Crystal Structures

Report 3 Downloads 85 Views
Crystal Structures Definitions Crystalline material – one in which atoms are situated in a repeating or periodic array  over large atomic distances  Amorphous or noncrystalline material – long­range atomic order is absent  Polymorphous ­ crystallization into two or more chemically identical but  crystallographically distinct forms  Crystal structure ­ manner in which atoms, ions or molecules are spatially arranged  Lattice – three­dimensional array of points coinciding with atom positions  Coordination number – number of touching atoms  Atomic Packing Factor (APF) = volume of atoms in unit cell/total unit cell volume  Planar Packing Factor (PPF) = area of atoms per face/total face area  Linear Packing Factor (LPF) = length of atoms along direction/total length of direction

Unit Cells 

­smallest repeating entity in a crystal structure  ­usually parallelepipeds or prisms 

Metallic Crystal Structure  Face­Centered Cubic Crystal Structure (FCC)  ­atoms located at each of the corners and centers of all cube faces  ­example: copper, aluminum, silver, gold  ­spheres (ion cores) touch across a face diagonal  a=2R √ 2 ­total of four atoms in a given unit cell  ­coordination number: 12  ­APF: 0.74 

Body­Centered Cubic Crystal Structure (BCC)  ­atoms located at all eight corners and a single atoms in center  ­atoms touch along cube diagonals  4R a= √3 ­examples: chromium, iron, tungsten  ­two atoms per unit cell  ­coordination number: 8  ­APF: 0.68 

Hexagonal Close­Packed Crystal Structure 

­top and bottom faces of unit cell consist of six atoms that form regular hexagons around  a center atom  ­another plane provides three additional atoms between top and bottom planes  ­six atoms total in each unit cell (1/6 of the 12 top and bottom corner atoms, ½ of each of  the top and bottom center atoms and the 3 interior atoms)  ­ideal c/a value is 1.633   ­coordination number: 12  ­APF: 074 (both same as FCC)  ­examples: cadmium, magnesium, titanium, zinc 

Density Computations  nA VCN A where:  n = number of atoms  A = atomic weight  VC = volume of unit cell  NA = Avogadro’s number  p=

Ceramic Crystal Structure 

­since composed of at least two elements, crystal structure is more complex  ­range from purely ionic to totally covalent  ­for materials in which atomic bonding is predominantly ionic, the crystal structures may  be thought of as being composed of electrically charged ions instead of atoms  ­cations: positively charged metallic ions (because cats are happy) 

­anions: negatively charged nonmetallic ions  ­two characteristics of ions influence crystal structure ­> magnitude of electrical charge on each of the ions  ­> relative sizes of cations and anions  ­crystal must be electrically neutral (ie. cation positive charges must be balanced by an  equal number of anion negative charges)  ­cations prefer to have as many nearest neighbor anions as possible  ­therefore, coordination number is related to the cation­anion radius ratio  ­for a specific coordination number, there is a critical (minimum) rC/rA ratio  Note: relationships between CN and cation anion ratios are based on geometrical  considerations and are approximations. Therefore there are some exceptions 

AX­Type Crystal Structure 

­some common ceramic materials have equal numbers of cations and anions  ­these are referred to as AX compounds, where A denotes the cation and X the anion  ­there are several different crystal structures for AX compounds, each named after a  common material that assumes the particular structure  Rock Salt Structure (Sodium Chloride NaCl)  ­CN: 6  ­one cation situated at cube center and ine at the center of each of the 12 cube edges  ­two interpenetrating FCC lattices, one composed of cations, other of anions  ­example: NaCl, MgO, MnS, LiF and FeO ­FCC

Cesium Chloride Structure  ­coordination number is 8 for both ion types  ­anions are located at each of the corners of the cube, cube center is a single cation  ­this is not a BCC because ions of two different kinds are involved  ­simple cubic 

Zinc Blende Structure  ­CN: 4  ­zinc blende: ZnS 

­all corner and face positions of cubic cell are occupied by sulfur atoms while zinc atoms  fill interior tetrahedral positions  ­equivalent structure results if atom positions are reversed  ­each Zn atom is bonded to four S atoms and vice versa  ­FCC

Fluorite (CaF2) ­AX2 type  ­ionic radii ratio is about 0.8, therefore CN is 8  ­calcium ions are positioned at the centers of cubes with fluorine ions at corners  ­crystal structure is similar to CsCl except only half of the center cube positions are  occupied by Ca ions  ­one unit cell consists of eight cubes  ­other examples: ZrO2, UO2, PuO2 and ThO2  ­simple cubic 

Perovskite (BaTiO3)  ­Ba ions are situated at all eight corners  ­single Ti is at the cube center  ­Oxygen ions located at the center of each of the six faces  ­FCC  Density Computations for Ceramics  AA ∑ AC + ∑ ¿ ¿ n' ¿ p=¿ where: n’ – number of formula units  ∑ AC  – sum of atomic weights of all cations in formula unit 

