11.14: Struktury ciał stałych

Ciała stałe, w których atomy, jony lub cząsteczki są ułożone w określony, powtarzający się wzór, nazywane są ciałami stałymi krystalicznymi. Metale i związki jonowe zazwyczaj tworzą uporządkowane, krystaliczne ciała stałe. Krystaliczne ciało stałe ma precyzyjną temperaturę topnienia, ponieważ każdy atom lub cząsteczka tego samego typu jest utrzymywana w miejscu z tymi samymi siłami i energią. Amorficzne ciała stałe lub niekrystaliczne ciała stałe (lub czasami szkła), nie mające uporządkowanej struktury wewnętrznej i rozmieszczone losowo. Substancje składające się z dużych cząsteczek lub mieszaniny cząsteczek, których ruchy są bardziej ograniczone, często tworzą amorficzne ciała stałe. Materiał amorficzny ulega stopniowemu mięknięciu w pewnym zakresie temperatur ze względu na strukturalną nierównoważność cząsteczek. Kiedy materiał amorficzny jest podgrzewany, najpierw pękają najsłabsze przyciągania międzycząsteczkowe. W miarę dalszego wzrostu temperatury silniejsze atrakcje zanikają.

Komórka Jednostkowa

Strukturę ciała krystalicznego najlepiej opisuje jego najprostsza powtarzalna jednostka, zwana komórką elementarną. Komórka elementarna składa się z punktów sieci, które reprezentują położenie atomów lub jonów. Cała struktura składa się wówczas z tej komórki elementarnej powtarzającej się w trzech wymiarach, jak pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Komórka elementarna i sieć krystaliczna z punktami sieci zaznaczonymi na czerwono.

Ogólnie rzecz biorąc, komórka elementarna jest definiowana przez długości trzech osi (a, b i c) oraz kąty (α, β i γ) między nimi, jak pokazano na rysunku 2. Osie definiuje się jako długości pomiędzy punkty w siatce przestrzennej.

Rysunek 2. Komórka elementarna jest definiowana przez jej osie (a, b i c) oraz kąty (α, β i γ)

Istnieje siedem różnych systemów sieci, z których niektóre mają więcej niż jeden typ sieci, co daje w sumie czternaście różnych komórek elementarnych.

Ciała stałe są klasyfikowane jako amorficzne lub krystaliczne na podstawie ich trójwymiarowej struktury wewnętrznej.

Amorficzne ciała stałe, takie jak stopione szkło krzemionkowe, nie mają uporządkowanego wewnętrznego układu swoich cząstek składowych, podczas gdy krystaliczne ciała stałe, takie jak kwarc, mają swoje cząstki składowe ułożone w powtarzający się trójwymiarowy wzór w całym ciele stałym.

Struktura krystalicznego ciała stałego jest reprezentowana przez komórkę elementarną, która jest najmniejszą powtarzającą się jednostką struktury krystalicznej, która zachowuje symetrię struktury.

Ogólny trójwymiarowy wzór jest znany jako sieć krystaliczna, która składa się z punktów sieci i wektorów sieci. Wektory kraty wyznaczają krawędzie komórki elementarnej, a punkty kraty mogą znajdować się w rogach, na powierzchniach lub w środku komórki elementarnej.

Systemy kratowe są definiowane przez wymiary komórki elementarnej. Istnieje 7 rodzajów układów kratowych: sześcienny, czworokątny, rombowy, romboidalny, jednoskośny, trójskośny i sześciokątny.

Położenie atomów w komórce elementarnej niekoniecznie jest takie samo jak położenie punktów sieci. Wzór atomów w komórce elementarnej lub motywie jest często definiowany w kategoriach położenia atomów względem danego punktu sieci.

Liczba atomów w komórce elementarnej odzwierciedla wydajność pakowania ciała stałego lub ilość jego objętości zajmowanej przez atomy, a nie przestrzeń między nimi. Większa liczba atomów w komórce elementarnej na ogół odpowiada bardziej wydajnemu upakowaniu.

Atomy przypisane do komórki elementarnej nie mogą być w całości zawarte w komórce. Jednym ze sposobów liczenia tych atomów cząstkowych jest traktowanie każdego atomu na rogu jako jednej ósmej atomu, a każdego atomu na powierzchni jako połowy atomu.

Alternatywnie, jeśli komórka elementarna ma atom w każdym rogu, jeden jest przypisywany do komórki elementarnej, a pozostałe siedem jest ignorowanych. Jeśli komórka elementarna ma atom na każdej z dwóch ścian, jedna jest przypisywana do komórki elementarnej, a druga jest ignorowana.