โครงสร้างคริสตัล: โครงสร้างประเภทและตัวอย่าง - เคมี - 2025

โครงสร้างผลึกเป็นหนึ่งในรัฐที่เป็นของแข็งที่อะตอมไอออนหรือโมเลกุลที่สามารถนำมาใช้ในธรรมชาติซึ่งเป็นลักษณะโดยมีการสั่งซื้อเชิงพื้นที่สูง กล่าวอีกนัยหนึ่งนี่เป็นหลักฐานของ "สถาปัตยกรรมในร่างกาย" ที่กำหนดร่างกายหลาย ๆ ส่วนที่มีลักษณะเหมือนแก้วและมันวาว

อะไรส่งเสริมหรือกองกำลังใดที่รับผิดชอบต่อความสมมาตรนี้? อนุภาคไม่ได้อยู่คนเดียว แต่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ปฏิกิริยาเหล่านี้ใช้พลังงานและส่งผลต่อความเสถียรของของแข็งดังนั้นอนุภาคจึงพยายามที่จะรองรับตัวเองเพื่อลดการสูญเสียพลังงานนี้ให้น้อยที่สุด

ดังนั้นธรรมชาติที่แท้จริงจึงนำพวกเขาไปสู่การจัดวางเชิงพื้นที่ที่มั่นคงที่สุด ตัวอย่างเช่นนี่อาจเป็นสิ่งที่การขับไล่ระหว่างไอออนที่มีประจุไฟฟ้าเท่ากันนั้นน้อยที่สุดหรืออะตอมบางตัวเป็นโลหะ - ก็มีปริมาตรมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในบรรจุภัณฑ์

คำว่า "คริสตัล" มีความหมายทางเคมีที่สามารถบิดเบือนความจริงสำหรับร่างกายอื่น ๆ ในทางเคมีหมายถึงโครงสร้างที่ได้รับคำสั่ง (ด้วยกล้องจุลทรรศน์) ซึ่งตัวอย่างเช่นอาจประกอบด้วยโมเลกุลของดีเอ็นเอ (ผลึกดีเอ็นเอ)

อย่างไรก็ตามนิยมใช้ในทางที่ผิดเพื่ออ้างถึงวัตถุหรือพื้นผิวที่เป็นแก้วเช่นกระจกหรือขวด แก้วประกอบด้วยโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบ (ไม่เรียงลำดับ) ของซิลิเกตและสารเติมแต่งอื่น ๆ อีกมากมาย

โครงสร้าง

ในภาพด้านบนแสดงภาพอัญมณีมรกตบางส่วน เช่นเดียวกับสิ่งเหล่านี้แร่ธาตุเกลือโลหะโลหะผสมและเพชรอื่น ๆ อีกมากมายแสดงโครงสร้างผลึก แต่การเรียงลำดับของมันมีความสัมพันธ์อย่างไรกับความสมมาตร?

หากคริสตัลซึ่งสามารถสังเกตเห็นอนุภาคได้ด้วยตาเปล่าถูกนำไปใช้การดำเนินการสมมาตร (กลับด้านหมุนไปในมุมที่ต่างกันสะท้อนในระนาบ ฯลฯ ) จะพบว่ายังคงสภาพเดิมในทุกมิติของอวกาศ

สิ่งที่ตรงกันข้ามเกิดขึ้นกับของแข็งอสัณฐานซึ่งได้รับคำสั่งที่แตกต่างกันโดยการดำเนินการสมมาตร นอกจากนี้ยังขาดรูปแบบการทำซ้ำโครงสร้างซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสุ่มในการกระจายตัวของอนุภาค

อะไรคือหน่วยที่เล็กที่สุดที่ประกอบขึ้นเป็นรูปแบบโครงสร้าง? ในภาพด้านบนผลึกของแข็งมีลักษณะสมมาตรในอวกาศในขณะที่ไม่มีรูปร่างสัณฐาน

หากสี่เหลี่ยมถูกวาดเพื่อล้อมรอบทรงกลมสีส้มและใช้การดำเนินการสมมาตรกับพวกมันจะพบว่าพวกมันสร้างส่วนอื่น ๆ ของคริสตัล

