국소화 된 화학 결합 유형을 기반으로 한 결정 구조의 분류 결정의 모든 원자 사이의 결합이 동일하면 이러한 구조를 동종 구조 (그리스어 Homo - 동일, desmos - 결합)라고합니다. 여러 유형의 화학 결합은 결정에서 실현되며, 이러한 구조는 이종구조(그리스어 이종에서 유래)라고 불립니다. 결정의 물질 입자 배열을 기반으로 5개의 기하학적으로 구별할 수 있습니다. 다른 유형구조 - 구조적 모티프: 조정, 섬, 체인, 레이어 및 프레임.
결정체 내 입자의 가장 가까운 패킹 원자나 분자의 이온으로 이루어진 구조는 내부 에너지가 최소화되어야 하며, 입자 중심 사이의 거리가 최소가 되는 동일한 반경의 볼로 공간을 채우는 방법을 최단접기라 합니다. 패킹 육각형 조밀 패킹은 육각형 패킹으로 층을 순차적으로 쌓아서 얻습니다. 한 레이어에서 동일한 반경의 공은 유일한 방법으로 가능한 한 촘촘하게 배치될 수 있습니다. 각 공은 레이어에서 가장 가까운 6개의 이웃으로 둘러싸여 있으며, 공과 이웃 사이에는 삼각형 공간이 있습니다(레이어 A). 두 번째 조밀하게 채워진 층은 또한 독특한 방식으로 얻을 수 있습니다. (층 B), 각 상부 공은 하부 층에 3개의 동일한 이웃을 갖고, 반대로 각 하부 공은 3개의 상부 공과 접촉합니다. 볼의 육각형 패킹에서 세 번째 레이어는 첫 번째 레이어를 정확히 반복하고 패킹은 2레이어로 밝혀지며 두 레이어 A와 B가 교대로 작성됩니다: AB AB AB. 입방체 볼 패키지에서 세 번째 레이어 (레이어 C)의 볼은 첫 번째 레이어의 공극 위에 위치하며 전체 패키지는 3 레이어이며 문자 지정에서 모티프의 반복은 네 번째 레이어에서 발생합니다. ABC ABC로 쓰여집니다....
밀집된 공간에서는 두 가지 유형의 공극이 구별됩니다. 한 유형의 공극은 4개의 인접한 볼로 둘러싸여 있고, 두 번째 유형의 공극은 6개의 공으로 둘러싸여 있습니다. 네 개의 공의 무게 중심을 연결함으로써 우리는 사면체 공극을 얻습니다. 두 번째 경우에는 팔면체 모양의 공극, 즉 팔면체 공극을 얻습니다. 가장 가까운 패킹을 기반으로 구축된 모든 다양한 구조는 주로 양이온 모티프, 즉 점유된 공극의 유형, 수 및 위치에 의해 결정됩니다. L. Pauling이 제안한 결정 구조 모델링 방법에서 가장 가까운 패킹을 형성하는 구는 항상 음이온에 해당합니다. 이 공의 무게 중심을 선으로 서로 연결하면 밀집된 결정 공간 전체가 간격없이 팔면체와 사면체로 나누어집니다.
감람석(Mg, Fe)2 결정 구조의 xy 평면에 투영된 배위 다면체 - 팔면체 - Mg 및 Fe 원자(M 1 및 M 2) 주변과 Si 원자 주변의 사면체가 식별됩니다.
배위수와 배위다면체(다면체) 결정 구조에서 주어진 입자를 둘러싸는 가장 가까운 이웃의 수를 배위수라고 합니다. 중앙에 입자가 있고, 꼭지점들이 배위환경으로 표현되는 조건부 다면체를 배위다면체라고 한다.
섬 구조는 개별 말단 그룹(종종 분자)으로 구성됩니다. 개별 Cl 분자로 구성된 결정질 염소의 구조에서 두 Cl 원자 사이의 가장 짧은 거리는 공유 결합에 해당하는 반면, 다른 분자의 염소 원자 사이의 최소 거리는 분자간 상호 작용, 즉 반 데르 발스 결합을 반영합니다.
사슬 구조는 중성 사슬과 원자가 포화 사슬로 구성될 수 있습니다. 셀레늄 원자 사이의 결합은 공유 결합이고, 인접한 사슬의 원자 사이에서는 반 데르 발스 결합입니다. 구조상. 나. HCO 3, 수소 결합은 탄산 이온(HCO 3)을 사슬로 배열하며, 그 사이의 연결은 Na+ 이온을 통해 수행됩니다.
원자를 기술하고 묘사하는 방법
결정 구조
크리스탈
구조의 주기성이 가장 크다. 특징적인 성질크리스탈. 주기적인 격자에서는 항상 구별할 수 있습니다. 단위세포, 우주에서 크리스탈 전체의 구조를 쉽게 알 수 있는 방송. 모든 원소나 화합물에 의한 특정 공간 격자의 형성은 주로 원자의 크기와 전자 구성그들의 외부 껍질.
