Κρυσταλλικό Στερεό: Ορισμός, Τύποι, Χαρακτηριστικά & Παραδείγματα

Ένα κρυσταλλικό στερεό είναι ένας τύπος στερεού του οποίου η θεμελιώδης τρισδιάστατη δομή αποτελείται από ένα πολύ κανονικό σχέδιο ατόμων ή μορίων, σχηματίζοντας ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Η πλειονότητα των στερεών είναι κρυσταλλικά στερεά και οι διαφορετικές διευθετήσεις ατόμων και μορίων εντός αυτών μπορούν να αλλάξουν τις ιδιότητες και την εμφάνισή τους.

Ένα στερεό είναι μια κατάσταση ύλης στην οποία η ουσία διατηρεί το σχήμα της και διατηρεί έναν σταθερό όγκο. Αυτό καθιστά ένα στερεό διαφορετικό από τα υγρά ή τα αέρια. Τα υγρά διατηρούν σταθερό όγκο αλλά παίρνουν το σχήμα του δοχείου τους και τα αέρια παίρνουν το σχήμα και όγκος του δοχείου τους.

Τα άτομα και τα μόρια σε ένα στερεό μπορούν είτε να τακτοποιηθούν σε κανονικό σχέδιο, καθιστώντας το ένα κρυσταλλικό στερεό, είτε να τακτοποιηθούν χωρίς σχέδιο, καθιστώντας το ένα άμορφο στερεό.

Τα άτομα ή τα μόρια σε κρύσταλλο σχηματίζουν ένα περιοδικό ή επαναλαμβανόμενο σχέδιο και στις τρεις διαστάσεις. Αυτό κάνει την εσωτερική δομή ενός κρυστάλλου

Η μικρότερη μονάδα του δομικού σχεδίου ονομάζεται a κυτταρική μονάδα. Ένας κρύσταλλος αποτελείται από αυτά τα ίδια στοιχεία μονάδων που επαναλαμβάνονται ξανά και ξανά και στις τρεις διαστάσεις. Αυτό το κελί είναι το πιο θεμελιώδες συστατικό της δομής του κρυστάλλου και καθορίζει ορισμένες από τις ιδιότητές του. Καθορίζει επίσης το μοτίβο που ένας επιστήμονας βλέπει όταν κοιτάζει τον κρύσταλλο χρησιμοποιώντας περίθλαση ακτίνων Χ, το οποίο μπορεί να τους βοηθήσει να αναγνωρίσουν τη δομή και τη σύνθεση του κρυστάλλου.

Οι θέσεις των ατόμων ή των μορίων που αποτελούν το μοναδιαίο κύτταρο καλούνται σημεία πλέγματος.

Όταν ένα υγρό ψύχεται στο σημείο ψύξης του, γίνεται ένα στερεό σε μια διαδικασία που ονομάζεται καθίζηση. Όταν μια ουσία καταβυθίζεται σε μια κανονική κρυσταλλική δομή, ονομάζεται κρυστάλλωση.

Η κρυστάλλωση ξεκινά με μια διαδικασία που ονομάζεται πυρήνωση: Τα άτομα ή τα μόρια συγκεντρώνονται μαζί. Όταν αυτά τα σμήνη είναι αρκετά σταθερά και αρκετά μεγάλα, αρχίζει η ανάπτυξη κρυστάλλων. Η πυρηνική ενέργεια μπορεί μερικές φορές να ξεκινήσει πιο εύκολα με τη χρήση κρυστάλλων σπόρων (προκατασκευασμένες συστάδες) ή τραχιάς επιφάνειας, η οποία ενθαρρύνει το σχηματισμό συστάδων.

Ένα δεδομένο ατομικό ή μοριακό υλικό μπορεί να είναι ικανό να σχηματίζει πολλαπλές κρυσταλλικές δομές. Η δομή στην οποία κρυσταλλώνεται το υλικό θα εξαρτάται από ορισμένες παραμέτρους κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κρυστάλλωσης, συμπεριλαμβανομένης της θερμοκρασίας, της πίεσης και της παρουσίας ακαθαρσιών.

Υπάρχουν τέσσερις βασικούς τύπους κρυσταλλικών στερεών: ιοντικό, ομοιοπολικό δίκτυο, μεταλλικό και μοριακό. Διακρίνονται μεταξύ τους με βάση τα άτομα ή τα μόρια από τα οποία είναι κατασκευασμένα και τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα άτομα ή μόρια συνδέονται μεταξύ τους.

