Interstitiële verbinding

De kristallografie kent twee typen dichtste bolstapelingen die opgebouwd kunnen worden uit lagen met een tweedimensionale hexagonale translatiesymmetrie:

• de hexagonaal dichtste stapeling;
• de kubisch dichtste stapeling.

De interstitiële holten bevinden zich tussen twee lagen zodat er in beide roosters gelijke aantallen interstitiële posities zijn. Per metaalatoom in het rooster zijn er twee soorten interstitiële holten:

• twee kleine holen met tetraëdrische symmetrie tussen vier metaalatomen;
• één groot holte met octaëdrische symmetrie tussen zes metaalatomen.

Als de afstand tussen de metaalatomen in het rooster gelijk is aan d, dan bevinden de vier metaalatomen zich op een afstand ${\displaystyle \scriptstyle d{\sqrt {2}}/4\,\approx \,0,612\,d}$ van de kleine holten met de tetraëdrische symmetrie. De zes metaalatomen bevinden zich op een afstand ${\displaystyle \scriptstyle d/{\sqrt {2}}\,\approx \,0,707\,d}$ van de grote holte met de octaëdrische symmetrie.

Metalen met een BCC-rooster hebben drie interstitiële holten per metaalatoom. De drie holten hebben alle drie dezelfde gedeformeerde afgeplatte octaëdrische symmetrie. Als de afstand tussen de metaalatomen gelijk is aan d, dan zijn de twee korte afstanden tussen de holte en de twee nabij gelegen metaalatomen gelijk aan ${\displaystyle \scriptstyle d/{\sqrt {3}}\,\approx \,0,577\,d}$ . De langere afstanden tussen de holten en de vier andere metaalatomen zijn gelijk aan ${\displaystyle \scriptstyle d\,{\sqrt {6}}\,/\,3\,\approx \,0,816\,d}$ . In de praktijk gaan interstitiële legeringen van overgangsmetalen met een BCC-rooster bij vrij lage concentraties legeringsmateriaal al over naar een metastabiele dichtst gestapelde kubische of hexagonale kristalstructuur.

In de kristalroosters van open kristalstructuren, zoals in elementen met een diamantstructuur of verbindingen met een kwarts- of aluminiumoxidestructuur, komen interstitiële ruimten en kanalen voor. In de rechts afgebeelde eenheidscel van aluminiumoxide zijn de open ruimten goed zichtbaar.

Een bekend voorbeeld van een harde interstitiële verbinding is wolfraamcarbide dat onder andere in de punt van betonboren toegepast wordt. Hoewel de namen van de legeringen en verbindingen suggereren dat de verschillende elementen in stoichometrische verhoudingen in het materiaal voorkomen is dat in de praktijk zelden het geval. Meestal blijven er minstens enkele procenten van de interstitiële holten onbezet.

De meeste interstitiële verbindingen hebben een andere kristalstructuur dan het gastrooster onder standaardomstandigheden. Wolfraammetaal heeft een BCC-rooster maar α-wolfraamcarbide heeft een hexagonale lagenstructuur. Titanium kristalliseert in een rooster met een hexagonaal dichtste stapeling maar titaniumnitride heeft een natriumchloride-rooster.

IJzer is in zuivere vorm vrij zacht maar verandert in het hardere en veerkrachtige staal als het minder dan 1,9 gewichtsprocent koolstof bevat. Staal bestaat uit een polykristallijn mengsel van ferriet, perliet, ledeburiet en Fe₃C of cementiet. Als het gewichtspercentage koolstof hoger dan 2,5 % is dan wordt het materiaal bros en spreekt men van gietijzer.

Bij hogere koolstofconcentraties treden faseovergangen op zoals weergegeven in het fasediagram rechts. Als gietijzer meer dan 6,67 gewichtsprocent koolstof bevat dan valt de legering uit elkaar in stukken cementiet gescheiden door lagen grafiet. Boven de 6,67 gewichtsprocent koolstof treedt verzadiging met koolstof op omdat het thermodynamisch gunstiger is om twee aparte fasen met cementiet en grafiet te vormen.