Классификация кристаллических структур на основе локализованных в них типах химической связи Если в кристалле связь между всеми атомами одинакова, то такие структуры называют гомодесмическими (от греч. Гомо –одинаковый, десмос –связь) Если в кристалле реализуется несколько типов химической связи, такие структуры называются гетеродесмическими (от греч. гетеро – разные) На основании расположения материальных частиц в кристаллах можно выделить пять геометрически разных типов структур – структурных мотивов: координационный, островной, цепочечный, слоистый и каркасный.
Плотнейшие упаковки частиц в кристаллах Постройка из атомов или ионов молекул должна обладать минимальной внутренней энергией Способ заполнения пространства шарами одинакового радиуса, при котором расстояние между центрами частиц минимальны, называются плотнейшими упаковками Гексагональная плотнейшая упаковка получается при последовательной укладке слоев с гексагональной упаковкой слоев. Шары одинакового радиуса в одном слое максимально плотно можно уложить единственным способом: каждый шар окружен в слое шестью ближайшими соседями, между ним и его соседями имеются треугольные промежутки (слой А). Второй плотно упакованной слой тоже можно получить единственным способом: (слой В), у каждого верхнего шара будут три одинаковых соседа в нижнем слое и, наоборот, каждый нижний шар будет соприкасаться с тремя верхними. В гексагональной упаковке шаров третий слой точно повторяет первый, и упаковка оказывается двухслойной и запишется как чередование двух слоев А и В: АВ АВ АВ. В кубической упаковке шаров шары третьего слоя (слой С) находятся над пустотами первого, вся упаковка трехслойная, повторение мотива наступает в четвертом слое, в буквенном обозначении запишется как АВС АВС ….
В плотноупакованном пространстве можно выделить два типа пустот. Пустоты одного типа окружены четырьмя соседними шарами, а пустоты второго типа шестью. Соединив центры тяжести четырех шаров, получим тетраэдр - тетраэдрическую пустоту, во втором случае получим пустоту в форме октаэдра – октаэдрическую пустоту. Все разнообразие структур, построенных на основе плотнейших упаковок, определяют в основном катионные мотивы, т. е. тип, число и расположение занятых пустот. В методе моделирования кристаллических структур, предложенном Л. Полингом, шары, образующие плотнейшую упаковку, всегда соответствуют анионам. Если соединить центры тяжести этих шаров между собой линиями, то все плотноупакованное кристаллическое пространство разбивается на октаэдры и тетраэдры без промежутков.
Проекция на плоскость хy кристаллической структуры оливина(Mg, Fe)2 Выделены координационные полиэдры – октаэдры – вокруг атомов Mg и Fe (М 1 и М 2) и тетраэдры вокруг атомов Si
Координационные числа и координационные многогранники (полиэдры) Число ближайших соседей, окружающих данную частицу в структурах кристаллов называется координационным числом. Условный многогранник, в центре которого находится частица, а вершины представлены ее координационным окружением называют координационным полиэдром.
Островные структуры состоят из отдельных конечных группировок (часто молекул). В структуре кристаллического хлора, построенной из отдельных молекул Cl кратчайшее расстояние между двумя атомами Cl отвечает ковалентной связи, тогда как минимальное расстояние между атомами хлора из разных молекул отражает межмолекулярное взаимодействие, т. е. ван-дер-ваальсову связь.
Цепочечные структуры могут состоять как из нейтральных, так и из валентно-насыщенных цепочек. Между атомами селена связь ковалентная, а между атомами из соседних цепочек ван-дер-ваальсова. В структуре. Na. HCO 3, водородные связи выстраивают карбонатные ионы (HCO 3)- в цепи, связь между которыми осуществляется через ионы Na+
Способы описания и изображения атомного
Строения кристалла
Кристаллы
Периодичность структуры является наиболее характерным свойством кристаллов. В периодической решетке всегда можно выделить элементарную ячейку , транслируя которую в пространстве легко получить представление о структуре всего кристалла. Образование каким-либо элементом или соединением определенной пространственной решетки в основном зависит от размеров атомов и электронной конфигурации их внешних оболочек.
