Name: crystal structure using x-ray diffraction
Uploaded: 2023-04-30T07:02:53.000Z
Duration: 9 min 31 s
Channel: JoVE

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Ohio’s Learning Standards and Model Curriculum

9-12

Physical Geology

Minerals

Crystallinity (crystal structure)

X-ray Diffraction

La procedura seguente si applica a uno specifico strumento XRD e al software associato e potrebbero esserci alcune variazioni quando vengono utilizzati altri strumenti.
<ol><li>Esamineremo un campione di polvere di Ni su uno strumento Panalytical Alpha-1 XRD.</li>
	<li>Innanzitutto, scegli la maschera per fissare la dimensione del fascio in base al diametro del campione. Il fascio non deve avere un ingombro maggiore del campione al più piccolo valore θ (tipicamente ~ 70-100). Per un campione di larghezza ε, la dimensione del fascio deve essere < ε sinθ.</li>
	<li>Caricare il campione nella fase di spinner del campione e bloccare il campione in posizione. Lo spinner del campione aiuta a randomizzare spazialmente l'esposizione del campione alla sorgente di raggi X.</li>
	<li>Scegli l'intervallo di angolazione per la scansione XRD. Ad esempio, 15-90 gradi è un intervallo tipico.</li>
	<li>Scegli una dimensione del passo, cioè l'incremento in 2θe il tempo di integrazione (conteggio). Generalmente una dimensione del passo di 0,05 gradi e l'integrazione di 4 secondi è l'impostazione predefinita per una scansione grandangolare.</li>
	<li>Una volta determinate tutte le posizioni di picco attraverso questa scansione iniziale, le scansioni successive possono concentrarsi su un intervallo di scansione più ristretto attorno a picchi specifici utilizzando una dimensione del passo più piccola in angolo se si desiderano dati a risoluzione più elevata da tali picchi.</li>
</ol>

Questa è una dimostrazione di un esperimento XRD standard. Il materiale esaminato in questo esperimento era in polvere, ma XRD funziona altrettanto bene con un pezzo solido di materiale purché il campione abbia una superficie piana che può essere impostata parallelamente al piano dello stadio del campione.
XRD è un metodo abbastanza onnipresente per determinare la presenza (o l'assenza) di ordine cristallografico nei materiali. Oltre all'applicazione standard di determinazione della struttura cristallina, XRD viene spesso utilizzato per ottenere una varietà di altre informazioni strutturali come:
<ol><li>Indipendentemente dal fatto che la struttura di un materiale sia amorfa (caratterizzata da un'ampia gobba nell'intensità della diffrazione e dalla mancanza di picchi cristallografici distinguibili),</li>
	<li>Se il campione è un materiale composito costituito da più fasi cristallografiche e, in caso affermativo, determinare la frazione di ciascuna fase,</li>
	<li>Determinare se un materiale è un composito amorfo/cristallino</li>
	<li>Determinazione della granulometria/granulometria del materiale,</li>
	<li>Determinazione del grado di consistenza (orientamento preferito dei grani) nel materiale.</li>
</ol>

