Kristāliskā struktūra kristalogrāfijā: definīcija, veidi un īpašības
Uzzini kristāliskās struktūras definīciju, veidus un īpašības kristalogrāfijā — simetrija, fizikālās īpašības un piemēri (NaCl, CuSO4) skaidri un saprotami.
Kristalogrāfijā kristāliskā struktūra ir atomu (vai jonu, vai molekulu) izvietojums kristāliskā materiālā. Kristāli rodas dabiski, pateicoties tam, kā atomu ķīmiskās saites savienojas. Simetriski atkārtojošies raksti veidojas kristāla trīsdimensiju telpā.
Kristāla struktūra un simetrija nosaka daudzas fizikālās īpašības, piemēram, šķelšanos (kā kristāls sadalās), elektrības vadītspēju un optiskās īpašības.
Ķīmiskās vielas kristāliskā struktūra ir kristāla forma molekulārā līmenī. Ir vairākas kristālu formas. Nātrija hlorīds ir kubs. Vara sulfāts ir triklīnisks. Lielākajai daļai lietu, pat metāliem, ir kristāliskas struktūras. Dažos kristālos ietilpst vairāk atomu nekā citos, un šie kristāli parasti sver vairāk.
Vienības šūna un režģa pamatelementi
Kristāliskās struktūras pamatelements ir vienības šūna — mazākā telpiskā vienība, kas atkārtojas, lai veidotu visu kristālu. Vienības šūnu raksturo tās izmēri (režģa konstantas) un iekšējā atomu izvietojuma veids (pamats vai basis). Ja vienības šūnu atkārto bez rotācijas un spoguļa operācijām, veidojas regulārs kristāla režģis jeb tīkla modelis.
Kristāliskie režģi un Bravais režģi
Telpā ir definēti 14 iespējami periodiski režģi, ko sauc par Bravais režģiem. Tie klasificē atšķirīgas vienības šūnas ģeometrijas. Lai vēl vairāk sakārtotu kristālus, pastāv septiņas kristāliskās sistēmas (piemēram, kubiskā, tetragonālā, ortorombiskā, monoklīniskā, triklīniskā, trigonalā un heksagonālā), kas apraksta vienības šūnas malu garumus un leņķus.
Atsevišķu struktūru piemēri
- Nātrija hlorīds (NaCl) — bieži minēts kā klasiskā kuba struktūra (šajā gadījumā sejas centrētais kubs ar anjoniem un kationiem maiņā).
- Metāli — bieži sastopami tuvu iepakotie režģi: sejas centrētais kubs (FCC), ķermeņa centrētais kubs (BCC) un heksagonāli cieši iepakots (HCP).
- Vara sulfāts — piemērs triklīniska vienības šūnai, kur leņķi un malas ir vispārīgākas nekā augstās simetrijas sistēmās.
Simetrija un tās ietekme uz īpašībām
Simetrijas elementi — rotācijas ass, spoguļplaknes, centriālā simetrija un translācijas — nosaka, cik ļoti materiāls būs anizotropisks (īpašību atkarība no virziena). Piemēram:
- Kristāli ar augstu simetriju bieži ir fizikāli vienmērīgāki visos virzienos (izotropāki).
- Optiskā dubultošanās (birefringence), piezoelektriskās un piroelektriskās īpašības ir tieši saistītas ar kristāla simetriju.
- Šķelšanās virzieni (kā kristāls sadalās) parasti seko slāņotām pamata plāksnēm vienības šūnā.
Kristāliskie defekti
Reālos kristālos vienmēr ir defekti, kas ietekmē mehāniskās, elektriskās un optiskās īpašības. Galvenie defektu veidi:
- Vakances: trūkstoši atomi.
- Intersticiālie atomi: papildu atomi, kas aizņem mazas vietas starp regulāriem atomu izvietojumiem.
- Substitūcijas: citu elementu atomi aizstāj vietējos atomus (sakausēšana, piemaisījumi).
- Dislokācijas: līnijas defekti, kas būtiski ietekmē plastisko deformāciju metālos.
