ระบบและโครงสร้างผลึก (System and Structure of Crystal) สสารที่เป็นของแข็งมีเนื้อวัสดุมีความหนาแน่นมีลักษณะโครงสร้างหลายรูปแบบต่าง
ๆ
คุณสมบัติของโลหะมีความสัมพันธ์อย่างมากกับระบบและโครงสร้างผลึกที่อะตอมเรียงเกาะตัวกันอยู่
ซึ่งระบบและโครงสร้างของผลึกของโลหะ
มักอธิบายให้ทราบได้โดยการศึกษาเรื่องต่อไปนี้ควบคู่กันไป ได้แก่ สเปซแลททิซ (Space
Lattice) , รูปแบบของสเปซแลททิซ , หน่วยเซล (Unit Cell)
ระบบผลึกที่สำคัญของโลหะได้แก่
1. BCC (Body Centered Cubic)
2. FCC (Face Centered Cubic)
3. HCP (Hexagonal Closed Packed)
โครงสร้างผลึก (Crystal Structure)
โครงสร้างผลึกนั้นจะประกอบไปด้วยผลึกขนาดเล็ก
ๆ และผลึกจะประกอบไปด้วยหน่วยเซลล์ (Unit Cell) โดยที่หน่วยเซลล์นั้นก็จะประกอบไปด้วยอะตอมซึ่งอยู่ในตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจงภายในเซลล์นั้น
ดังนั้นหน่วยเซลล์ก็คือส่วนที่เล็กที่สุดในโครงสร้างผลึกซึ่งสามารถแสดงรูปร่างของโครงสร้างผลึกได้
ผลึกที่สมบูรณ์ใดๆ
จะประกอบด้วยหน่วยเซลล์จำนวนหนึ่งมาจัดเรียงตัวกันเข้าเป็นสามมิติซึ่งเราเรียกว่า Crystal
Lattice หรือ Space Lattice ดังนั้นคำว่า Crystal Lattice หรือ Space
Lattice จึงหมายถึงรูปทรงที่เกิดขึ้นจากการเรียงตัวของหน่วยเซลล์ใน 3 มิติ เมื่อมองแต่ละมิติจะเห็นเหมือนกับตาข่ายที่คล้ายกันทั้งหมด
รูปที่ 1 ลักษณะ Crystal
Lattice
คุณสมบัติของโครงสร้างผลึก
สสารที่มีรูปผลึกโดยทั่วไปนั้นจะมีรูปทรงเรขาคณิตและจัดเรียงระนาบของผลึก
ซึ่งเป็นไปตามกฎพื้นฐาน 3 ข้อดังนี้ คือ
1.
กฎความคงที่ของมุมระหว่างหน้าผลึก (The Law of Constancy of Interfacial
Angles)
2.
กฎอัตราส่วนของเลขดัชนีหรือจุดตัด (The Law of Rationality of Indices or
Intercepts)
3. กฎความสมมาตร (The
Law of Symmetry)
ระบบผลึก (Crystal)
เมื่อพิจารณาถึงหลักเกณฑ์ทางเรขาคณิตของระบบผลึกแล้ว
จะสามารถแบ่งผลึกออกเป็น 7 ระบบ
โดยอาศัยความแตกต่างทางความยาวของแกนผลึก และมุมระหว่างแกน (Interaxial
Angle) ซึ่งความยาวของแกนผลึกนั้นวัดเป็นหน่วยอังสตรอม (Angstrom
= A )
ระบบผลึกแบบ Cubic
ระบบผลึกแบบนี้มีด้านทั้ง 3 ด้านของหน่วยเซลล์ยาวเท่ากัน และทำมุม 90 องศาซึ่งกันและกัน
ตัวอย่างเช่น ผลึกของ NaCl, KCl, Pb(NO3) 2 , เหล็ก , ทองแดง , ทอง และสารส้ม
ซึ่งระบบผลึกแบบนี้จะประกอบไปด้วย Simple Cubic , Body Centered