Relazione tra posizioni di picco diffratte e struttura cristallina:
Quando onde luminose di lunghezza d'onda sufficientemente piccola sono incidenti su un reticolo cristallino, si dissolvono dai punti reticolari. A determinati angoli di incidenza, le onde parallele diffratte interferiscono in modo costruttivo e creano picchi rilevabili di intensità. W.H. Bragg identificò la relazione illustrata nella Figura 1 e derivò un'equazione corrispondente:
nλ = 2dhkl sin θ [1]
Qui λ è la lunghezza d'onda dei raggi X utilizzati, dhkl è la spaziatura tra un particolare insieme di piani con indici di Miller (hkl)* e θ è l'angolo di incidenza a cui viene misurato un picco di diffrazione. Infine, n è un intero che rappresenta l'"ordine armonico" della diffrazione. A n=1, ad esempio, abbiamo la prima armonica, il che significa che il percorso dei raggi X diffratti attraverso il cristallo (equivalente a 2dhkl sin ) è esattamente 1λ, mentre a n = 2, il percorso diffratto è 2λ. Possiamo tipicamente assumere n=1, e, in generale, n=1 per θ &lt; sin-1(2λ/dh'k'l',dove h'k'l' sono gli indici di Miller dei piani che mostrano il primo picco (al valore 2θ più basso) in un esperimento di diffrazione. Gli indici di Miller sono un insieme di tre interi che costituiscono un sistema di notazione per identificare direzioni e piani all'interno dei cristalli. Per le direzioni, gli indici [h k l] di Miller rappresentano la differenza normalizzata nelle rispettive coordinate x, y e z (in un sistema di coordinate cartesiane) di due punti lungo la direzione. Per i piani, gli indici di Miller (h k l) di un piano sono semplicemente i valori h k l della direzione perpendicolare al piano.
In un tipico esperimento XRD in modalità di riflessione, la sorgente di raggi X è fissata in posizione e il campione viene ruotato rispetto al fascio di raggi X su θ. Un rivelatore raccoglie il fascio diffratto e deve tenere il passo con la rotazione del campione ruotando al doppio della velocità (cioè per un dato angolo di campionamento di θ, l'angolo del rivelatore è 2θ). La geometria dell'esperimento è schematicamente mostrata nella Figura 1.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10446/10446fig1v2.jpg"> Figura 1: Illustrazione della legge di Bragg.
Quando si osserva un picco di intensità, l'equazione 1 è necessariamente soddisfatta. Di conseguenza, possiamo calcolare le d-spaziature in base agli angoli in cui questi picchi vengono osservati. Calcolando le d-spaziature di più picchi, è possibile identificare il campione di materiale della classe cristallina e dei parametri della struttura cristallina utilizzando un database come il manuale di ricerca Hanawalt o le librerie di database disponibili con il software XRD utilizzato.
Supponiamo che il campione oggetto di indagine non sia un singolo cristallo. Se il campione fosse un singolo cristallo con un particolare piano (h*k*l*) parallelo alla superficie del campione, dovrebbe essere ruotato fino a quando la condizione di Bragg per il (h*k*l*) è soddisfatta al fine di vedere un picco di intensità diffratta (per n=1) con picchi armonici potenzialmente più alti (h*k*l*) (ad esempio per n=2) rilevabili anche ad angoli più alti. In tutti gli altri angoli non ci sarebbero picchi in un singolo campione di cristallo. Supponiamo invece che il campione sia policristallino o che sia una polvere, con un numero statisticamente significativo di grani cristallini o particelle di polvere illuminate dal fascio di raggi X incidente. In base a questa ipotesi, il campione è costituito da grani orientati casualmente, con una probabilità statistica simile per tutti i possibili piani reticolari a diffratta.
Le relazioni tra il dhkl e i parametri delle cellule unitarie sono mostrate di seguito nelle equazioni 2-7 per le 7 classi di cristalli, cubica, tetragonale, esagonale, romboedrica, ortorombica, monoclinica e tricclinica. I parametri delle celle unitarie sono costituiti dalle lunghezze di (a,b,c) e dagli angoli tra (α, β, γ) i bordi delle celle unitarie per le 7 classi di cristalli (la Figura 1x mostra l'esempio di una delle classi di cristalli: la struttura tetragonale dove a=b≠c, e α=β=γ=900). Utilizzando più posizioni di picco diffratte (cioè diversi valori dhkl distinti), i valori dei parametri della cella unitaria possono essere risolti in modo univoco.
<img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/10446/10446fig2.jpg"> Figura 2: La struttura tetragonale come una delle sette classi di cristalli.
Cubico (a = b = c; α = β = γ = 900):
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq1.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[2]
Tetragonale (a = b ≠ c; α = β = γ = 900):
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq2.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[3]
Esagonale (a = b ≠ c; α = β = 900; γ = 1200):
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq3.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[4]
Ortorombico (a ≠ b ≠ c; α = β = γ = 900):
