krystallstruktur

Enhetscellen er den minste enheten som gjentar seg i en krystall. Når flere enhetsceller settes sammen, dannes den fullstendige ordningen av krystallen.

Eksempler på krystaller er metaller som jern og kobber , salter som natriumklorid og kaliumklorid og mineraler som kvarts og feltspater . Ved temperaturer under 14 kelvin (–259 °C) fryser også hydrogengass til et fast krystallinsk stoff.

Bestemmelse av krystallstrukturer har betydning innen fagfelt som mineralogi, faststoff-fysikk, organisk kjemi, biokjemi og biologi, fordi strukturene gir kunnskap om hvorfor krystallene har sine egenskaper. For eksempel har krystaller med høye koordinasjonstall i sine krystallstrukturer høye smeltepunkter, da et høyere koordinasjonstall vil si sterkere bindinger mellom atomene i strukturen.

De første krystallstrukturene ble bestemt med røntgendiffraksjon i 1912. Røntgenstråler ble sendt mot en krystall, og man observerte at strålene ble spredt i et regelmessig mønster når de traff krystallen. Denne regelmessigheten pekte på at krystaller har faste, organiserte krystallstrukturer. Det var enkle uorganiske salter og metaller som først ble studert med denne metoden, blant annet natriumklorid.

Moderne røntgenkrystallografi har videreutviklet analyse av krystallstrukturer, og brukes for å analysere krystaller av tyngre atomer enn hydrogen. Fordi røntgenstråler spres på bakgrunn av antall elektroner i et stoff, og hydrogen bare har ett elektron, brukes heller nøytrondiffraksjon når det er snakk om hydrogen.

For å analysere større og mer komplekse krystallstrukturer brukes i tillegg ulike spektroskopiske metoder, som for eksempel infrarød spektroskopi og kjernemagnetisk resonans.

Navnet på krystallstrukturen til et stoff bestemmes av stoffets enhetscelle og dens krystallsystem, sentrering og koordinasjonstall.

• Krystallsystemet til enhetscellen beskriver cellens geometriske oppbygning. Her antas det at atomene i enhetscellen kan sees som hjørner i en tredimensjonal figur. Hvis enhetscellen har åtte atomer, vil krystallstrukturen være en figur med åtte hjørner, som for eksempel en kube eller et firkantet prisme, avhengig av avstanden mellom atomene.
• Sentreringen til enhetscellen beskriver om det finnes ytterligere atomer i cellen, altså atomer som ikke kan sees som et hjørne i en tredimensjonal figur. For eksempel kan et atom være plassert i sentrum av en kubisk enhetscelle, og sentreringen til cellen kalles da «romsentrert».
• Koordinasjonstallet til enhetscellen forteller hvor mange atomer hvert atom er direkte bundet til (eller nærmeste nabo til) når flere enhetsceller bindes sammen.

I navngivelsen av en krystallstruktur skrives først enhetscellens krystallsystem, fulgt av dens eventuelle sentrering og dens koordinasjonstall.

Det er matematisk bevist at et vilkårlig antall like store atomer (uansett grunnstoff), maksimalt kan ordnes slik at de fyller opp 74 prosent av et totalt volum. I et slikt tilfelle vil atomene være så tettpakket som geometrisk mulig i et tredimensjonalt område. Det er bevist at koordinasjonen i enhetscellen når dette skjer, maksimalt er en 12-koordinasjon. Det er kun to krystallstrukturer som oppfyller denne pakningsgraden og koordinasjonen, som derfor beskriver den «atomære tetteste kulepakningen»: flatesentrert kubisk struktur med 12-koordinasjon og heksagonal struktur med 12-koordinasjon.

I mange sammenhenger bruker man engelske forkortelser når det er snakk om ulike krystallstrukturer. Koordinasjonstallet utelates når man bruker forkortelser, da man kan regne ut koordinasjonstallet når krystallsystemet og den eventuelle sentreringen er kjent. Formelen for regnestykket avhenger av typen krystallsystem og sentrering.

Et fast krystallinsk stoff har én repeterende enhet (enhetscelle) i strukturen sin og dermed kun én krystallstruktur, men denne strukturen behøver ikke å være unik for dette ene stoffet. Flere stoffer som har ulikt kjemisk innhold kan ha samme struktur, for eksempel har både gull og sølv flatesentrert kubisk struktur med 12-koordinasjon.

På en annen side kan flere krystallinske stoffer ha det samme kjemiske innholdet, men ha ulike enhetsceller og dermed ulike krystallstrukturer. Et eksempel på dette er grafitt og diamant, som begge er krystallinske stoffer av rent karbon. Grafitt har heksagonal struktur med 12-koordinasjon, og diamant har kubisk flatesentrert struktur med 4-koordinasjon.

At ulike krystaller finnes av ett og samme grunnstoff kalles allotropi, og grafitt og diamant beskrives derfor som allotroper eller allotropiske stoffer. Krystaller som inneholder den samme sammensetningen av mer enn ett grunnstoff og som har ulike krystallstrukturer, kalles polymorfer eller polymorfiske stoffer. Et eksempel på polymorfi er kalsiumkarbonat hvor kalsitt og aragonitt har likt kjemisk innhold, men ulik krystallstruktur.

Den internasjonale foreningen for krystallografi kalles IUCr ( International Union of Crystallography ).

• krystallakser
• tvillingkrystaller
• bergarter