X선 회절 분석 방법이 발견되기 거의 40년 전에 러시아 과학자 E. S. Fedorov는 결정 격자에서 입자의 가능한 배열을 계산했습니다. 다양한 물질 230개의 공간그룹을 제안했다. 기하학적으로 브라베(Bravais) 격자라고 불리는 14개의 서로 다른 공간 격자만이 가능하며 이는 표에 제시된 6개 결정 시스템의 기초입니다. 2.1과 그림. 2.1. 때로는 능면체 또는 삼각 시스템이 고려됩니다(a = b = 와 함께; α = β = γ ≠ 90°)를 독립 7차 시스템으로 표현합니다.
원자가 단위 셀의 꼭지점에만 위치하는 경우 격자를 호출합니다. 원어또는 단순한. 세포의 면이나 부피에 원자가 있는 경우 격자는 복잡해집니다(예: 밑면, 부피 및 면 중심).
결정체는 개별적인 큰 결정(단결정) 형태이거나 다수의 작은 결정(입자) 집합으로 구성될 수 있습니다.
표 2.1
결정계의 공간 격자
| 크리스탈 시스템 | 공간 격자 | 축 각도와 축 단위의 관계 | |
| 1. 삼클리닉 | 나 – 단순하다 | 에이 ≠ 비 ≠ 기음; α ≠ β ≠ γ ≠ 90° | |
| 2. 단사정계 | II – 단순 III – 베이스 중심 | 에이 ≠ 비 ≠ 기음; α = γ = 90°; β ≠ 90° | |
| 3. 마름모꼴 또는 사방정계 | IV – 단순 V – 밑면 중심 VI – 신체 중심 VII – 면 중심 | 에이 ≠ 비 ≠ 기음; α = β = γ = 90° | |
| 4. 육각형 | VIII – 단순 IX – 능면체 | 에이 = 비 ≠ 기음; α = β = 90°; γ = 120° | |
| 5. 정방형 | X – 단순 XI – 신체 중심 | 에이 = 비 ≠ 기음; α = β = γ = 90° | |
| 6. 큐빅 | XII – 단순 XIII – 신체 중심 XIV – 얼굴 중심 | 에이 = 비 = 기음; α = β = γ = 90° |
쌀. 2.1. 브라베 격자
다결정의 경우 각 입자 내에서 원자는 주기적으로 배열되지만 경계면에서 한 입자에서 다른 입자로 이동할 때 입자의 규칙적인 배열이 중단됩니다.
단결정은 특성의 이방성을 특징으로 합니다. 다결정체에서는 대부분의 경우 이방성이 관찰되지 않지만 특수 가공을 통해 결정이 방향성 있게 배열된 질감 있는 재료를 얻을 수 있습니다.
단결정은 이방성이므로 전기적, 기계적 및 기타 특성을 결정할 때 결정의 결정 평면 위치와 방향을 나타내는 것이 필요합니다. 이를 위해 Miller 지수가 사용됩니다.
밀러 지수
평면이 좌표축(격자 주기 단위)에서 세그먼트 OA, OB 및 OS를 잘라내도록 합니다. 그들의 역수 H = 1/OA, K = 1/OB, L = 1/OS를 계산하고 H: K: L = h: k: l과 동일한 비율을 갖는 가장 작은 정수를 결정해 봅시다. 정수(hkl) 인덱스를 평면의 밀러 인덱스라고 합니다.
입방 결정에서 지수(100)는 Y 및 Z 축에 평행한 평면을 나타냅니다. 인덱스 (010) - X 및 Z 축에 평행한 평면, (001) - X 및 Y 축에 평행한 평면. 직교 축이 있는 결정에서 이 평면은 동시에 축에 수직입니다. 각기 엑스, Y 및 Z.
결정의 방향을 지정하기 위해 인덱스는 주어진 방향에 평행한 벡터의 구성 요소로서 서로 관련된 가장 작은 정수 형태로 사용됩니다. 평면 지정과 달리 대괄호 안에 표시됩니다. 입방 결정에서 이러한 방향은 동일한 지수를 갖는 평면에 수직입니다. X축의 양의 방향은 , Y축의 양의 방향은 , Z축의 음의 방향은 , 큐브의 대각선은 , 등으로 표시됩니다. 결정학적 평면과 방향의 지정은 그림 1에 나와 있습니다. 2.2.
동일한 세그먼트를 잘라내지만 다른 팔분원에 위치한 평면은 결정학적 및 물리화학적 측면에서 동일합니다. 그것들은 등가 평면 세트(hkl) 또는 h, k, l이 임의의 순서로 쓰여질 수 있고 인덱스 앞에 마이너스 수에 관계없이 작성될 수 있는 평면 시스템을 형성합니다. 빼기 기호는 색인 위에 기록됩니다.
공간 격자에서 한 방향의 위치는 원점에 가장 가깝고 주어진 방향에 있는 원자의 좌표에 의해 쉽게 결정될 수 있습니다.
일련의 동등한 방향 또는 방향 체계가 지정됩니다.
