STRUKTURA KRYSZTAŁU: BUDOWA, RODZAJE I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2025

Struktura krystaliczna jest jednym ze stanów stałych, które atomy, jony lub cząsteczki mogą przyjąć w przyrodzie, co charakteryzuje się wysokim uporządkowaniem przestrzennym. Innymi słowy, jest to dowód na „strukturę korpuskularną”, która definiuje wiele ciał o szklistym i błyszczącym wyglądzie.

Co sprzyja lub jaka siła jest odpowiedzialna za tę symetrię? Cząsteczki nie są same, ale oddziałują ze sobą. Te interakcje pochłaniają energię i wpływają na stabilność ciał stałych, tak że cząstki starają się dostosować do siebie, aby zminimalizować tę utratę energii.

Zatem ich wewnętrzna natura prowadzi ich do umieszczenia się w najbardziej stabilnym układzie przestrzennym. Na przykład może to być ten, w którym odpychanie między jonami o równych ładunkach jest minimalne lub w którym niektóre atomy - takie jak metaliczne - również zajmują największą możliwą objętość w swoich opakowaniach.

Słowo „kryształ” ma znaczenie chemiczne, które może być błędnie interpretowane w przypadku innych ciał. Chemicznie odnosi się do uporządkowanej struktury (mikroskopowo), która na przykład może składać się z cząsteczek DNA (kryształu DNA).

Jednak jest on powszechnie nadużywany w odniesieniu do dowolnego szklistego przedmiotu lub powierzchni, takich jak lustra lub butelki. W przeciwieństwie do prawdziwych kryształów szkło składa się z amorficznej (nieuporządkowanej) struktury krzemianów i wielu innych dodatków.

Struktura

Na powyższym obrazku przedstawiono niektóre szmaragdowe klejnoty. Podobnie jak te, wiele innych minerałów, soli, metali, stopów i diamentów wykazuje strukturę krystaliczną; ale jaki związek ma jego uporządkowanie z symetrią?

Jeśli kryształ, którego cząstki można było obserwować gołym okiem, zastosuje się operacje symetrii (odwróć go, obróć pod różnymi kątami, odbij na płaszczyźnie itp.), To okaże się, że pozostaje nienaruszony we wszystkich wymiarach przestrzeni.

Odwrotna sytuacja zachodzi w przypadku amorficznego ciała stałego, z którego uzyskuje się różne rzędy poddając je operacji symetrii. Ponadto brakuje mu strukturalnych wzorców powtarzalności, co wskazuje na losowość w rozmieszczeniu jego cząstek.

Jaka jest najmniejsza jednostka, która tworzy wzór strukturalny? Na górnym obrazie krystaliczna bryła jest symetryczna w przestrzeni, podczas gdy amorficzna nie.

Gdyby narysować kwadraty, aby zamknąć pomarańczowe kule, i zastosować do nich operacje symetrii, można by stwierdzić, że generują one inne części kryształu.

Powyższe powtarza się z coraz mniejszymi kwadratami, aż do znalezienia tego, który jest asymetryczny; ten, który poprzedza go rozmiarem, jest z definicji komórką elementarną.

Komórka elementarna

Komórka elementarna to minimalna ekspresja strukturalna, która umożliwia pełne odtworzenie krystalicznej substancji stałej. Z tego można zmontować szkło, przesuwając je we wszystkich kierunkach w przestrzeni.

Można ją traktować jako małą szufladę (kufer, wiadro, pojemnik itp.), W której cząstki reprezentowane przez kulki są umieszczane zgodnie ze wzorem wypełnienia. Wymiary i geometrie tego pudełka zależą od długości jego osi (a, b i c), a także od kątów między nimi (α, β i γ).

Najprostszą ze wszystkich komórek elementarnych jest prosta struktura sześcienna (górny obraz (1)). W tym przypadku środek kul zajmuje rogi sześcianu, cztery u podstawy i cztery u sufitu.

W tym układzie kule zajmują tylko 52% całkowitej objętości sześcianu, a ponieważ natura nie znosi próżni, niewiele związków lub pierwiastków przyjmuje taką strukturę.

Jeśli jednak kule są ułożone w tej samej kostce w taki sposób, że zajmuje środek (sześciennie wyśrodkowany w korpusie, bcc), wówczas będzie bardziej zwarte i wydajne opakowanie (2). Teraz kule zajmują 68% całkowitej objętości.

