Строение кристаллического тела.

Твердое тело – одно из четырех агрегатных состояний вещества, отличающееся от остальных стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Твердые тела можно поделить на кристаллические, аморфные и вещества, обладающие промежуточной степенью кристалличности. Кристаллы имеют упорядоченное симметричное строение. Для описания структуры кристалла использут понятия:

1. Кристаллическая решетка – пространственный каркас, образуемый воображаемыми пересекающимися линиями.

2. Узел кристаллической решетки – центр пересечения линий, где располагаются частицы, составляющие кристалл.

3. Элементарная ячейка кристалла – наименьшее число частиц, сохраняющее свойственный данной решетке порядок.

4. Дальний порядок – упорядоченность в расположении частиц, повторяющаяся на неограниченно больших расстояниях.

5. Ближний порядок – согласованность в расположении частиц на расстояниях, сравнимых с межатомными.

6. Ось симметрии – прямая линия, при повороте которой на неопределенный угол фигура совмещается сама с собой. Для кристаллов характерна ось симметрии 1, 2, 3, 4 порядка.

Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

• размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов.

• углы между осями (α, γ, χ).

• координационное число указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

• базис решетки (кратность) - количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

• плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74).

Рисунок 2.1  Схема кристаллической решетки

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа: (примитивный, базоцентрированный, объемно-центрированный, гранецентрированный).

Основными типами кристаллических решеток являются:

1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис. 2.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре.

2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 2.2б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней.

3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник (см. рис. 2.2в):

• простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

• плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости.

Рисунок 2.2  Основные типы кристаллических решеток:

а – объемно-центрированная кубическая;

б – гранецентрированная кубическая;

в – гексагональная плотноупакованная

Таблица – Металлы с одним типом решетки

Тип решетки	Координационное число	Плотность упаковки	Металл
ГЦК	12	0,74 (74 %)	Ag, Au, Pt, Cu ,Al ,BP ,Ni
ОЦК	8	0,68 (68 %)	Na, K,V,Nb, Cr, Mo, W
ГПУ	12	0,74 (74 %)	Be,Mg,Zn,Cd, Tiα, Ru

В зависимости от физической природы сил, действующих между частицами кристалла. Различают четыре типа кристаллов (связей): ионные, атомные, металлические и молекулярные (рис. 2.3).

1. Ионные кристаллы. К ним относят металлы, неметаллы, соли. Структурная единица решетки - ион. Ионы располагаются по закону плотнейшей упаковки. Связь в ионных кристаллах представляет собой взаимодействие противоположно заряженных частиц. Особенности ионной связи: 1. Связь не обладает направленностью. 2. Связь не обладает насыщаемостью. Энергия кристаллической решетки - кол-во энергии которая необходима для того, чтобы разрушить кристалл.

2. Ковалентные (атомные) кристаллы. Структурная единица-атом. Каждый атом образует четыре ковалентные связи со своими соседями. Чаще всего связь неполярная, обладает двумя особенностями: имеет направленность, имеет насыщаемость.

3. Молекулярные кристаллы. Структурная единица-молекула. Различают полярные и неполярные молекулы. Полярность молекулы характеризуется дипольным моментом. Дипольный момент образуется за счет смещения центров положительных и отрицательных зарядов

4. Металлические кристаллы. Тип связи атомов в кристаллических веществах, обладающих металлическими свойствами (металлах, металлидах). Металлический тип связи характеризуется тем, что между решеткой из положительно заряженных ионов и окружающими их свободными валентными электронами возникает электростатическое притяжение.

а б в г

Рисунок 2.3  Типы кристаллов (связей)

а – ионная (NaCl);

б – ковалентная (алмаз);

в – молекулярная (Ван-дер-Ваальсовая);

г  металлическая (1 – атомное ядро; 2 – атомный остов; 3 – обобщенные электроны).