В кристалографията кристалната структура е начинът, по който са подредени атомите (или йоните, или молекулите) в даден кристален материал. Кристалите възникват по естествен начин от начина, по който се свързват химичните връзки на атомите. Симетричните повтарящи се модели се появяват в триизмерното пространство в кристала и определят неговата вътрешна организация.

Какво представлява кристалната структура

Кристалната структура може да се разглежда като съвкупност от две неща: идеален пространствен решетъчен ред (латис) и повторяемия елемент, наречен основа (basis), който съдържа един или повече атома, йона или молекули. Най-малката повторяема единица е елементарната клетка (unit cell), описвана чрез три вектора (дължини a, b, c и ъгли α, β, γ).

Елементи на кристалната структура

  • Латис (решетка) — геометрична мрежа от точки, всяка точка е еквивалентна по симетрия.
  • Елементарна клетка — най-малката част от кристала, която при повторение изгражда целия кристал.
  • Координационно число — броят на най-близките съседи на даден атом в структурата (напр. 6, 8, 12 и т.н.).
  • Плътност на опаковане (packing efficiency) — каква част от обема е заета от атомите; за FCC е около 74%, за BCC около 68%.

Кристални системи и видове решетки

Съществуват седем основни кристални системи, които се различават по геометрията на елементарната клетка: кубична, тетрагонална, ортормбична, ромбична, моноклинна, триклинна и хексагонална. В рамките на тези системи има 14 възможни Браве решетки (Bravais lattices), които описват различните видове симетрия и центрирания (примитивна, телесно-центрирана и т.н.).

Някои често срещани структури:

  • FCC (face-centered cubic) — например Cu, Al; високо опаковане и добра пластичност.
  • BCC (body-centered cubic) — например Fe (при стайна температура някои форми), Cr; по-малко опаковано от FCC.
  • HCP (hexagonal close-packed) — например Mg, Ti; също високо опаковане, но различна симетрия.
  • Ионни кристали — като натриев хлорид: NaCl има кубична (rock-salt) структура, при която катоните и анионите се редуват на решетъчните позиции. В текста е даден пример: Натриевият хлорид е куб.
  • Молекулни кристали — свързани чрез слабите междумолекулни взаимодействия.
  • Ковалентни мрежи — например диамант (мрежа от сп3-връзки), характерни с висока твърдост.

Примери и полиморфизъм

Кристалната структура на даден химикал е формата на кристала на молекулярно ниво. Съществуват няколко форми на кристали и един химичен елемент или съединение може да има повече от една форма (полиморфизъм). Например въглеродът има графит и диамант — съвсем различни структури с различни свойства. В текста е посочен и друг пример: Медният сулфат е триклинен.

Влияние върху физичните свойства

Кристалната структура и симетрия обуславят много физични свойства, като например разцепването (как се разделя кристалът), начина на провеждане на електричество, оптичните свойства, механични и топлинни характеристики. Различните подредби определят анизотропията — свойството материалът да има различни стойности на физични величини в различни посоки.

Определяне на кристалната структура

Най-разпространеният метод за определяне е рентгеновата дифракция (XRD), при която лъчение се разсейва от периодичната решетка и образува характерен дифракционен образец. Други техники включват неутронна дифракция, електронна микроскопия и спектроскопски методи.

Дефекти и аморфно състояние

Реалните кристали често съдържат дефекти: вакансии (липсващи атоми), междупозиционни атоми, заместващи примеси и дислокации. Тези несъвършенства силно влияят върху механичните и електрическите свойства. Материали без дългопробна редовност се наричат аморфни (например стъкло) и нямат кристална решетка.

Повечето вещества, включително много метали, имат кристална структура. Някои кристали побират повече атоми в себе си, отколкото други, и тези кристали обикновено имат по-голяма плътност и маса при равен обем.