Русский ученый Е. С. Федоров почти за 40 лет до того, как были найдены методы рентгеноструктурного анализа, рассчитал возможные расположения частиц в кристаллических решетках различных веществ и предложил 230 пространственных гпупп. Геометрически возможны лишь 14 различных пространственных решеток, получивших название решеток Браве и являющихся основой шести кристаллических систем, приведенных в табл. 2.1 и на рис. 2.1. Иногда считают ромбоэдрическую, или тригональную, систему (а = b = с ; α = β = γ ≠ 90°) самостоятельной седьмой системой.
Если атомы расположены только в вершинах элементарной ячейки, то решетка называется примитивной или простой . Если атомы есть и на гранях или в объеме ячейки, то решетка будет сложной (например, базо-, объемо- и гранецентрированной).
Кристаллические тела могут быть в виде отдельных крупных кристаллов - монокристаллов или состоять из совокупности большого числа мелких кристалликов (зерен).
Таблица 2.1
Пространственные решетки кристаллических систем
| Кристалличе- ская система | Пространственная решетка | Соотношение между осевыми углами и осевыми единицами | |
| 1. Триклинная | I – простая | a ≠ b ≠ c ; α ≠ β ≠ γ ≠ 90° | |
| 2. Моноклинная | II – простая III – базоцентрированная | a ≠ b ≠ c ; α = γ = 90°; β ≠ 90° | |
| 3. Ромбическаяили орторомбическая | IV – простая V – базоцентрированная VI – объемноцентрированная VII – гранецентрированная | a ≠ b ≠ c ; α = β = γ = 90° | |
| 4. Гексагональная | VIII – простая IX – ромбоэдрическая | a = b ≠ c ; α = β = 90°; γ = 120° | |
| 5. Тетрагональная | X – простая XI – объемноцентрированная | a = b ≠ c ; α = β = γ = 90° | |
| 6. Кубическая | XII – простая XIII ‑ объемноцентрированная XIV – гранецентрированная | a = b = c ; α = β = γ = 90° |
Рис. 2.1. Решетки Браве
В случае поликристалла в пределах каждого зерна атомы расположены периодически, но при переходе от одного зерна к другому на границах раздела регулярное расположение частиц нарушается.
Монокристаллы характеризуются анизотропией свойств. В поликристаллических телах анизотропия в большинстве случаев не наблюдается, однако с помощью специальной обработки могут быть получены текстурованные материалы с ориентированым расположением кристаллов.
Так как монокристаллы анизотропны, то при определении электрических, механических и других свойств необходимо указывать расположение кристаллографических плоскостей и направления в кристаллах. Для этого используют индексы Миллера.
Индексы Миллера
Пусть плоскость отсекает на осях координат отрезки ОА, ОВ и ОС (в единицах периода решетки). Рассчитаем обратные им величины H = 1/ОА, K = 1/ОВ, L = 1/ОС и определим наименьшие целые числа с таким же соотношением, как H: K: L = h: k: l. Целочисленные (hkl) называются индексами Миллера плоскости.
В кубических кристаллах индексы (100) относятся к плоскости, параллельной осям У и Z; индексы (010) - к плоскости, параллельной осям X и Z, а (001) - к плоскости, параллельной осям X и Y. В кристаллах с ортогональными осями эти плоскости вместе с тем перпендикулярны соответственно осям X , Y и Z.
Для обозначения направлений в кристалле применяют индексы в виде наименьших целых чисел, относящихся между собой как компоненты вектора, параллельного данному направлению. В отличие от обозначения плоскостей их пишут в квадратных скобках. В кубических кристаллах эти направления перпендикулярны плоскости с теми же индексами. Положительное направление оси X обозначают , положительное направление оси Y - , отрицательное направление оси Z - , диагональ куба - и т.д. Обозначения кристаллографических плоскостей и направлений приведены, на рис. 2.2.
Плоскости, отсекающие равные отрезки, но расположенные в других октантах, эквивалентны в кристаллографическом и физико-химическом отношениях. Они образуют совокупность эквивалентных плоскостей – {hkl} или систему плоскостей, у которых h, k, l могут быть записаны в любом порядке и с любым числом минусов перед индексами. Минус записывается над индексом.
Положение направления в пространственной решетке может быть легко определено координатами атома, ближайшего к началу координат и лежащего на данном направлении.
