مادة صلبة بلورية: التعريف والأنواع والخصائص والأمثلة

المادة الصلبة المتبلورة هي نوع من المواد الصلبة يتكون هيكلها الأساسي ثلاثي الأبعاد من نمط منتظم للغاية من الذرات أو الجزيئات ، وتشكل شبكة بلورية. غالبية المواد الصلبة عبارة عن مواد صلبة بلورية ، ويمكن للترتيبات المختلفة للذرات والجزيئات داخلها أن تغير خصائصها ومظهرها.

المادة الصلبة هي حالة من المادة تحافظ فيها المادة على شكلها وتحافظ على حجم ثابت. هذا يجعل مادة صلبة متميزة عن السوائل أو الغازات ؛ تحافظ السوائل على حجم ثابت ولكنها تأخذ شكل الحاوية الخاصة بها ، وتتخذ الغازات الشكل و حجم الحاوية الخاصة بهم.

يمكن أن يتم ترتيب الذرات والجزيئات في المادة الصلبة في نمط منتظم ، مما يجعلها صلبة بلورية ، أو يتم ترتيبها بدون نمط ، مما يجعلها مادة صلبة غير متبلورة.

تشكل الذرات أو الجزيئات في البلورة نمطًا دوريًا أو متكررًا في جميع الأبعاد الثلاثة. هذا يجعل الهيكل الداخلي للبلور درجة عالية من التنظيم. يتم تجميع الذرات أو الجزيئات المكونة للبلورة معًا من خلال الروابط. يعتمد نوع الرابطة التي تربطها ببعضها البعض ، الأيونية أو التساهمية أو الجزيئية أو المعدنية ، على ما تتكون منه البلورة.

أصغر وحدة في النمط الهيكلي تسمى أ وحدة الخلية. تتكون البلورة من خلايا الوحدة المتماثلة هذه التي تتكرر مرارًا وتكرارًا في جميع الأبعاد الثلاثة. هذه الخلية هي المكون الأساسي لبنية البلورة ، وتحدد بعض خصائصها. كما تحدد النمط الذي يراه العلماء عندما ينظرون إلى البلورة باستخدام حيود الأشعة السينية ، والذي يمكن أن يساعدهم في تحديد بنية البلورة وتكوينها.

تسمى مواضع الذرات أو الجزيئات التي تشكل خلية الوحدة بالنقاط الشبكية.

عندما يبرد السائل إلى نقطة التجمد ، يصبح صلبًا في عملية تسمى الترسيب. عندما تترسب مادة ما في بنية بلورية منتظمة ، فإنها تسمى التبلور.

يبدأ التبلور بعملية تسمى التنوي: تتجمع الذرات أو الجزيئات معًا. عندما تكون هذه المجموعات مستقرة وكبيرة بما يكفي ، يبدأ نمو البلورات. يمكن أن يبدأ التنوي في بعض الأحيان بسهولة أكبر باستخدام بلورات البذور (كتل مسبقة الصنع) أو سطح خشن ، مما يشجع على تكوين العناقيد.

قد تكون مادة ذرية أو جزيئية معينة قادرة على تكوين هياكل بلورية متعددة. سيعتمد الهيكل الذي تتبلور فيه المادة على معايير معينة أثناء عملية التبلور ، بما في ذلك درجة الحرارة والضغط ووجود الشوائب.

يوجد أربعة أنواع رئيسية من المواد الصلبة البلورية: الأيونية ، والشبكة التساهمية ، والمعدنية والجزيئية. يتم تمييزها عن بعضها البعض بناءً على الذرات أو الجزيئات التي تتكون منها ، وكيف ترتبط تلك الذرات أو الجزيئات ببعضها البعض.

يتكون النمط المتكرر في بنية البلورات الأيونية من الكاتيونات المشحونة إيجابياً بالتناوب مع الأنيونات سالبة الشحنة. يمكن أن تكون هذه الأيونات ذرات أو جزيئات. عادة ما تكون البلورات الأيونية هشة وذات نقاط انصهار عالية.

كمادة صلبة ، فهي لا توصل الكهرباء ، لكن يمكنها توصيل الكهرباء كسوائل. يمكن أن تتكون من ذرات أو جزيئات طالما أنها مشحونة. من الأمثلة الشائعة على المواد الصلبة الأيونية كلوريد الصوديوم (NaCl) ، والمعروف باسم ملح الطعام.

بلورات الشبكة التساهمية ، التي تسمى أحيانًا بلورات الشبكة ، يتم تجميعها معًا بواسطة روابط تساهمية بين الذرات المكونة لها. (لاحظ أن بلورات الشبكة التساهمية هي مواد صلبة ذرية ، مما يعني أنه لا يمكن صنعها من الجزيئات.) إنها مواد صلبة جدًا ، ولها نقاط انصهار عالية ولا توصل الكهرباء جيدًا. الأمثلة الشائعة للمواد الصلبة للشبكة التساهمية هي الماس والكوارتز.

