Kristalna struktura

Kristalna struktura je karakteristika čvrstih tela, koja je određena pravilnom strukturom čestica od kojih je telo građeno. Ovakva čvrsta tela čiji su atomi ili atomske grupe pravilno prostorno raspoređene nazivamo kristalima. Pravilnosti prostorne raspoređenosti atoma se izražavaju i kod eksternih osobina kristala, npr. kod kristala natrijum hlorida (kuhinjske soli). Vidljivo je da svaki kristal natrijum hlorida predstavlja gotovo savršenu kocku. U ovom slučaju se ta pravilnost proteže na veliki deo, odnosno na celi komad ispitivanog materijala, pa se ta osobona naziva makrokristalnošću, a materijal - monokristal. U protivnom slučaju tj. kada se pravilnost proteže na malu oblast materijala, tada kristalnost postoju u malim razmerama pa se osobina naziva polikristalnošću, a materijal - polikristal. Kristalna struktura daje čvrstim materijalima veću mehaničku čvrstinu, dok sa druge strane nepravilna (amorfna) struktura utiče na žilavost. Proces promene agregatnog stanja supstance, iz tečnog u čvrsto, pri čemu dolazi do formiranja kristala koji imaju pravilnu strukturu se naziva kristalizacija.

Kristalna struktura Natrijum-Hlorida.

Prostorna rešetka kristala

Prostorna rešetka kristala ili translaciona grupa je skup tačaka definisanih sa vektorom translacije rešetke. Pošto su atomi, odnosno atomske rešetke grupa atoma pravilno raspoređene, moguće je u prostoru definisati tri vektora elementrane translacije: ${\vec {a}}_{1}$, ${\vec {a}}_{2}$, ${\vec {a}}_{3}$. Ovi vektori predstavljaju periode kristalne rešetke u tri različita pravca, nazivaju se ortovima rešetke ili ortovima vrektora translacije rešetke kojа je datа sledećom formulom:
${\vec {L}}=n_{1}{\vec {a}}_{1}+n_{2}{\vec {a}}_{2}+n_{3}{\vec {a}}_{3}$

Elementarna ćelija

Prostorna rešetka kristala se sada uz pomoć vrektora translacije dobija uzimajući sve vrednosti celih brojeva za $n_{1}$, $n_{2}$ i $n_{3}$, dok se paralelopiped koji se dobija uzimajući vrednosti $n_{1}$, $n_{2}$ i $n_{3}$ = 1, naziva elementarnom ćelijom. Treba napomenuti da čvorovi kristala u kojima se nalaze atomi se ne poklapaju u opštem slučaju sa vrhovima ortova ${\vec {a}}_{1}$, ${\vec {a}}_{2}$ i ${\vec {a}}_{3}$. Ovakva notacija definisana vektorom translacije ukazuje na pravilnost, ali nam ne govori u gde se nalaze atomi. Samo u posebnim slučajevima mogu se čvorovima rešetke pripisati i atomi ili atomske grupe .

Kristalni sistemi

Kristalni sistem predstavlja kategoriju karakterisanu na osnovu vrste prostorne rešetke kristala. Elementarna ćelija je definisana kao najmanja prostorna jedinica kristala, njenim pravilnim pomeranjem u prostoru za udaljenosti koje su jednaka njenim dimenzijama dobijamo prostornu rešetku. Kristalni sistem za slučaj kada su ortovi ${\vec {a}}_{1}={\vec {a}}_{2}={\vec {a}}_{3}={\vec {a}}$ i kada između sebe grade prave uglove od 90° se naziva kubični, i on ima najviše elemenata simetrije. U opštem slučaju ortovi nisu jednaki i mogu činiti međusobne proizvoljne uglove α, β i γ. U zavisnosti od ovih vrednosti izvršena je podela na 7 kristalnih sistema za kojih ima 14 kombinacija elementarnih ćelija koje se drugačije nazivaju i Braveove ćelije.

Klasifikacija

Naziv sistema	a	b	c	α	β	γ	tip rešetke
Triklinski (T)	a	≥a	≤a	≠90°	≠90°	≠90°
Monoklinski (M)	a	b	≤a	≠90°	90°	90°	prosta	baznocentrična
Ortorombni (OR)	a	<a	>a	90°	90°	90°	prosta	baznocentrična	prostornocentrična	površinskicentrična
Tetragonalni (TE)	a	a	≠a	90°	90°	90°	prosta	prostornocentrična
Rombni (R)	a	a	a	α = β = γ ≠ 90°
Heksagonalni (H)	a	a	c	90°	90°	120°
Kubični (K)	a	a	a	90°	90°	90°	Prosta	prostornocentrična	površinskicentrična

Neke strukture

Kubični kristalni sistem

Kuhinjska so

Kristalna struktura Kuhinjske soli.