Cubic และ Face Centered Cubic
รูปที่ 2 ระบบผลึกแบบ Simple Cubic
ระบบผลึกแบบ Orthorhombic
ระบบผลึกแบบนี้
จะมีด้านทั้ง 3 ด้านยาวไม่เท่ากัน แต่จะทำมุม 90 องศาซึ่งกันและกัน ตัวอย่างเช่น ผลึกของ K2SO4 , KNO3 ,KMnO4
, อะราโกไนต์ (CaCO3) , MgSO4 , 7H2O และไอโอดีน ระบบโครงสร้างผลึกแบบนี้ จะประกอบไปด้วยผลึก Simple
Orthorhombic , Body Centered Orthorhombic , End entered Orthorhombic และ Face Centered Orthorhombic
รูปที่ 3 ระบบผลึกแบบ Orthorhombic
ระบบผลึกแบบ Tetragonal
ระบบผลึกแบบนี้มีด้านยาวเท่ากัน 2 ด้าน ส่วนด้านที่ 3 มีความยาวต่างออกไป
และทั้ง 3 ด้านทำมุม 90 องศาซึ่งกันและกัน ตัวอย่างเช่นผลึกของ NiSO4 , KH2PO4 เป็นต้น ระบบผลึกแบบนี้จะประกอบด้วยผลึก Simple
Tetragonal และ Body Centered Tetragonal
รูปที่ 4 ระบบผลึกแบบ Tetragonal
ระบบผลึกแบบ Monoclinic
ระบบผลึกแบบนี้จะมีด้านทั้ง 3 ด้านยาวไม่เท่ากัน ด้าน 2 ด้านทำมุมต่อกันมุมหนึ่งซึ่งจะไม่เท่ากับ 90 องศา ส่วนด้านที่ 3 ทำมุม 90 องศา กับด้านทั้ง 2 ตัวอย่าง เช่น
ผลึกของยิปซัม (CaSO4.2H2O) , บอแรกซ์ (Na2B4O7.1OH2O)
, KClO3 , และกำมะถันโมโนคลินิก
ซึ่งระบบผลึกแบบนี้จะประกอบด้วยผลึก Simple Monoclinic และ End Centered Monoclinic
รูปที่ 5 ระบบผลึกแบบ Monoclinic
ระบบผลึกแบบ Rhombohedral
ระบบผลึกแบบนี้จะมีด้านทั้ง 3 ด้านยาวเท่ากันและมุมทั้ง 3 มุมเท่ากันด้วย
แต่มุมทั้ง 3 มุมนั้นต่างก็ไม่เท่ากับ 90 องศา ตัวอย่างเช่นผลึกของ NaNO3 , แคลไซต์
(CaCO3), ZnCO3 , อะเซติก , แอนติโมนีและบิสมัท ซึ่งระบบผลึกแบบนี้จะมีเพียงผลึกแบบ Simple
Rhombohedral เท่านั้น
รูปที่ 6 ระบบผลึกแบบ Rhombohedral
ระบบผลึกแบบ Triclinic
ระบบผลึกแบบนี้จะมีด้านทั้ง 3 ยาวไม่เท่ากัน และยังมีมุมระหว่างด้านทั้ง 3 ไม่เป็นมุมฉากอีกด้วย ตัวอย่างเช่น K2Cr2O7 เป็นต้นระบบผลึกแบบนี้จะมีเพียง Simple Triclinic เท่านั้น
รูปที่ 7 ระบบผลึกแบบ Triclinic
ระบบผลึกแบบ Hexagonal
ระบบแบบนี้จะมีด้านเท่ากัน 2 ด้านและทำมุม 120 องศา
อีกด้านหนึ่งมีความยาวต่างออกไปและทำมุม 90 องศากับ 2 ด้านนั้น ตัวอย่างเช่น ผลึกของแกรไฟต์ , แมกนีเซียม , เบริลเลียม และสังกะสี เป็นต้น ซึ่งระบบผลึกแบบนี้จะมี 2ชนิดคือ Simple Hexagonal และ Hexagonal
Close-Packed
รูปที่ 8 ระบบผลึกแบบ Hexagonal
ระบบผลึกของโลหะที่สำคัญ
ระบบผลึกที่ได้กล่าวมาทั้งหมดนั้น