ด้านบนจะทำซ้ำด้วยช่องสี่เหลี่ยมที่เล็กกว่าและเล็กกว่าจนกว่าจะพบช่องที่ไม่สมมาตร เซลล์ที่อยู่ข้างหน้ามีขนาดตามนิยามเซลล์หน่วย

เซลล์หน่วย

เซลล์หน่วยคือการแสดงออกทางโครงสร้างขั้นต่ำที่ช่วยให้สามารถสร้างผลึกของแข็งได้อย่างสมบูรณ์ จากนี้เป็นไปได้ที่จะประกอบกระจกเคลื่อนย้ายไปทุกทิศทางในอวกาศ

ถือได้ว่าเป็นลิ้นชักขนาดเล็ก (หีบถังภาชนะ ฯลฯ ) ซึ่งอนุภาคที่แสดงด้วยทรงกลมจะถูกวางตามรูปแบบการเติม ขนาดและรูปทรงเรขาคณิตของกล่องนี้ขึ้นอยู่กับความยาวของแกน (a, b และ c) รวมถึงมุมระหว่างพวกเขา (α, βและγ)

เซลล์หน่วยที่ง่ายที่สุดคือโครงสร้างลูกบาศก์อย่างง่าย (ภาพบน (1)) ในสิ่งนี้ตรงกลางของทรงกลมตรงกับมุมของลูกบาศก์สี่ที่ฐานและอีกสี่ที่เพดาน

ในการจัดเรียงนี้ทรงกลมจะครอบครองเพียง 52% ของปริมาตรทั้งหมดของลูกบาศก์และเนื่องจากธรรมชาติทำลายสุญญากาศจึงมีสารประกอบหรือองค์ประกอบไม่มากที่ใช้โครงสร้างนี้

อย่างไรก็ตามหากทรงกลมถูกจัดเรียงในลูกบาศก์เดียวกันในลักษณะที่หนึ่งตรงกลาง (ลูกบาศก์ที่อยู่ตรงกลางของร่างกาย bcc) จะมีการบรรจุที่กะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น (2) ตอนนี้ทรงกลมครอบครอง 68% ของปริมาตรทั้งหมด

ในทางกลับกันใน (3) ไม่มีทรงกลมตรงกลางลูกบาศก์ แต่อยู่ตรงกลางของใบหน้าและทั้งหมดครอบครองมากถึง 74% ของปริมาตรทั้งหมด (ลูกบาศก์ที่มีใบหน้าเป็นศูนย์กลาง, ซีซี)

ดังนั้นจึงเป็นที่ชื่นชมได้ว่าการเตรียมการอื่น ๆ สามารถหาได้สำหรับลูกบาศก์เดียวกันโดยวิธีการบรรจุทรงกลมที่แตกต่างกัน (ไอออนโมเลกุลอะตอม ฯลฯ )

ประเภท

โครงสร้างคริสตัลสามารถจำแนกได้ตามระบบคริสตัลหรือลักษณะทางเคมีของอนุภาค

ตัวอย่างเช่นระบบลูกบาศก์เป็นระบบที่พบมากที่สุดและของแข็งที่เป็นผลึกจำนวนมากถูกควบคุมโดยมัน อย่างไรก็ตามระบบเดียวกันนี้ใช้ได้กับทั้งผลึกไอออนิกและโลหะ

ตามระบบผลึก

ในภาพก่อนหน้าจะแสดงระบบคริสตัลหลักเจ็ดระบบ สังเกตได้ว่าจริงๆแล้วมีสิบสี่อย่างซึ่งเป็นผลมาจากบรรจุภัณฑ์ในรูปแบบอื่นสำหรับระบบเดียวกันและประกอบเป็นเครือข่าย Bravais

จาก (1) ถึง (3) เป็นผลึกที่มีระบบลูกบาศก์คริสตัล ในข้อ (2) สังเกตได้ (โดยแถบสีน้ำเงิน) ว่าทรงกลมตรงกลางและมุมนั้นมีปฏิสัมพันธ์กับเพื่อนบ้านแปดคนดังนั้นทรงกลมจึงมีหมายเลขโคออร์ดิเนชันเป็น 8 และใน (3) หมายเลขโคออร์ดิเนชันคือ 12 (เพื่อดูว่าคุณต้องทำซ้ำลูกบาศก์ในทิศทางใดก็ได้)