쌀. 2.2. 결정학적 명칭의 예
입방 결정의 평면과 방향
밀러 지수 사용
문제 해결의 예
예 1. 격자 축에서 세그먼트 A = 1, B = 2, C = - 4를 절단하는 평면의 인덱스를 결정합니다.
세그먼트의 역수 비율은 1/A: 1/B: 1/C = 1/1: 1/2: 1/(-4)입니다. 이 비율을 세 정수의 비율로 곱하고 공통분모 4인 경우 추가 요소는 4와 2가 됩니다. 1/A: 1/B: 1/C = 4: 2:(- 1). 이는 필수 h, k, l입니다. 평면 인덱스(42).
예 2. 평면(023)에 의해 격자 축에서 잘리는 세그먼트를 결정합니다.
평면 지수의 역수 값인 1/0, 1/2, 1/3을 기록합니다. 6이라는 공통 분모를 곱합니다(세그먼트를 정수로 가져옴). 축의 평면에 의해 잘린 세그먼트는 A = , B = 3, C = 2와 같습니다. A = 이므로 이 평면은 x 축과 평행합니다.
다형성
일부 고체는 서로 다른 온도와 압력에서 안정적인 하나가 아닌 두 개 이상의 결정 구조를 형성하는 능력을 가지고 있습니다. 이러한 물질의 성질을 물질이라고 한다. 다형성,해당 결정 구조를 다형성 형태 또는 동소체물질의 변형.
정상 및 저온에서 안정적인 변형은 일반적으로 문자로 표시됩니다. α ; 더 높은 온도에서 안정적인 변형은 그에 따라 문자로 지정됩니다. β , γ 등
다형성은 다음과 같이 널리 퍼져 있습니다. 기술 자료처리 및 운영에 중요합니다.
고전적인 예다형성은 백색 주석의 저온 변형입니다( β -Sn)을 회색( α -Sn), 기술적으로는 "주석 전염병"으로 알려져 있습니다.
실질적인 관심은 탄소의 다형성, 즉 탄소가 다이아몬드나 흑연 형태로 존재한다는 것입니다. 정상적인 조건에서 흑연은 다이아몬드보다 더 안정적인 변형입니다. 그러나 압력이 증가하면 다이아몬드의 안정성은 증가하는 반면 흑연의 안정성은 감소하며 충분히 높은 압력에서는 다이아몬드가 더욱 안정해집니다. 원자의 이동성을 높이기 위해 온도를 높이면 흑연이 다이아몬드로 전환될 수 있습니다. 인공 다이아몬드의 생산은 이 원리에 기초합니다. 소련에서는 그들이 산업 생산 1961년에 시작되었습니다. 합성은 2000°C의 온도에서 약 10 10 Pa의 압력 하에서 수행됩니다. 이렇게 얻은 인공 다이아몬드는 천연 결정보다 강도와 경도가 더 높습니다.
2.1.5. 동형성
동형성- 이것은 화학적으로나 기하학적으로 가까운 원자와 이온 및 그 조합이 결정 격자에서 서로 대체되어 다양한 구성의 결정을 형성하는 특성입니다.
실리콘과 게르마늄의 동형 결정은 연속적인 일련의 치환 고용체를 형성합니다. 이 두 물질은 모두 다이아몬드 구조에서 결정화되며, 게르마늄의 격자 주기는 a = 0.565 nm, 실리콘은 a = 0.542 nm, 주기 차이는 4% 미만이므로 무제한 용해도를 갖는 치환 고용체 형성은 다음과 같습니다. 게르마늄과 실리콘 원자가 다이아몬드 그리드에 위치하는 것이 가능합니다.
혼합 Si-Ge 결정의 동형 계열의 밀도, 격자 매개변수 및 경도는 선형적으로 변합니다. 다양한 동형 구성을 선택함으로써 이들 및 기타 반도체 화합물의 고용체에 대한 작동 온도 범위와 전기적 매개변수를 변경하는 것이 가능합니다.
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쌀. 17. 뼈대 얼음 결정 눈송이
결정질 물질의 물리적 특성은 평행 방향에서 동일하며 물질의 구조에 대한 아이디어는 결정을 구성하는 입자(분자, 원자 또는 이온)가 특정 유한 거리에 위치해야 한다는 것이 경험을 통해 알려져 있습니다. 서로에게서. 이러한 가정을 바탕으로 결정 구조의 기하학적 다이어그램을 구성하는 것이 가능합니다. 이를 위해 각 구성 입자의 위치를 점으로 표시할 수 있습니다. 모든 결정질그런 다음 건물은 공간에 규칙적으로 위치한 점 시스템으로 표현되며 모든 평행선에 대해방향에 따라 점 사이의 거리는 동일합니다. 공간에서 점의 올바른 배열을 호출합니다.
공간 격자, 그리고 각 점이 결정 내의 원자, 이온 또는 분자의 위치를 나타내는 경우 - 결정 격자.
공간 격자의 구성은 다음과 같이 상상할 수 있습니다.
