Cấu trúc tinh thể: Cấu trúc, loại và ví dụ

Cấu trúc tinh thể là một trong những trạng thái rắn mà các nguyên tử, ion hoặc phân tử có thể chấp nhận trong tự nhiên, được đặc trưng bởi sự sắp xếp không gian cao. Nói cách khác, đây là bằng chứng của "kiến trúc cơ thể" định nghĩa nhiều cơ thể với vẻ ngoài thủy tinh và rực rỡ.

Điều gì thúc đẩy hoặc lực lượng nào chịu trách nhiệm cho sự đối xứng này? Các hạt không đơn độc, mà tương tác với nhau. Những tương tác này tiêu thụ năng lượng và ảnh hưởng đến sự ổn định của chất rắn, do đó các hạt tìm cách thích nghi để giảm thiểu sự mất năng lượng này.

Sau đó, bản chất bên trong của họ khiến họ đặt mình vào vị trí không gian ổn định nhất. Ví dụ, đây có thể là nơi lực đẩy giữa các ion có điện tích bằng nhau là tối thiểu hoặc cũng là nơi một số nguyên tử, như kim loại, chiếm khối lượng lớn nhất có thể trong bao bì của chúng.

Từ "pha lê" có ý nghĩa hóa học có thể được hiểu sai cho các cơ quan khác. Về mặt hóa học, nó đề cập đến một cấu trúc có trật tự (bằng kính hiển vi), ví dụ, có thể bao gồm các phân tử DNA (một tinh thể DNA).

Tuy nhiên, nó được sử dụng phổ biến để chỉ bất kỳ đối tượng hoặc bề mặt thủy tinh, chẳng hạn như gương hoặc chai. Không giống như tinh thể thật, thủy tinh bao gồm một cấu trúc vô định hình (lộn xộn) của silicat và nhiều chất phụ gia khác.

Cấu trúc

Trong hình trên, một số đá quý của ngọc lục bảo được minh họa. Cũng giống như vậy, nhiều khoáng chất, muối, kim loại, hợp kim và kim cương khác thể hiện cấu trúc tinh thể; Nhưng, thứ tự của nó có liên quan gì với tính đối xứng?

Nếu một tinh thể, có thể quan sát được các hạt bằng mắt thường, được áp dụng các phép toán đối xứng (đảo ngược, xoay nó ở các góc khác nhau, phản xạ nó trong một mặt phẳng, v.v.), thì nó sẽ được tìm thấy vẫn còn nguyên vẹn trong mọi chiều không gian.

Điều ngược lại xảy ra đối với một chất rắn vô định hình, từ đó có được các thứ tự khác nhau bằng cách đưa nó vào một hoạt động đối xứng. Ngoài ra, nó thiếu các mẫu lặp lại cấu trúc, thể hiện sự phân bố ngẫu nhiên của các hạt của nó.

Đơn vị nhỏ nhất tạo nên mô hình cấu trúc là gì? Trong hình trên, chất rắn kết tinh là đối xứng trong không gian, trong khi chất vô định hình thì không.

Nếu bạn vẽ các hình vuông bao quanh các quả cầu màu cam và bạn áp dụng các phép toán đối xứng, bạn sẽ thấy rằng chúng tạo ra các phần khác của tinh thể.

Điều trước đó được lặp lại với các ô vuông nhỏ hơn và nhỏ hơn, cho đến khi tìm thấy một hình không đối xứng; theo định nghĩa, ô trước nó có kích thước là ô đơn vị.

Tế bào đơn vị

Tế bào đơn nhất là biểu thức cấu trúc tối thiểu cho phép tái tạo hoàn toàn chất rắn kết tinh. Từ đó có thể lắp ráp tinh thể, di chuyển nó theo mọi hướng của không gian.

Nó có thể được coi là một ngăn kéo nhỏ (thân cây, xô, thùng chứa, v.v.) trong đó các hạt, được biểu thị bằng các hình cầu, được đặt theo mô hình điền. Kích thước và hình học của hộp này phụ thuộc vào độ dài của trục của nó (a, b và c), cũng như các góc giữa chúng (α, và).

Đơn giản nhất trong tất cả các ô đơn vị là cấu trúc hình khối đơn giản (hình trên cùng (1)). Trong đó, trung tâm của các quả cầu chiếm các góc của khối lập phương, đặt bốn cái ở chân đế và bốn cái trên mái nhà.

Trong sự sắp xếp này, các quả cầu hầu như không chiếm 52% tổng khối lượng của khối lập phương và do thiên nhiên tạo ra chân không, không có nhiều hợp chất hoặc nguyên tố áp dụng cấu trúc này.

Tuy nhiên, nếu các quả cầu được sắp xếp trong cùng một khối theo cách mà người ta chiếm trung tâm (khối trung tâm trên cơ thể, bcc), thì sẽ có sẵn một bao bì nhỏ gọn và hiệu quả hơn (2). Bây giờ các quả cầu chiếm 68% tổng khối lượng.

Mặt khác, trong (3) không có hình cầu nào chiếm tâm của khối lập phương, mà là trung tâm của khuôn mặt của chúng, và tất cả chiếm tới 74% tổng khối lượng (khối trung tâm trên các mặt, ccp).

Vì vậy, có thể thấy rằng các sắp xếp khác có thể thu được cho cùng một khối lập phương, thay đổi cách thức các quả cầu được đóng gói (các ion, phân tử, nguyên tử, v.v.).

Các loại

Cấu trúc tinh thể có thể được phân loại theo hệ thống tinh thể của chúng hoặc bản chất hóa học của các hạt của chúng.

Ví dụ, hệ thống khối là phổ biến nhất trong tất cả và nhiều chất rắn kết tinh được chi phối từ nó; tuy nhiên, hệ thống tương tự này áp dụng cho cả tinh thể ion và tinh thể kim loại.

Theo hệ tinh thể của nó

Trong hình ảnh trước, bảy hệ tinh thể chính được đại diện. Có thể nhận thấy rằng trong thực tế có mười bốn trong số này, là sản phẩm của các hình thức đóng gói khác cho cùng một hệ thống và tạo nên các mạng Bravais.

Từ (1) đến (3) là các tinh thể có hệ tinh thể lập phương. Trong (2) người ta quan sát thấy (bởi các sọc màu xanh) rằng hình cầu của tâm và các góc tương tác với tám lân cận, sao cho các mặt cầu có số phối trí là 8. Và trong (3) số phối trí là 12 (để xem nó, cần phải nhân đôi khối theo bất kỳ hướng nào).

Các yếu tố (4) và (5) tương ứng với các hệ thống tứ giác đơn giản và tập trung vào các mặt. Không giống như hình khối, trục c của nó dài hơn trục a và b.

Từ (6) đến (9) là các hệ thống trực giao: từ đơn giản và tập trung vào các cơ sở (7), đến các hệ thống tập trung trên cơ thể và trên khuôn mặt. Trong các giá trị này, và γ là 90,, nhưng tất cả các cạnh có độ dài khác nhau.

Hình (10) và (11) là các tinh thể đơn hình và (12) là hình tam giác, thể hiện sự bất bình đẳng cuối cùng trong tất cả các góc và trục của nó.

Phần tử (13) là hệ thống hình thoi, tương tự như hình khối nhưng có góc khác với 90 độ. Cuối cùng là các tinh thể lục giác

Sự dịch chuyển của các phần tử (14) bắt nguồn từ lăng kính lục giác được vạch ra bởi các đường màu lục chấm.