องค์ประกอบ (4) และ (5) สอดคล้องกับระบบ tetragonal ที่เรียบง่ายและมีใบหน้าเป็นศูนย์กลาง ซึ่งแตกต่างจากลูกบาศก์คือแกน c ยาวกว่าแกน a และ b

จาก (6) ถึง (9) เป็นระบบออร์โธมิกส์: จากแบบเรียบง่ายและมีศูนย์กลางอยู่ที่ฐาน (7) ไปจนถึงระบบที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ลำตัวและบนใบหน้า ในα, βและγเหล่านี้คือ90º แต่ด้านข้างทั้งหมดมีความยาวต่างกัน

ตัวเลข (10) และ (11) เป็นผลึกโมโนคลีนิกและ (12) คือไตรคลินิกซึ่งเป็นรูปสุดท้ายที่แสดงความไม่เท่าเทียมกันในทุกมุมและแกน

องค์ประกอบ (13) คือระบบรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนซึ่งคล้ายคลึงกับลูกบาศก์หนึ่ง แต่มีมุมγแตกต่างจาก90º ในที่สุดก็มีผลึกหกเหลี่ยม

การกระจัดขององค์ประกอบ (14) เกิดจากปริซึมหกเหลี่ยมที่ลากเส้นด้วยเส้นประสีเขียว

ตามลักษณะทางเคมีของมัน

- ถ้าผลึกประกอบด้วยไอออนแสดงว่าเป็นผลึกไอออนิกที่มีอยู่ในเกลือ (NaCl, CaSO ₄ , CuCl ₂ , KBr ฯลฯ )

- โมเลกุลเช่นรูปแบบกลูโคส (เมื่อใดก็ตามที่ทำได้) ผลึกโมเลกุล ในกรณีนี้ผลึกน้ำตาลที่มีชื่อเสียง

- อะตอมที่มีพันธะเป็นผลึกโควาเลนต์เป็นหลัก เช่นกรณีของเพชรหรือซิลิคอนคาร์ไบด์

- ในทำนองเดียวกันโลหะเช่นทองคำจะก่อตัวเป็นโครงสร้างลูกบาศก์ขนาดกะทัดรัดซึ่งเป็นผลึกโลหะ

ตัวอย่าง

K

NaCl (ระบบลูกบาศก์)

ZnS (wurtzite ระบบหกเหลี่ยม)

CuO (ระบบโมโนคลินิก)

อ้างอิง

1. Quimitube (2015) ทำไม "คริสตัล" จึงไม่ใช่ผลึก สืบค้นเมื่อ 24 พฤษภาคม 2018 จาก: quimitube.com
2. Pressbooks 10.6 โครงสร้างตาข่ายในของแข็งผลึก สืบค้นเมื่อ 26 พฤษภาคม 2561 จาก: opentextbc.ca
3. สำนักวิทยบริการโครงสร้างคริสตัล. . สืบค้นเมื่อ 24 พฤษภาคม 2561 จาก: web.iit.edu
4. หมิง (2558, 30 มิถุนายน). ประเภทโครงสร้างคริสตัล สืบค้นเมื่อ 26 พฤษภาคม 2018 จาก: crystalvisions-film.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31 มกราคม 2561). ประเภทของคริสตัล สืบค้นเมื่อ 26 พฤษภาคม 2018 จาก: thoughtco.com
6. KHI (2007) โครงสร้างผลึก สืบค้นเมื่อ 26 พฤษภาคม 2561 จาก: folk.ntnu.no
7. Paweł Maliszczak (25 เมษายน 2559). ผลึกมรกตหยาบจากหุบเขา Panjshir ในอัฟกานิสถาน . สืบค้นเมื่อ 24 พฤษภาคม 2018 จาก: commons.wikimedia.org
8. Napy1kenobi (26 เมษายน 2551). ตาข่าย Bravais . สืบค้นเมื่อ 26 พฤษภาคม 2018 จาก: commons.wikimedia.org
9. ผู้ใช้: Sbyrnes321. (21 พฤศจิกายน 2554). ผลึกหรืออสัณฐาน . สืบค้นเมื่อ 26 พฤษภาคม 2018 จาก: commons.wikimedia.org