- Graudu robežas: kristālu orientācijas maiņa polikristāliskos materiālos.
Kristalogrāfiskās metodes un analīze
Lai noteiktu kristālisko struktūru, izmanto virkni difrakcijas un attēlveidošanas metožu:
- Rentgenstruktūras difrakcija (XRD): visizplatītākā metode vienības šūnas parametrus un atomu pozīcijas noteikšanai; pamatojas uz Braga likumu.
- Elektronu difrakcija: lieto plāniem paraugiem un nepārtrauktiem mērījumiem, īpaši nanomēroga materiāliem.
- Neitronu difrakcija: jūtīga pret viegliem elementiem (piem., ūdeņraudu) un magnētiskajām struktūrām.
- Atomu skenējošā mikroskopija (STM/AFM): tieša virsmas atoma izšķirtspēja.
Polimorfisms un atšķirības no amorfajiem materiāliem
Daudzas vielas var pastāvēt vairākās kristāliskās formās — šo parādību sauc par polimorfismu (cietvielās) vai alotropiju (elementiem, piem., ogleklim: dimants un grafīts). Kristāliskajai struktūrai pretstatā amorfie materiāli (piem., stikls) nav periodiskas trīsdimensiju kārtības; to īpašības ir citādas, piemēram, trūkst asu šķelšanās plakņu un parasti ir vienmērīgāka mehāniskā uzvedība.
Nozīme un pielietojumi
Izpratne par kristālisko struktūru ir būtiska daudzās nozarēs:
- Materiālzinātne un metalurģija — jaunu sakausējumu un cietvielu īpašību optimizēšana.
- Elektronika un pusvadītāji — pusvadītāju kristāla režģa kvalitāte tieši ietekmē ierīču darbību.
- Farmācija — kristāliskā forma ietekmē zāļu šķīdību un biopieejamību.
- Ģeoloģija — minerālu identifikācija un apstākļu atšifrēšana, kuru ietekmē struktūras veidošanās.
Kopsavilkums
Kristāliskā struktūra — atoma mēroga organizācija periodiskā režģī — nosaka daudzus materiālu fizikālos, ķīmiskos un mehāniskos raksturlielumus. To apraksta vienības šūna, simetrija un Bravais režģi; to nosaka ar difrakcijas metodēm, un tai ir liela praktiska nozīme materiālu dizainā un analīzē.
2 HO ledus Ih (3-D) kristāliskā struktūra (c) sastāv no 2HO ledus molekulu bāzēm (b), kas izvietotas uz režģa punktiem (2-D) heksagonālajā režģī (a). H-O-H leņķa un O-H attāluma vērtības iegūtas no Physics of Ice ar nenoteiktību attiecīgi ±1,5° un ±0,005 Å. Baltais lodziņš c) attēlā ir Bernāla un Fovlera definētā vienības šūna.
Insulīna kristāli.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir kristalogrāfija?
A: Kristalogrāfija ir kristālisko struktūru pētīšana.
J: Kas ir kristāliskā struktūra?
A: Kristāliskā struktūra ir atomu, jonu vai molekulu izvietojums kristāliskā materiālā.
J: Kā dabā rodas kristāli?
A: Kristāli dabiski rodas no ķīmiskajām saitēm starp atomiem.
J: Kādas fizikālās īpašības ietekmē materiāla kristāliskā struktūra?
A: Materiāla kristāliskā struktūra un simetrija ietekmē tādas īpašības kā šķelšanās, elektrovadītspēja un optiskās īpašības.
J: Kāda ir kristāla forma molekulārā līmenī?
A: Ķīmiskās vielas kristāliskā struktūra ir kristāla forma molekulārā līmenī.
J: Vai kristāliem var būt dažādas formas?
A: Jā, ir vairākas kristālu formas, piemēram, kubiska, triklīna un citas.
J: Kas ir elementšūna?
A.: Elementšūna ir neliels punktu zīmējums, kas atkārtojas visā kristālā, un katram kristāla struktūras veidam ir atbilstoša elementšūna.
Meklēt