Типы кристаллических решеток

Кристалл с определенной химической формулой имеет присущую ему кристаллическую структуру. Кристаллические структуры - это структуры, представляющие периодическую  решетку, в узлах которой расположены атомы. Трехмерная кристаллическая структура представляет решетку, построенную на трех координатных осях x, y, z, расположенных в общем случае под углами a, b, g . Периоды трансляции атомов по осям (параметры решетки) равны, соответственно, a, b, c. Элементарная ячейка кристалла - это параллелепипед, построенный на векторах трансляции a, b, c. Такая ячейка называется примитивной. В результате трансляции элементарной ячейки  в пространстве получается пространственная простая решетка - так называемая  решетка Браве. Существует четырнадцать типов решеток Браве. Эти решетки отличаются друг от друга видом элементарных ячеек.

 

Решетки Браве подразделяются на семь систем, называемых кристаллографическими сингониями, в соответствии с семью различными типами элементарных ячеек: триклинной, моноклинной, ромбической, тетрагональной, тригональной, кубической и гексагональной. Эти элементарные ячейки могут быть как примитивными, так и сложными. На рисунке  изображены сложные элементарные ячейки. 

а)объемноцентрированная   б)гранецентрированная в) базоцентрированная         г) гексагональная        

Объемноцентрированная (ОЦ) ячейка (рис. а) - содержит дополнительно один атом на пересечении пространственных  диагоналей куба (или, в общем случае, параллелепипеда). В ОЦ кубической  структуре (ОЦК)  кристаллизуются такие металлы, как ₂₃V, ₂₄Cr, ₂₆Fe, ₄₁Nb, ₇₃Ta, ₇₄W (индекс слева внизу обозначает номер элемента  в периодической системе элементов Д. И. Менделеева). Гранецентрированная (ГЦ) ячейка (рис.  б) - содержит дополнительно по одному  атому  в  плоскости  каждой грани. В ГЦ кубической структуре (ГЦК) кристаллизуются металлы ₁₃Al, ₂₈Ni, ₂₉Cu, ₄₇Ag, ₇₈Pt, ₇₉Au и др. Базоцентрированная (БЦ) ячейка (рис. в) - содержит дополнительно по одному атому в центрах противоположных граней. Гексагональная ячейка (рис.  г) состоит из трех примитивных ячеек, и, как и БЦ ячейка, содержит по одному атому в центре противоположных граней. В гексагональной структуре кристаллизуются многие металлы - ₂₂Ti, ₂₇Co, ₃₀Zn, ₃₉Y, ₄₀Zr, ₆₄Gd, ₇₁Lu. Различные кристаллографические систем отличаются друг от друга формой элементарной ячейки: соотношениями между длинами ребер a, b и c и углами α, β и γ между гранями. В триклинной системе (где нет осей и плоскостей симметрии) такая ячейка представляет собой параллелепипед, все ребра и углы которого не равны между собой. В моноклинной - это наклонный параллелепипед; в ромбической (или орторомбической) - прямоугольный параллелепипед с неравными ребрами, в тетрагональной - прямоугольный параллелепипед, в основании которого лежит квадрат; в тригональной (ромбоэдрической) - прямоугольный ромбоэдр, стороны которого равны, а углы одинаковы, но отличны от 90^о и меньше, чем 120^о; в гексагональной - прямую призму, основанием которой является ромб с углами 120^о и 60^о, а три ячейки составляют шестигранную призму; в кубической системе элементарная ячейка представляет собой куб.

В настоящее время выделено уже более тысячи структурных типов, однако они охватывают лишь несколько процентов известных кристаллических структур. В международной классификации по группам структур принята следующая классификация: А - элементы; В - соединения типа АВ (например, NaCl, CsI); С - соединения типа AB₂ (CaF₂, TiO₂); D - соединения типа A_nB_m (Al₂O₃); E - соединения, образованные больше, чем двумя сортами атомов без радикалов или комплексных ионов (например, CuFeS); F -структуры соединений с двух- или трехатомными ионами (KCNS, NaHF²); G - соединения с четырехатомными ионами (CaCO₃, NaClO₃); H - соединения с пятиатомными ионами (CaSО₄.2H₂O, CaWO₄); L - сплавы; S -силикаты. Разновидности типов внутри группы различаются номерами.