Το επαναλαμβανόμενο σχέδιο στη δομή των ιοντικών κρυστάλλων αποτελείται από εναλλασσόμενα θετικά φορτισμένα κατιόντα με αρνητικά φορτισμένα ανιόντα. Αυτά τα ιόντα μπορεί να είναι άτομα ή μόρια. Οι ιωνικοί κρύσταλλοι είναι συνήθως εύθραυστοι, με υψηλά σημεία τήξης.

Ως στερεά, δεν μεταφέρουν ηλεκτρισμό, αλλά μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό ως υγρά. Μπορούν να αποτελούνται από άτομα ή μόρια, αρκεί να φορτίζονται. Ένα κοινό παράδειγμα ιοντικού στερεού θα ήταν το χλωριούχο νάτριο (NaCl), γνωστό ως επιτραπέζιο άλας.

Οι ομοιοπολικοί κρύσταλλοι δικτύου, μερικές φορές απλά ονομάζονται κρύσταλλοι δικτύου, συγκρατούνται μαζί με ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ των συστατικών τους ατόμων. (Σημειώστε ότι οι ομοιοπολικοί κρύσταλλοι δικτύου είναι ατομικά στερεά, που σημαίνει ότι δεν μπορούν να κατασκευαστούν από μόρια.) Είναι πολύ σκληρά στερεά, έχουν υψηλά σημεία τήξεως και δεν μεταφέρουν καλά ηλεκτρισμό. Κοινά παραδείγματα ομοιοπολικών στερεών δικτύου είναι διαμάντια και χαλαζία.

Οι μεταλλικοί κρύσταλλοι είναι επίσης ατομικά στερεά, κατασκευασμένα από μεταλλικά άτομα που συγκρατούνται μαζί με μεταλλικούς δεσμούς. Αυτοί οι μεταλλικοί δεσμοί είναι αυτό που δίνει στα μέταλλα την ελαστικότητα και την ολκιμότητα τους, καθώς επιτρέπουν στα μεταλλικά άτομα να κυλήσουν και να γλιστρήσουν το ένα το άλλο χωρίς να σπάσουν το υλικό. Οι μεταλλικοί δεσμοί επιτρέπουν επίσης στα ηλεκτρόνια σθένους να κινούνται ελεύθερα σε όλο το μέταλλο σε μια «θάλασσα ηλεκτρονίων», γεγονός που τους καθιστά μεγάλους αγωγούς ηλεκτρικής ενέργειας. Η σκληρότητα και τα σημεία τήξης τους ποικίλλουν πολύ.

Οι μοριακοί κρύσταλλοι αποτελούνται από συγκολλημένα μόρια, σε αντίθεση με τους μεταλλικούς και τους κρυστάλλους δικτύου, οι οποίοι αποτελούνται από συνδεδεμένα άτομα. Οι μοριακοί δεσμοί είναι σχετικά αδύναμοι σε σύγκριση με τους ατομικούς δεσμούς και μπορεί να προκληθούν από μια ποικιλία διαμοριακών δυνάμεων, συμπεριλαμβανομένων των δυνάμεων διασποράς και των δυνάμεων διπόλων-διπολών.

Οι αδύναμοι δεσμοί υδρογόνου συγκρατούν μερικούς μοριακούς κρυστάλλους, όπως ο πάγος, μαζί. Επειδή οι μοριακοί κρύσταλλοι συγκρατούνται από τόσο αδύναμους δεσμούς, τα σημεία τήξης τους τείνουν να είναι πολύ χαμηλότερα, είναι χειρότεροι αγωγοί θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας και είναι πιο μαλακοί. Κοινά παραδείγματα μοριακών κρυστάλλων περιλαμβάνουν πάγο, ξηρό πάγο και καφεΐνη.

Τα στερεά που σχηματίζονται από το ευγενή αέρια θεωρούνται επίσης μοριακοί κρύσταλλοι παρά το ότι είναι κατασκευασμένοι από μοναδικά άτομα. Τα άτομα ευγενών αερίων συνδέονται με παρόμοιες δυνάμεις με αυτά που συνδέονται ασθενώς με μόρια σε μοριακό κρύσταλλο, που τους δίνει πολύ παρόμοιες ιδιότητες.