0(그림 18)은 원자나 이온의 중심을 나타낸다. 그것에 가장 가까운 동일한 중심을 점 L로 지정한 다음, 결정의 균질성을 기준으로 거리를 두고 지정합니다. 에 1 에 2 = 에 0 에 1센터가 있어야 해 A2;이 추론을 계속하면 다음과 같은 몇 가지 요점을 얻을 수 있습니다. 에이 0, 에이 1, 에이 2, 에이 3...
가장 가까운 지점을 가정해보자. 0다른 방향으로는 그럴 것이다. R0,그럼 입자가 있어야지 에스 0멀리서 R 0 S 0= 0 아르 자형 0 등, 즉 동일한 포인트의 또 다른 행을 얻습니다. A 0, R 0, S 0...통과된다면 R 0 , 에스 0등 A 0 , A 1 , A 2 에 평행한 선을 그리면 동일한 행을 얻습니다. R0, R1, R2, 에스 0 , 에스 1 , 에스 2 … 등
쌀. 18. 공간 격자
이 구성의 결과로 결정을 구성하는 입자의 중심에 해당하는 노드의 그리드가 얻어졌습니다.
우리가 모든 지점에서 그것을 상상한다면 0시에, Co 등에서는 A 0에서와 동일한 그리드가 복원되고, 이 구성의 결과로 공간 격자가 얻어지며, 이는 어떤 의미에서 결정의 기하학적 구조를 표현하게 됩니다.
크리스탈이란 무엇입니까?
러시아의 위대한 결정학자 E. S. Fedorov가 창안한 공간 격자 이론은 X선을 사용하여 결정 구조를 연구할 때 눈부신 확증을 받았습니다. 이러한 연구는 공간 격자의 그림뿐만 아니라 노드에 위치한 입자 사이의 간격의 정확한 길이도 제공합니다.
쌀. 19. 다이아몬드 구조
입자 배열의 성격과 특성이 다른 여러 유형의 공간 격자가 있음이 밝혀졌습니다. 화학적 성질그들의.
메모 다음 유형공간 격자:
원자 구조 격자. 이 격자의 노드에는 결정 격자를 형성하기 위해 서로 직접 연결되는 물질이나 원소의 원자가 있습니다. 이러한 유형의 격자는 다이아몬드, 아연 혼합물 및 일부 기타 광물에 일반적입니다(그림 19 및 20 참조).
이온 구조 격자. 이 격자 부위에는 이온, 즉 양전하 또는 음전하를 띤 원자가 있습니다.
이온 격자는 비-이온성 격자에 일반적입니다. 유기 화합물, 예를 들어 알칼리 금속 할로겐, 규산염 등.
훌륭한 예는 암염(NaCl) 격자입니다(그림 21). 그 안에는 서로 수직인 세 방향의 나트륨 이온(Na)이 0.28밀리미터 간격으로 염화물 이온(Cl)과 번갈아 가며 나타납니다.
쌀. 20. 아연 블렌드의 구조
유사한 구조를 가진 결정질 물질의 경우 분자 내 원자 사이의 공간은 분자 사이의 공간과 동일하며 분자의 개념 자체가 그러한 결정에 대한 의미를 잃습니다. 그림에서. 각 나트륨 이온은 20개
위, 아래, 오른쪽, 왼쪽, 앞과 뒤, 동일한 거리에 이 "분자"와 이웃 "분자"에 모두 속하는 하나의 염소 이온이 있으며 어느 것인지 말할 수 없습니다. 이들 6개 중 특정 염소 이온은 분자를 구성하거나 기체 상태로 전환 시 하나를 구성하게 됩니다.
위에서 설명한 유형 외에도 노드에 원자나 이온이 포함되지 않고 고립된 전기적으로 중성인 분자를 포함하는 분자 구조 격자가 있습니다. 분자 격자는 특히 다양한 유기 화합물 또는 예를 들어 "드라이 아이스"-결정질 CO 2의 특징입니다.
쌀. 21. 암염의 결정격자
그러한 격자의 구조 단위 사이의 약한("잔류") 결합은 그러한 격자의 낮은 기계적 강도와 낮은 녹는점 및 끓는점을 결정합니다. 결합된 크리스탈도 있습니다. 다양한 유형격자. 어떤 방향에서는 입자의 결합이 이온성(원자가)이고 다른 방향에서는 분자적(잔류) 결합입니다. 이 구조는 서로 다른 방향에서 서로 다른 기계적 강도를 발생시켜 기계적 특성의 급격한 이방성을 유발합니다. 따라서 몰리브덴산염(MoS 2)의 결정은 피나코이드(0001) 방향을 따라 쉽게 쪼개지며 이 광물의 결정에 유사한 구조가 발견되는 흑연 결정과 같은 비늘 모양의 모양을 부여합니다. 수직방향(0001)의 기계적 강도가 낮은 이유는 이온결합. 여기서 격자의 완전성은 분자(잔류) 성질의 결합에 의해서만 유지됩니다.
