KRISTALSTRUCTUUR: STRUCTUUR, SOORTEN EN VOORBEELDEN - CHEMIE - 2025

De kristallijne structuur is een van de vaste toestanden die atomen, ionen of moleculen in de natuur kunnen aannemen, die wordt gekenmerkt door een hoge ruimtelijke ordening. Met andere woorden, dit is het bewijs van de "corpusculaire architectuur" die veel lichamen definieert met glazige en glanzende verschijningen.

Wat bevordert of welke kracht is verantwoordelijk voor deze symmetrie? De deeltjes zijn niet alleen, maar communiceren met elkaar. Deze interacties verbruiken energie en beïnvloeden de stabiliteit van vaste stoffen, zodat de deeltjes zichzelf proberen te accommoderen om dit energieverlies te minimaliseren.

Hun intrinsieke aard bracht hen er dus toe om zichzelf in de meest stabiele ruimtelijke ordening te plaatsen. Dit kan bijvoorbeeld degene zijn waarbij de afstoting tussen ionen met dezelfde ladingen minimaal is, of waar sommige atomen, zoals metalen, ook het grootst mogelijke volume in hun verpakking innemen.

Het woord "kristal" heeft een chemische betekenis die verkeerd kan worden uitgelegd voor andere lichamen. Chemisch gezien verwijst het naar een geordende structuur (microscopisch) die bijvoorbeeld kan bestaan ​​uit DNA-moleculen (een DNA-kristal).

Het wordt echter in de volksmond misbruikt om te verwijzen naar een glasachtig object of oppervlak, zoals spiegels of flessen. In tegenstelling tot echte kristallen bestaat glas uit een amorfe (ongeordende) structuur van silicaten en vele andere toevoegingen.

Structuur

In de bovenstaande afbeelding worden enkele smaragdgroene edelstenen geïllustreerd. Net als deze vertonen vele andere mineralen, zouten, metalen, legeringen en diamanten een kristallijne structuur; maar welke relatie heeft zijn ordening met symmetrie?

Als een kristal, waarvan de deeltjes met het blote oog kunnen worden waargenomen, symmetrische bewerkingen worden toegepast (omkeren, roteren onder verschillende hoeken, reflecteren in een vlak, enz.), Dan zal blijken dat het intact blijft in alle dimensies van de ruimte.

Het omgekeerde doet zich voor bij een amorfe vaste stof, waaruit verschillende ordes worden verkregen door deze aan een symmetriebewerking te onderwerpen. Bovendien mist het structurele herhalingspatronen, wat de willekeurigheid in de verdeling van zijn deeltjes aantoont.

Wat is de kleinste eenheid waaruit het structurele patroon bestaat? In de bovenste afbeelding is de kristallijne vaste stof symmetrisch in de ruimte, terwijl de amorfe dat niet is.

Als vierkanten zouden worden getekend om oranje bollen te omsluiten en er symmetriebewerkingen op zouden worden toegepast, zou blijken dat ze andere delen van het kristal genereren.

Het bovenstaande wordt herhaald met kleinere en kleinere vierkanten, totdat degene wordt gevonden die asymmetrisch is; degene die eraan voorafgaat, is per definitie de eenheidscel.

Eenheid cel

De eenheidscel is de minimale structurele uitdrukking die de volledige reproductie van de kristallijne vaste stof mogelijk maakt. Hieruit is het mogelijk om het glas te monteren en het in alle richtingen in de ruimte te bewegen.

Het kan worden beschouwd als een kleine lade (koffer, emmer, container, enz.) Waarin de deeltjes, voorgesteld door bollen, worden geplaatst volgens een vulpatroon. De afmetingen en geometrieën van deze doos zijn afhankelijk van de lengtes van de assen (a, b en c), evenals de hoeken ertussen (α, β en γ).

De eenvoudigste van alle eenheidscellen is die van de eenvoudige kubische structuur (bovenste afbeelding (1)). Hierin beslaat het midden van de bollen de hoeken van de kubus, vier aan de basis en vier aan het plafond.

In deze opstelling bezetten de bollen slechts 52% van het totale volume van de kubus, en aangezien de natuur een vacuüm verafschuwt, nemen niet veel verbindingen of elementen deze structuur aan.

Als de bollen echter zo in dezelfde kubus zijn gerangschikt dat men het midden bezet (kubiek gecentreerd in het lichaam, bcc), dan zal er een compactere en efficiëntere verpakking zijn (2). Nu bezetten de bollen 68% van het totale volume.

