Kristalne tahke aine on teatud tüüpi tahke aine, mille põhiline kolmemõõtmeline struktuur koosneb väga korrapärasest aatomite või molekulide mustrist, moodustades kristallvõre. Suurem osa tahketest ainetest on kristalsed tahked ained ja aatomite ja molekulide erinevad paigutused neis võivad muuta nende omadusi ja välimust.
Mis on tahke?
Tahke aine on aine seisund, milles aine hoiab kuju ja hoiab ühtlast mahtu. See eristab tahket ainet vedelatest või gaasidest; vedelikud hoiavad ühtlast mahtu, kuid võtavad oma anuma kuju ja gaasid võtavad kuju ja nende mahuti maht.
Tahkes aatomid ja molekulid võivad olla paigutatud korrapärase mustriga, muutes selle kristalliliseks tahkeks, või paigutatud ilma mustrita, muutes selle amorfseks tahkeks aineks.
Kristalliline struktuur
Kristallis olevad aatomid või molekulid moodustavad perioodilise või korduva mustri kõigis kolmes dimensioonis. See muudab kristalli sisemise struktuuri väga organiseeritud. Kristalli koostisosade aatomid või molekulid hoitakse sidemete kaudu koos. Neid koos hoidva sideme tüüp - ioonne, kovalentne, molekulaarne või metalliline - sõltub sellest, millest kristall koosneb.
Struktuurimustri väikseimat ühikut nimetatakse a üksuse lahter. Kristall koosneb nendest identsetest ühikulistest rakkudest, mida korratakse ikka ja jälle kõigis kolmes mõõtmes. See rakk on kristalli struktuuri kõige põhilisem komponent ja määrab selle mõned omadused. See määrab ka mustri, mida teadlane näeb, kui nad vaatavad kristalli röntgendifraktsiooni abil, mis aitab neil kristalli struktuuri ja koostist tuvastada.
Ühikrakku moodustavate aatomite või molekulide positsioone nimetatakse võre punktideks.
Kristalliseerumine ja faasimuutused
Kui vedelik jahtub külmumispunktini, muutub see tahkeks protsessis, mida nimetatakse sadestuseks. Kui aine sadestub korrapäraseks kristallstruktuuriks, nimetatakse seda kristalliseerumiseks.
Kristalliseerumine algab protsessist, mida nimetatakse tuuma moodustamiseks: aatomid või molekulid klastruvad kokku. Kui need klastrid on piisavalt stabiilsed ja piisavalt suured, algab kristallide kasv. Tuumareaktsiooni saab mõnikord hõlpsamini käivitada, kasutades seemnekristalle (eelnevalt valmistatud tükke) või karedat pinda, mis soodustab klastrite moodustumist.
Antud aatom- või molekulaarne materjal võib olla võimeline moodustama mitu kristallstruktuuri. Struktuur, milleks materjal kristallub, sõltub kristallimisprotsessi käigus teatud parameetritest, sealhulgas temperatuurist, rõhust ja lisandite olemasolust.
Kristalliliste tahkete ainete tüübid
Seal on neli peamist tüüpi kristalliliste tahkete ainete: ioonne, kovalentne võrk, metalliline ja molekulaarne. Neid eristatakse üksteisest selle järgi, millistest aatomitest või molekulidest nad on valmistatud ja kuidas need aatomid või molekulid on üksteisega seotud.
Ioonkristallide struktuuris korduv muster koosneb positiivse laenguga katioonide vaheldumisest negatiivselt laetud anioonidega. Need ioonid võivad olla aatomid või molekulid. Ioonkristallid on tavaliselt habras, sulamistemperatuuriga.
Kuivainetena nad elektrit ei juhi, küll aga vedeliku kujul. Need võivad koosneda kas aatomitest või molekulidest, kui need on laetud. Ioonse tahke aine tavaliseks näiteks on naatriumkloriid (NaCl), mida nimetatakse lauasoolaks.
Kovalentseid võrgukristalle, mida mõnikord nimetatakse lihtsalt võrgukristallideks, hoiavad koos moodustavate aatomite vahel kovalentsed sidemed. (Pange tähele, et kovalentsed võrgukristallid on aatomi tahked ained, see tähendab, et neid ei saa valmistada molekulidest.) Need on väga kõvad tahked ained, sulamispunktid on kõrged ja nad ei juhi elektrit hästi. Kovalentsete võrgu tahkete ainete tavalised näited on teemant ja kvarts.