위에서 언급한 모든 것을 고려하면 수행하기 쉽습니다.한편으로는 비정질 물질의 내부 구조와 다른 한편으로는 결정질 물질의 내부 구조가 평행합니다.
1. 무정형 물질에서는 액체의 부분적 혼돈 상태를 고정한 것처럼 입자가 무질서하게 배열됩니다. 따라서 일부 연구자들은 예를 들어 과냉각 액체를 부릅니다.
2. 결정질 물질에서는 입자가 규칙적인 순서로 배열되어 있으며 공간 격자의 노드에서 특정 위치를 차지합니다.
결정질 물질과 유리질(비정질) 물질의 차이는 규율 있는 물질의 차이와 비교할 수 있습니다. 군부대그리고 흩어진 군중. 당연히 결정 상태는 비정질보다 더 안정적이며, 비정질 물질은 더 쉽게 용해되거나 화학적으로 반응하거나 녹습니다. 천연 물질은 항상 결정 구조를 획득하여 "결정화"하는 경향이 있습니다. 예를 들어 (무정형 실리카) 결국 칼세도니-결정질 실리카로 변합니다.
결정질 상태의 물질은 일반적으로 비정질 형태보다 약간 더 작은 부피를 차지하고 더 높은 비중을 갖습니다. 예를 들어, 조장석 - 비정질 상태의 NaAlSi 3 O 8 조성의 장석은 10 입방 미터를 차지합니다. 단위는 있지만 결정체에는 9개만 있습니다. 1 cm 3결정질 실리카(석영)의 무게는 2.54입니다. G,같은 부피의 유리질 실리카(융합 석영)는 2.22에 불과합니다. G.특별한 경우는 얼음인데, 같은 양을 섭취한 얼음보다 비중이 낮습니다.
결정의 X선 연구 광선
분포 패턴의 이유에 대한 질문 물리적 특성결정질 물질에 대한 질문 내부 구조 M. V.는 1749년 질산염의 예를 사용하여 처음으로 결정을 분리하려고 시도했습니다. 이 문제는 이후에 더욱 광범위하게 발전되었습니다. XVIII 후반다섯. 프랑스의 결정학자 아위(Ahuy). Ayui는 각 물질이 특정한 결정 형태를 가지고 있다고 제안했습니다. 이 입장은 나중에 동형성과 다형성 현상의 발견으로 반박되었습니다. 이러한 현상이 재생됩니다. 큰 역할광물학에 대해서는 잠시 후에 논의하겠습니다.
러시아 결정학자 E. S. Fedorov와 다른 결정학자들의 작업 덕분에 이전 장에서 간략하게 설명했던 공간 격자 이론이 수학적으로 개발되었으며 결정 모양에 대한 연구를 기반으로 가능한 공간 격자 유형이 추론되었습니다. ; 그러나 20세기에 와서야 X선을 이용한 결정 연구 덕분에 이 이론은 실험적으로 테스트되었으며 훌륭하게 확인되었습니다. 많은 물리학자: Laue, Bragg, G.W. Wulf 등은 공간 격자 이론을 사용하여 결정 격자 노드에 어떤 경우에는 원자가 있고 다른 경우에는 분자 또는 이온이 있음을 절대적으로 정확하게 증명했습니다.
1895년 Roentgen이 발견한 그의 이름을 딴 광선은 복사 에너지 유형 중 하나를 나타내며 많은 특성을 가지고 있습니다.빛의 광선과 유사하며, 빛의 파장 길이보다 수천 배 더 짧은 파장만 다릅니다.
쌀. 22. Laue 방법을 사용하여 결정의 X선 회절 패턴을 얻는 방법:
A - X선관; B - 다이어프램; C - 크리스탈; D - 사진 판
1912년에 라우에는 X선의 간섭을 얻기 위해 원자가 공간 격자로 배열된 결정을 회절 격자로 사용했습니다. 그의 연구에서 평행 X선의 좁은 빔(그림 22)이 아연 혼합물 C의 얇은 결정을 통과했습니다.사진 판 D는 광선 빔에 수직으로 배치되었으며, 측면 X선의 직접적인 작용과 납 스크린에 의해 일광으로부터 보호되었습니다.
몇 시간 동안 장시간 노출시킨 후 실험자들은 그림 1과 유사한 사진을 얻었습니다. 23.
원자 크기에 비해 파장이 긴 광선의 경우 공간 격자의 원자 메시가 거의 연속적인 평면 역할을 하며 광선은 결정 표면에서 완전히 반사됩니다. 서로 일정한 거리에 위치한 수많은 원자 네트워크에서 반사되어 같은 방향으로 진행되는 훨씬 짧은 X선은 서로를 약화시키거나 강화시켜 간섭합니다. 그 경로에 놓인 사진 판에, 강화된 광선은 장시간 노출 동안에 자연적으로 검은 점을 생기게 할 것입니다. 내부 구조결정, 즉 원자 네트워크와 그 안에 위치한 개별 원자의 특성을 가지고 있습니다.
