Kristalliner Festkörper: Definition, Typen, Eigenschaften und Beispiele

Ein kristalliner Festkörper ist ein Festkörper, dessen grundlegende dreidimensionale Struktur aus einem sehr regelmäßigen Muster von Atomen oder Molekülen besteht, die ein Kristallgitter bilden. Die meisten Festkörper sind kristalline Festkörper, und die unterschiedlichen Anordnungen von Atomen und Molekülen in ihnen können ihre Eigenschaften und ihr Aussehen verändern.

Ein Feststoff ist ein Aggregatzustand, in dem der Stoff seine Form behält und ein konstantes Volumen beibehält. Dies unterscheidet einen Feststoff von Flüssigkeiten oder Gasen; Flüssigkeiten behalten ein konstantes Volumen, nehmen aber die Form ihres Behälters an, und Gase nehmen die Form an und Volumen ihres Behälters.

Die Atome und Moleküle in einem Festkörper können entweder in einem regelmäßigen Muster angeordnet sein, was ihn zu einem kristallinen Festkörper macht, oder ohne Muster angeordnet sein, wodurch er zu einem amorphen Festkörper wird.

Atome oder Moleküle in einem Kristall bilden in allen drei Dimensionen ein periodisches oder sich wiederholendes Muster. Dies macht die innere Struktur eines Kristalls

Die kleinste Einheit des Strukturmusters heißt a Einheitszelle. Ein Kristall besteht aus diesen identischen Elementarzellen, die sich in allen drei Dimensionen immer wieder wiederholen. Diese Zelle ist die grundlegendste Komponente der Kristallstruktur und bestimmt einige seiner Eigenschaften. Es bestimmt auch das Muster, das ein Wissenschaftler sieht, wenn er den Kristall mithilfe von Röntgenbeugung betrachtet, was ihm helfen kann, die Struktur und Zusammensetzung des Kristalls zu identifizieren.

Die Positionen der Atome oder Moleküle, aus denen die Elementarzelle besteht, werden Gitterpunkte genannt.

Wenn eine Flüssigkeit bis zum Gefrierpunkt abkühlt, wird sie in einem Prozess namens Fällung fest. Wenn eine Substanz in eine regelmäßige kristalline Struktur fällt, wird dies als Kristallisation bezeichnet.

Die Kristallisation beginnt mit einem Prozess namens Nukleation: Atome oder Moleküle gruppieren sich. Wenn diese Cluster stabil genug und groß genug sind, beginnt das Kristallwachstum. Die Nukleation kann manchmal leichter durch die Verwendung von Impfkristallen (vorgefertigten Klumpen) oder einer rauen Oberfläche, die die Bildung von Clustern fördert, gestartet werden.

Ein gegebenes atomares oder molekulares Material kann in der Lage sein, mehrere Kristallstrukturen zu bilden. Die Struktur, in die das Material kristallisiert, hängt von bestimmten Parametern während des Kristallisationsprozesses ab, einschließlich Temperatur, Druck und Vorhandensein von Verunreinigungen.

Es gibt vier Haupttypen von kristallinen Feststoffen: ionisch, kovalent vernetzt, metallisch und molekular. Sie unterscheiden sich voneinander basierend darauf, aus welchen Atomen oder Molekülen sie bestehen und wie diese Atome oder Moleküle miteinander verbunden sind.

Das sich wiederholende Muster in der Struktur von Ionenkristallen besteht aus abwechselnd positiv geladenen Kationen mit negativ geladenen Anionen. Diese Ionen können Atome oder Moleküle sein. Ionische Kristalle sind normalerweise spröde und haben hohe Schmelzpunkte.

Als Feststoffe leiten sie keinen Strom, können aber als Flüssigkeiten Strom leiten. Sie können aus Atomen oder Molekülen bestehen, solange sie geladen sind. Ein übliches Beispiel für einen ionischen Feststoff ist Natriumchlorid (NaCl), bekannt als Kochsalz.

Kovalente Netzwerkkristalle, manchmal einfach Netzwerkkristalle genannt, werden durch kovalente Bindungen zwischen ihren konstituierenden Atomen zusammengehalten. (Beachten Sie, dass kovalente Netzwerkkristalle atomare Feststoffe sind, dh sie können nicht aus Molekülen hergestellt werden.) Sie sind sehr harte Feststoffe, haben hohe Schmelzpunkte und leiten Elektrizität nicht gut. Übliche Beispiele für kovalente Netzwerkfeststoffe sind Diamant und Quarz.

