Krystallinsk fast stof: definition, typer, egenskaber og eksempler

Et krystallinsk fast stof er en type fast stof, hvis grundlæggende tredimensionelle struktur består af et meget regelmæssigt mønster af atomer eller molekyler, der danner et krystalgitter. Størstedelen af ​​de faste stoffer er krystallinske faste stoffer, og de forskellige arrangementer af atomer og molekyler i dem kan ændre deres egenskaber og udseende.

Et fast stof er en tilstand af stof, hvor stoffet bevarer sin form og opretholder en jævn volumen. Dette adskiller et fast stof fra væsker eller gasser; væsker opretholder et konstant volumen, men har form af deres beholder, og gasser har form og volumen af ​​deres container.

Atomer og molekyler i et fast stof kan enten arrangeres i et regelmæssigt mønster, hvilket gør det til et krystallinsk fast stof eller arrangeres uden et mønster, hvilket gør det til et amorft fast stof.

Atomer eller molekyler i en krystal danner et periodisk eller gentaget mønster i alle tre dimensioner. Dette gør den indre struktur af en krystal

Den mindste enhed i det strukturelle mønster kaldes a enhed celle. En krystal består af disse identiske enhedsceller gentaget igen og igen i alle tre dimensioner. Denne celle er den mest grundlæggende komponent i krystalstrukturen og bestemmer nogle af dens egenskaber. Det bestemmer også det mønster, som en videnskabsmand ser, når de ser på krystallen ved hjælp af røntgendiffraktion, som kan hjælpe dem med at identificere krystalets struktur og sammensætning.

Positionerne for atomer eller molekyler, der udgør enhedscellen, kaldes gitterpunkter.

Når en væske afkøles til dets frysepunkt, bliver den et fast stof i en proces kaldet udfældning. Når et stof udfældes i en regelmæssig krystallinsk struktur, kaldes det krystallisering.

Krystallisation begynder med en proces kaldet kimdannelse: Atomer eller molekyler klynges sammen. Når disse klynger er stabile nok og store nok, begynder krystalvækst. Nuklearering kan undertiden lettere startes ved hjælp af frøkrystaller (færdiglavede klumper) eller en ru overflade, hvilket tilskynder til dannelse af klynger.

Et givet atom- eller molekylært materiale kan være i stand til at danne flere krystalstrukturer. Strukturen, som materialet krystalliserer til, afhænger af visse parametre under krystallisationsprocessen, herunder temperatur, tryk og tilstedeværelsen af ​​urenheder.

Der er fire hovedtyper af krystallinske faste stoffer: ionisk, kovalent netværk, metallisk og molekylært. De skelnes fra hinanden baseret på hvilke atomer eller molekyler de er lavet af, og hvordan disse atomer eller molekyler er bundet til hinanden.

Det gentagne mønster i strukturen af ​​ioniske krystaller består af alternerende positivt ladede kationer med negativt ladede anioner. Disse ioner kan være atomer eller molekyler. Ioniske krystaller er normalt sprøde med høje smeltepunkter.

Som faste stoffer leder de ikke elektricitet, men de kan lede elektricitet som væsker. De kan bestå af enten atomer eller molekyler, så længe de er ladet. Et almindeligt eksempel på et ionisk fast stof ville være natriumchlorid (NaCl), kendt som bordsalt.

Kovalente netværkskrystaller, undertiden bare kaldet netværkskrystaller, holdes sammen af ​​kovalente bindinger mellem deres bestanddele. (Bemærk, at kovalente netværkskrystaller er atomare faste stoffer, hvilket betyder, at de ikke kan fremstilles af molekyler.) De er meget hårde faste stoffer, har høje smeltepunkter og leder ikke elektricitet godt. Almindelige eksempler på faste kovalente netværker er diamant og kvarts.