특정 결정학적 방향으로 결정에서 절단된 판을 가져와 동일한 실험을 수행하면 X선 이미지에 결정 구조의 대칭에 해당하는 패턴이 표시됩니다.
가장 어두운 점은 밀도가 높은 원자 네트워크에 해당합니다. 원자 박힌 면이 약점을 생성하는 경우는 거의 또는 거의 존재하지 않습니다. 이러한 X-선 이미지의 중심점은 플레이트를 통과하는 X-선에서 얻습니다.
쌀. 23. 4차 축을 따른 암염 결정의 X선 회절
직선 경로를 따라; 나머지 반점은 원자 네트워크에서 반사된 광선을 형성합니다.
그림에서. 도 23은 3도 정도 판을 절단한 암염 결정의 X선 사진이다. mm두껍고 정육면체의 면과 평행하다. 중간에 보이시죠 큰 자리- 중앙 광선의 흔적.
작은 점들의 배열은 대칭적이며 4차 대칭축과 4개의 대칭면이 있음을 나타냅니다.
두 번째 그림(그림 24)은 방해석 결정의 X선 회절 패턴을 보여줍니다. 사진은 3차 대칭축 방향에서 촬영되었습니다. 편지 에 대한 2차 대칭축의 끝이 표시됩니다.
현재 결정질 고체의 구조를 연구하기 위해 다양한 방법이 사용됩니다. 위에서 간략히 설명한 Laue 방법의 본질적인 특징은 통과하는 X선 빔에 대해 정확하게 방향이 지정된 대형 결정만을 사용한다는 것입니다.
큰 결정을 사용할 수 없는 경우에는 일반적으로 "분말법"(Debye-Scherer 방법)을 사용합니다. 이 방법의 가장 큰 장점은 큰 결정이 필요하지 않다는 것입니다. 시험하기 전에 일반적으로 잘게 분쇄된 상태의 시험 물질을 작은 기둥으로 압축합니다. 이 방법은 압축 분말을 연구하는 것뿐만 아니라 결정이 충분히 작은 경우 와이어 형태의 완성된 금속 샘플을 작업하는 데에도 사용할 수 있습니다.
상황에 따라 달라질 수 있음 대량결정의 경우 각 결정의 어느 면에서나 반사가 발생할 수 있습니다. 따라서 "분말법"을 사용하여 얻은 X선 회절 패턴은 일반적으로 연구 대상 물질의 특징을 나타내는 일련의 선을 생성합니다.
결정을 연구하기 위해 X선을 사용한 덕분에 마침내 결정 내부의 분자, 이온 및 원자의 실제 배열 영역을 관통하고 원자 격자의 모양뿐만 아니라 결정 사이의 거리도 결정할 수 있었습니다. 그것을 구성하는 입자.
X-선을 사용하여 결정 구조를 연구하면 주어진 결정을 구성하는 이온의 겉보기 크기를 결정할 수 있습니다. 이온의 반경을 결정하는 방법 또는 일반적으로 말하는 것처럼 이온 반경다음 예에서 분명해질 것입니다. 한편으로는 MgO, MgS 및 MgSe, 다른 한편으로는 MnO, MnS 및 MnSe와 같은 결정에 대한 연구를 통해 다음과 같은 이온 간 거리가 제공되었습니다.
을 위한
MgO -2.10Å MnO - 2.24Å
MgS - 2.60Å 및 MnS - 2.59Å
MgSe - 2.73Å MnSa - 2.73Å,
여기서 Å는 옹스트롬 값을 나타내며 1밀리미터의 천만분의 1에 해당합니다.
주어진 값을 비교하면 MgO 및 MnO 화합물의 이온간 거리에 대해 Mg 및 Mn 이온의 크기가 특정 역할을 한다는 것을 알 수 있습니다. 다른 화합물에서는 S와 Se 이온 사이의 거리가 입력에 의존하지 않는다는 것이 분명합니다.다른 이온이 화합물에 들어가면 S와 Se 이온이 서로 접촉하여 가장 조밀한 이온 패킹을 생성합니다.
쌀. 24. 3차 축 방해석 결정의 X선 회절 패턴
계산 결과 S -2의 이온 반경은 1.84 Å로 나타났습니다.
에이 Se -2 - 1.93 Å의 경우. S-2와 Se-2의 이온 반경을 알면 다른 이온의 이온 반경을 계산할 수 있습니다. 그래서 O 2 는 이온성을 가집니다.
반경은 1.32Å과 같습니다. F -1 - 1.33Å, Na +l -0.98Å, Ca+ 2 - 1.06,
K +1 - 1.33, Mg +2 -0.78Å, Al +3 -0.57Å, Si +4 - 0.39Å 등. 이온 반경의 값은 논의될 동형 및 다형성 문제에서 큰 역할을 합니다. 관련 섹션에서.