Совокупность эквивалентных направлений или система направлений обозначается
Рис. 2.2. Примеры обозначения кристаллографических
плоскостей и направлений в кубических кристаллах
с помощью индексов Миллера
Примеры решения задач
Пример 1. Определить индексы плоскости, отсекающей на осях решетки отрезки А = 1, В = 2, С = - 4.
Отношения величин, обратных отрезкам, 1/А: 1/В: 1/С = 1/1: 1/2: 1/(-4). Доводим это отношение до отношения трех целых чисел, умножая на общий знаменатель 4, дополнительными множителями будут 4 и 2. 1/А: 1/В: 1/С = 4: 2:(- 1). Это и будут искомые h, k, l. Индексы плоскости (42 ).
Пример 2. Определить отрезки, которые отсекает на осях решетки плоскость (023).
Записываем величины, обратные индексам плоскости: 1/0, 1/2, 1/3. Умножаем на общий знаменатель, равный 6 (доводим отрезки до целых чисел). Отрезки, отсекаемые плоскостью на осях, будут равны А = , В = 3, С = 2. Эта плоскость будет параллельна оси х, так как А = .
Полиморфизм
Некоторые твердые вещества обладают способностью образовывать не одну, а две и более кристаллические структуры, устойчивые при различных температурах и давлениях. Такое свойство материалов называют полиморфизмом, а отвечающие им кристаллические структуры называют полиморфными формами или аллотропными модификациями вещества.
Модификацию, устойчивую при нормальной и более низкой температуре, принято обозначать буквой α ; модификации, устойчивые при более высоких температурах, обозначают соответственно буквами β , γ и т.д.
Полиморфизм широко распространен среди технических материалов и имеет важное значение для их обработки и эксплуатации.
Классическим примером полиморфизма является низкотемпературное превращение белого олова (β -Sn) в серое (α -Sn), известное в технике как «оловянная чума».
Практический интерес представляет полиморфизм углерода - существование его в виде алмаза или графита. В обычных условиях графит является более устойчивой модификацией, чем алмаз. Однако при повышении давления устойчивость алмаза растет, а графита падает, и при достаточно высоких давлениях алмаз становится более устойчивым. Если при этом повысить температуру, чтобы увеличить подвижность атомов, то графит можно перевести в алмаз. На этом принципе основано получение искусственных алмазов. В Советском Союзе их промышленное производство началось в 1961 г. Синтез проводят под давлением порядка 10 10 Па при температуре на уровне 2000 °С. Получаемые таким образом искусственные алмазы имеют более высокую прочность и твердость, нежели природные кристаллы.
2.1.5. Изоморфизм
Изоморфизм – это свойство химически и геометрически близких атомов и ионов и их сочетаний замещать друг друга в кристаллической решетке, образуя кристаллы переменного состава.
Изоморфные кристаллы кремния и германия образуют непрерывный ряд твердых растворов замещения. Оба этих вещества кристаллизуются в структуре алмаза, период решетки германия а = 0,565 нм, кремния а = 0,542 нм, различие в периодах составляет менее 4 %, поэтому возможно образование образование твердых растворов замещения с неограниченной растворимостью, в которых атомы германия и кремния располагаются в узлах алмазной решетки.
Плотность, период решетки, твердость в изоморфном ряду смешанных кристаллов Si – Ge меняются линейно. Подбором различных изоморфных составов удается варьировать области рабочих температур и электрофизические параметры для этих и других твердых растворов полупроводниковых соединений.
Похожая информация.
Рис. 17. Снежинки-скелетные кристаллы льда
Из опыта известно, что в кристаллическом веществе физические свойства одинаковы в параллельных направлениях, а представление о строении веществ требует, чтобы слагающие кристалл частицы (молекулы, атомы или ионы) находились одна от другой на некоторых конечных расстояниях. Исходя из этих предположений, возможно построить геометрическую схему строения кристаллического . Для этого положение каждой слагающей частицы можно отметить точкой. Вся кристаллическая постройка представится тогда системою точек, закономерно расположенных в пространстве, причем для любых параллельных направлений расстояния между точками будут одинаковыми. Такое правильное расположение точек в пространстве называют
пространственной решеткой, а если каждая точка представляет положение атома, иона или молекулы в кристалле - кристаллической решеткой.
Построение пространственной решетки можно себе представить следующим образом.