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq4.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[5]
Romboedrico (a = b ≠ c; α = β = γ = 900):
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq5.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[6]
Monoclino (a ≠ b ≠ c; α = γ = 900 ≠ β):
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq6.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[7]
Triclinic (a ≠ b ≠ c; α ≠ β ≠ γ ≠ 900):
      <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq8v2.jpg">[8]
Relazione tra intensità di picco diffratte e struttura cristallina:
Successivamente esaminiamo i fattori che contribuiscono all'intensità in un modello XRD. I fattori possono essere scomposti come 1) il contributo allo scattering che deriva direttamente dagli aspetti strutturali unici del materiale (i tipi e le posizioni specifiche degli atomi di scattering nella struttura) e 2) quelli che non sono specifici del materiale. Nel primo, ci sono due fattori: il "fattore di assorbimento" e il "fattore di struttura". Il fattore di assorbimento dipende principalmente dalla capacità del materiale di assorbire i raggi X durante l'uscita e l'uscita. Questo fattore non ha una dipendenza θ finché i campioni non sono sottili (il campione deve essere &gt; 3 volte più spesso della lunghezza di attenuazione dei raggi X). In altre parole, il contributo del fattore di assorbimento all'intensità dei diversi picchi è costante. Il "fattore struttura" influenza direttamente l'intensità di picchi specifici come risultato diretto della struttura. I fattori rimanenti, la 'molteplicità', che rappresenta tutti i piani che appartengono alla stessa famiglia perché sono simmetricamente correlati, e il fattore 'Lorentz-Polarization', che deriva dalla geometria dell'esperimento XRD, influenzano anche l'intensità relativa dei picchi ma non sono specifici di un materiale e possono essere facilmente spiegati con espressioni analitiche (cioè il software di analisi XRD può rimuoverli con funzioni analitiche).
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/10446/10446fig3.jpg"> Figura 3: Tre percorsi di raggi di diffrazione, di cui i raggi 11' e 22' soddisfano la condizione di Bragg, mentre il raggio 33' deriva dallo scattering di un atomo (cerchio rosso) in posizione arbitraria. 
Essendo l'unico fattore che porta il contributo strutturale unico di un materiale alle intensità relative dei picchi XRD, il fattore di struttura è molto importante e richiede uno sguardo più attento. Nella Figura 2, supponiamo che la condizione di diffrazione di Bragg di1° ordine (ricordate, che questo corrisponde a n=1) sia soddisfatta tra il raggio11' e il raggio22' che sono sparsi su due piani atomici nella direzione h00 (usando la notazione degli indici di Miller descritta in precedenza) separati da una distanza d. In questa condizione, la differenza nella lunghezza del percorso tra il raggio11' e il raggio22' è δ(22'-11') = SA + AR = λ. Lo sfasamento tra i raggi diffratti 1 e 2 è, quindi, Φ22'-11' = (δ(22'-11')/λ) 2π = 2π (assumendo una simmetria cubica e, quindi, d = a/h nella direzione h00).
Con pochi passi in geometria analitica, si può dimostrare che lo sfasamento, Φ(33'-11'), con raggio 3 diffratto da un piano arbitrario di atomi che sono distanziati una distanza arbitraria x, è dato da: Φ(33'-11') = 2πhu, dove u = x / a (a è il parametro della cella unitaria nella direzione (h00).) Prendendo le altre due direzioni ortogonali, (0k0) e (00l), e v=y/a e w=z/a come coordinate frazionarie nelle direzioni y e z, l'espressione per lo sfasamento si estende a Φ = 2π(hu+kv+lw). Ora, l'onda a raggi X dispersa dall'atomo j-esimoin una cella unitaria avrà un'ampiezza di scattering di f j e una fase di Φj, tale che la funzione che la descrive è <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq8.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;"> . Il fattore di struttura che cerchiamo, quindi, è la somma di tutte le funzioni di scattering dovute a tutti gli atomi unici in una cella unitaria. Questo fattore di struttura, F, è dato come:
<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq9v2.jpg">[9]
e il fattore di intensità contribuito dal fattore di struttura è I = F2.
Sulla base delle posizioni (u,v,w) degli atomi su particolari piani (h,k,l), esiste la possibilità di interferenza tra onde sparse che sia costruttiva, distruttiva o intermedia, e questa interferenza influenza direttamente l'ampiezza dei picchi XRD che rappresentano i piani (hkl).
Ora, un grafico di intensità, I, contro 2θ è ciò che viene misurato in un esperimento XRD. La determinazione del tipo di cristallo e dei parametri delle celle unitarie associate (a, b, c, α, β e γ) può essere raggiunta analiticamente osservando la presenza sistematica/ assenza di picchi, utilizzando le equazioni 2-9, confrontando i valori con i database, utilizzando la deduzione e un processo di eliminazione. Al giorno d'oggi, questo processo è abbastanza automatizzato da una varietà di software collegati a database di strutture cristalline.