광물의 X-선 구조 연구는 광물의 구조와 그 구조 및 구성과 벽개, 굴절률 등과 같은 다른 중요한 특성의 관계를 이해하는 문제 모두에서 현대 광물학을 크게 발전시켰습니다. 광물 연구의 중요성 엑스레이를 사용하는 것은 다음 문구로 완벽하게 표현됩니다. “만약 결정학자가 건물을 외부에서 조사하여 연구할 수 있을 정도로 광물을 알고 있다면, 화학자는 건물을 파괴한 다음 개별적으로 건물을 연구함으로써 이 건물을 이해하려고 노력했습니다. 그 후 처음으로 X선 회절분석을 통해 건물 안으로 들어가 내부 배치와 장식을 관찰할 수 있었습니다."
결정 구조 주제에 관한 기사
물질의 구조 단위 유형에 따라 골격(원자), 금속, 이온 및 분자 구조가 구별됩니다. 결합된 유형의 구조도 있습니다.
안에 액자하나 이상의 원자 구조 화학 원소공유 화학 결합으로 연결됩니다. 결과적으로 특정 구조의 선택은 연결 방향에 따라 결정됩니다. 구조에는 고립된 원자 그룹이 없습니다. 공유 결합 네트워크는 전체 구조에 걸쳐 있습니다. 뼈대 구조를 가진 물질의 가장 유명한 예는 다이아몬드입니다. 다이아몬드의 단위 셀은 그림 1에 나와 있습니다. 8.7. 탄소 원자는 모든 면의 중심인 입방체의 꼭지점에 위치하며, 단위 세포를 나눌 수 있는 8개의 입방체 중 4개의 중심을 엇갈리게 차지하고 있습니다. 세포 내부의 이러한 원자로부터 공유 결합은 꼭지점 중 하나의 탄소 원자와 면의 세 개의 탄소 원자를 향해 사면체 방향으로 향합니다. 모든 탄소 원자 사이의 거리는 154pm입니다. 많은 물질은 다이아몬드와 같은 구조를 가지고 있습니다. 그중에는 실리콘, 탄화규소 SiC, 황화아연(아연 혼합물) ZnS가 있습니다. 이 물질에서는 아연 원자가 단위 셀의 꼭지점과 가장자리에 위치하며, 황 원자는 셀 내부의 자리를 차지합니다. 따라서 전통적으로 염으로 분류되는 이 물질의 구조는 이온성이 아니라 골격입니다.
골격 구조를 가진 물질의 결정은 단일 분자로 간주될 수 있습니다. 이러한 물질은 열 안정성을 나타내며 물에 거의 녹지 않으며 녹는점과 경도가 높습니다.
금속구조는 원자의 배열이 결합의 방향이 아니라 원자 구체의 가장 가까운 패킹 상태에 의해서만 결정된다는 점에서 프레임 구조와 다릅니다. 대부분의 금속은 체심 입방체, 면심 입방체, 육각형 컴팩트의 세 가지 유형의 단위 셀만 특징으로 합니다. 많은 금속 전시 다형성, 가열되면 결정 구조가 변경됩니다.
쌀. 8.7.
세포 내부의 탄소 원자 사이의 결합은 쐐기 형태로 표시됩니다.
이온구조는 반대 부호의 전하를 갖는 교번 이온으로 구성됩니다. 염화나트륨은 이러한 구조를 가지고 있습니다(그림 2.8 참조). 나트륨 이온과 염소 이온의 위치는 완전히 바뀔 수 있습니다. 염소 이온은 세포의 꼭지점과 면의 중심에 위치할 수 있습니다. 그러면 나트륨 이온은 갈비뼈 중앙과 세포 중앙에 있게 됩니다. 반대로 할 수도 있습니다. 모든 이온을 교환하십시오. 이러한 구조는 두 개의 면 중심 격자로 표현될 수 있습니다. 하나는 Na + 이온이 있고 다른 하나는 C1~ 이온이 있으며 큐브 가장자리 길이의 절반만큼 변위하여 서로 삽입됩니다.
특정 이온 구조의 모양은 주로 이온의 전하와 반경의 비율에 따라 달라집니다. 나트륨보다 무거운 알칼리 금속인 염화세슘에서는 양이온의 반경이 크게 증가하여 배위수가 8로 증가합니다. 입방 전지에서 각 세슘 이온은 8개의 염소 이온으로 둘러싸여 있습니다(그림 8.8). 이 구조는 세슘 이온과 염소 이온이 서로 삽입되어 한 유형의 이온이 다른 유형의 이온과 함께 세포 중앙에 위치하도록 형성된 두 개의 입방 격자로 표현될 수도 있습니다.
쌀. 8.8.
이온 구조를 가진 물질은 이온의 상당한 정전기적 인력 에너지로 인해 녹는점이 높다는 특징이 있습니다. 많은 이온성 물질은 물에 잘 녹습니다.
