Типы кристаллических решеток

Кристаллическая решетка представляет собой упорядоченную пространственную структуру, в которой частицы вещества — атомы, ионы или молекулы — расположены в узлах строго определённым образом. Различные типы решеток определяют физические и химические свойства веществ, их твёрдость, плотность, температуру плавления и электропроводность.

1. Простейшие типы кристаллических решеток

1.1. Кубическая решетка Кубическая решетка характеризуется равными рёбрами куба и прямыми углами между ними. Она делится на несколько подтипов:

• Примитивная кубическая (P, simple cubic) — атомы располагаются только в углах куба. Каждому атомному узлу соответствует один атом на единицу объёма кристалла. Примеры: полоний.
• Объёмно-центрированная кубическая (BCC, body-centered cubic) — атомы находятся в углах куба и один в центре. Это увеличивает плотность упаковки. Примеры: железо α, хром.
• Грань-центрированная кубическая (FCC, face-centered cubic) — атомы расположены в углах куба и на центрах всех граней. Обеспечивает максимальную плотность упаковки среди кубических структур. Примеры: алюминий, медь, золото.

Ключевые параметры кубических решеток:

• Координационное число: P — 6, BCC — 8, FCC — 12.
• Степень упаковки: P — 0,52, BCC — 0,68, FCC — 0,74.

1.2. Тетрагональная решетка Подобна кубической, но один из рёбер отличается по длине. Характерна для ряда металлов и сплавов, где требуется анизотропная структура.

1.3. Ортогональная решетка Все рёбра различны, углы прямые. Образуется у многих минералов, например, у сульфатов и сульфидов.

2. Гексагональная и ромбическая решетки

2.1. Гексагональная решетка Основана на шестиугольной симметрии в основании и прямой оси высоты. Атомы располагаются с высокой плотностью, координационное число обычно равно 12. Примеры: магний, цинк.

2.2. Ромбическая (триклинная) решетка Все рёбра различны, углы не равны 90°. Ромбическая симметрия встречается в некоторых органических и неорганических кристаллах, например, в селене.

3. Моноклинная и триклинная решетки

3.1. Моноклинная решетка Характеризуется тремя различными рёбрами и одним углом, не равным 90°, остальные углы прямые. Примеры: сульфаты натрия, ацетат кальция.

3.2. Триклинная решетка Наименее симметричная: все рёбра и углы различны. Образуется у сложных органических кристаллов и некоторых минералов.

4. Специальные типы решеток

4.1. Аллотропные модификации углерода

• Графит: слоистая гексагональная решетка с сильными ковалентными связями внутри слоя и слабым взаимодействием между слоями.
• Алмаз: кубическая (FCC) с тетраэдрической координацией атомов углерода. Обеспечивает максимальную твёрдость.

4.2. Ионные кристаллы Ионная решетка формируется чередованием катионов и анионов. Координационное число определяется соотношением размеров ионов. Примеры: NaCl (кубическая), CsCl (объёмно-центрированная кубическая), ZnS (кубическая или гексагональная).

4.3. Молекулярные кристаллы Состоят из нейтральных молекул, удерживаемых ван-дер-ваальсовыми силами, водородными или дипольными взаимодействиями. Симметрия решетки зависит от формы молекул: CO₂ — кубическая, I₂ — ортогональная.

4.4. Металлические кристаллы Металлы обычно образуют кубическую FCC или BCC, реже гексагональную решетку. Свойства металлов (пластичность, проводимость) напрямую связаны с плотностью упаковки и подвижностью электронного газа.

5. Плотность упаковки и координационное число

Плотность упаковки и координационное число определяют механические и термические свойства кристаллов:

Плотность упаковки влияет на твёрдость, температуру плавления и теплопроводность вещества.

6. Влияние решётки на свойства вещества

1. Механические свойства: твёрдость и прочность увеличиваются с повышением координационного числа и плотности упаковки.
2. Тепловые свойства: температура плавления выше у веществ с более плотной упаковкой (алмаз vs графит).
3. Электропроводность: металлы с FCC и BCC структурами обеспечивают высокую подвижность электронов.
4. Оптические свойства: анизотропные кристаллы (моноклинные, триклинные) проявляют двулучепреломление.

Кристаллическая решетка является фундаментальным фактором, определяющим все основные физико-химические характеристики твёрдого вещества. Ее понимание необходимо для объяснения закономерностей строения и свойств неорганических и органических материалов.