Kristalinė struktūra: apibrėžimas, pavyzdžiai ir fizinės savybės

Kristalografijoje kristalinė struktūra - tai atomų (jonų arba molekulių) išsidėstymas kristalinėje medžiagoje. Kristalai natūraliai atsiranda dėl to, kaip jungiasi atomų cheminiai ryšiai. Simetriški pasikartojantys modeliai atsiranda kristalo trimatėje erdvėje.

Kristalo struktūra ir simetrija lemia daugelį fizikinių savybių, pavyzdžiui, skilimą (kaip kristalas skyla), elektros laidumą ir optines savybes.

Cheminės medžiagos kristalinė struktūra - tai kristalo forma molekuliniu lygmeniu. Yra keletas kristalų formų. Natrio chloridas yra kubas. Vario sulfatas yra triklininis. Dauguma daiktų, net metalai, turi kristalinę struktūrą. Kai kuriuose kristaluose telpa daugiau atomų nei kituose, ir tokie kristalai paprastai sveria daugiau.

Kas sudaro kristalinę struktūrą?

Kristalinę struktūrą sudaro du pagrindiniai elementai:

• Kristalografinis tinklelis (lattice) – idealizuotas, begalinis taškų rinkinys, rodantis periodišką pasikartojimą erdvėje.
• Basis (vienetas arba įvorė) – atomai, jonai arba molekulės, priskirtos kiekvienam tinklo taškui. Sudėjus tinklą ir basis gaunama visa kristalinė struktūra.

Mažiausias pakartojamos struktūros tūrinis blokas vadinamas vienetiniu ląsteliu. Jį aprašo kraštinių ilgiai a, b, c ir kampai α, β, γ.

Kristalografinės sistemos ir Bravais tinklai

Matematiškai kristalinės struktūros skirstomos į septynias kristalografines sistemas ir 14 Bravais tinklų, priklausomai nuo ląstelių parametrų ir simetrijos. Septynios sistemos (supaprastintai):

• kubinė (kubinė)
• tetragoninė
• ortorombinė
• triklininė
• monoklinė
• heksagoninė
• rūgštinė (rhomboedrinė)

Kiekvienas konkretus kristalas priskiriamas vienam iš Bravais tinklų pagal jo simetrijos elementus (rotacijos ašys, veidrodinės plokštumos, translacijos ir kt.). Taip pat kristalinės struktūros klasifikuojamos į daugiau nei 200 erdvinių grupių (space groups), kurios detaliau apibūdina simetriją.

Fizinės savybės, kurias lemia kristalinė struktūra

Kristalinė struktūra daro didelę įtaką medžiagos fizikiniams rodikliams:

• Mekaninės savybės: kietumas, trapumas, skaldumas (klaivavimas) – priklauso nuo atominių sluoksnių sandaros ir cheminių ryšių kryptingumo.
• Tankis: priklauso nuo to, kiek atomų patenka į vienetinio ląstelio tūrį ir kaip sandariai jie išsidėstę.
• Elektrinės savybės: laidumas arba izoliacija gali skirtis priklausomai nuo elektronų paskirstymo ir tarpatominio ryšio; metalai su FCC, BCC ar HCP tinklais turi skirtingą atsparumą ir elastingumą.
• Optinės savybės: lūžio rodiklis, skaidrumas, dvigubas lūžis – daugeliu atvejų priklauso nuo kristalo simetrijos ir elektroninės struktūros.
• Terminės savybės: plėtimasis esant temperatūros pokyčiams, šiluminis laidumas ir faziniai perėjimai priklauso nuo tarpatominių ryšių ir defektų kiekio.
• Anizotropija: daug kristalų yra anizotropiniai – jų savybės skiriasi priklausomai nuo krypties kristale (pvz., mechaninė standumo modulis ar laidumas).
• Funkcinės savybės: kai kurios struktūros leidžia atsirasti pjezoelektrinėms, feromagnetinėms ar feroinėms savybėms.

Kristaliniai defektai ir jų reikšmė

Idealiame kristale visi atomai išsidėstę periodiškai, tačiau realiose medžiagose yra defektų, kurie lemia daug techninių savybių:

• Taškiniai defektai: vakancijos (trūkstami atomai), intersticiniai atomai, priemaišos.
• Linijiniai defektai: dislokacijos – labai svarbūs plastiniam deformavimuisi ir medžiagos stiprumui.
• Plokšteliniai defektai: takoskyros, kremzlės, fazių ribos, grūdelių ribos polikristalinėse medžiagose.

Defektai gali mažinti arba didinti laidumą, stiprinti ar silpninti mechanines savybes ir veikti kristalo optiką.

Kaip nustatyti kristalinę struktūrą?

Dažniausiai naudojami šie metodai:

• X spindulių difrakcija (XRD) – pagrindinis būdas nustatyti vienetinio ląstelio parametrus ir atpažinti fazes.
• Neutronų difrakcija – naudinga, kai reikia rasti lengvųjų atomų (pvz., vandenilio) padėtį arba magnetines struktūras.
• Elektronų mikroskopija (TEM, SEM) – leidžia vizualizuoti kristalinę struktūrą lokaliai, matyti defektus ir grūdelius.
• Spektriniai metodai (Raman, infraerdvė) – papildomi informacijos šaltiniai apie molekulines vibracijas ir simetriją.

Pavyzdžiai ir palyginimai

• Natrio chloridas – klasikinis kubinės (rocksalt) struktūros pavyzdys, kur Na+ ir Cl− išsidėstę alternuojančiai.
• Vario sulfatas – įvairios šio junginio hidratacijos formos ir kristalinės fazės gali turėti skirtingas simetrijas; tai iliustruoja, kaip cheminė sudėtis ir hidratacija keičia struktūrą.
• Dolerinės medžiagos: deimantas (cinkos bloko tipo kietoji kubinė struktūra) – labai kietas dėl stiprių sp3 ryšių; grafitas (heksagoninė) – sluoksnių struktūra, leidžianti slankioti sluoksniams vienam per kitą.
• Metalai: daugelis metalų turi FCC (pvz., varis, aliuminis), BCC (pvz., geležis prie tam tikros temperatūros) arba HCP (pvz., magnis) struktūras, kas lemia jų mechanines ir fizines savybes.

Kristalinė vs amorfinė

Kristalinė medžiaga turi pasikartojančią, ilgąją tvarką. Amorfinė medžiaga (pvz., stiklas) neturi tokio nuoseklaus periodiškumo – jos atomų išsidėstymas yra netvarkingas ilgesniuose atstumose. Dėl to amorfinės medžiagos dažnai yra izoliacinės, skaidrios ir neturi aiškiai apibrėžtų skilimo plokštumų.

Santrauka

Kristalinė struktūra – tai atomų, jonų arba molekulių periodiškas išsidėstymas trijose dimensijose, kurį apibūdina vienetinis ląstelis, tinklas ir simetrijos elementai. Ji lemia daug svarbių medžiagos savybių: mechanines, elektrines, optines ir kt. Kristalų tyrimas (pvz., XRD, elektronų mikroskopija) yra esminis tiek fundamentiniams moksliniams, tiek taikomiesiems pramoniniams tyrimams.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra kristalografija?

K: Kas yra kristalinė struktūra?

K: Kaip natūraliai atsiranda kristalai?

K: Kokioms fizikinėms savybėms turi įtakos medžiagos kristalinė sandara?

K: Kokia yra kristalo forma molekuliniu lygmeniu?

Klausimas: Ar kristalai gali būti skirtingų formų?

K: Kas yra vienetinė ląstelė?

Paieška pagal raidę