다음과 같은 물질 분자구조는 낮은 용융 온도에서 위에서 논의한 구조와 크게 다릅니다. 그 중에는 액체와 기체도 있습니다. 이러한 물질에 대한 X선 회절 연구를 통해 분자 내부의 원자간 거리가 짧고, 서로 다른 분자에 있는 동일한 원자 사이의 거리가 상당히 긴 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 요오드 결정 1 2 (그림 8.9)에서 분자 내 원자 사이의 거리는 272pm이고, 한 층 내 분자 사이의 거리는 350nm이며, 서로 다른 층에 위치한 원자 사이의 가장 가까운 거리는 397pm입니다.
쌀. 8.9.
다원자 분자로 구성된 물질은 매우 복잡한 구조를 형성합니다. 엑스레이 없이는 구조를 이해하는 것이 불가능합니다. 우리는 이중 나선 구조를 가진 DNA 분자를 떠올릴 수 있습니다. 그들의 구조 결정이 밝혀졌습니다. 새로운 무대생물학의 발전에.
분명히 분자는 특정 원자 집합을 나타내기 때문에 결정 구조의 노드에 위치할 수 없습니다. 그림에서. 8.10은 복합 화합물 |Pt(CN) 2 (NH 3)(NH 2 CH 3)|의 구조를 예시로 보여준다. 단위 셀은 축을 따라 투영된 형태로 표시됩니다. 유.셀 꼭지점은 원자로 채워지지 않습니다. 투영의 측면에서 복합 화합물의 편평한 분자를 볼 수 있습니다. 점선은 착화합물의 서로 다른 분자에 위치한 암모니아 분자 사이의 수소 결합을 보여줍니다. 2차 대칭축은 축과 평행하게 실행됩니다. 유.그 중 하나가 세포의 중심을 통과합니다. 단위 셀의 8개 분자는 축을 따라 두 가지 수준에 위치합니다. 유바둑판 무늬로. 이 예는 분자 구조의 복잡성에 대한 아이디어를 제공합니다.
쌀. 8.10.축을 따라 복합 화합물의 단위 셀 투영와이
고체는 비정질체와 결정체로 구분됩니다. 후자와 전자의 차이점은 결정의 원자가 일정한 법칙에 따라 배열되어 3차원의 주기적인 배열을 형성한다는 점인데, 이를 결정격자라고 한다.
결정의 이름은 그리스 단어 "얼다"와 "차다"에서 유래했으며 호머 시대에 이 단어는 암석 수정을 설명하는 데 사용되었으며 당시에는 "얼음 얼음"으로 간주되었습니다. 처음에 이 용어는 면처리된 투명 구조물만을 설명하는 데 사용되었습니다. 그러나 나중에는 천연 유래의 불투명하고 절단되지 않은 몸체도 결정으로 불리기 시작했습니다.
결정 구조와 격자
이상적인 결정은 소위 결정의 기본 셀이라고 불리는 동일한 구조가 주기적으로 반복되는 형태로 표현됩니다. 일반적으로 이러한 세포의 모양은 비스듬한 평행 육면체입니다.
결정격자와 결정구조 등의 개념을 구분할 필요가 있다. 첫 번째는 공간의 특정 지점의 규칙적인 배열을 묘사하는 수학적 추상화입니다. 결정 구조는 실제 물리적 물체인 반면, 특정 그룹의 원자 또는 분자가 결정 격자의 각 지점과 연관되어 있는 결정입니다.
가넷의 결정 구조 - 마름모와 정십이면체
전자기 및 기계적 성질결정은 단위 셀과 이와 관련된 원자(분자)의 구조입니다.
결정의 이방성
비정질체와 구별되는 결정의 주요 특성은 이방성입니다. 방향에 따라 결정의 성질이 다르다는 뜻이다. 예를 들어, 비탄성(되돌릴 수 없는) 변형은 결정의 특정 평면을 따라 특정 방향으로만 발생합니다. 이방성으로 인해 결정은 방향에 따라 변형에 다르게 반응합니다.
그러나 이방성이 없는 결정도 있습니다.
결정의 종류
결정은 단결정과 다결정으로 나누어진다. 단결정은 결정 구조가 몸 전체에 퍼져 있는 물질입니다. 이러한 몸체는 균질하며 연속적인 결정 격자를 가지고 있습니다. 일반적으로 이러한 결정에는 뚜렷한 절단이 있습니다. 천연 단결정의 예로는 암염, 다이아몬드, 황옥의 단결정, 석영 등이 있습니다.
많은 물질은 결정 구조를 가지고 있지만 일반적으로 결정의 특징적인 모양은 없습니다. 이러한 물질에는 예를 들어 금속이 포함됩니다. 연구에 따르면 이러한 물질은 다수의 매우 작은 단결정(결정립 또는 결정자)으로 구성되어 있습니다. 이처럼 서로 다른 방향의 단결정이 많이 모여 이루어진 물질을 다결정이라고 합니다. 다결정은 절단되지 않은 경우가 많으며 그 특성은 결정 입자의 평균 크기에 따라 달라집니다. 상대 위치, 결정립계의 구조뿐만 아니라. 다결정에는 금속 및 합금, 세라믹, 광물 등의 물질이 포함됩니다.