Silicate Ceramics 

­materials composed primarily of silicon and oxygen  ­rather than characterizing the crystal structures of these materials in terms of unit cells, it  is more convenient to use various arrangements of an SiO4 4­ tetrahedron  ­each atom of silicon is bonded to four oxygen atoms, which are situated at the corners of  the tetrahedron with silicon atom positioned at the center  ­not considered ionic because there is a significant covalent character which is directional  and relatively strong  ­various silicate structures arise from the different ways in which the tetrahedron units  can be combined into one, two or three­dimensional arrangements  Silica  ­most simple silicate material  ­structurally, it is a 3­D network generated when the corner oxygen atoms in each  tetrahedron are shared by adjacent tetrahedra  ­thus the material is electrically neutral and all atoms have stable electronic strucures  ­ratio of Si to O atoms is 1:2  ­three primary polymorphic crystalline forms: quartz, cristobalite and trydymite  ­atoms are not closely packed together, relatively low densities  ­high melting temperature of Si­O bond  Silicates  ­one two or three of the corner oxygen atoms are shared by other tetrahedral  

Simple Silicates  ­most structurally simple ones involve isolated tetrahedra  ­Si2O7 ion is formed when two tetrahedral share a common oxygen atom  Layered Silicates  ­two dimensional sheet or layered structure can be produced by sharing of three oxygen  ions in each of the tetrahedral  ­repeating unit formula may be represented by (Si2O5)2­ ­net charge comes from unbonded oxygen atoms projecting out of plane  ­electroneutrality is ordinarily established by a second planar sheet structure having an  excess of cations  ­found in clay and other minerals 

Carbon 

­exists in various polymorphic forms as well as amorphous state  ­does not fall in any of the metal, polymer or ceramic classifications  ­graphite is sometimes classified as ceramic though  Diamond  ­metastable carbon polymorph at room temperature and atmospheric pressure  ­crystal structure is a variant of the zinc blende, in which carbon atoms occupy all  positions (both Zn and S)  ­bonds are totally covalent, called the diamond cubic crystal structure 

Graphite  ­crystal structure is more stable than diamond at ambient temperature and pressure  ­composed of layers of hexagonally arranged carbon atoms, within the layers each carbon  atom is bonded to three coplanar neighbor atoms by strong covalent bonds  ­fourth bonding electron participates in a weak van der Waals type of bond 

Fullerenes  ­polymorphic form of carbon  ­exists in discrete molecular form and consists of a hollow spherical cluster of sixty  carbon atoms, single molecule is denoted by C60 ­each molecule is composed of groups of carbon atoms that are bonded to each other to  form both hexagon and pentagon geometrical configurations  ­pure crystalline solid, packed together in a face centered cubic array  ­electrically insulating but can be made highly conductive 

Polymorphism and Allotropy 

­some metals may have more than one crystal structure, phenomenon called  polymorphism  ­when found in elemental solids, condition is called allotropy  ­prevailing crystal structure depends on both temperature and external pressure  ­one example is found in carbon: graphite is stable polymorph at ambient conditions,  whereas diamond is formed at extremely high pressures  ­most often, physical properties are modified by a polymorphic transformation 

Crystal Systems 

­lattice parameters: edge lengths (a,b,c) and three interaxial angles(alpha, beta and  gamma)  ­seven different possible combinations of a, b and c and alpha, beta and gamma each of  which represents a distinct crystal system  ­seven crystal systems are cubic, tetragonal, hexagonal, orthorhombic, rhombohedral  (trigonal), monoclinic and triclinic  ­both FCC and BCC structures belong to cubic crystal system  ­HCP is hexagonal 

Hexagonal Indices 

[u’ v’ w’] ­> [u v t w] 1 u= (2 u' −v ' ) 3 1 v = (2 v ' −u ' ) 3 t=−(u+ v) w=w '

Crystallographic planes 

­if the plane passes through the selected origin than either a parallel plane must be  constructed or a new origin must be established in the corner of another unit cell 