Ένα πολυκρύσταλλο είναι ένα στερεό που αποτελείται από πολλούς τύπους κρυσταλλικών δομών, τα οποία συνδυάζονται από μόνα τους σε ένα μη περιοδικό σχέδιο. Ο πάγος νερού είναι ένα παράδειγμα πολυκρυστάλλου, όπως και τα περισσότερα μέταλλα, πολλά κεραμικά και πετρώματα. Η μεγαλύτερη μονάδα που αποτελείται από ένα μοναδικό μοτίβο ονομάζεται κόκκος και ένας κόκκος μπορεί να περιέχει πολλά κελιά μονάδας.

Ένα ηλεκτρόνιο σε ένα κρυσταλλικό στερεό περιορίζεται στην ποσότητα ενέργειας που μπορεί να έχει. Οι πιθανές τιμές της ενέργειας που μπορεί να αποτελούν μια ψευδο συνεχή «ζώνη» ενέργειας, που ονομάζεται ενεργειακή ζώνη. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή ενέργειας μέσα στη ζώνη, αρκεί η ζώνη να μην έχει συμπληρωθεί (υπάρχει ένα όριο στον αριθμό των ηλεκτρονίων που μπορεί να περιέχει μια δεδομένη ζώνη).

Αυτές οι ζώνες, αν και θεωρούνται συνεχείς, είναι τεχνικά διακριτές. περιέχουν μόνο πάρα πολλά επίπεδα ενέργειας που είναι πολύ κοντά μεταξύ τους για να επιλυθούν ξεχωριστά.

Οι πιο σημαντικές ζώνες ονομάζονται ζώνη αγωγιμότητας και ζώνη σθένους: Η ζώνη σθένους είναι το εύρος των υψηλότερων επιπέδων ενέργειας του υλικού όπου τα ηλεκτρόνια είναι παρόντα σε απόλυτη μηδενική θερμοκρασία, ενώ η ζώνη αγωγιμότητας είναι το χαμηλότερο εύρος επιπέδων που περιέχουν μη συμπληρωμένα πολιτείες.

Σε ημιαγωγούς και μονωτές αυτές οι ζώνες διαχωρίζονται από ένα ενεργειακό κενό, που ονομάζεται χάσμα ζώνης. Στα ημιμετάλλα, επικαλύπτονται. Στα μέταλλα, ουσιαστικά δεν υπάρχει διάκριση μεταξύ τους.

Όταν ένα ηλεκτρόνιο βρίσκεται στη ζώνη αγωγιμότητας, έχει αρκετή ενέργεια για να κινείται ελεύθερα στο υλικό. Με αυτόν τον τρόπο αυτά τα υλικά μεταφέρουν ηλεκτρισμό: μέσω της κίνησης των ηλεκτρονίων στις ζώνες αγωγιμότητας τους. Δεδομένου ότι η ζώνη σθένους και η ζώνη αγωγιμότητας δεν έχουν μεταξύ τους μεταξύ τους μέταλλα, είναι εύκολο για τα μέταλλα να παράγουν ηλεκτρισμό. Τα υλικά με μεγαλύτερο χάσμα ζώνης τείνουν να είναι μονωτικά. είναι δύσκολο να πάρεις ένα ηλεκτρόνιο αρκετή ενέργεια για να πηδήξεις το κενό και να μπεις στη ζώνη αγωγιμότητας.

Ένας άλλος τύπος στερεού είναι ένα άμορφο στερεό, το οποίο δεν έχει περιοδικό σχέδιο. Τα άτομα και τα μόρια εντός των άμορφων στερεών είναι σε μεγάλο βαθμό αποδιοργανωμένη. Εξαιτίας αυτού, μοιράζονται πολλές ομοιότητες με τα υγρά και στην πραγματικότητα δεν έχουν καθορισμένο σημείο τήξης.

Αντίθετα, επειδή οι αποστάσεις μεταξύ γειτονικών ατόμων ή μορίων στη δομή ποικίλλουν, η θερμική ενέργεια διέρχεται από το υλικό άνισα. Το υλικό λιώνει αργά σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών.

Παραδείγματα άμορφων στερεών περιλαμβάνουν καουτσούκ, γυαλί και πλαστικό. Το Obsidian και το μαλλί της γριάς είναι επίσης παραδείγματα άμορφων στερεών.