البلورات المعدنية هي أيضًا مواد صلبة ذرية ، مصنوعة من ذرات معدنية مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط معدنية. هذه الروابط المعدنية هي التي تمنح المعادن قابليتها للتطويع والليونة ، لأنها تسمح للذرات المعدنية بالتدحرج والانزلاق فوق بعضها البعض دون كسر المادة. تسمح الروابط المعدنية أيضًا لإلكترونات التكافؤ بالتحرك بحرية في جميع أنحاء المعدن في "بحر الإلكترون" ، مما يجعلها موصلات رائعة للكهرباء. تختلف درجة صلابتها وانصهارها على نطاق واسع.

تتكون البلورات الجزيئية من جزيئات مرتبطة ، على عكس البلورات المعدنية والشبكات ، والتي تتكون من ذرات مرتبطة. الروابط الجزيئية ضعيفة نسبيًا مقارنة بالروابط الذرية ويمكن أن تنتج عن مجموعة متنوعة من القوى بين الجزيئات بما في ذلك قوى التشتت وقوى ثنائي القطب.

تحتوي الروابط الهيدروجينية الضعيفة على بعض البلورات الجزيئية ، مثل الجليد ، معًا. نظرًا لأن البلورات الجزيئية تتماسك معًا بواسطة هذه الروابط الضعيفة ، فإن نقاط انصهارها تميل إلى أن تكون أقل بكثير ، وهي أسوأ موصلات للحرارة والكهرباء ، وهي أكثر ليونة. تشمل الأمثلة الشائعة للبلورات الجزيئية الثلج والثلج الجاف والكافيين.

المواد الصلبة التي شكلتها غازات نبيلة تعتبر أيضًا بلورات جزيئية على الرغم من كونها مصنوعة من ذرات مفردة ؛ ترتبط ذرات الغازات النبيلة بقوى مماثلة لتلك التي تربط الجزيئات الضعيفة ببعضها البعض في بلورة جزيئية ، مما يمنحها خصائص متشابهة جدًا.

متعدد البلورات هو مادة صلبة تتكون من أنواع متعددة من الهياكل البلورية ، والتي يتم دمجها في نمط غير دوري. الجليد المائي هو مثال على البلورات المتعددة ، كما هو الحال بالنسبة لمعظم المعادن والعديد من السيراميك والصخور. الوحدة الأكبر التي تتكون من نمط فردي تسمى حبة ، ويمكن أن تحتوي الحبوب على العديد من خلايا الوحدة.

يكون الإلكترون في مادة صلبة بلورية محدودًا في مقدار الطاقة التي يمكن أن يمتلكها. القيم المحتملة للطاقة التي يمكن أن تكون لها تشكل "نطاق" شبه مستمر من الطاقة ، تسمى an فرقة الطاقة. يمكن أن يأخذ الإلكترون أي قيمة للطاقة داخل النطاق ، طالما أن النطاق شاغر (هناك حد لعدد الإلكترونات التي يمكن أن يحتويها نطاق معين).

تعتبر هذه النطاقات متصلة من الناحية الفنية ؛ إنها تحتوي فقط على عدد كبير جدًا من مستويات الطاقة التي تكون قريبة جدًا من بعضها بحيث يتعذر حلها بشكل منفصل.

تسمى النطاقات الأكثر أهمية شريط التوصيل ونطاق التكافؤ: نطاق التكافؤ هو نطاق أعلى مستويات الطاقة للمادة حيث توجد الإلكترونات عند درجة حرارة الصفر المطلق ، في حين أن نطاق التوصيل هو أدنى نطاق من المستويات التي تحتوي على شاغرة تنص على.

في أشباه الموصلات والعوازل ، يتم فصل هذه النطاقات بفجوة طاقة تسمى فجوة الفرقة. في شبه المعدلات ، تتداخل. في المعادن ، لا يوجد تمييز جوهري بينهما.

عندما يكون الإلكترون في نطاق التوصيل ، يكون لديه طاقة كافية للتحرك حول المادة بحرية. هكذا توصل هذه المواد الكهرباء: من خلال حركة الإلكترونات في نطاقات التوصيل الخاصة بها. نظرًا لعدم وجود فجوة بين شريط التكافؤ وشريط التوصيل في المعادن ، فمن السهل على المعادن توصيل الكهرباء. تميل المواد التي بها فجوة نطاق أكبر إلى أن تكون عوازل ؛ من الصعب الحصول على طاقة إلكترون كافية لقفز الفجوة والدخول في نطاق التوصيل.

نوع آخر من المواد الصلبة هو مادة صلبة غير متبلورة ، وليس لها نمط دوري. الذرات والجزيئات داخل المواد الصلبة غير المتبلورة إلى حد كبير غير منظم. لهذا السبب ، تشترك في العديد من أوجه التشابه مع السوائل ، وفي الواقع ليس لها نقطة انصهار محددة.

بدلاً من ذلك ، نظرًا لاختلاف المسافات بين الذرات أو الجزيئات المتجاورة في الهيكل ، فإن الطاقة الحرارية تمر عبر المادة بشكل غير متساو. تذوب المادة ببطء على نطاق واسع من درجات الحرارة.

تشمل أمثلة المواد الصلبة غير المتبلورة المطاط والزجاج والبلاستيك. السبج والحلوى القطنية هي أيضًا أمثلة على المواد الصلبة غير المتبلورة.