А 0 (рис. 18) обозначает центр атома или иона. Пусть ближайший к ней такой же центр обозначается точкой Ль тогда, на основании однородности кристаллического , на расстоянии А 1 А 2 = А 0 А 1 должен находиться центр А 2 ; продолжая это рассуждение далее, можно получить ряд точек: А 0 , А 1 , А 2 , А 3 …
Положим, что ближайшая точка к А 0 в другом направлении будетR 0 , тогда должна существовать частица S 0 на расстоянии R 0 S 0 = Л 0 R 0 и т. д., т. е. получится другой ряд одинаковых точекА 0 , R 0 , S 0 … Если через R 0 , S 0 и т. п. провести линии, параллельные A 0 , A 1 , A 2 , получатся одинаковые ряды R 0 , R 1 , R 2 , S 0 , S 1 , S 2 … и т. д
Рис. 18. Пространственная решетка
Врезультате сделанного построения получилась сетка, узлыкоторой соответствуют центрам частиц, слагающих кристалл.
Если представить себе, что в каждой точке В 0, Со и т. д. восстановлена такая же сетка, как и в A 0 , в результате этого построения получится пространственная решетка, которая в известном смысле и будет выражать геометрическое строение кристаллического .
Кристаллы это что
Теория пространственных решеток, созданная великим русским кристаллографом Е. С. Федоровым, получила блестящее подтверждение при исследовании структуры кристаллов посредством рентгеновских лучей. Эти исследования дают не только картины пространственных решеток, но и точные длины промежутков между частицами, находящимися в их узлах.
Рис. 19. Структура алмаза
При этом выяснилось, что существует несколько типов пространственных решеток, отличающихся как характером расположения частиц, так и химической природой их.
Отметим следующие типы пространственных решеток:
Атомные структурные решетки. В узлах этих решеток расположены атомы каких-либо веществ или элемента, соединяющиеся непосредственно между собою в кристаллическую решетку. Такого типа решетка характерна для алмаза, цинковой обманки и некоторых других минералов (см. рис. 19 и 20).
Ионные структурные решетки. В узлах этих решеток расположены ионы, т. е. атомы, имеющие положительный или отрицательный заряд.
Ионные решетки обычны для неорганических соединений, например галогенов щелочных металлов, силикатов и пр.
Прекрасным примером является решетка каменной соли (NaCl) (рис. 21). В ней ионы натрия (Na) по трем взаимно перпендикулярным направлениям чередуются с ионами хлора (Сl) через промежутки, равные 0,28 миллимикрона.
Рис. 20. Структура цинковой обманки
В кристаллических веществах с подобной структурой промежутки между атомами в молекуле равны промежуткам между молекулами, и само понятие молекулы теряет смысл для таких кристаллов. На рис. 20 каждый ион натрия имеет
сверху, снизу, справа, слева, спереди и сзади на равных от него расстояниях по одному иону хлора, которые принадлежат как к данной «молекуле», так и к соседним «молекулам», и нельзя сказать, с каким именно ионом хлора из этих шести составляет молекулу или составлял бы ее при переходе в газообразное состояние.
Кроме описанных выше типов, существуют молекулярные структурные решетки, в узлах которых находятся не атомы или ионы, а обособленные, электрически нейтральные молекулы. Молекулярные решетки особенно характерны для различных органических соединений или, например, для «сухого льда» - кристаллической СO 2 .
Рис. 21. Кристаллическая решетка каменной соли
Слабые («остаточные») связи между структурными единицами таких решеток обусловливают малую механическую прочность подобных решеток, их низкие температуры плавления и кипения. Существуют и такие кристаллы, в которых сочетаются различные типы решеток. В одних направлениях связи частиц являются ионными (валентными), а в других молекулярными (остаточными). Такое строение приводит к различной механической прочности в разных направлениях, обусловливая резкую анизотропию механических свойств. Так, кристаллы молибденита (MoS 2) легко раскалываются по направлению пинакоида (0001) и придают кристаллам этого минерала чешуйчатый облик, подобно кристаллам графита, где обнаруживается сходная структура. Причиной малой механической прочности в направлении перпендикулярном (0001) является отсутствие в этом направлении ионных связей. Целостность решетки здесь удерживается только связями молекулярного (остаточного) характера.
