11.14: Strukturen fester Körper

Feststoffe, in denen die Atome, Ionen oder Moleküle in einem bestimmten, sich wiederholenden Muster angeordnet sind, werden als kristalline Feststoffe bezeichnet. Metalle und ionische Verbindungen bilden typischerweise geordnete, kristalline Feststoffe. Ein kristalliner Feststoff hat eine genaue Schmelztemperatur, da jedes Atom oder Molekül derselben Art mit denselben Kräften oder Energien an Ort und Stelle gehalten wird. Amorphe Feststoffe oder nichtkristalline Feststoffe (manchmal auch Gläser), denen eine geordnete innere Struktur fehlt und die zufällig angeordnet sind. Stoffe, die aus großen Molekülen oder einer Mischung von Molekülen bestehen, deren Bewegungen stärker eingeschränkt sind, bilden oft amorphe Feststoffe. Aufgrund der strukturellen Nichtäquivalenz der Moleküle erweicht amorphes Material über einen Temperaturbereich hinweg allmählich. Wenn ein amorphes Material erhitzt wird, brechen zuerst die schwächsten intermolekularen Anziehungskräfte. Wenn die Temperatur weiter erhöht wird, werden die stärkeren Reize gebrochen.

Einheitszelle

Die Struktur eines kristallinen Feststoffs lässt sich am besten durch seine einfachste wiederkehrende Einheit beschreiben, die als Elementarzelle bezeichnet wird. Die Elementarzelle besteht aus Gitterpunkten, die die Standorte von Atomen oder Ionen darstellen. Die gesamte Struktur besteht dann aus sich in drei Dimensionen wiederholenden Elementarzellen, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Elementarzelle und Kristallgitter mit rot markierten Gitterpunkten.

Im Allgemeinen wird eine Elementarzelle durch die Längen von drei Achsen (a, b und c) und die Winkel (α, β und γ) zwischen ihnen definiert, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Achsen werden als die Längen dazwischen definiert Punkte im Raumgitter.

Abbildung 2. Die Elementarzelle wird durch ihre Achsen (a, b und c) und Winkel (α, β und γ) definiert.

Es gibt sieben verschiedene Gittersysteme, von denen einige mehr als einen Gittertyp aufweisen, also insgesamt vierzehn verschiedene Elementarzellen.

Dieser Text wurde adaptiert von Openstax, Chemistry 2e, Section 10.6: Lattice Structures in Crystalline Solids.

Festkörper werden aufgrund ihrer dreidimensionalen inneren Struktur entweder als amorph oder kristallin klassifiziert.

Bei amorphen Festkörpern wie Quarzglas fehlt eine geordnete innere Anordnung ihrer Partikel, während bei kristallinen Festkörpern wie Quarz die Partikel in einem sich wiederholenden dreidimensionalen Muster im gesamten Festkörper angeordnet sind.

Die Struktur eines kristallinen Festkörpers wird durch eine Elementarzelle dargestellt, die die kleinste sich wiederholende Einheit der kristallinen Struktur darstellt, die die Symmetrie der Struktur beibehält.

Das gesamte dreidimensionale Muster wird als Kristallgitter bezeichnet, das aus Gitterpunkten und Gittervektoren besteht. Die Gittervektoren grenzen die Kanten der Elementarzelle ab, und die Gitterpunkte können sich an den Ecken, an den Flächen oder in der Mitte der Elementarzelle befinden.

Gittersysteme werden durch die Abmessungen der Elementarzelle definiert. Es gibt 7 Arten von Gittersystemen: kubisch, tetragonal, orthorhombisch, rhomboedrisch, monoklistisch, triklin und hexagonal.

Die Positionen der Atome in einer Elementarzelle sind nicht unbedingt die gleichen wie die der Gitterpunkte. Das Muster der Atome in der Elementarzelle oder dem Motiv wird oft in Bezug auf die Positionen der Atome relativ zu einem bestimmten Gitterpunkt definiert.

Die Anzahl der Atome in einer Elementarzelle spiegelt die Packungseffizienz des Festkörpers wider, d. h. die Menge seines Volumens, die von Atomen eingenommen wird, und nicht den Raum zwischen ihnen. Eine höhere Anzahl von Atomen in der Elementarzelle entspricht in der Regel einer effizienteren Packung.

Atome, die einer Elementarzelle zugeordnet sind, dürfen nicht vollständig in der Zelle enthalten sein. Eine Möglichkeit, diese Teilatome zu zählen, besteht darin, jedes Atom an einer Ecke als ein Achtel eines Atoms und jedes Atom auf einer Fläche als die Hälfte eines Atoms zu betrachten.

Wenn eine Elementarzelle an jeder Ecke ein Atom hat, wird der Elementarzelle eines zugewiesen und die anderen sieben werden ignoriert. Wenn eine Elementarzelle auf jeder der beiden Flächen ein Atom hat, wird die eine der Elementarzelle zugewiesen und die andere ignoriert.