Z drugiej strony w (3) żadna sfera nie zajmuje środka sześcianu, ale środek jego ścian, i wszystkie zajmują do 74% całkowitej objętości (powierzchnia sześcienna, cc).

Zatem można zauważyć, że można uzyskać inne układy dla tej samej kostki, zmieniając sposób upakowania kulek (jony, cząsteczki, atomy itp.).

Rodzaje

Struktury kryształów można klasyfikować według ich układów krystalicznych lub chemicznej natury ich cząstek.

Na przykład system sześcienny jest najpowszechniejszym ze wszystkich i rządzi nim wiele krystalicznych ciał stałych; jednak ten sam system dotyczy kryształów jonowych i metalicznych.

Zgodnie z jego systemem krystalicznym

Na poprzednim obrazie przedstawiono siedem głównych układów kryształów. Można zauważyć, że w rzeczywistości jest ich czternaście, które są produktem innych form pakowania dla tych samych systemów i tworzą sieci Bravais.

Od (1) do (3) to kryształy z sześciennymi układami kryształów. W (2) obserwuje się (przez niebieskie paski), że kula w środku i te w rogach oddziałują z ośmioma sąsiadami, więc kule mają liczbę koordynacyjną 8. A w (3) liczba koordynacyjna to 12 (aby to zobaczyć, musisz zduplikować sześcian w dowolnym kierunku).

Elementy (4) i (5) odpowiadają prostym i skupionym na twarzy układom tetragonalnym. W przeciwieństwie do sześciennych, jego oś c jest dłuższa niż osie a i b.

Od (6) do (9) są układy rombowe: od prostych i wyśrodkowanych na podstawach (7), do tych, które są wyśrodkowane na ciele i na twarzach. W tych α, β i γ wynoszą 90º, ale wszystkie boki mają różną długość.

Ryciny (10) i (11) są kryształami jednoskośnymi, a (12) kryształami trójskośnymi, z których ostatnia wykazuje nierówności we wszystkich kątach i osiach.

Element (13) to układ romboedryczny, analogiczny do sześciennego, ale o kącie γ różnym od 90º. Wreszcie są sześciokątne kryształy

Przemieszczenia elementów (14) zapoczątkowują sześciokątny pryzmat wyznaczony zielonymi kropkowanymi liniami.

Zgodnie ze swoim chemicznym charakterem

- Jeśli kryształy zbudowane są z jonów, to są to kryształy jonowe obecne w solach (NaCl, CaSO ₄ , CuCl ₂ , KBr itp.)

- Cząsteczki takie jak glukoza tworzą (o ile to możliwe) kryształy molekularne; w tym przypadku słynne kryształy cukru.

- Atomy, których wiązania są zasadniczo kowalencyjne, tworzą kowalencyjne kryształy. Tak jest w przypadku diamentu lub węglika krzemu.

- Podobnie metale takie jak złoto tworzą zwarte struktury sześcienne, które stanowią kryształy metaliczne.

Przykłady

K.

NaCl (system sześcienny)

ZnS (wurtzyt, układ heksagonalny)

CuO (system jednoskośny)

Bibliografia

1. Quimitube. (2015). Dlaczego „kryształy” nie są kryształami. Pobrane 24 maja 2018 r. Z: quimitube.com
2. Pressbooki. 10.6 Struktury kratowe w krystalicznych ciałach stałych. Pobrane 26 maja 2018 z: opentextbc.ca
3. Centrum zasobów akademickich Crystal Structures. . Pobrane 24 maja 2018 r. Z: web.iit.edu
4. Ming. (30 czerwca 2015). Rodzaje struktur krystalicznych. Pobrane 26 maja 2018 z: crystalvisions-film.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31 stycznia 2018). Rodzaje kryształów. Pobrane 26 maja 2018 z: thinkco.com
6. KHI. (2007). Struktury krystaliczne. Pobrane 26 maja 2018 z: folk.ntnu.no
7. Paweł Maliszczak. (25 kwietnia 2016). Szmaragdowe kryształy z doliny Panjshir w Afganistanie. . Pobrane 24 maja 2018 z: commons.wikimedia.org
8. Napy1kenobi. (26 kwietnia 2008). Kraty Bravais. . Pobrane 26 maja 2018 z: commons.wikimedia.org
9. Użytkownik: Sbyrnes321. (21 listopada 2011). Krystaliczny lub bezpostaciowy. . Pobrane 26 maja 2018 z: commons.wikimedia.org