diffrazione dei raggi x

Fonte: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
La diffrazione a raggi X (XRD) è una tecnica utilizzata nella scienza dei materiali per determinare la struttura atomica e molecolare di un materiale. Questo viene fatto irradiando un campione del materiale con raggi X incidenti e quindi misurando le intensità e gli angoli di diffusione dei raggi X che vengono dispersi dal materiale. L'intensità dei raggi X sparsi viene tracciata in funzione dell'angolo di diffusione e la struttura del materiale è determinata dall'analisi della posizione, dell'angolo e delle intensità dei picchi di intensità sparsi. Oltre a poter misurare le posizioni medie degli atomi nel cristallo, si possono determinare informazioni su come la struttura effettiva si discosti da quella ideale, derivante ad esempio da stress interni o da difetti.
La diffrazione dei raggi X, che è centrale nel metodo XRD, è un sottoinsieme dei fenomeni generali di diffusione dei raggi X. XRD, che è generalmente usato per indicare la diffrazione a raggi X grandangolare (WAXD), rientra in diversi metodi che utilizzano le onde a raggi X elasticamente disperse. Altre tecniche a raggi X basate sullo scattering elastico includono lo scattering a raggi X ad angolo piccolo (SAXS), in cui i raggi X sono incidenti sul campione oltre il piccolo intervallo angolare di 0,1-100 in genere). SAXS misura le correlazioni strutturali della scala di diversi nanometri o più grandi (come le sovrastrutture cristalline) e la riflettività a raggi X che misura lo spessore, la rugosità e la densità dei film sottili. WAXD copre un intervallo angolare superiore a 100.

Nella Figura 4 vediamo i picchi XRD per il campione di polvere ni. Si noti che i picchi osservati (ad esempio {111}, {200}) sono per quelli che hanno tutte le combinazioni pari o tutte le combinazioni dispari di h, ke l. Ni è cubico centrato sulla faccia (FCC), e in tutte le strutture FCC, i picchi corrispondenti ai piani {hkl} dove h, ke l sono miscele di interi pari e dispari, sono assenti a causa dell'interferenza distruttiva dei raggi X sparsi. Mancano picchi corrispondenti agli aerei, come {210} e {211}. Questo fenomeno è chiamato regole sistematiche di presenza e assenza e forniscono uno strumento analitico per valutare la struttura cristallina del campione.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/10446/10446fig4.jpg"> Figura 4: Viene mostrata una scansione XRD di Ni con una struttura cubica centrata sulla faccia.

Diffrazione dei raggi X

Source: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
X-ray diffraction (XRD) is a technique ...

