11.14: تراكيب المواد الصلبة

المواد الصلبة التي يتم فيها ترتيب الذرات أو الأيونات أو الجزيئات في نمط متكرر محدد تُعرف بالمواد الصلبة المتبلورة. وتشكل المعادن والمركبات الأيونية عادةً مواد صلبة بلورية مرتبة. المادة الصلبة المتبلورة لها درجة حرارة انصهار دقيقة لأن كل ذرة أو جزيء من نفس النوع مثبت في مكانه بنفس القوى أو الطاقة. المواد الصلبة غير المتبلورة أو المواد الصلبة غير البلورية (أو ، في بعض الأحيان ، الزجاج) التي تفتقر إلى بنية داخلية مرتبة ويتم ترتيبها عشوائيًا. المواد التي تتكون من جزيئات كبيرة ، أو خليط من الجزيئات التي تكون حركاتها أكثر تقييدًا ، غالبًا ما تشكل مواد صلبة غير متبلورة. تخضع المادة غير المتبلورة لتليين تدريجي ، على مدى درجات حرارة ، بسبب عدم التكافؤ الهيكلي للجزيئات. عندما يتم تسخين مادة غير متبلورة ، تنكسر أضعف عوامل الجذب بين الجزيئات أولاً كلما زادت درجة الحرارة بشكل أكبر ، تنكسر عوامل الجذب الأقوى.

خلية الوحدة

أفضل وصف لبنية المادة الصلبة المتبلورة هو أبسط وحدة مكررة لها ، والتي يشار إليها باسم خلية الوحدة . تتكون خلية الوحدة من نقاط شعرية تمثل مواقع الذرات أو الأيونات. يتكون الهيكل بأكمله من خلية الوحدة هذه التي تتكرر في ثلاثة أبعاد ، كما هو موضح في الشكل 1.

Figure 1. 1. خلية الوحدة والشبكة البلورية مع نقاط شعرية موضحة باللون الأحمر.

بشكل عام، يتم تعريف خلية الوحدة بأطوال ثلاثة محاور (a, b, و c) والزوايا (α, β, و γ) بينهما كما هو موضح في الشكل 2. يتم تحديد المحاور على أنها كونها الأطوال بين النقاط في شبكة الفضاء.

Figure 2. يتم تحديد خلية الوحدة من خلال محاورها (a, b, و c) والزوايا (α, β, و γ)

هناك سبعة أنظمة شبكية مختلفة، بعضها يحتوي على أكثر من نوع واحد من الشبكات، ليصبح المجموع أربعة عشر خلية مختلفة.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 10.6: Lattice Structures in Crystalline Solids.

تُصنّف المواد الصلبة في فئتين،اللابلورية،والبلورية،بناء على تركيبها الداخلي ثلاثي الأبعاد. المواد الصلبة اللابلورية،مثل زجاج السيليكا المصهور،تفتقر إلى الترتيب الداخلي المنتظم للجسيمات التي تُكونها،في حين أن المواد الصلبة البلورية،مثل الكوارتز،تمتاز بأن جسيماتها مرتبة على شكل نموذج ثلاثي الأبعاد يتكرر في كل المادة الصلبة. تركيبة المادة الصلبة البلورية،تمثلها وحدة خلية وهي أصغر وحدة متكررة في التركيبة البلورية،والتي تحافظ على تناسق التركيبة.

النموذج العام ثلاثي الأبعاد،يُعرف بالشبكة البلورية،وتتألف من نقاط الشبكة ومتجهات الشبكة. متجهات الشبكة بدورها تحدد أطراف وحدة الخلية،أما نقاط الشبكة فقد توجد في الزوايا أو على الواجهات،أو في منتصف وحدة الخلية. ما يحدد منظومات الشبكة هو أبعاد وحدة الخلية.

توجد سبعة أنواع من منظومات الشبكة:المكعب،والرباعي،والمعيني القائم،والثلاثي،وأحادي الميل،وثلاثي الميل،والسداسي. مواضع الذرات في وحدة خلية ليست بالضرورة مماثلة لمواضعها في نقاط الشبكة. نموذج الذرات في وحدة خلية،أو العنصر،يُعرّف غالبًا بناء على مواضع الذرات مقارنة بنقطة شبكة معينة.

عدد الذرات في وحدة خلية،يعكس فاعلية المادة الصلبة من حيث التعبئة،أو مقدار حجمها الذي تشغله الذرات وليس الفراغات فيما بينها. ارتفاع عدد الذرات في وحدة خلية يقابله عمومًا فاعلية أكبر من حيث التعبئة. الذرات المعينة لوحدة خلية قد لا تكون محتواه بالكامل داخل الخلية.

إحدى طرق حساب هذه الذرات الجزئية تكون بأن نعتبر كل ذرة على إحدى الزوايا بمثابة ثُمن ذرة،وكل ذرة على إحدى الواجهات بمثابة نصف ذرة. وفي المقابل،إذا وجدت ذرة واحدة على كل زاوية من وحدة الخلية،تُعيّن واحدة منها لوحدة الخلية أما السبعة الأخرين فيتم تجاهلهم. إذا وجدت ذرة واحدة على كل من واجهتي وحدة الخلية،تُعيّن واحدة لوحدة الخلية ويتم تجاهل الأخرى.