ต่างก็เป็นระบบผลึกของของแข็งทั่ว ๆ ไป แต่จะมีระบบผล
บางชนิดที่เป็นระบบผลึกของโลหะ ดังนั้น จึงควรศึกษาระบบผลึกดังกล่าวโดยละเอียด
ซึ่งระบบผลึกบางอย่างนั้นมีดังนี้
1. Body – Centered Cubic (BCC) มีหน่วยเซลล์ที่มีลักษณะเป็นสี่เหลี่ยมลูกบาศก์
โดยจะมีอะตอมอยู่ในตำแหน่งทั้ง 8 มุม
และที่ตำแหน่งกึ่งกลางของเซลล์ พิจารณารูปประกอบ
หน่วยเซลล์แบบนี้จะมีโลหะดังต่อไปนี้ วาเนเดียม โมลิบดีนัม ทังสเตน เหล็ก
และโคเมียม เป็นต้น
รูปที่ 9 ลักษณะผลึกแบบ BCC
การหาจำนวนอะตอมของหน่วยเซลล์แบบ BCC สามารถหาได้โดยวิธีการ
ดังต่อไปนี้
มีอะตอมที่กึ่งกลางหน่วยเซลล์ = 1 อะตอม
มีอะตอมที่มุมแต่ละมุม = 1/8 อะตอม
จำนวนอะตอมที่มุมทั้ง 8 มุม
= 1/8 x 8 = 1
ดังนั้น มีอะตอมทั้งหมด = 1 + 1 =
2 อะตอม
2. Face -
Centered Cubic (FCC) ซึ่งมีหน่วยเซลล์ที่มีลักษณะเป็นสี่เหลี่ยมลูกบาศก์
มีอะตอมอยู่ที่มุมทั้ง 8 มุม
และที่กึ่งกลางในแต่ละด้านของลูกบาศก์อีก 6 ด้าน
ซึ่จะมีรูปร่างดังรูประบบผลึกแบบนี้มีอยู่ในโลหะ เช่น ทองแดง เงิน ทองคำ
อะลูมิเนียม ตะกั่ว เหล็ก โครเมียม โคบอลต์ นิกเกิล และแพลทินัม เป็นต้น
รูปที่ 10 ลักษณะผลึกแบบ FCC
การหาจำนวนอะตอมของหน่วยเซลล์แบบ FCC สามารถหาได้ด้วยวิธีการดังนี้
มีอะตอมที่มุมแต่ละมุม = 1/8 อะตอม
มีอะตอมที่มุมทั้ง 8 มุม
= 1/8 X 8 = 1 อะตอม
อะตอมที่อยู่ในกึ่งกลางของด้านแต่ละด้าน = 1/2 อะตอม
อะตอมที่อยู่กึ่งกลางด้านทั้ง 6 ด้าน
= 1/2 X 6 = 3 อะตอม
ดังนั้น จึงมีอะตอมทั้งหมด = 4 อะตอม
3. Hexagonal Closed Packed (HCP) พิจารณารูปที่ METAL-ATOM 16 ประกอบ
ผลึกแบบนี้มีเซลล์เป็น รูป 6 เหลี่ยม
ที่มีด้านที่ฐาน 2 ด้าน (a1 และ a2) ยาวเท่ากัน แต่ด้านทั้ง (C) มีความยาวที่แตกต่างกันออกไป
ซึ่รายละเอียดได้กล่าวไว้แล้วในเรื่องระบบผลึก
รูปที่ 11 ลักษณะผลึกแบบ HCP
การหาอะตอมในหน่วยเซลล์แบบ
(HCP) หน่วยเซลล์แบบนี้จะเป็นรูป 6 เหลี่ยม ดังนั้นจึงมีวิธีการหาจำนวนอะตอมที่แตกต่างไปจากหน่วยเซลล์แบบอื่น
ๆ โดยวิธีการดังนี้
อะตอมทุกอะตอมมีหน่วยเซลล์ใช้อะตอมร่วมกัน = 6 หน่วยเซลล์
ดังนั้น ที่มุมของหน่วยเซลล์จะมีอะตอมอยู่ = 1/6 อะตอม
ซึ่งหน่วยเซลล์ 6 เหลี่ยมมีมุมทั้งหมด
= 12 มุม
จึงมีอะตอมที่มุม = (1/6) x 12 = 2 อะตอม
มีอะตอมระหว่างระนาบบนกับระนาบฐาน = 3 อะตอม
มีอะตอมที่กึ่งกลางระนาบบนและระนาบฐาน = (1/2) x 2 = 1 อะตอม
ดังนั้น จะมีอะตอมทั้งหมด = 2 + 3 + 1 =
6 อะตอม