Принимая во внимание все изложенное выше, легко провести параллель между внутренней структурой аморфного вещества, с одной стороны, и кристаллического, с другой:
1.В аморфном веществе частицы располагаются в беспорядке, как бы закрепляя частично хаотическое состояние жидкости; поэтому некоторые исследователи называют , например , переохлажденными жидкостями.
2.В кристаллическом веществе частицы располагаются в стройном порядке и занимают определенное положение в узлах пространственной решетки.
Различие между кристаллическим и стекловатым (аморфным) веществом можно сравнить с тем различием, которое имеется между дисциплинированной воинской частью и рассеянной толпой. Естественно, что кристаллическое состояние более устойчиво, чем аморфное, и аморфное вещество будет легче растворяться, химически реагировать или плавиться. Природные всегда имеют тенденцию приобретать кристаллическое строение, «раскристаллизовываться», например (аморфный кремнезем) со временем переходит в халцедон - кристаллический кремнезем.
Вещество в кристаллическом состоянии обычно занимает несколько меньший объем, чем в аморфном виде, и имеет больший удельный вес; например альбит - полевой шпат состава NaAlSi 3 O 8 в аморфном состоянии занимает 10 куб. единиц, а в кристаллическом-только 9; 1 см 3 кристаллического кремнезема (кварца) весит 2,54 г, а такой же объем стекловатого кремнезема (сплавленного кварца) - только 2,22 г. Особый случай представляет лед, имеющий меньший удельный вес, чем , взятая в том же количестве.
ИССЛЕДОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ РЕНТГЕНОВСКИМИ ЛУЧАМИ
Вопрос о причинах закономерности в распределении физических свойств в кристаллическом веществе, вопрос о внутренней структуре кристаллов впервые пытался разрешить М. В. в 1749 г. на примере селитры. Этот вопрос затем был более широко разработан уже в конце XVIII в. французским кристаллографом Аюи. Аюи высказал предположение, что каждому веществу свойственна определенная кристаллическая форма. Это положение было в дальнейшем опровергнуто обнаружением явлений изоморфизма и полиморфизма. Указанные явления, играющие большую роль в минералогии, будут рассмотрены нами несколько позже.
Благодаря работам русского кристаллографа Е. С. Федорова и некоторых других кристаллографов, теория пространственных решеток, кратко изложенная в предыдущей главе, была разработана математически, и на основании исследования формы кристаллов были выведены возможные типы пространственных решеток; но только в XX в., благодаря исследованию кристаллов рентгеновскими лучами, эта теория была проверена на опыте и блестяще подтвердилась. Целому ряду физиков: Лауэ, Брэггам, Г. В. Вульфу и др. удалось, используя теорию пространственных решеток, доказать совершенно точно, что в узлах кристаллических решеток находятся в одних случаях атомы, а в других молекулы или ионы.
Открытые Рентгеном в 1895 г. лучи, носящие его имя, представляют один из видов лучистой энергии и по многим свойствам напоминают лучи света, отличаясь от них только длиной волны, которая в несколько тысяч раз меньше длины световых волн.
Рис. 22. Схема получения рентгенограммы кристалла по методу Лауэ:
А - рентгеновская трубка; В - диафрагма; С - кристалл; D - фотопластинка
В 1912 г. Лауэ воспользовался кристаллом, где атомы расположены по пространственной решетке, как дифракционной решеткой для получения интерференции рентгеновских лучей. В поставленном им исследовании узкий пучок параллельных рентгеновских лучей (рис. 22) пропускался через тонкий кристалл цинковой обманки С. На некотором расстоянии от кристалла и пер пендикулярно к пучку лучей была помещена фотографическая пластинка D, защищенная от непосредственного действия боковых рентгеновских лучей и от дневного света свинцовыми экранами.
При продолжительной выдержке в течение нескольких часов экспериментаторы получили картину, сходную с рис. 23.
Для световых лучей, обладающих сравнительно с размерами атомов большой длиной волны, атомные сетки пространственной решетки играют роль практически сплошных плоскостей, и световые лучи полностью отражаются от поверхности кристалла. Гораздо более короткие рентгеновские лучи, отраженные от многочисленных атомных сеток, расположенных на определенных расстояниях друг от друга, идя по одному и тому же направлению, будут интерферировать, то ослабляя, то усиливая друг друга. На фотографической пластинке, поставленной на их пути, усиленные лучи дадут при продолжительной экспозиции черные пятна, расположенные закономерно, в тесной связи с внутренним строением кристалла, т. е. с его атомной сеткой и с особенностями расположенных в ней отдельных атомов.