La diffrazione dei raggi X è una tecnica utilizzata per determinare la struttura atomica e molecolare dei materiali. I solidi hanno una struttura cristallina, che corrisponde a una disposizione microscopica di atomi che si ripete periodicamente. Mediante la picchettatura dei piani, è possibile formare una struttura 3D di simmetria specifica. Queste disposizioni strutturali si traducono in una specifica geometria di impacchettamento che determina le proprietà fisiche e chimiche del materiale. Come la magnetizzazione, la conduttività termica o la malleabilità. Riflettere i raggi X sui materiali può rivelare i dettagli interni della loro struttura. Questo video illustrerà i principi generali della diffrazione dei raggi X su un materiale e come questo fenomeno viene utilizzato in laboratorio per determinare la struttura e la composizione chimica dei materiali. Per iniziare, diamo un'occhiata più da vicino a un cristallo. È formato da reticoli atomici disposti in piani periodicamente separati da una distanza di pochi angstrom. H, k, l sono indici di Miller, un insieme di tre numeri interi che costituiscono un sistema di notazione per identificare direzioni e piani all'interno dei cristalli. La più piccola struttura ripetuta in un cristallo è chiamata cella unitaria. Diversi angoli, alfa, beta, gamma e lunghezze a, b, c, di una cellula unitaria che forma il reticolo daranno origine a diverse simmetrie. Ci sono sette sistemi cristallini. Cubico, tetragonale, ortorombico, romboedrico, monoclino, triclino ed esagonale. La relazione tra i parametri della cella unitaria e gli indici di Miller può essere calcolata per ciascuna classe di cristalli. L'elettromagnetica di lunghezza d'onda lambda può avere dimensioni simili con le differenze tra i piani all'interno del reticolo del cristallo. Questi corrispondono alle lunghezze d'onda nella gamma spettrale dei raggi X. Quando le onde luminose dei raggi X irradiano un cristallo con un angolo incidente theta, si propagano attraverso il cristallo e incontrano punti reticolari da cui si deframmentano. La legge di Bragg mette in relazione questi parametri dove n è un numero intero che rappresenta l'ordine armonico della diffrazione. Per una data lambda, solo specifici angoli theta danno origine alla diffrazione. Questa è la firma unica di una struttura cristallina. In un esperimento, il campione viene ruotato e il rivelatore che raccoglie i raggi X diffusi registra picchi di intensità quando raggiunge questi angoli caratteristici. Si può quindi estrarre la spaziatura del reticolo DHKL per ogni angolo che soddisfa la legge di Bragg. Utilizzando più posizioni di picco diffratte corrispondenti a diversi valori distinti di DHKL, i parametri della cella unitaria possono essere risolti in modo univoco. Due fattori principali contribuiscono all'intensità relativa dei picchi. In primo luogo, ci sono i contributi non strutturali, che includono la capacità del materiale di assorbire la luce a raggi X e la geometria dell'esperimento XRD. Questi possono essere presi in considerazione nella post-elaborazione dei dati sperimentali. In secondo luogo, e più importante, il contributo strutturale del materiale è portato alle intensità relative dell'XRD. Ogni picco di diffrazione è infatti la somma di tutte le ampiezze diffuse da più percorsi di raggi diffratti da tutti gli atomi unici in una cella unitaria. Se le luci diffuse sono in fase, si verifica un'interferenza costruita. Mentre se sono fuori fase, c'è interferenza distrutta. Queste interferenze influenzano direttamente l'ampiezza dei picchi XRD, che rappresentano i piani HKL del cristallo. Vedremo ora come questi principi si applicano in un vero e proprio esperimento di diffrazione dei raggi X. Prima di iniziare, ispezionare attentamente lo strumento XRD e valutarne lo stato e la sicurezza. Gli utenti XRD devono essere addestrati alla sicurezza di base dalle radiazioni prima di avere accesso allo strumento. Procedere quindi con la preparazione del campione. In questo esperimento, utilizziamo un campione di polvere di nichel sotto forma di pellet pressato. È importante che il campione non sia sottile e che sia almeno tre volte più spesso della lunghezza di attenuazione dei raggi X. Si noti che la seguente procedura si applica a uno specifico strumento XRD e al software associato e che potrebbero esserci alcune variazioni quando vengono utilizzati altri strumenti. Caricare il campione nello stadio di rotazione del campione e bloccare il campione in posizione, assicurandosi che il lato irradiato del campione sia parallelo allo stadio del campione. Utilizzare una maschera per regolare le dimensioni del fascio di raggi X dello strumento in base al diametro del campione. All'angolo di incidenza più piccolo, il raggio deve avere un ingombro inferiore alla larghezza del campione. Ora è il momento di scegliere i parametri di acquisizione. Innanzitutto, selezionare l'intervallo angolare per la scansione XRD. In genere, l'intervallo va da 15 a 90 gradi. Quindi, selezionare la dimensione del passo in gradi e il tempo di integrazione a ciascun angolo scansionato. Successivamente, procedere all'acquisizione dei dati. Dopo la scansione, si ottiene un grafico dell'intensità in funzione dell'angolo rispetto al theta. Da questa scansione iniziale, selezionare picchi specifici e determinare le posizioni dei picchi. Ripetere l'acquisizione e concentrarsi questa volta su un intervallo di scansione più ristretto attorno a picchi specifici. Utilizzando un passo più piccolo in angolo per ottenere dati a risoluzione più elevata. Una volta terminata l'acquisizione dei dati, i dati possono essere analizzati per identificare la struttura del materiale. Utilizzando il software dello strumento e la libreria di database, ogni picco dello spettro viene identificato e associato a una specifica simmetria di disposizione dei cristalli. In questo caso particolare del campione di polvere di nichel, lo spettro mostra un primo picco corrispondente a una simmetria uno uno. Il secondo picco è associato a una simmetria a due zero zero e così via. Quindi il software determina che questa specifica combinazione di simmetrie corrisponde a una struttura cubica centrata sulla faccia e identifica che il campione è una polvere di nichel. La diffrazione dei raggi X è un metodo standard per determinare la presenza o l'assenza di ordine cristallografico nei materiali. Viene spesso utilizzato per ottenere una varietà di altre informazioni strutturali riguardanti le sollecitazioni interne e i difetti in un cristallo, o più fasi cristallografiche nei materiali compositi. La tecnica XRD viene utilizzata anche in biologia per determinare la struttura e l'orientamento spaziale di macromolecole biologiche come proteine e acidi nucleici. In particolare, è così che è stata scoperta la struttura a doppia elica del DNA, che ha portato al Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina nel 1962. Anche lo studio della geochimica dei minerali, sia per scopi minerari che per l'esplorazione planetaria, si avvale anche della tecnica XRD. Pensiamo al Rover Curiosity on Mars che ha tra i suoi dieci strumenti scientifici un rivelatore XRD per analizzare la composizione del suolo marziano. Avete appena visto l'introduzione di Giove alla diffrazione dei raggi X. A questo punto dovreste comprendere la struttura cristallina di un solido e i principi della diffrazione dei raggi X. Dovresti anche sapere come la tecnica XRD viene utilizzata in laboratorio per ottenere la struttura e la composizione chimica dei materiali. Grazie per l'attenzione!

