Krystallstruktur

Krystallstruktur er krystallenes indre bygning. En krystallstruktur defineres ved begrepene gitter og basis.

Krystallstruktur av NaCl, vanlig koksalt (halitt)

Gitter

Et gitter er tredimensjonalt, og kan beskrives som matematiske punkter, definert av tre akselengder a, b, c og vinklene mellom disse. En krystallstruktur fremkommer dersom en har en identisk gruppe av et eller flere atomer på hvert gitterpunkt.

Det fins et uendelig antall gittere, men Franskmannen Auguste Bravais har vist at det kun behøves 14 gittere til å beskrive alle mulige krystallstrukturer og hvert av disse kalles et Bravaisgitter. Med utgangspunkt i Bravaisgitrene klassifiseres krystaller i sju krystallsystemer.

Basis

Basis i en krystallstruktur er de ionene som er satt inn i krystallgitteret i det foreliggende stoffet. Fordi basis har en dårligere symmetri enn gitteret, har krystallstrukturen i et stoff en dårligere symmetri enn gitteret. Basis består minst av ett atom, men kan også bestå av tusenvis av atomer, som i proteinkrystaller. I koksalt består basis av ett Na⁺- og ett Cl^--ion.

Symmetri

Krystallene oppviser på grunn av sin krystallstruktur ulike former for symmetri som kan observeres visuelt. Symmetrien kan beskrives ved symmetriplan, symmetriakser og symmetrisentra. Et symmetriplan deler en krystall i to deler, slik at de to delene speiler hverandre gjennom planet. Dersom krystallen har en akse som ligger slik at krystallen tar seg likedan ut (sett fra en fast vinkel) flere ganger mens den roterer omkring aksen, taler vi om en symmetriakse. Ulike krystaller kan ha totallige, tretallige, firtallige eller sekstallige symmetriakser - alt etter hvor mange ganger de gir det samme bildet som utgangsstillingen. Når en krystall har to flater som ligger symmetrisk om et punkt i midten av krystallen, har den et symmetrisentrum.

Krystallsystem

Krystallsystem er atomenes tredimensjonale gitter i enhetscellen til en krystall.

Ut ifra translasjonsvektorenes innbyrdes forhold går det an å skille mellom 14 ulike Bravaisgitter som tilsammen med ulike typer av baser kan anvendes for å klassifisere alle krystaller. To av Bravaisgitrene har fått vanlige forkortelser: BCC (Body Centered Cubic) og FCC (Face Centered Cubic).

Krystallsystem	Bravaisgitter
Triklin
Monoklin
	Enkelt	Basesentrert
Ortorombisk
	Enkelt	Basesentrert	Romsentrert	Flatesentrert
Tetragonal
	Enkelt	Romsentrert
Trigonal
Heksagonal
Kubisk
	Enkelt	Romsentrert (bcc)	Flatesentrert (fcc)

Noen strukturtyper

Blant grunnstoffene er de vanligste krystallstrukturene:

• Kubisk tettpakning (ccp – cubic close(st) packing/packed), er den tettpakket krystallstruktur som består av et fcc-gitter (kubisk flatesentrert) med et atom som base. Blant andre har kobber, sølv, gull, nikkel, aluminium, frossen argon og C₆₀ denne struktur. Ofte skiller man ikke ccp fra fcc, men i nøyaktig språkbruk er fcc en gittertype (et Bravaisgitter) mens ccp er en strukturtype.
• Heksagonal tettpakning (hcp – hexagonal close(st) packing/packed), er den andre tettpakkede krystallstrukturen, som består av et primitivt heksagonalt gitter med som base to atomer med innbyrdes translasjonsvektor (-1/3,1/3,1/2) i cellekoordinater. Denne struktur antas av bl.a. kobolt, sink, magnesium, titan, kadmium og frosset helium.
• BCC-pakning (Body Centered Cubic Packing), som består av et BCC-gitter (kubisk romsentrert) med som base et atom. Denne struktur er ikke like tettpakket som kubisk og heksagonal tettpakning, men det skiller ikke mange prosent. Natrium, kalium, α-jern og krom m.fl. har denne struktur. Observer at BCC egentlig er et gitter, og at det finnes mange flere strukturer som er BCC (f.eks. α-mangan, med 58 Mn-atomer i enhetscellen!) – man må altså være forsiktig når termen BCC anvendes og presiser hva som menes. Det finnes de som plederer for betegninger som romsentrert pakning (BCP) eller romsentrert kubisk pakning (BCCP) men kortformen BCC-struktur anses allment akseptert.
• Diamantstruktur, som består av et FCC-gitter og en base med et atom i (0,0,0) og en i (1/4,1/4,1/4). Foruten diamant har også silisium og germanium denne strukturen.

Til og med molekyler kan krystallisere og bygger da enten molekylkrystaller der molekylene stables (f.eks. syre (O₂), insulin) eller krystaller med uendelige byggesteiner i en eller flere dimensjoner (selen-kjeder, grafitt-sjikt).

Strukturbestemming

Studier av krystallstruktur har fått stor betydning for kjemiens utvikling. Den viktigste metoden bygger på røntgenkrystallografi, som går ut på at man studerer intensitet og styrke for ulike spredningsvinkler av en smal konsentrert røntgenstråle i en krystall.

Med røntgen- og nøytrondiffraksjon kan man bestemme nøyaktig posisjon for hvert atom til og med i krystaller av kompliserte molekyler, for eksempel insulin. Bestemming av krystallstrukturen er derfor en måte å kartlegge molekylers struktur.

Litteratur

• Kittel, Charles (2005). Introduction to Solid State Physics. John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-68057-5.
• West, Andrew (1999). Basic Solid State Chemistry, 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-98756-5.
• Müller, Ulrich (2004). Anorganische Strukturchemie. Teubner, og oversatt utgave fra John Wiley & Sons, Inc. ISBN 3-519-33512-3.
• Hägg, Gunnar (1989). Allmän och oorganisk kemi. Almqvist&Wiksell, Uppsala. ISBN 91-20-09015-3.

Eksterne lenker

• Viktor Goldschmidt – Der Atlas der Krystallformen