Metallische Kristalle sind auch atomare Feststoffe, die aus Metallatomen bestehen, die durch metallische Bindungen zusammengehalten werden. Diese metallischen Bindungen verleihen Metallen ihre Formbarkeit und Duktilität, da sie es den Metallatomen ermöglichen, aneinander vorbeizurollen und zu gleiten, ohne das Material zu brechen. Die metallischen Bindungen ermöglichen es den Valenzelektronen auch, sich in einem "Elektronenmeer" frei durch das Metall zu bewegen, was sie zu großartigen Stromleitern macht. Ihre Härte und Schmelzpunkte variieren stark.

Molekülkristalle bestehen aus gebundenen Molekülen, im Gegensatz zu Metall- und Netzwerkkristallen, die aus gebundenen Atomen bestehen. Molekülbindungen sind im Vergleich zu Atombindungen relativ schwach und können durch eine Vielzahl von intermolekularen Kräften einschließlich Dispersionskräften und Dipol-Dipol-Kräften verursacht werden.

Schwache Wasserstoffbrücken halten einige Molekülkristalle wie Eis zusammen. Da Molekülkristalle durch solch schwache Bindungen zusammengehalten werden, sind ihre Schmelzpunkte tendenziell viel niedriger, sie sind schlechtere Wärme- und Stromleiter und sie sind weicher. Gängige Beispiele für molekulare Kristalle sind Eis, Trockeneis und Koffein.

Die Feststoffe, die durch die solid Edelgase werden auch als Molekülkristalle angesehen, obwohl sie aus einzelnen Atomen bestehen; die Edelgasatome sind durch ähnliche Kräfte verbunden wie diejenigen, die Moleküle in einem Molekülkristall schwach binden, was ihnen sehr ähnliche Eigenschaften verleiht.

Ein Polykristall ist ein Festkörper, der aus mehreren Arten von Kristallstrukturen besteht, die ihrerseits in einem nichtperiodischen Muster kombiniert sind. Wassereis ist ein Beispiel für einen Polykristall, ebenso wie die meisten Metalle, viele Keramiken und Gesteine. Die größere Einheit, die aus einem singulären Muster besteht, wird als Korn bezeichnet, und ein Korn kann viele Elementarzellen enthalten.

Ein Elektron in einem kristallinen Festkörper ist in seiner Energie begrenzt. Die möglichen Energiewerte, die es haben kann, bilden ein pseudokontinuierliches "Band" von Energie, das als an. bezeichnet wird Energieband. Ein Elektron kann innerhalb des Bandes jeden beliebigen Energiewert annehmen, solange das Band nicht gefüllt ist (es gibt eine Grenze, wie viele Elektronen ein gegebenes Band enthalten kann).

Diese Bänder gelten zwar als kontinuierlich, sind aber technisch diskret; sie enthalten einfach zu viele Energieniveaus, die zu nahe beieinander liegen, um sie separat aufzulösen.

Die wichtigsten Bänder werden als Leitungsband und Valenzband bezeichnet: Das Valenzband ist der Bereich der höchsten Energieniveaus des Materials in dem Elektronen bei absoluter Nulltemperatur vorhanden sind, während das Leitungsband der niedrigste Bereich von Niveaus ist, die ungefüllte enthalten Zustände.

In Halbleitern und Isolatoren sind diese Bänder durch eine Energielücke getrennt, die als bezeichnet wird Bandabstand. In Halbmetallen überlappen sie sich. Bei Metallen wird grundsätzlich nicht zwischen ihnen unterschieden.

Wenn sich ein Elektron im Leitungsband befindet, hat es genug Energie, um sich frei im Material zu bewegen. So leiten diese Materialien den Strom: durch die Bewegung von Elektronen in ihren Leitungsbändern. Da das Valenzband und das Leitungsband bei Metallen keine Lücke haben, ist es für Metalle leicht, Elektrizität zu leiten. Materialien mit einer größeren Bandlücke neigen dazu, Isolatoren zu sein; Es ist schwierig, einem Elektron genug Energie zu geben, um die Lücke zu überspringen und in das Leitungsband zu gelangen.

Ein anderer Festkörpertyp ist ein amorpher Festkörper, der kein periodisches Muster aufweist. Die Atome und Moleküle in amorphen Festkörpern sind größtenteils desorganisiert. Aus diesem Grund haben sie viele Ähnlichkeiten mit Flüssigkeiten und haben tatsächlich keinen festgelegten Schmelzpunkt.

Da die Abstände zwischen benachbarten Atomen oder Molekülen in der Struktur variieren, dringt die Wärmeenergie stattdessen ungleichmäßig durch das Material. Das Material schmilzt langsam über einen großen Temperaturbereich.

Beispiele für amorphe Feststoffe umfassen Gummi, Glas und Kunststoff. Obsidian und Zuckerwatte sind ebenfalls Beispiele für amorphe Feststoffe.