Struktura kuhinjska soli ili natrijum hlorida je takva strkuktura kod koje odvojeno atomi natrijuma i hlora čine površinskicentričnu kubičnu strukturu. Na slici su atomi hlora prikazani kao zelene sfere, dok su manji natrijumovi joni prikazani kao srebrene sfere. Preklapanjem ovih dveju rešetki dobija se struktura koja formira model šahovske table u tri dimenzije. U ovoj rešetki svaki jon je okružen sa šest jona drugog elementa; ti joni se nalaze u temenima kocke. Ova ista struktura se nalazi kod mnogih drugih minerala u skoro svim alkalnim halogenidima kao i mnogim dvovalentnim metalnim oksidima, sulfidima, selenidima i teluridima. Uopšteno, u prirodi postoji velika verovatnoća da se formira ovakva struktura. Kristalografska grupa ove strukture se zove "Fm3m" u Herman-Muginovoj notaciji ili "225" u Međunarodnoj tabeli za Kristalografiju. Koordinacija broj svakog atoma u ovoj strukturi je 6: svaki katjon koordinira sa 6 anjona u temenima oktaedra, i slično, svaki anjon je koordiniran sa 6 katjona.

Dijamant

Kristalna struktura dijamanta.

Kristalna struktura dijamanta je nešto složenija struktura koja potpada pod Kubični kristalni sistem. Kad se kaže složenija, misli se na to da ne potpada pod jednostavne kombijacije: prosti, baznocentrični, prostornocentrični niti površinskicentrični, već se predstavlja kao modifikacija jedne od ovih, tj. površinskicentrične kubične rešetke. Struktura dijamanta je važna jer se po njoj, osim samog dijamanta, kristališu poluprovodnici germanijum i silicijum, kao i siva modifikacija kalaja koja je stabilna na temperaturi nižoj od 13 °C. Osnovnu ulogu u ovoj strukturi igraju tetraedične valentne veze kojima je svaki atom ugljenika vezan sa četiri najbliža suseda raspoređena u tetraedar. Čvrstina i sposobnost dijamanta da prelama svetlost su posledica njegove strukture.

Sfalerit

Kristalna struktura sfalerita.

Kristalna stuktura sfalerita (engl. Zincblende structure) zajedno sa strukturom rešetke dijamanta čine dve najvažnije strukture rešetki poluprovodnčkih materijala. Dijamantska struktura kod silicijuma i germanijuma (Si, Ge), a struktura kod galijum arsenida (GaAs) se kristalizuje u stukturu sfalerita. Obe imaju pod dva atoma u osnovi, dok atomi zauzimaju tetraedarsku strukturu, tj. svaki atom je okružen sa četiri najbliža suseda koji leže u temenima tetraedra. Stuktura sfalerita se kao i struktura dijamanta može smatrati modifikacijom površinsko centrične kubične strukture. Razlika između njih je to što su u dijamantskoj rešetki svi atomi su istog elementa, recimo slikicjuma, dok kod strukure sfalerita na pr. kod galijum arsenida (GaAs) u cenru tetraedra se nalazi jedan element koji je okružen sa četiri atoma drugog elementa. Galijum arsenida pripada jedinjenjima elemenata III i V grupe u periodnom sistemu elemenata i većina ovih jedinjenja se kristalizuje u stuktura sfalerita. Međutim velik broj poluprovodničkih materijala uključujući i neka jedinjenja iz III-V grupe se kristališu u strukturu natrijum hlorida.

Heksagonalni kristalni sistem

Grafit

Grafit je druga alotropska modifikacija ugljenika koja ima specifičnu kristalnu strukturu. Ugljenikovi atomi obrazuju šestočlane prstenove koji su raspoređeni u paralelnim ravnima (slojevima). Veza između C atoma u slojevima je jaka kovalentna veza, sa rastojanjem između susednih ugljenikovih atoma od 0,145 nm i energijom veze od 4,3 elektron volti. Između slojeva, međutim, deluju slabe Van der Valsove sile, tako da je rastojanje između njih 0,341 nm, a energija veze samo 0,07 elektron volti. Ovaj tip rešetke predstavlja slojevitu rešetku koja grafitu daje specifične osobine. Grafit je veoma mek i služi za podmazivanje, za razliku od dijamanta koji ima atomsku kristalnu rešetku .

Vurcit

Kristalna struktura Vurcita.

Vurcit je sulfidni mineral hemijskog sastava (Zn,Fe)S; cinka ili gvožđe sa anjonom sulfida. Sfalerit je istog hemijskog sastava, dok se Vurcit dosta ređe javlja u prirodnom obliku. Vurcit je heksagonalne (šestougaone) strukture u kojoj atomi prave veze sa tetraedarski raspoređenim podjednako udaljenim susednim atomima, slično strukturi sfalerita. Neka poluprovodnička jedinjenja, kao što su cinksulfid ZnS i kadmijumsulfid CdS se mogu kristalizovati u obe strukture; strukturu sfalerita i vurcita. Kod strukture vurcita duž C - ose, tj. optičke ose za razliku od strukture dijamanta javlja se dvojno prelamanje, dihroizam. Drugim rečima, za CdS je anizotropan materijal, dok je recimo silicijum izotropan.

Vidi još

• Kristal
• Kristalne sisteme

Spoljašnje veze

Kristalna struktura na Wikimedijinoj ostavi