­crystallographic plane either intersects or parallels each of the three axes  ­reciprocals of intersects are taken  ­number a chanted to a set of integers using a common factor  ­indices are enclosed by parantheses  ­for cubic crystals: planes and directions having the same indices are perpendicular to one  another  ­family of planes: contains all planes that are crystallographically equivalent (same  atomic packing)  ­family is indicated by indices enclosed in braces i.e. {1 0 0}  ­for cubic systems: all planes having the same indices, irrespective of order and sign  belong to the same family (example both (1 2 3) and (3 1 2) are part of the (1 2 3) family  Hexagonal Crystals  ­equivalent planes have same indices  ­four index (hkil) scheme  ­I is determined by the sum of h and k through I = ­(h+k) ­h, k and l indices are identical for both indexing systems  Ceramics  ­interstital sites exist in two different types  ­tetrahedral position: four atoms surround one type  ­octahedral position: six ion spheres  ­for each anion sphere, one octahedral and two tetrahedral positions will exist  ­Ceramic crystal structures depend on two factors: stacking of close packed anion layers  and manner in which interstitial sites are filled with cations    Single Crystal  ­periodic and repeated arrangement of atoms extends throughout the entirety of the  specimen without interruption  ­all unit cells interlock the same way and have the same orientation  ­exist in nature but may also be produced artificially  Polycrystalline Materials  ­most crystalline solids are composed of a collection of many small crystals or grains  ­small crystals or nuclei form at various positions  ­random crystallographic orientations indicated by the square grids  ­small grains grow y the successive addition from the surrounding liquid of atoms to the  structure of each  ­extremities of adjacent grains impinge on one another as the solidification process  approaches completion  ­crystallographic orientation varies from grain to grain  ­exists some atomic mismatch within the region where two grains meet (grain boundary) 

Anisotropy 

­physical properties of single crystals depend on the crystallographic direction in which  measurements are taken 

­example: elastic modulus, electrical conductivity and index of refraction have different  values in the [100] and [111] directions  ­directionality of properties is called anisotropy  ­associated with variance of atomic or ionic spacing with crystallographic direction ­isotropic: substances in which measured properties are independent of direction  ­extent and magnitude of anisotropic effects in crystalline materials are dependent on the  symmetry of the crystal structure  ­degree of anisotropy increases with decreasing structural symmetry – triclinic structures  are normally highly anisotropic  ­for many polycrystalline materials, crystallographic orientations of individual grains are  total random  ­even though each grain may be anisotropic, specimen composed of the grain aggregate  behaves isotropically  ­magnitude of measured property represents some average of the directional values  ­materials with a preferential crystallographic orientation are said to have “texture”  ­magnetic properties of some iron alloys used in transformer cores are anisotropic  ­grains magnetize in a  type direction more easily than in any other  crystallographic direction  ­energy losses in transformer cores are minimized by utilizing polycrystalline sheets of  these alloys into which have been introduced a “magnetic texture” 

X­Ray Diffraction 

­diffraction occurs when a wave encounters a series of regularly spaced obstacles that are  capable of scattering the wave and have spacings that are comparable in magnitude to the  wavelength  Bragg’s Law  nλ=2 d hkl sinθ where:  n – order of reflection  d – interplanar spacing (magnitude of distance between two adjacent and parallel planes  of atoms)  For crystals with cubic symmetry:  a d hkl= 2 2 2 √ h +k +l Bragg’s law is a necessary but not sufficient condition for diffraction by real crystals  ­specifies when diffraction will occur for unit cells having atoms positioned only at cell  corners  ­atoms situated at other sites act as extra scattering centers which can produce out of  phase scattering  Diffractometer 

­apparatus used to determine the angles at which diffraction occurs for powdered  specimens  ­specimen S in the form of a flat plate is supported so rotations about the axis labeled O  are possible  ­axis is perpendicular to plane of the page  ­monochromatic x­ray beam is generated at point T and intensities of diffracted beams  are detected with a counter labeled C in the figure  ­specimen, x­ray source and counter are all copla the ease with which nar  ­counter is mounted on a movable carriage that may also be rotated about the O axis 

Noncrystalline Solids 

­noncrystalline solids lack a systematic and regular arrangement of atoms over relatively  large atomic distances  ­sometimes such materials are also called amorphous  ­whether a crystalline or amorphous solid forms depends on the ease with which a  random atomic structure in the liquid can transform to an ordered state during  solidification  ­amorphous materials are characterized by atomic or molecular structures that are  relatively complex and become ordered only with some difficulty  ­rapidly cooling through freezing temperature favours the formation of a noncrystalline  solid since little time is allowed for the ordering process  ­metals normally form crystalline solids  ­inorganic gases are amorphous  ­polymers may be completely noncrystalline consisting of varying degrees of crystallinity  ­silicon dioxide in the noncrystalline state is called fused silica  ­common inorganic glasses are used for containers, windows etc. are silica glasses which  have been added to other oxides   

Polymer Structures 

Polymer Molecules ­macromolecules: molecules in polymers  ­repeat units: structural entities successively repeated along the chain  ­monomer: small molecule from which a polymer is synthesized 

­when all repeating units along a chain are of the same type, resulting polymer is a  homopolymer  ­chains may be composed of two or more different repeat units called copolymers 

