Кристаллографические системы и сингонии

Кристаллографические системы и сингонии

Понятие кристаллографических систем Кристаллографическая система — это совокупность кристаллов, объединённых по характеру их симметрии и геометрии элементарной ячейки. Ключевым критерием является наличие определённого набора осей симметрии и симметрических элементов, которые определяют форму кристалла и тип решётки. Всего выделяют семь основных кристаллографических систем: кубическую, тетрагональную, гексагональную, тригональную, ромбическую (орторомбическую), моноклинную и триклинную. Каждая система характеризуется уникальными параметрами решётки — длинами осей и углами между ними.

Классификация кристаллографических систем

1. Кубическая (изометрическая) система

   • Все три оси равны по длине и пересекаются под прямым углом.
   • Отличается высокой степенью симметрии: наличие четырёхтактной оси вдоль главных диагоналей.
   • Типичные формы: куб, октаэдр, додекаэдр.
   • Примеры веществ: NaCl, алмаз, меди.

2. Тетрагональная система

   • Две оси равны, третья отличается по длине; все углы прямые.
   • Симметрия выражается четырёхтактной осью вдоль уникальной оси.
   • Типичные формы: квадратная призма, пирамида с квадратным основанием.
   • Примеры веществ: SnO₂, PbO₂.

3. Гексагональная система

   • Две оси равны и расположены в одной плоскости под углом 120°, третья ось перпендикулярна плоскости.
   • Основной элемент симметрии — шеститактная ось.
   • Формы: шестиугольная призма, шестиугольная пирамида.
   • Примеры веществ: графит, Be, Zn.

4. Тригональная система

   • Основана на трёхтактной оси симметрии.
   • Часто рассматривается как частный случай гексагональной системы с нарушением равенства осей.
   • Формы: тригональные призмы, ромбоэдры.
   • Примеры веществ: кварц, кальцит.

5. Ортормбическая (ромбическая) система

   • Все три оси различны, все углы прямые.
   • Основные элементы симметрии — двухтактные оси и зеркальные плоскости.
   • Формы: прямоугольные призмы, ромбоэдры.
   • Примеры веществ: серный кристалл, белый фосфор.

6. Моноклинная система

   • Три оси различны, две пересекаются под прямым углом, третья наклонена.
   • Основные элементы симметрии — одна двухтактная ось и/или зеркальная плоскость.
   • Формы: наклонные призмы, наклонные параллелепипеды.
   • Примеры веществ: гипс, ортоклаз.

7. Триклинная система

   • Все три оси различны, все углы отличны от 90°.
   • Симметрия минимальна: кристаллы часто асимметричны, нет осей высокого порядка.
   • Формы: параллелепипеды общего вида.
   • Примеры веществ: кальцит триклинной модификации, меди.

Сингонии и их связь с кристаллографическими системами Сингония — это классификация кристаллов по пространственной симметрии их внешней формы. Важнейшие типы сингоний включают кубическую, тетрагональную, гексагональную, ромбическую, моноклинную, триклинную и тригональную. Каждая сингония характеризуется наличием определённого набора симметричных элементов: осей вращения, зеркальных плоскостей, центра инверсии.

• Симметрические элементы определяют взаимное расположение кристаллических граней и закономерность повторения узлов кристаллической решётки.
• Соотношение между сингониями и системами: каждая кристаллографическая система имеет одну или несколько сингоний. Например, кубическая система имеет сингонию изометрическую, а моноклинная система — сингонию слабоассиметричную.

Значение кристаллографических систем и сингоний

• Позволяют прогнозировать форму кристаллов и их ростовые особенности.
• Обеспечивают основу для кристаллографических расчетов, включая определение плотности упаковки и энергетической стабильности структур.
• Являются ключевыми при анализе симметрии химических соединений, что важно для кристаллохимии и материаловедения.
• Определяют свойства кристаллов, такие как оптическая анизотропия, пьезоэлектрические и ферроэлектрические характеристики.

Методы определения кристаллографических систем и сингоний

• Оптическая кристаллография: изучение рефракции, двулучепреломления и интерференции света в кристаллах.
• Рентгеноструктурный анализ: точное определение параметров элементарной ячейки и симметрии.
• Электронная дифракция: исследование мелкокристаллических и тонких пленочных материалов.

Взаимосвязь с кристаллохимией Кристаллографические системы и сингонии определяют возможные пространственные упаковки атомов и ионов, формируя основу кристаллохимических закономерностей. Они влияют на термодинамическую стабильность соединений, определяют вероятность образования различных полиморфных модификаций и кристаллических дефектов, а также предопределяют химические и физические свойства кристаллов.

Таким образом, изучение кристаллографических систем и сингоний представляет собой фундаментальный аспект кристаллохимии, объединяющий геометрические, симметрийные и химические характеристики твёрдых веществ.