Metalliske krystaller er også atomare faste stoffer, lavet af metalatomer, der holdes sammen af ​​metalliske bindinger. Disse metalliske bindinger er det, der giver metaller deres bøjelighed og duktilitet, da de tillader metalatomer at rulle og glide forbi hinanden uden at bryde materialet. De metalliske bindinger tillader også valenselektroner at bevæge sig frit gennem metallet i et "elektronhav", hvilket gør dem til store ledere af elektricitet. Deres hårdhed og smeltepunkter varierer meget.

Molekylære krystaller består af bundne molekyler, i modsætning til metalliske og netværkskrystaller, der består af bundne atomer. Molekylære bindinger er relativt svage sammenlignet med atombindinger og kan være forårsaget af en række intermolekylære kræfter, herunder dispersionskræfter og dipol-dipolkræfter.

Svage hydrogenbindinger holder nogle molekylære krystaller, såsom is, sammen. Fordi molekylære krystaller holdes sammen af ​​sådanne svage bindinger, har deres smeltepunkter tendens til at være meget lavere, de er værre ledere af varme og elektricitet, og de er blødere. Almindelige eksempler på molekylære krystaller inkluderer is, tøris og koffein.

De faste stoffer dannet af ædle gasser betragtes også som molekylære krystaller på trods af at de er fremstillet af entalatomer; ædelgasatomer er bundet af lignende kræfter som dem, der svagt forbinder molekyler i en molekylær krystal, hvilket giver dem meget ens egenskaber.

En polykrystal er et fast stof, der består af flere typer krystalstrukturer, der selv er kombineret i et ikke-periodisk mønster. Vandis er et eksempel på en polykrystal, ligesom de fleste metaller, mange keramikker og klipper. Den større enhed bestående af et ental mønster kaldes et korn, og et korn kan indeholde mange enhedsceller.

En elektron i et krystallinsk fast stof er begrænset i hvor meget energi den kan have. De mulige energiværdier, den kan have, udgør et pseudokontinuerligt "bånd" af energi, kaldet en energibånd. En elektron kan tage enhver energiværdi inden i båndet, så længe båndet er udfyldt (der er en grænse for, hvor mange elektroner et givet bånd kan indeholde).

Selvom disse bånd betragtes som kontinuerlige, er de teknisk diskrete; de indeholder bare for mange energiniveauer, der er for tæt sammen til at løse hver for sig.

De vigtigste bånd kaldes ledningsbånd og valensbånd: Valensbåndet er området for materialets højeste energiniveauer hvor elektroner er til stede ved absolut nul temperatur, mens ledningsbåndet er det laveste niveau af niveauer, der indeholder uudfyldt stater.

I halvledere og isolatorer er disse bånd adskilt af et energigab, kaldet båndgab. I halvmetal overlapper de hinanden. I metaller er der stort set ingen sondring mellem dem.

Når en elektron er i ledningsbåndet, har den nok energi til at bevæge sig frit omkring materialet. Sådan leder disse materialer elektricitet: gennem bevægelse af elektroner i deres ledningsbånd. Da valensbåndet og ledningsbåndet ikke har nogen afstand mellem dem i metaller, er det let for metaller at lede elektricitet. Materialer med et større båndgab har tendens til at være isolatorer; det er svært at få en elektron nok energi til at springe mellemrummet og gå ind i ledningsbåndet.

En anden type fast stof er et amorft fast stof, der ikke har et periodisk mønster. Atomer og molekyler i amorfe faste stoffer er stort set uorganiseret. På grund af dette deler de mange ligheder med væsker og har faktisk ikke noget bestemt smeltepunkt.

I stedet for, fordi afstandene mellem nærliggende atomer eller molekyler i strukturen varierer, passerer termisk energi ujævnt gennem materialet. Materialet smelter langsomt over en lang række temperaturer.

Eksempler på amorfe faste stoffer inkluderer gummi, glas og plast. Obsidian og bomulds candy er også eksempler på amorfe faste stoffer.