Krystalická pevná látka je druh pevné látky, jejíž základní trojrozměrná struktura se skládá z vysoce pravidelného vzoru atomů nebo molekul, které tvoří krystalovou mřížku. Většina pevných látek jsou krystalické pevné látky a rozdílné uspořádání atomů a molekul v nich může změnit jejich vlastnosti a vzhled.
Co je to těleso?
Pevná látka je skupenství hmoty, ve kterém si látka udržuje svůj tvar a udržuje stálý objem. Díky tomu je pevná látka odlišná od kapalin nebo plynů; kapaliny udržují stálý objem, ale mají tvar své nádoby a plyny mají tvar a objem jejich kontejneru.
Atomy a molekuly v pevné látce mohou být buď uspořádány v pravidelném vzoru, což z ní činí krystalickou pevnou látku, nebo mohou být uspořádány bez vzoru, což z ní činí amorfní pevnou látku.
Krystalická struktura
Atomy nebo molekuly v krystalu tvoří periodický nebo opakující se vzor ve všech třech rozměrech. Tím se vytvoří vnitřní struktura krystalu vysoce organizovaný. Atomy nebo molekuly tvořící krystal jsou drženy pohromadě prostřednictvím vazeb. Typ vazby, která je drží pohromadě, iontová, kovalentní, molekulární nebo kovová, závisí na tom, z čeho je krystal vyroben.
Nejmenší jednotka strukturálního vzoru se nazývá a jednotková buňka. Krystal je tvořen z těchto identických jednotkových buněk opakovaných znovu a znovu ve všech třech rozměrech. Tato buňka je nejzákladnější složkou struktury krystalu a určuje některé její vlastnosti. Určuje také vzor, který vidí vědec při pohledu na krystal pomocí rentgenové difrakce, která jim může pomoci identifikovat strukturu a složení krystalu.
Pozice atomů nebo molekul, které tvoří jednotkovou buňku, se nazývají mřížové body.
Krystalizace a fázové změny
Když se kapalina ochladí na bod mrazu, stává se pevnou látkou v procesu zvaném srážení. Když se látka vysráží do pravidelné krystalické struktury, nazývá se to krystalizace.
Krystalizace začíná procesem zvaným nukleace: atomy nebo molekuly se shlukují dohromady. Když jsou tyto shluky dostatečně stabilní a dostatečně velké, začíná růst krystalů. Nukleaci lze někdy snadněji nastartovat pomocí očkovacích krystalů (předem připravených shluků) nebo drsného povrchu, který podporuje tvorbu shluků.
Daný atomový nebo molekulární materiál může být schopen tvořit více krystalických struktur. Struktura, do které materiál krystalizuje, bude záviset na určitých parametrech během procesu krystalizace, včetně teploty, tlaku a přítomnosti nečistot.
Druhy krystalických pevných látek
Existují čtyři hlavní typy krystalických pevných látek: iontová, kovalentní síť, kovová a molekulární. Odlišují se od sebe podle toho, z jakých atomů nebo molekul jsou vyrobeny, a podle toho, jak jsou tyto atomy nebo molekuly navzájem spojeny.
Opakující se vzorec ve struktuře iontových krystalů je tvořen střídáním kladně nabitých kationtů se záporně nabitými anionty. Tyto ionty mohou být atomy nebo molekuly. Iontové krystaly jsou obvykle křehké a mají vysoké teploty tání.
Jako pevné látky nevodí elektřinu, ale mohou vést elektřinu jako kapaliny. Mohou být tvořeny buď atomy nebo molekulami, pokud jsou nabité. Běžným příkladem iontové pevné látky by byl chlorid sodný (NaCl), známý jako kuchyňská sůl.
Kovalentní síťové krystaly, někdy jednoduše nazývané síťové krystaly, jsou drženy pohromadě kovalentními vazbami mezi atomy, z nichž se skládají. (Všimněte si, že krystaly kovalentní sítě jsou atomové pevné látky, což znamená, že nemohou být vyrobeny z molekul.) Jsou to velmi tvrdé pevné látky, mají vysoké teploty tání a nevedou dobře elektřinu. Běžnými příklady kovalentních pevných látek v síti jsou diamant a křemen.