Если взять пластинку, вырезанную из кристалла в определенном кристаллографическом направлении, и произвести с ней тот жеопыт, то на рентгенограмме будет виден узор, соответствующий симметрии строения кристалла.
Более плотным атомным сеткам соответствуют наиболее темные пятна. Редко усаженные атомами грани дают слабые точки или почти не дают их. Центральное пятно на такой рентгенограмме получается от рентгеновских лучей, прошедших через пластинку
Рис. 23. Рентгенография кристалла каменной соли по оси 4-го порядка
по прямому пути; остальные пятна образуют лучи, отраженные от атомных сеток.
На рис. 23 изображена рентгенофотография кристалла каменной соли, из которого была вырезана пластинка около 3 мм толщиной, параллельная грани куба. Посредине видно большое пятно - след центрального пучка лучей.
Расположение мелких пятен симметрично и указывает на существование оси симметрии 4-го порядка и четырех плоскостей симметрии.
Вторая иллюстрация (рис. 24) изображает рентгенограмму кристалла кальцита. Снимок сделан в направлении оси симметрии 3-го порядка. Буквами О обозначены концы осей симметрии 2-го порядка.
В настоящее время для исследования структуры кристаллических тел пользуются разными методами. Существенной особенностью метода Лауэ, кратко описанного выше, является применение только крупных кристаллов, точно ориентированных по отношению к проходящему пучку рентгеновских лучей.
При невозможности пользоваться крупными кристаллами обычно применяется «метод порошков» (метод Дебая-Шерера). Громадное преимущество этого метода в том, что для него не требуется крупных кристаллов. Перед исследованием испытуемое вещество в тонко измельченном состоянии обычно спрессовывается в небольшой столбик. Этим методом можно исследовать не только спрессованные порошки, но и вести работу над готовыми образцами металлов в виде проволоки, если кристаллики их достаточно мелки.
При наличии большого количества кристаллов отражение может произойти от любой грани каждого кристалла. Поэтому на рентгенограмме, полученной по «методу порошков», обычно получается ряд линий, дающих характеристику исследуемого вещества.
Благодаря применению рентгеновских лучей для исследования кристаллов, наконец, была получена возможность проникнуть в область действительного расположения молекул, ионов и атомов внутри кристаллов и определить не только форму атомной решетки, но и расстояния между частицами, ее составляющими.
Изучение структуры кристаллов при помощи рентгеновских лучей позволило определить кажущиеся размеры ионов, входящих в состав данного кристалла. Метод определения величины радиуса иона или, как обычно говорят, ионного радиуса будет ясен из следующего примера. Исследование такого рода кристаллов как MgO, MgS и MgSe, с одной стороны, и MnO, MnS и MnSe, с другой, дало следующие межионные расстояния:
Для
MgO -2,10 Å МnО - 2,24 Å
MgS - 2,60 Å и MnS - 2,59 Å
MgSe - 2,73 Å MnSa - 2,73 Å,
где Å-обозначает величину „ангстрем», равную одной десятимиллионной миллиметра.
Сравнение приведенных величин показывает, что для межионного расстояния в соединениях MgO и МnО размеры ионов Mg и Мn Играют некоторую роль. В других же соединениях видно, что расстояния между ионами S и Se не зависит от входя щего в соединения другого иона, и ионы S и Se соприкасаются между собою, создавая плотнейшую упаковку ионов.
Рис. 24. Рентгенограмма кристалла кальцита на оси 3-го порядка
Вычисление дает для S -2 ионный радиус, равный 1,84 Å,
а для Se -2 - 1,93 Å. Зная ионные радиусы S -2 и Se -2 , можно вычислить и ионные радиусы других ионов. Так О 2 имеет ионный
радиус, равный 1,32Å. F -1 - 1,33Å, Na +l -0,98Å, Са+ 2 - 1,06,
К +1 - 1,33, Mg +2 -0,78Å, Аl +3 -0,57Å, Si +4 - 0,39Å и т. д. Величина ионного радиуса играет большую роль в вопросах изоморфизма и полиморфизма, что и будет рассмотрено в соответствующих разделах.