­bifunctional: monomers with an active bond that may react to form two covalent bonds  with other monomers forming a 2­D chain like molecular structure  ­functionality: number of bonds a given monomer can form  Molecular Weight  ­number­average  molecular weight is obtained by dividing the chains into a series of size  ranges and determining the number fraction of chains within each size range  M n= ∑ x i M i Where  Mi ­ mean (middle) molecular weight of size range i ­xi is the fraction of total number of chains within corresponding range  Alternative way: degree of polymerization (DP) = average number of repeat units in  chain  DP=

Mn m

Where m is the repeat unit molecular weight  ­polymer properties are affected by the length of polymer chains  ­example: melting or softening temperature increases with increasing molecular weight  ­at room temp: polymers with short chains exist as liquids  ­polymers with weights of approximately 1000 g/mol are waxy solids  ­solid polymers have molecular weights ranging between 10, 000 to several million g/mol Molecular Shape  ­some of the mechanical and thermal characteristics of polymers are a function of the  ability of chain segments to experience rotation in response to applied stresses or thermal  vibrations  ­rotational flexibility is dependent on repeat unit structure and chemistry  ­example: region of a chain segment with double bond is rotationally rigid  Linear Polymers  ­repeat units are joined together end to end in single chains  ­long chains are flexible (may be thought of as a mass of spaghetti)  ­extensive van der Waals and hydrogen bonding ­some common polymers are polyethylene, PVC, polystyrene, nylon and fluorocarbons  Branched Polymers  ­may be synthesized where side­branch chains are connected to the main ones  ­branches may result from side reactions that occur during the synthesis of the polymer  ­chain packing efficiency is reduced with the formation of side branches which results in  a lowering of the polymer density  ­polymers that form linear structures may also be branched 

Crosslinked Polymers  ­adjacent linear chains are joined to one another at various positions by covalent bonds  ­process is achieved during synthesis or a nonreversible chemical reaction  ­crosslinking is accomplished by additive atoms or molecules that are covalently bonded  to the chains  ­in rubbers this is called vulcanization  Network Polymers  ­multifunctional monomers forming three or more active covalent bonds make 3­D  networks  ­distinctive mechanical and thermal properties  ­examples: epoxies, polyurethanes, phenol­formaldehyde  Note: polymers are usually not only one distinctive structural type 

Molecular Configurations  ­for polymers having more than one side atom or group bonded to the main chain:  regularity and symmetry of side group arrangement can significantly influence the  properties

­in most polymers, the head to tail configuration predominates, often a polar repulsion  occurs between R groups for the head­to­head configuration  ­isomerism is found in polymer molecules where different configurations are possible for  same composition   Stereoisomerism  ­denotes situation in which atoms are linked together in the same order but differ in  spatial arrangement  ­specific polymer has many configurations; predominant form depends on method of  synthesis 

a) isotactic 

b) syndiotacticc) atactic 

Thermoplastic Polymers  ­behaviour in response to rising temperature  ­thermoplastics soften when heated, harden when cooled  ­molecular level: as temperature increases, secondary bonding forces are diminished so  that the relative movement of adjacent chains is facilitated when stress is applied  ­irreversible degradation occurs when a molten thermoplastic is raised to too high of a  temperature  ­most linear polymers and those having branched structures with flexible chains are  thermoplastic  ­these materials are normally fabricated by simultaneous application of heat and pressure  ­examples of common thermoplastic polymers include polyethylene, PVC and  polystyrene  Thermosetting Polymers  ­network polymers  ­become permanently hard during formation, do not soften upon heating  ­covalent crosslinks between adjacent molecular chains  ­during heat treatment, bonds anchor chains together to resist the vibrational and  rotational chain motions at high temperatures  ­10 – 50% of chain repeat units are crosslinked  ­heating to excessive temperatures causes severance of crosslink bonds and polymer  degradation  ­generally harder and stronger than thermoplastics  ­better dimensional stability Copolymers  m=∑ f j m j where:  f – mole fraction  m – molecular weight of repeat unit j 

Polymer Crystallinity  ­may exist in polymeric materials  ­atomic arrangements will be more complex for polymers  ­packing of molecular chains to produce an ordered atomic array  ­molecular substances with small molecules are normally either totally crystalline or  totally amorphous  ­degree of crystallinity by weight can be determined according to: 

­depends on rate of cooling during solidification as well as chain configuration  ­during crystallization upon cooling through the melting temperature, chains assume an  ordered configuration 

­for linear polymers, crystallization is easily accomplished because there are few  restrictions to prevent chain alignment  ­branched polymers are never highly crystalline  ­network and crosslinked polymers are almost completely amorphous because crosslinks  prevent polymer chains from rearranging and aligning  ­atactic polymers are difficult to crystallize  ­isotactic and syndiotactic crystallize much more easily because of regularity of geometry  ­copolymers: the more irregular and random, the greater the tendency for development of  noncrystallinity  ­alternating/block copolymers have some likelihood of crystallization  ­crystalline polymers are usually stronger and more resistant to dissolution and softening  by heat