結晶構造はどのように決定されますか?|化学

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結晶構造は、Ｘ線回折によって決定される。 X 線のビームが結晶に当たり、回折パターンを使用して構造を調べます。

物質は、その内部構造に基づいて、非晶質と結晶質の 2 つのカテゴリに大別できます。非晶質材料は、長距離秩序と構造対称性に欠けるものであり、結晶構造は、長距離にわたって繰り返される分子構造と対称性を持つものです。固体と液体の両方が、結晶構造とアモルファス構造を示します。

分子構造の違いが、アモルファス固体と結晶固体の違いの原因です。

食卓塩、ダイヤモンド、雪片、水晶、シリコンゲルマニウム半導体、タンパク質など、機能的、経済的、美的価値のある多くの物質は、その構造が結晶です。それらの構造を決定し、それらを分類することで、それらの物理的および化学的特性の多くが説明されます.

たとえば、LCD 技術では液晶を使用しており、その構造は、通過する光を変調する (偏光、振幅、または位相を変化させる) 電場を変化させることによって変更されます。さまざまなタンパク質の混合物を含むトレーニングサプリメントは、偽造品ではなく本物であることが確認できます。

このようなデバイスの開発には、結晶構造と、特定の物質の物理的および化学的特性に対する結晶構造の影響を理解する必要があります。

結晶構造の基礎

ルービックキューブを想像してください。それは、より小さく、分割できない同一の立方体で構成されています。これらの小さな立方体は単位セルと呼ばれます。同様に、すべての結晶には、蓄積が許可されたときに結晶の大部分を構成する単位セルがあります。単位セルの形状を理解するには、格子の概念を導入することが重要です .

六角格子空間。格子は 2 次元であるため、単位セルを作成するには 2 つのベクトルが必要です。 (写真提供:Svenbot/Wikimedia commons)

格子は規則的な配置ですすべての方向に無限に広がるポイント/ドットの。このラティスの任意の点は、すべての方向 (斜めおよび横方向) からの他の点に囲まれています。これらの点は、実際の 3 次元空間の抽象的な実現として機能します。これらの点を結合して、立方体、六角柱、立方体、菱形、四面体などのさまざまな形状を形成できます。

多くの異なる 3 次元構造は、異なる結晶の単位セルとして機能します。それらは、互いにさまざまな角度で傾斜したさまざまな平行面のセットを持っているため、さまざまな光学特性が得られます。結晶面間の距離は約 10-10m (ピコメートル) です。

したがって、同様の波長の光を使用できる場合、結晶面は光の回折を引き起こし、回折パターンをもたらします。この回折パターンは、ユニットセルの種類によって異なります。 X 線は 10-10 m から 10-9 m の範囲の波長を持ち、結晶と相互作用するときに回折を受けます。

結晶構造を研究するための X 線の使用は、X 線結晶学と呼ばれます。

ミラー指数

3 次元座標軸上に配置された単位セルを想像してください。単位セルには、すべての方向に伸びる一連の平行な面があります。平面は、座標軸に平行である場合と平行でない場合があります。平面と軸が平行である場合、2 つの交差はなく、切片 (平面が軸と交差する点) は無限になります。ただし、それらが平行でない場合、平面は最終的に座標軸と交差し、切片は有限になります。

座標軸が 3 つあるため、結晶の面方位を測定するには 3 つの切片が必要です。結晶面の切片を (x, y, z ) 軸は (p, q, r ）、それぞれ。 ミラー指数–

結晶面の方向を示します。以来、1/p 1/q 、および 1/r 10 進数、p、q の最小公倍数です、および r を乗算して (h, k, l ) 整数。

シェーディングされた平面のミラー指数が言及されています。たとえば、左上隅にある最初の平面 -(0, 0, 1) を取ります。平面は (x, y) 軸に平行であり、そこには切片 (または無限) はありません。したがって、(h, k) =(1/p, 1/q) =(1/, 1/) =(0, 0) です。平面は、ある点 c で z 軸を切断します。ここで、l =1/c です。 LCM (=c) を乗算すると、l =c(1/c) =1 となります。したがって、(h, k, l) =(0, 0, 1) となります。 (写真提供:McSush/Wikimedia commons)

格子定数 a の立方単位格子の場合 (辺の長さ)、2 つの平行な平面間の距離 (面間距離) は-

X 線結晶学

X 線結晶構造解析には、回転結晶法と粉末法という 2 つの広く使用されている方法があります。どちらの場合も、原理はほぼ同じです。つまり、結晶サンプルに X 線を照射し、得られたビームの回折パターンを調べて構造情報を推測します。

回転結晶回折法

X線回折装置。 (写真提供:DrBoStefanov/ウィキメディアコモンズ)

平面方位が不明な純粋な結晶サンプルをホルダーに置きます。チューブからの X 線ビーム (平行光線の集まり) が粉末状の結晶に当たります。結晶は複数の軸を中心に回転させることができるため、入射 X 線ビームに対して異なる結晶方位が可能になります。

平面鏡に光線が当たっていると想像してください。光線がミラーに対して平行であれば反射はありませんが、光線がミラーに対してある角度で傾いている場合は反射されます。同様に、X 線ビームが結晶面に平行である場合、X 線ビームは結晶との相互作用なしに通過し、回折は発生しません。ただし、面とビームが傾いていると、強い回折パターンが観察されます。

d 離れた 2 つの平行な平面を想像してください。 . X 線ビームが結晶に到達すると、一連の平行面が一連の別個の平行ミラーとして機能します。面間距離は d です。 ビームが結晶に到達すると、その構成光線は 2 つの平面に到達するために異なる長さを移動する必要があります (平面は d で分離されているため) ）。これにより、 パスの違い が導入されます (移動距離の差) 2 つの光線の間。

光路差の変化は、X 線の位相差の変化に変換されます。したがって、位相差を持ち、同じ方向に進み、同じ周波数を持つ 2 つの光線は、互いに重なり合い、干渉を引き起こします。 .この干渉パターン (一連の強度のピークとロー) が写真乾板に記録されます。一連の強度のピークとローは、中心点を中心に均等に分布しています。