Kovové krystaly jsou také atomové pevné látky, vyrobené z atomů kovů držených pohromadě kovovými vazbami. Tyto kovové vazby jsou to, co dává kovům jejich tvárnost a tažnost, protože umožňují atomům kovů válet se a klouzat kolem sebe, aniž by došlo k rozbití materiálu. Kovové vazby také umožňují valenčním elektronům volně se pohybovat po kovu v „elektronovém moři“, což z nich dělá skvělé vodiče elektřiny. Jejich tvrdost a teploty tání se velmi liší.
Molekulární krystaly jsou tvořeny vázanými molekulami, na rozdíl od kovových a síťových krystalů, které jsou tvořeny vázanými atomy. Molekulární vazby jsou ve srovnání s atomovými vazbami relativně slabé a mohou být způsobeny řadou mezimolekulárních sil, včetně disperzních sil a sil dipól-dipól.
Slabé vodíkové vazby drží některé molekulární krystaly, například led, pohromadě. Protože molekulární krystaly jsou drženy pohromadě takovými slabými vazbami, jejich teploty tání bývají mnohem nižší, jsou horšími vodiči tepla a elektřiny a jsou měkčí. Mezi běžné příklady molekulárních krystalů patří led, suchý led a kofein.
Pevné látky tvořené vzácné plyny jsou také považovány za molekulární krystaly, přestože jsou tvořeny singulárními atomy; atomy vzácného plynu jsou spojeny podobnými silami jako ty, které slabě váží molekuly dohromady v molekulárním krystalu, což jim dává velmi podobné vlastnosti.
Polykrystal je pevná látka, která se skládá z několika typů krystalických struktur, které jsou samy kombinovány v neperiodickém vzoru. Vodní led je příkladem polykrystalů, stejně jako většina kovů, mnoho keramiky a hornin. Větší jednotka sestávající ze singulárního vzoru se nazývá zrno a zrno může obsahovat mnoho jednotkových buněk.
Vodivost v krystalických pevných látkách
Elektron v krystalické pevné látce je omezen tím, kolik energie může mít. Možné hodnoty energie, které může mít, tvoří pseudokontinuální "pásmo" energie, nazývané an energetické pásmo. Elektron může mít v pásmu jakoukoli hodnotu energie, pokud je pásmo nevyplněno (existuje limit, kolik elektronů může dané pásmo obsahovat).
I když jsou tato pásma považována za spojitá, jsou technicky diskrétní; pouze obsahují příliš mnoho energetických úrovní, které jsou příliš blízko u sebe, než aby se vyřešily samostatně.
Nejdůležitější pásma se nazývají vodivé pásmo a valenční pásmo: Valenční pásmo je rozsah nejvyšších energetických úrovní materiálu ve kterém jsou elektrony přítomny při absolutní nulové teplotě, zatímco vodivé pásmo je nejnižší rozsah úrovní, které obsahují nenaplněné státy.
V polovodičích a izolátorech jsou tato pásma oddělena energetickou mezerou nazývanou mezera v pásmu. V semimetálech se překrývají. U kovů neexistuje v zásadě žádný rozdíl.
Když je elektron ve vodivém pásmu, má dostatek energie k volnému pohybu po materiálu. Takto tyto materiály vedou elektřinu: pohybem elektronů v jejich vodivých pásmech. Vzhledem k tomu, že valenční pásmo a vodivé pásmo mezi sebou nemají v kovech mezeru, je pro kovy snadné vést elektřinu. Materiály s větší mezerou v pásmu bývají izolátory; je obtížné získat dostatek elektronu k tomu, aby skočil mezeru a dostal se do vodivého pásma.
Amorfní pevné látky
Dalším typem pevné látky je amorfní pevná látka, která nemá periodický vzor. Atomy a molekuly v amorfních pevných látkách jsou z velké části neuspořádaný. Z tohoto důvodu sdílejí mnoho podobností s kapalinami a ve skutečnosti nemají stanovenou teplotu tání.
Místo toho, protože vzdálenosti mezi sousedními atomy nebo molekulami ve struktuře se mění, tepelná energie prochází materiálem nerovnoměrně. Materiál se taje pomalu ve velkém rozsahu teplot.
Příklady amorfních pevných látek zahrnují gumu, sklo a plast. Obsidián a cukrová vata jsou také příklady amorfních pevných látek.