Понятие структурный тип - один из критериев сходства или различия строения кристаллов. Обычно структурный тип относят к названию одного из веществ, кристаллизующихся в нём. Структуры кристаллов, принадлежащих к одному структурному типу, одинаковы до подобия. Структурный тип в кристаллографии определяет относительное расположение частиц (атомов или атомных групп) в кристалле, без указаний абсолютных расстояний между ними. Чтобы описать конкретную структуру, надо указать структурный тип и параметры структуры. К важнейшим и распространенным структурным типам относятся: структура меди (тип А), структура вольфрама (тип А 2), структура магния (тип А 3), структура алмаза (тип А 4), структура графита (тип А 9), структура каменной соли (тип В 1), структура перовскита (тип Е 2), структура шпинели (тип Н 11).

Тип А (Структура меди) В структурном типе меди кристаллизуются очень многие металлы: золото, серебро, никель, алюминий, кальций, торий, свинец и др. Все эти металлы сравнительно мягкие, пластичные, легко обрабатываются. Многие из них образуют непрерывные ряды твердых растворов , например, Ag-Au, Cu-Au. Структурой типа меди обладают также интерметаллические соединения AuSb, Au₂Bi, Au₂Pb, Cu₂Mg, Bi₂K, ZrH, TiH и др. Элементарная ячейка меди - кубическая, гранецентрированная. Атомы располагаются в вершинах и центрах граней F -ячейки. На элементарную ячейку приходится 4 атома. Каждый атом окружен 12 ближайшими атомами, координационное число (к.ч.) =12. Координационный многогранник - кубооктаэдр. В структуре имеется одна правильная система точек с кратностью 4. Плотнейшие слои 1 перпендикулярны направлениям . Плотнейшая упаковка кубическая трехслойная ....АВСАВС....Пространственная группа Fm3m.

                                                           

Тип А 2 (Структура вольфрама) К структурному типу вольфрама (тип ОЦК-металлов) относятся тугоплавкие металлы: хром, ванадий, молибден, ниобий, тантал, -кобальт, -железо, титан, цирконий, гафний, щелочные элементы - литий, натрий, калий, рубидий, цезий, щелочноземельные - кальций, стронций, барий, актиниды - уран, нептуний, плутоний. Из интерметаллических соединений в ОЦК-структуре кристаллизуются AgZn, Cu₃Al, CoAl, Cu₅Sn, LiAg, LiAl, TaH и др. В объемно-центрированной кубической ячейке вольфрама атомы располагаются по вершинам и в центре ячейки, т.е. на одну ячейку приходится два атома. ОЦК-структура не является плотнейшей упаковкой атомов. Коэффициент компактности равен 0,68. Пространственная группа вольфрама Im3m.                                                               Тип А3 (Структура магния) В структурном типе магния кристаллизуются гексагональные металлы: кадмий, бериллий, таллий, титан, никель, хром и др. Эта структура также характерна для интерметаллических соединений AgCd, AgCd₃, AuCd, AuCd₃, CuCd₃, AgZn₃, AuZn₃, NiMo, TiH, W₂С и др. Элементарная ячейка магния - элементарная примитивная. Центры атомов располагаются по вершинам правильных шестиугольников: в трех вершинах - через одну, - атомы верхнего слоя, в трех других вершинах - атомы нижнего слоя. Элементарная ячейка построена на трех трансляциях, две из которых лежат в плотно упакованном слое атомов и составляют между собой угол = 120^о, третья перпендикулярна этому слою. Элементарную ячейку можно разделить плоскостью на две тригональные призмы. В центре одной из призм расположен атом, другая свободна, заселенные и пустые призмы чередуются между собой. На элементарную ячейку приходится два атома магния. Каждый атом магния окружен двенадцатью ближайшими атомами: шестью - в том же слое, тремя в соседнем слое сверху и тремя в соседнем слое снизу, к.ч.=12. Плотные слои - плоскости базиса (0001), упаковка гексагональная, двухслойная ....АВАВАВАВ.... Кристаллы металлов с плотно упакованной гексагональной структурой легче всего деформируются по плоскостям (0001) и направлениям , соответствующим наиболее плотной упаковке атомов. Координационный многогранник - гексагональный кубооктаэдр. Пространственная группа магния Р63/mmc.