Aan de andere kant, in (3) neemt geen enkele bol het midden van de kubus in, maar het midden van de vlakken wel, en ze beslaan allemaal tot 74% van het totale volume (kubiek met het midden van het gezicht, cc).

Het zal dus duidelijk zijn dat andere rangschikkingen kunnen worden verkregen voor dezelfde kubus, door de manier te variëren waarop de bollen zijn verpakt (ionen, moleculen, atomen, enz.).

Soorten

Kristalstructuren kunnen worden geclassificeerd op basis van hun kristalsysteem of de chemische aard van hun deeltjes.

Het kubische systeem is bijvoorbeeld het meest voorkomende systeem, en vele kristallijne vaste stoffen worden erdoor beheerst; hetzelfde systeem is echter van toepassing op zowel ionische als metallische kristallen.

Volgens zijn kristallijne systeem

In de vorige afbeelding zijn de zeven belangrijkste kristalsystemen weergegeven. Opgemerkt kan worden dat er in feite veertien zijn, die het product zijn van andere verpakkingsvormen voor dezelfde systemen en die de Bravais-netwerken vormen.

Van (1) tot (3) zijn kristallen met kubieke kristalsystemen. In (2) wordt opgemerkt (door de blauwe strepen) dat de bol in het midden en die van de hoeken interactie hebben met acht buren, dus de bollen hebben een coördinatiegetal 8. En in (3) is het coördinatiegetal 12 (om het te zien moet je de kubus in elke richting dupliceren).

Elementen (4) en (5) komen overeen met eenvoudige en op het gezicht gerichte tetragonale systemen. In tegenstelling tot de kubieke, is de c-as langer dan de a- en b-assen.

Van (6) tot (9) zijn de orthorhombische systemen: van eenvoudig en gecentreerd op de bases (7) tot die gecentreerd op het lichaam en op de gezichten. In deze α, β en γ zijn 90º, maar alle zijden hebben verschillende lengtes.

Figuren (10) en (11) zijn de monokliene kristallen en (12) is de trikliene, de laatste met ongelijkheden in al zijn hoeken en assen.

Element (13) is het rhombohedrale systeem, analoog aan het kubische systeem, maar met een hoek γ die verschilt van 90º. Ten slotte zijn er de hexagonale kristallen

De verplaatsingen van de elementen (14) zijn afkomstig van het zeshoekige prisma dat wordt getraceerd door de groene stippellijnen.

Volgens zijn chemische aard

- Als de kristallen bestaan ​​uit ionen, dan zijn het ionische kristallen die aanwezig zijn in de zouten (NaCl, CaSO ₄ , CuCl ₂ , KBr, etc.)

- Moleculen zoals glucose vormen (wanneer ze maar kunnen) moleculaire kristallen; in dit geval de beroemde suikerkristallen.

- Atomen waarvan de bindingen in wezen covalent zijn, vormen covalente kristallen. Dat zijn de gevallen van diamant of siliciumcarbide.

- Evenzo vormen metalen zoals goud compacte kubische structuren, die metallische kristallen vormen.

Voorbeelden

K

NaCl (kubisch systeem)

ZnS (wurtzite, hexagonaal systeem)

CuO (monoklinisch systeem)

Referenties

1. Quimitube. (2015). Waarom "kristallen" geen kristallen zijn. Opgehaald op 24 mei 2018, van: quimitube.com
2. Persboeken. 10.6 Roosterstructuren in kristallijne vaste stoffen. Opgehaald op 26 mei 2018, van: opentextbc.ca
3. Crystal Structures Academic Resource Center. . Opgehaald op 24 mei 2018, van: web.iit.edu
4. Ming. (2015, 30 juni). Typen kristalstructuren. Opgehaald op 26 mei 2018, van: crystalvisions-film.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31 januari 2018). Soorten kristallen. Opgehaald op 26 mei 2018, van: thoughtco.com
6. KHI. (2007). Kristallijne structuren. Opgehaald op 26 mei 2018, van: folk.ntnu.no
7. Paweł Maliszczak. (25 april 2016). Ruwe smaragdgroene kristallen uit Panjshir Valley, Afghanistan. . Opgehaald op 24 mei 2018, van: commons.wikimedia.org
8. Napy1kenobi. (26 april 2008). Bravais-roosters. . Opgehaald op 26 mei 2018, van: commons.wikimedia.org
9. Gebruiker: Sbyrnes321. (21 november 2011). Kristallijn of amorf. . Opgehaald op 26 mei 2018, van: commons.wikimedia.org