Рентгеноструктурное изучение минералов сильно продвинуло вперед современную минералогию, как в вопросах понимания строения минералов, так и связи их строения и состава с другими важными свойствами, как спайность, показатель преломления и др. Значение исследования минералов рентгеновскими лучами прекрасно выражается следующей фразой: «Если кристаллографы познавали минерал в той мере, в какой можно изучить здание, осматривая его снаружи, а химики пытались познать это здание, разрушив его и затем изучая в отдельности входившие в его состав материалы, то рентгеноструктурный анализ впервые позволил нам войти в здание и обозревать его внутреннее расположение и убранство».
Статья на тему Структура кристаллов
В зависимости от вида структурных единиц вещества различают каркасные (атомные), металлические, ионные и молекулярные структуры. Встречаются и комбинированные типы структур.
В каркасной структуре атомы одного или нескольких химических элементов связаны ковалентными химическими связями. Вследствие этого выбор определенной структуры диктуется направленностью связей. В структуре отсутствуют изолированные группы атомов, т.е. сетка ковалентных связей охватывает всю структуру. Наиболее известным примером вещества с каркасной структурой является алмаз. Элементарная ячейка алмаза представлена на рис. 8.7. Атомы углерода расположены в вершинах кубической ячейки, центрах всех граней и в шахматном порядке занимают центры четырех из восьми кубиков, на которые можно разбить элементарную ячейку. От этих атомов внутри ячейки ковалентные связи тетраэ- дрически направлены к атому углерода в одной из вершин и трем атомам углерода на гранях. Расстояния между всеми атомами углерода 154 пм. Алмазоподобные структуры имеют многие вещества. Среди них кремний, карбид кремния SiC, сульфид цинка (цинковая обманка) ZnS. В этом веществе атомы цинка находятся в вершинах и на гранях элементарной ячейки, а атомы серы занимают места внутри ячейки. Таким образом, структура этого вещества, по традиции причисляемого к солям, не ионная, а каркасная.
Кристалл вещества с каркасной структурой может рассматриваться как единая молекула. Такие вещества проявляют термическую устойчивость, практически не растворимы в воде, имеют высокие температуры плавления и твердость.
Металлическая структура отличается от каркасной тем, что расположение атомов определяется не направленностью связей, а только условием плотнейшей упаковки атомных сфер. Для большинства металлов характерны лишь три разновидности элементарных ячеек - объемно-центрированная кубическая, гранецентрированная кубическая и гексагональная компактная. Многие металлы проявляют полиморфизм , изменяя кристаллическую структуру при нагревании.
Рис. 8.7.
в виде клиньев показаны связи между атомами углерода внутри ячейки
Ионная структура строится из чередующихся ионов с противоположными по знаку зарядами. Такого типа структуру имеет хлорид натрия (см. рис. 2.8). Положения ионов натрия и хлора полностью взаимозаменяемы. В вершинах ячейки и центрах граней можно поместить ионы хлора. Тогда ионы натрия окажутся на серединах ребер и в центре ячейки. Можно поступить наоборот, т.е. все ионы поменять местами. Такую структуру можно представить как две гранецентрированные решетки - одна с ионами Na + и другая с ионами С1~, - вставленные одна в другую со смещением на половину длины ребра куба.
Возникновение той или иной ионной структуры зависит главным образом от зарядов ионов и соотношения их радиусов. В хлориде цезия, более тяжелого щелочного металла, чем натрий, значительно увеличен радиус катиона, вследствие чего его координационное число повышается до восьми. В кубической ячейке каждый ион цезия окружен восемью ионами хлора (рис. 8.8). Эту структуру тоже можно представить как две кубические решетки, образованные ионами цезия и ионами хлора, вставленные одна в другую так, что ион одного вида оказывается в центре ячейки с ионами другого вида.
Рис. 8.8.
Вещества с ионной структурой характеризуются высокими температурами плавления вследствие значительной энергии электростатического притяжения ионов. Многие ионные вещества хорошо растворимы в воде.