Metallikristallid on ka aatomtahked ained, mis on valmistatud metallist aatomitest, mida hoiavad koos metallisidemed. Need metallilised sidemed annavad metallidele nende vormitavuse ja plastilisuse, kuna need võimaldavad metalli aatomitel materjali purunemata üksteisest mööda veereda ja libiseda. Metallilised sidemed võimaldavad valentselektronidel vabalt liikuda kogu metallis "elektronmeres", mis teeb neist suurepärased elektrijuhid. Nende kõvadus ja sulamistemperatuurid on väga erinevad.
Molekulaarsed kristallid koosnevad seotud molekulidest, erinevalt metall- ja võrkkristallidest, mis koosnevad seotud aatomitest. Molekulaarsidemed on aatomsidemetega võrreldes suhteliselt nõrgad ja neid võivad põhjustada mitmesugused molekulidevahelised jõud, sealhulgas dispersioonijõud ja dipool-dipooljõud.
Nõrgad vesiniksidemed hoiavad koos mõningaid molekulaarseid kristalle, näiteks jääd. Kuna molekulaarseid kristalle hoiavad koos sellised nõrgad sidemed, on nende sulamistemperatuurid tavaliselt palju madalamad, nad on halvemad soojus- ja elektrijuhid ning pehmemad. Molekulaarsete kristallide tavaliste näidete hulka kuuluvad jää, kuivjää ja kofeiin.
Tahke aine, mis moodustub väärisgaasid neid peetakse ka molekulaarseteks kristallideks, hoolimata sellest, et need on valmistatud ainsustest aatomitest; väärisgaasi aatomid on seotud sarnaste jõududega kui need, mis seovad molekule nõrgalt molekulaarses kristallis, mis annab neile väga sarnased omadused.
Polükristall on tahke aine, mis koosneb mitut tüüpi kristallstruktuuridest, mis ise on ühendatud mitteperioodilise mustriga. Veejää on polükristalli näide, nagu ka enamik metalle, palju keraamikat ja kive. Suuremat ainsuse mustrist koosnevat ühikut nimetatakse teraks ja tera võib sisaldada palju ühikurakke.
Juhtivus kristalsetes tahketes
Elektroon kristalses tahkes aines on piiratud. Võimalikest energia väärtustest võib see moodustada pseudopideva energia "riba", mida nimetatakse energia bänd. Elektron võib võtta mis tahes väärtuse energia ribas, kui riba on täitmata (on piir, kui palju elektrone antud riba võib sisaldada).
Kuigi neid ribasid peetakse pidevateks, on need tehniliselt diskreetsed; need sisaldavad lihtsalt liiga palju energiatasemeid, mis on liiga lahus, et neid eraldi lahendada.
Tähtsamaid ribasid nimetatakse juhtivusribaks ja valentsribaks: valentsriba on materjali kõrgeima energiataseme vahemik milles elektronid on absoluutsel nulltemperatuuril, samas kui juhtivusriba on madalaim tasemevahemik, mis sisaldab täitmata osutab.
Pooljuhtides ja isolaatorites on need ribad eraldatud energiavahega, mida nimetatakse bändivahe. Semimetallides need kattuvad. Metallides pole nende vahel sisuliselt vahet.
Kui elektron on juhtimisribas, on tal piisavalt energiat materjali vabalt liikumiseks. Nõnda juhivad need materjalid elektrit: läbi nende juhtimisribades olevate elektronide liikumise. Kuna valents- ja juhtimisribal pole metallides nende vahel tühimikku, on metallidel elektri juhtimine lihtne. Suurema ribavahega materjalid kipuvad olema isolaatorid; on raske saada elektroni jaoks piisavalt energiat, et lõhe hüpata ja juhtimisriba minna.
Amorfsed tahked ained
Teine tahke aine on amorfne tahke aine, millel puudub perioodiline muster. Amorfse tahke aine aatomid ja molekulid on suures osas organiseerimata. Seetõttu on neil vedelikega palju sarnasusi ja tegelikult pole sulamistemperatuuri määratud.
Selle asemel, et struktuuris naabruses paiknevate aatomite või molekulide vahekaugused varieeruvad, läbib soojusenergia materjali ebaühtlaselt. Materjal sulab suures temperatuurivahemikus aeglaselt.
Amorfsete tahkete ainete hulka kuuluvad kumm, klaas ja plastik. Obsidiaan ja suhkruvatt on ka näited amorfsetest tahketest ainetest.