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X-ray diffraction is a materials science method for finding crystal structure. It uses incident X-rays that strike a sample and scatter from its atoms and molecules. The scattered X-rays are measured by their intensity and scattering angle.

The results are plotted as intensity versus angle. Scientists then analyze the position of the peaks and their strength to determine the structure of the material. This method can also show how a real crystal differs from an ideal one. It can reveal effects such as internal stress and defects.

X-ray diffraction is part of a broader group of X-ray scattering methods. It is often used to mean wide-angle X-ray diffraction, or WAXD. WAXD covers scattering at angles above 10 degrees.

Other elastic scattering methods include small angle X-ray scattering, or SAXS, and X-ray reflectivity. SAXS uses a small angular range of about 0.1 to 10 degrees and measures structural correlations on the scale of several nanometers or larger, such as crystal superstructures. X-ray reflectivity is used to measure the thickness, roughness, and density of thin films.

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materials engineering

Questa collezione presenta metodi all'avanguardia per l'analisi e la caratterizzazione dei materiali
e introduce una gamma di materiali e processi avanzati per nuove tecnologie e applicazioni.

Learn how X-ray diffraction uses scattered X-rays to identify crystal structure, detect defects, and distinguish WAXD, SAXS, and X-ray reflectivity.

Crystal Structure Using X-ray Diffraction | JoVE K12

criteria-mineral-crystalline-solid-occurs-nature-inorganic-defined

Criteria of a mineral (crystalline solid, occurs in nature, inorganic, defined chemical composition)

Virginia  Standards of Learning

HIgh School

Earth Science

ES.4

ES.4.c

south-carolina-college-and-career-ready-science-standards

South Carolina College and Career Ready Science Standards

High School

Chemistry

Matter and Its Interactions

C-PS1-1

C-PS1-3.

motion-and-stability-forces-and-interactions

Motion and Stability: Forces and Interactions

C-PS2-6.

Faisal Alamgir

School of Materials Science and Engineering

Georgia Institute of Technology

Overview

Principles of X-ray Diffraction

Instrument, Sample and Beam Parameters

Selection of the Parameters for the Acquisition

Acquisition and Analysis

Results

Applications

Summary

The Atomic Theory of Matter

The earliest recorded discussion of the basic structure of matter comes from ancient Greek philosophers. Leucippus and Democritus argued that all matter ...

Subatomic Particles

Dalton was only partially correct about the particles that make up matter. All matter is composed of atoms, and atoms are composed of three smaller ...

Elements: Chemical Symbols and Isotopes

A chemical symbol is an abbreviation used to indicate an element or an atom of an element. For example, the symbol for mercury is Hg. The same symbol is ...

Atomic Mass

Atoms &mdash; and the protons, neutrons, and electrons that compose them &mdash; are extremely small. For example, a carbon atom weighs less than 2 ...

physical-properties-of-minerals-ii-polymineralic-analysis

Physical Properties Of Minerals II: Polymineralic Analysis

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
The physical properties of minerals include various measurable and discernible ...

physical-properties-of-minerals-i-crystals-and-cleavage

Physical Properties Of Minerals I: Crystals and Cleavage

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
The physical properties of minerals comprise various measurable and discernible ...

Atoms and elements

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

Atoms and elements

Types of Chemical Bonds

Chemical bonding theories were pioneered by American chemist Gilbert&#xA0;N. Lewis. He developed a model called the Lewis model to explain the type and ...

