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Redes cristalinas em 3D

Equações desta simulação

Z = N_corner ÷ 8 + N_edge ÷ 4 + N_face ÷ 2 + N_inside
N_cornerátomos nos vértices da célulacada um é compartilhado pelas 8 células que se encontram ali
N_edge, N_faceátomos nas arestas e nas facesuma aresta é compartilhada por 4 células, uma face por 2
Zátomos por célula unitária1 na cúbica simples, 2 na de corpo centrado, 4 na de faces centradas; num sal, unidades de fórmula por célula

Com os valores atuais:

ρ = Z M ÷ (N_A V)
Mmassa molar de uma unidade de fórmulapara o NaCl, 22,99 + 35,45 = 58,44 g/mol
N_Aconstante de Avogadro6,022 × 10²³ por mol
Vvolume da célulaa³ numa célula cúbica; (√3 ÷ 2) a² c na hexagonal
ρdensidade do cristalmedidas de a com raios X junto com a densidade deram um dos melhores valores antigos de N_A

Com os valores atuais:

fator de empacotamento = Σ (4/3) π r³ ÷ V
rraio de cada átomo ou íonraios metálicos para os metais, raios iônicos para o NaCl e o CsCl, raios covalentes para a blenda de zinco e o diamante
empacotamentofração da célula ocupada pelas esferas52% na cúbica simples, 68% na de corpo centrado, 74% na de faces centradas e na hexagonal compacta, o máximo que qualquer empacotamento de esferas iguais pode atingir

Com os valores atuais:

1 ÷ d² = (h² + k² + l²) ÷ a² (hexagonal: 4(h² + hk + k²) ÷ 3a² + l² ÷ c²)
h, k, líndices de Milleros planos cortam as arestas da célula em a ÷ h, a ÷ k e a ÷ l; um 0 significa que os planos são paralelos a essa aresta
ddistância entre os planosa distância entre planos vizinhos da família desenhada em amarelo

Com os valores atuais:

n λ = 2 d sin θ
λComprimento de onda dos raios X λprecisa ser menor que 2d, senão os planos não conseguem refleti-lo em nenhum ângulo
θângulo de Braggo ângulo entre o feixe e os planos; o detector fica a 2θ do feixe
nordem da reflexãoa reflexão (2 2 2) é a segunda ordem de (1 1 1): seus planos estão à metade da distância

Com os valores atuais:

F = Σ f_j e^(2πi (h x_j + k y_j + l z_j)), I ∝ |F|² (1 + cos² 2θ) ÷ (sin² θ cos θ)
x_j, y_j, z_jposition of atom j as fractions of the cell edgesos átomos entre os planos espalham fora de fase com os que estão sobre eles
f_jfator de espalhamento do átomo jperto do número de elétrons Z em ângulos pequenos, caindo em ângulos maiores; aqui f = Z e^(−2s²) ÷ (1 + 3s²), s = sin θ ÷ λ em Å⁻¹
Ffator de estruturaquando F = 0 a reflexão está ausente: o ferro de corpo centrado não tem pico (1 0 0), porque o átomo do centro cancela os dos vértices

Com os valores atuais:

Como usar as redes cristalinas em 3D

  1. Escolha uma estrutura. A célula unitária é desenhada com os átomos do exemplo real, na sua constante de rede medida, e os resultados contam os átomos por célula (os vértices são compartilhados por 8 células, as arestas por 4, as faces por 2) e mostram o número de coordenação, a distância aos vizinhos mais próximos, o fator de empacotamento e a densidade, ao lado da densidade medida. Mude para preenchimento espacial para ver os átomos no tamanho real, ou corte-os nas faces da célula para ver que parte de cada átomo do vértice pertence a ela.
  2. Ajuste os índices de Miller h, k e l. Os planos dessa família são desenhados em amarelo, os átomos sobre eles se acendem e os resultados dão a distância d e o ângulo 2θ em que os planos refletem raios X pela lei de Bragg. Algumas escolhas estão ausentes, como (1 0 0) no ferro de corpo centrado, porque os átomos entre os planos espalham exatamente fora de fase; com distâncias pequenas o comprimento de onda é longo demais para ser refletido.
  3. Veja o detector varrer de 0 a 150°: o feixe vermelho entra, o amarelo sai com o mesmo ângulo em relação aos planos e fica mais forte quando a diferença de caminho é um número inteiro de comprimentos de onda. O gráfico abaixo mostra o padrão de pó completo. Arraste a constante de rede para ver a densidade e os picos mudarem, e mude para a radiação de molibdênio para ver mais picos. A Calculadora de massa molar dá a massa que entra na densidade.

Perguntas frequentes

O que é uma célula unitária?

A menor caixa de átomos que monta o cristal inteiro quando repetida em todas as direções, como um azulejo. Uma célula cúbica é descrita por um comprimento, a constante de rede a; a célula hexagonal do magnésio precisa de dois, a e c. O número de átomos por célula, Z, conta cada átomo de vértice como um oitavo, cada átomo de aresta como um quarto e cada átomo de face como metade, porque as células vizinhas os compartilham.

Como se calcula a densidade de um cristal?

Divida a massa dos átomos de uma célula pelo seu volume: ρ = Z M ÷ (N_A a³). Para o cobre, 4 × 63,55 g/mol ÷ (6,022 × 10²³ × (361,5 pm)³) = 8,94 g/cm³, contra 8,96 medidos. No sentido inverso, a mesma equação deu um dos valores antigos mais precisos da constante de Avogadro.

O que são índices de Miller?

Três números inteiros (h k l) que nomeiam uma família de planos paralelos: os planos cortam as arestas da célula em a ÷ h, a ÷ k e a ÷ l, e um 0 significa que são paralelos a essa aresta. Num cristal cúbico a distância é d = a ÷ √(h² + k² + l²). Em cristais hexagonais costuma-se usar quatro índices (h k i l), com i = −(h + k).

Por que algumas reflexões de raios X não aparecem?

A lei de Bragg diz quando as ondas de uma família de planos estão em fase, mas os átomos entre esses planos também espalham. No ferro de corpo centrado o átomo do centro da célula fica no meio do caminho entre os planos (1 0 0) e os cancela exatamente, então o fator de estrutura F é zero e não há pico. Quais picos faltam é o que permite à difração de raios X distinguir os tipos de rede.

Diz que o WebGL está desativado.

A visualização 3D precisa de WebGL, que todo navegador atual tem. Ele pode ser desativado pela aceleração de hardware desligada nas configurações do navegador, ou por um driver gráfico muito antigo. Ligue a aceleração de hardware ou tente outro navegador.

Alguma coisa é enviada?

Não. A simulação é desenhada pelo seu próprio navegador com WebGL; nada é enviado a lugar nenhum, e ela continua funcionando offline depois que a página carrega.

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