Кристалічні решітки

Отже, кристалічна структура характеризується правильним (регулярним) розташуванням частинок в суворо визначених місцях у кристалі. При уявному поєднанні цих точок лініями виходять просторовий каркас, який називають кристалічною решіткою. Точки, в яких розміщені частинки, називаються вузлами кристалічної решітки. Як ми вже знаємо, у вузлах можуть перебувати іони, атоми або молекули. Ці частинки коливаються в вузлах решітки біля свого положення рівноваги. Якщо кристал нагрівати, амплітуда (розмах) коливань зростає і кристалічне тіло розширюється.

До кожній частці, що знаходиться в кристалі, примикає впритул тільки певне число сусідніх частинок. Це число найближчих сусідніх частинок називається координаційним числом.

Наприклад, в металевому кристалі натрію (повторюємо тут рис. 3-13 з попереднього параграфа) кожен іон натрію оточений вісьмома найближчими сусідами – на малюнку це особливо добре видно по атому, який поміщений в центр куба. Але в металі всі атоми натрію рівноцінні і мають однакове оточення. Таким чином, координаційне число натрію в металевому кристалі дорівнює 8. Точно таке ж координаційне число у іонів цезію та хлору в кристалі CsCl. Кристал CsCl побудований як би з вкладених один в одного кубиків двох різних сортів. Наприклад, можна намалювати кубик з вершинами з іонів цезію, і тоді в центрі виявиться іон хлору (як на рис. 3-20). Але якщо ви представите 8 іонів хлору і подумки з’єднайте їх лініями, то вийде кубик з вершинами з іонів хлору, в центрі якого опиниться іон цезію. Найчастіше кристалічні решітки зображують таким чином, щоб показати тільки взаємне розташування частинок, але не їх розміри. Якщо продовжити малювання кристалічної решітки CsCl, то виявиться, що вона складається з повторюваних однакових структурних одиниць – ” цеглинок “. Така структурна одиниця називається елементарною клітинкою.

Щоб правильно намалювати елементарну комірку, треба помістити в її центр будь-яку частку і розташувати навколо неї тільки найближчі сусідні частинки згідно з координаційним числом. Недосвідчений хімік (але не ми !) При розгляданні елементарної комірки кристала CsCl (рис. 3-20) може прийти до висновку, що в з’єднанні на один атом цезію припадає 8 атомів хлору (або навпаки, якщо намалювати клітинку з атомом хлору в середині). Але ми з вами знаємо, що це не так: у з’єднанні CsCl співвідношення цезію і хлору 1:1, а елементарна осередок служить для опису структурних особливостей кристала, а не складу з’єднання.

Для кристала NaCl, де координаційне число 6 як для катіона, так і для аніона, елементарна осередок виглядатиме інакше (рис. 3-21). Кожній елементарній комірці відповідає свій спосіб щільної упаковки. Елементарній комірці NaCl відповідає гранецентрована кубічна упаковка, а розглянутої вище комірці кристала CsCl – об’емноцентрірованная кубічна упаковка. Назви упаковок говорять самі за себе: у гранецентрированной є частка в центрі кожної грані куба, а у об’емноцентрірованной – частка перебуває в центрі куба.

Існують і інші способи щільної упаковки. Цікаво, що види щільних упаковок і елементарних осередків універсальні, тобто можуть зустрічатися в будь-яких кристалах – іонних, молекулярних і т.д. Від способу щільної упаковки залежить форма кристала. А колір, міцність, температура плавлення і багато інших фізичні властивості залежать від частинок, які складають кристалічну решітку і способу їх зв’язування один з одним.

Це породжує різноманіття форм кристалів, які нерідко дуже красиві. Щоб кристал ” показав ” свою справжню форму, він повинен бути монокристалом – тобто одним кристалом, у всьому обсязі якого кристалічна решітка не має дефектів. Більшість кристалів, з якими ми стикаємося в побуті (кухонна сіль) – це полікрісталли, тобто безліч зрощених дрібних кристалів, які за зовнішнім виглядом іноді важко відрізнити від звичайного порошку якогось аморфного (Не кристалічного) з’єднання. У гірських мінералах монокристали зустрічаються тому, що природа мала достатньо часу для вирощування таких кристалів буквально по ” частинці ” – з розплавів або розчинів глибоко в надрах Землі, де температура, тиск і інші зовнішні умови змінювалися дуже повільно. На фотографії ви бачите декілька зрощених монокристалів гірського кришталю.

Світ кристалів настільки красивий, що навіть зазвичай стримані вчені- хіміки іноді описують його НЕ сухою мовою наукових статей, а скоріше поетичними категоріями. Подивіться, з яким захопленням пише про будову кристалів норвезька хімік Юхан Фогт:

” Уявіть собі двісті чудових скрипалів, що грають одну й ту ж п’єсу на прекрасно налаштованих інструментах, але не в унісон. Результат буде не з приємних, і навіть людина з хорошим слухом не зрозуміє, що вони грають. Аналогічну музику видають молекули газів, рідин і звичайних твердих тіл… На відміну від цього кристал подібний оркестру, керованому блискучим диригентом; за рухами диригента стежать очі всіх музикантів, і всі змички коряться кожному помахом його руки… Для мене музика фізичних законів звучить найповнішим і сильним акордом саме в галузі науки про кристалах “.

Посилання на основну публікацію