Вещества с молекулярными структурами резко отличаются от рассмотренных выше низкими температурами плавления. Именно среди них имеются жидкости и газы. При рентгеноструктурном исследовании таких веществ обнаруживаются короткие межатомные расстояния внутри молекул и значительно удлиненные расстояния между такими же атомами в разных молекулах. Например, в кристаллах иода 1 2 (рис. 8.9) расстояние между атомами в молекуле - 272 пм, расстояние между молекулами в слое - 350 нм, а ближайшее расстояние между атомами, находящимися в разных слоях, - 397 пм.
Рис . 8.9.
Вещества, состоящие из многоатомных молекул, образуют весьма сложные структуры. Без рентгеновского исследования понять их строение было бы просто невозможно. Можно напомнить о молекулах ДНК, имеющих двойную спиральную структуру. Определение их структуры открыло новый этап в развитии биологии.
Очевидно, что молекула не может находиться в узле кристаллической структуры, так как представляет собой некоторую совокупность атомов. На рис. 8.10 в качестве примера приведена структура комплексного соединения |Pt(CN) 2 (NH 3)(NH 2 CH 3)|. Элементарная ячейка представлена в виде проекции вдоль оси У. Вершины ячейки не заняты атомами. Плоские молекулы комплексного соединения на проекции видны сбоку. Пунктиром показаны водородные связи между молекулами аммиака, находящимися в разных молекулах комплексного соединения. Оси симметрии второго порядка проходят параллельно оси У. Одна из них проходит через центр ячейки. Восемь молекул, находящихся в элементарной ячейке, располагаются на двух уровнях по оси У в шахматном порядке. Этот пример дает представление о сложности молекулярных структур.
Рис. 8.10. Проекция элементарной ячейки комплексного соединения вдоль оси Y
Твердые тела разделяют на аморфные тела и кристаллы. Отличие вторых от первых состоит в том, что атомы кристаллов располагаются согласно некоторому закону, образуя тем самым трехмерную периодическую укладку, что называется – кристаллическая решетка.
Примечательно, что название кристаллов происходит от греческих слов «застывать» и «холод», и во времена Гомера этим словом называли горный хрусталь, который тогда считался «застывшим льдом». Сперва данным термином называли лишь ограненные прозрачные образования. Но позже, кристаллами стали звать также непрозрачные и не ограненные тела природного происхождения.
Кристаллическая структура и решетка
Идеальный кристалл представляется в виде периодически повторяющихся одинаковых структур – так называемых элементарных ячеек кристалла. В общем случае, форма такой ячейки – косоугольный параллелепипед.
Следует различать такие понятия как кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Первая – это математическая абстракция, изображающая регулярное расположение неких точек в пространстве. В то время как кристаллическая структура – это реальный физический объект, кристалл, в котором с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов или молекул.
Кристаллическая структура граната — ромб и додекаэдр
Основным фактором, определяющим электромагнитные и механические свойства кристалла, является строение элементарной ячейки и атомов (молекул), связанных с ней.
Анизотропия кристаллов
Главное свойство кристаллов, отличающее их от аморфных тел – это анизотропия. Это означает, что свойства кристалла различны, в зависимости от направления. Так, например, неупругая (необратимая) деформация осуществляется лишь по определенным плоскостям кристалла, и в определенном направлении. В связи с анизотропией кристаллы по-разному реагируют на деформацию в зависимости от ее направления.
Однако, существуют кристаллы, которые не обладают анизотропией.
Виды кристаллов
Кристаллы разделяют на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллами называют вещества, кристаллическая структура которых распространяется на все тело. Такие тела являются однородными и имеют непрерывную кристаллическую решетку. Обычно, такой кристалл обладает ярко выраженной огранкой. Примерами природного монокристалла являются монокристаллы каменной соли, алмаза и топаза, а также кварца.
Немало веществ имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной для кристаллов формы. К таким веществам относятся, например, металлы. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого количества очень маленьких монокристаллов — кристаллических зерен или кристаллитов. Вещество, состоящее из множества таких разноориентированных монокристаллов, называется поликристаллическим. Поликристаллы зачастую не имеют огранки, а их свойства зависят от среднего размера кристаллических зерен, их взаимного расположения, а также строения межзеренных границу. К поликристаллам относятся такие вещества как металлы и сплавы, керамики и минералы, а также другие.