Ionic Bonds

When atoms gain or lose electrons to achieve a more stable electron configuration they form ions. Ionic bonds are electrostatic attractions between ions ...

Ionic Bonding and Electron Transfer

Ions are atoms or molecules bearing an electrical charge. A cation (a positive ion) forms when a neutral atom loses one or more electrons from its valence ...

Lewis Symbols and the Octet Rule

Chemical bonds are complex interactions between two or more atoms or ions, which reduce the potential energy of the molecule. Gilbert N. Lewis developed a ...

Chemical Bonds


Atoms participate in a chemical bond formation&#160;to acquire a completed valence-shell electron configuration similar to that of the noble gas nearest ...

Covalent Bonding and Lewis Structures

Compared to ionic bonds, which results from the transfer of electrons between metallic and nonmetallic atoms, covalent bonds result from the mutual ...

Bonding in Metals

Metallic bonds are formed between two metal atoms. A simplified model to describe metallic bonding has been developed by Paul Dr&#xFC;de called the ...

soil-nutrient-analysis-nitrogen-phosphorus-and-potassium

Soil Nutrient Analysis: Nitrogen, Phosphorus, and Potassium

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
In this experiment, three soil macronutrients are chemically extracted, ...

Chemical bonding (ionic, covalent, metallic)

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

Chemical bonding (ionic, covalent, metallic)

Structures of Solids

Solids in which the atoms, ions, or molecules are arranged in a definite repeating pattern are known as crystalline solids. Metals and ionic compounds ...

Ionic Crystal Structures

Ionic crystals consist of two or more different kinds of ions that usually have different sizes. The packing of these ions into a crystal structure is ...

X-ray Crystallography

The size of the unit cell and the arrangement of atoms in a crystal may be determined from measurements of the diffraction of X-rays by the crystal, ...

Classifying Matter by Composition

Matter: Pure Substances and Mixtures
According to its composition, the matter can be classified into two broad categories &mdash; pure substances and ...

Optical Materialography Part 2: Image Analysis

Source: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
The imaging of microscopic structures of ...

X-ray Photoelectron Spectroscopy

Source: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ...

Crystallinity (crystal structure)

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

single-crystal-and-powder-x-ray-diffraction

Single Crystal and Powder X-ray Diffraction

Source: Tamara M. Powers, Department of Chemistry, Texas A&#38;M University&#160;
X-ray crystallography is a technique that uses X-rays to study the ...

determining-the-solubility-rules-of-ionic-compounds

Determining the Solubility Rules of Ionic Compounds

Source: Laboratory of Dr. Neal Abrams &#8212; SUNY College of Environmental Science and Forestry
An ionic compound&#39;s solubility can be determined via ...

Criteria of a mineral (crystalline solid, occurs in nature, inorganic, defined chemical composition)

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

physical-and-chemical-properties-of-matter

Physical and Chemical Properties of Matter

The characteristics that enable us to distinguish one substance from another are called properties.

Physical Properties of Matter

A physical property is ...

Metallic Solids

Metallic solids such as crystals of copper, aluminum, and iron are formed by metal atoms. The structure of metallic crystals is often described as a ...

Properties of Transition Metals

Transition metals are defined as those elements that have partially filled d orbitals. As shown in Figure 1, the d-block elements in groups 3&#8211;12 are ...

stress-strain-characteristics-of-aluminum

Stress-Strain Characteristics of Aluminum

Source:&#160;Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
Aluminum is one of the most abundant materials ...

an-overview-of-bgdgt-biomarker-analysis-for-paleoclimatology

An Overview of bGDGT Biomarker Analysis for Paleoclimatology

Source: Laboratory of Jeff Salacup&#160;- University of Massachusetts Amherst
Throughout this series of videos, natural samples were extracted and ...

an-overview-of-alkenone-biomarker-analysis-for-paleothermometry

An Overview of Alkenone Biomarker Analysis for Paleothermometry

Properties of minerals (hardness, luster, cleavage, streak, crystal shape, fluorescence, flammability, density/specific gravity, malleability)

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

properties-minerals-hardness-luster-cleavage-streak-crystal-shape

Properties of minerals (hardness, luster, cleavage, streak, crystal shape, fluorescence, flammability, density/specific gravity, malleability)

Crystal Structure Using X-ray Diffraction

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