемноцентрированное кубическое расположение имеет один атом в каждом углу куба и дополнительный атом в центре куба. Координационное число составляет 8. Металлы, такие как железо и вольфрам, являются обычными примерами.

В этом представлении красные круги представляют угловые атомы, а синий круг представляет дополнительный атом в центре ячейки.

Гранецентрированный куб (FCC)

В гранецентрированной кубической структуре атомы расположены в каждом углу куба и в центре каждой грани. Координационное число составляет 12, что обеспечивает высокую плотность упаковки. Эта конфигурация типична для металлов, таких как алюминий, медь и золото.

Здесь красные круги представляют угловые атомы, а синие круги представляют атомы в центре каждой грани.

Важность кристаллических решеток и элементарных ячеек

Изучение кристаллических решеток и элементарных ячеек является фундаментом для понимания свойств вещества. Вот некоторые причины этого:

• Прочность и стойкость: Прочность материала часто может быть связана с его кристаллической структурой. Например, FCC-структура обычно обеспечивает хорошее соотношение между пластичностью и прочностью.
• Электропроводность: Металлическая связь в плотных структурах, таких как FCC, обеспечивает отличную электропроводность.
• Тепловое расширение: Некоторые структуры расширяются при нагревании, так как их расположение и связь атомов различны.
• Реакционная способность и катализ: Структура поверхности играет важную роль в каталитической активности, что часто связано с тем, как элементарные ячейки обнажают атомы.

Кубические структуры, как правило, легко теоретически анализировать из-за их регулярной, симметричной формы. Однако важно понимать менее симметричные структуры, такие как моноклинные или триклинные системы, в таких материалах, как кристаллы и минералы.

Заключение

Кристаллы являются красивым выражением порядка в природе. Изучение их решеток и элементарных ячеек - это не просто теоретическое упражнение, но и практическая необходимость для понимания и разработки новых материалов. По мере того как наше знание кристаллических структур растет, также растет наша способность настраивать материалы для конкретных применений в технологии, инженерии и медицине.

Комментарии