Кристалното твърдо вещество е вид твърдо вещество, чиято основна триизмерна структура се състои от силно правилен модел на атоми или молекули, образуващи кристална решетка. По-голямата част от твърдите вещества са кристални твърди вещества и различното разположение на атомите и молекулите в тях могат да променят техните свойства и външен вид.
Какво е твърдо вещество?
Твърдото вещество е веществено състояние, при което веществото запазва формата си и поддържа постоянен обем. Това прави твърдо вещество различно от течности или газове; течностите поддържат постоянен обем, но приемат формата на контейнера си, а газовете приемат формата и обем на техния контейнер.
Атомите и молекулите в твърдо вещество могат да бъдат подредени по правилен модел, превръщайки го в кристално твърдо вещество, или да бъдат подредени без модел, което го прави аморфно твърдо вещество.
Кристална структура
Атомите или молекулите в кристал образуват периодичен или повтарящ се модел във всичките три измерения. Това прави вътрешната структура на кристала
Най-малката единица от структурния модел се нарича a единична клетка. Кристалът се състои от тези идентични единични клетки, повтаряни отново и отново във всичките три измерения. Тази клетка е най-основният компонент в структурата на кристала и определя някои от неговите свойства. Той също така определя модела, който ученият вижда, когато гледа кристала, използвайки рентгенова дифракция, което може да им помогне да идентифицират структурата и състава на кристала.
Позициите на атомите или молекулите, които изграждат елементарната клетка, се наричат решетъчни точки.
Кристализация и фазови промени
Когато течността се охлади до точката си на замръзване, тя се превръща в твърдо вещество в процес, наречен утаяване. Когато веществото се утаи в правилна кристална структура, това се нарича кристализация.
Кристализацията започва с процес, наречен нуклеация: атомите или молекулите се групират заедно. Когато тези клъстери са достатъчно стабилни и достатъчно големи, растежът на кристалите започва. Нуклеацията понякога може да бъде по-лесна за стартиране чрез използване на семенни кристали (предварително направени бучки) или грапава повърхност, което насърчава образуването на клъстери.
Даден атомен или молекулярен материал може да бъде в състояние да образува множество кристални структури. Структурата, в която материалът кристализира, ще зависи от определени параметри по време на процеса на кристализация, включително температура, налягане и наличие на примеси.
Видове кристални твърди вещества
Има четири основни типа на кристални твърди вещества: йонна, ковалентна мрежа, метална и молекулярна. Те се различават един от друг въз основа на това от какви атоми или молекули са изградени и как тези атоми или молекули са свързани помежду си.
Повтарящият се модел в структурата на йонните кристали се състои от редуващи се положително заредени катиони с отрицателно заредени аниони. Тези йони могат да бъдат атоми или молекули. Йонните кристали обикновено са чупливи, с високи точки на топене.
Като твърди вещества те не провеждат електричество, но могат да провеждат електричество като течности. Те могат да бъдат съставени от атоми или молекули, стига да са заредени. Често срещан пример за йонно твърдо вещество би бил натриев хлорид (NaCl), известен като готварска сол.
Кристалите на ковалентната мрежа, понякога наричани просто мрежови кристали, се държат заедно чрез ковалентни връзки между съставящите ги атоми. (Обърнете внимание, че ковалентните мрежови кристали са атомни твърди вещества, което означава, че те не могат да бъдат направени от молекули.) Те са много твърди твърди вещества, имат високи точки на топене и не водят добре електричеството. Често срещани примери за твърдо вещество от ковалентна мрежа са диамант и кварц.
Металните кристали също са атомни твърди вещества, направени от метални атоми, свързани заедно с метални връзки. Тези метални връзки са това, което придава на металите ковкост и пластичност, тъй като позволяват на металните атоми да се търкалят и да се плъзгат един по друг, без да счупват материала. Металните връзки също позволяват на валентните електрони да се движат свободно през метала в "електронно море", което ги прави чудесни проводници на електричество. Твърдостта и температурите им на топене варират значително.
Молекулните кристали са изградени от свързани молекули, за разлика от металните и мрежовите кристали, които са изградени от свързани атоми. Молекулните връзки са относително слаби в сравнение с атомните връзки и могат да бъдат причинени от различни междумолекулни сили, включително дисперсионни сили и дипол-диполни сили.
Слабите водородни връзки държат заедно някои молекулярни кристали, като лед. Тъй като молекулните кристали се държат заедно от такива слаби връзки, техните точки на топене са склонни да бъдат много по-ниски, те са по-лоши проводници на топлина и електричество и са по-меки. Често срещаните примери за молекулярни кристали включват лед, сух лед и кофеин.
Твърдите вещества, образувани от благородни газове се считат и за молекулни кристали, въпреки че са направени от единични атоми; атомите на благородния газ са свързани със сходни сили като тези, които слабо свързват молекулите заедно в молекулен кристал, което им придава много сходни свойства.
Поликристалът е твърдо вещество, което е съставено от множество видове кристални структури, които самите са комбинирани в непериодичен модел. Водният лед е пример за поликристал, както и повечето метали, много керамика и скали. По-голямата единица, състояща се от единичен модел, се нарича зърно и зърното може да съдържа много единични клетки.
Проводимост в кристални твърди вещества
Електронът в кристално твърдо вещество е ограничен в това колко енергия може да има. Възможните стойности на енергията, която може да има, съставляват псевдо-непрекъсната "лента" на енергия, наречена енергийна лента. Електронът може да приема всякаква стойност на енергията в обхвата, стига обхватът да е незапълнен (има ограничение за това колко електрони може да съдържа дадена ивица).
Тези ленти, макар и да се считат за непрекъснати, са технически дискретни; те просто съдържат твърде много енергийни нива, които са твърде близо един до друг, за да се разрешат отделно.
Най-важните ленти се наричат проводимост и валентна лента: Валентната лента е диапазонът на най-високите енергийни нива на материала в която електроните присъстват при абсолютна нулева температура, докато проводимостта е най-ниският диапазон от нива, които съдържат незапълнени държави.
В полупроводниците и изолаторите тези ленти са разделени от енергийна междина, наречена лентова разлика. В полуметалите те се припокриват. В металите по същество няма разлика между тях.
Когато електрон е в проводимата зона, той има достатъчно енергия, за да се движи свободно по материала. Ето как тези материали провеждат електричеството: чрез движението на електрони в техните проводими ленти. Тъй като валентната лента и проводимостта нямат празнина помежду си в металите, за металите е лесно да провеждат електричество. Материалите с по-голяма междина са обикновено изолатори; трудно е да се получи електрон, достатъчно енергия, за да прескочи празнината и да влезе в проводимата лента.
Аморфни твърди вещества
Друг вид твърдо вещество е аморфното твърдо вещество, което няма периодичен модел. Атомите и молекулите в аморфните твърди частици са до голяма степен дезорганизиран. Поради това те споделят много прилики с течностите и всъщност нямат определена точка на топене.
Вместо това, тъй като разстоянията между съседни атоми или молекули в структурата варират, топлинната енергия преминава през материала неравномерно. Материалът се топи бавно в голям диапазон от температури.
Примери за аморфни твърди вещества включват каучук, стъкло и пластмаса. Обсидианът и захарният памук също са примери за аморфни твърди вещества.