Kiteinen kiinteä aine on eräänlainen kiinteä aine, jonka kolmiulotteinen perusrakenne koostuu erittäin säännöllisestä atomien tai molekyylien kuviosta muodostaen kideverkon. Suurin osa kiinteistä aineista on kiteisiä kiinteitä aineita, ja niiden sisällä olevat atomien ja molekyylien erilaiset järjestelyt voivat muuttaa niiden ominaisuuksia ja ulkonäköä.
Mikä on kiinteä aine?
Kiinteä aine on ainetila, jossa aine säilyttää muodonsa ja ylläpitää tasaista tilavuutta. Tämä erottaa kiinteän aineen nesteistä tai kaasuista; nesteillä on tasainen tilavuus, mutta ne ovat säiliönsä muodon, ja kaasut ottavat muodon ja niiden kontin tilavuus.
Kiinteän aineen atomit ja molekyylit voidaan joko järjestää säännölliseen kuvioon, mikä tekee siitä kiteisen kiinteän aineen, tai ne voidaan järjestää ilman kuviota, jolloin siitä saadaan amorfinen kiinteä aine.
Kiteinen rakenne
Kiteet sisältävät atomit tai molekyylit muodostavat jaksollisen tai toistuvan kuvion kaikissa kolmessa ulottuvuudessa. Tämä tekee kiteen sisäisestä rakenteesta
erittäin järjestäytynyt. Kiteen muodostavat atomit tai molekyylit pidetään yhdessä sidosten kautta. Niitä yhdessä pitävän sidoksen tyyppi, ioninen, kovalenttinen, molekyyli tai metalli, riippuu siitä, mistä kide on valmistettu.Rakennekuvion pienintä yksikköä kutsutaan a yksikkö solu. Kide koostuu näistä identtisistä yksikkö soluista, jotka toistuvat uudestaan ja uudestaan kaikissa kolmessa ulottuvuudessa. Tämä solu on perustavanlaatuisin komponentti kiteen rakenteessa, ja se määrittää osan sen ominaisuuksista. Se määrittää myös kuvion, jonka tutkija näkee katsellessaan kiteitä röntgendiffraktiolla, mikä voi auttaa heitä tunnistamaan kiteen rakenteen ja koostumuksen.
Yksikkösolun muodostavien atomien tai molekyylien asemia kutsutaan ristikkopisteiksi.
Kiteytys ja vaihemuutokset
Kun neste jäähtyy jäätymispisteeseen, siitä tulee kiinteää prosessia, jota kutsutaan saostukseksi. Kun aine saostuu normaaliksi kiteiseksi rakenteeksi, sitä kutsutaan kiteytymiseksi.
Kiteytyminen alkaa prosessilla, jota kutsutaan ytimeksi: Atomit tai molekyylit klusteroituvat yhteen. Kun nämä klusterit ovat riittävän vakaat ja riittävän suuret, kiteiden kasvu alkaa. Ydintäminen voidaan joskus helpommin käynnistää käyttämällä siemenkiteitä (valmiita kokkareita) tai karkeaa pintaa, mikä kannustaa klustereiden muodostumiseen.
Annettu atomi- tai molekyylimateriaali voi pystyä muodostamaan useita kiteitä. Rakenne, johon materiaali kiteytyy, riippuu tietyistä parametreista kiteytysprosessin aikana, mukaan lukien lämpötila, paine ja epäpuhtauksien läsnäolo.
Kiteisten kiinteiden aineiden tyypit
On neljä päätyyppiä kiteisten kiintoaineiden: ioninen, kovalenttinen verkko, metallinen ja molekyyli. Ne erotetaan toisistaan sen perusteella, mistä atomeista tai molekyyleistä ne on valmistettu ja miten nuo atomit tai molekyylit ovat sitoutuneet toisiinsa.
Toistuva kuvio ionikiteiden rakenteessa koostuu vuorotellen positiivisesti varautuneita kationeja negatiivisesti varautuneiden anionien kanssa. Nämä ionit voivat olla atomeja tai molekyylejä. Ionikiteet ovat yleensä hauraita, korkealla sulamispisteellä.
Kiinteinä aineina ne eivät johda sähköä, mutta ne voivat johtaa sähköä nesteinä. Ne voivat koostua joko atomista tai molekyyleistä, kunhan ne ovat varautuneita. Yleinen esimerkki ionisesta kiinteästä aineesta olisi natriumkloridi (NaCl), joka tunnetaan nimellä pöytäsuola.
Kovalenttisia verkkokiteitä, joita joskus kutsutaan yksinkertaisesti verkkokiteiksi, pidetään yhdessä kovalenttisilla sidoksilla niiden muodostavien atomien välillä. (Huomaa, että kovalenttiset verkkokiteet ovat atomisia kiinteitä aineita, eli niitä ei voida valmistaa molekyyleistä.) Ne ovat erittäin kovia kiinteitä aineita, niillä on korkeat sulamispisteet ja ne eivät johda sähköä hyvin. Yleisiä esimerkkejä kovalenttisista kiinteistä aineista ovat timantti ja kvartsi.
Metallikiteet ovat myös atomikiintoaineita, jotka on valmistettu metalliatomeista, joita pitävät yhdessä metallisidokset. Nämä metallisidokset antavat metallille muovattavuuden ja sitkeyden, koska ne antavat metalliatomien rullata ja liukua toistensa ohitse rikkomatta materiaalia. Metallisidokset antavat myös valenssielektronien liikkua vapaasti koko metallissa "elektronimeressä", mikä tekee niistä suuria sähkönjohtimia. Niiden kovuus ja sulamispisteet vaihtelevat suuresti.
Molekyylikiteet koostuvat sitoutuneista molekyyleistä, toisin kuin metalli- ja verkkokiteet, jotka koostuvat sitoutuneista atomeista. Molekyylisidokset ovat suhteellisen heikkoja verrattuna atomisidoksiin, ja ne voivat johtua monista molekyylien välisistä voimista, mukaan lukien dispersiovoimat ja dipoli-dipoli voimat.
Heikot vetysidokset pitävät joitain molekyylikiteitä, kuten jäätä, yhdessä. Koska molekyylikiteitä pidetään yhdessä tällaisilla heikoilla sidoksilla, niiden sulamispisteet ovat yleensä paljon alhaisempia, ne ovat huonompia lämmön ja sähkön johtimia ja pehmeämpiä. Yleisiä esimerkkejä molekyylikiteistä ovat jää, kuiva jää ja kofeiini.
Kiinteät aineet, jotka muodostuvat jalokaasut niitä pidetään myös molekyylikiteinä huolimatta siitä, että ne on valmistettu yksikköatomista; jalokaasun atomit sitoutuvat samankaltaisilla voimilla kuin heikosti sitovat molekyylit yhdessä molekyylikiteessä, mikä antaa niille hyvin samanlaiset ominaisuudet.
Monikiteinen on kiinteä aine, joka koostuu monentyyppisistä kristallirakenteista, jotka itse yhdistyvät ei-jaksollisena kuviona. Vesijää on esimerkki monikiteistä, samoin kuin useimmat metallit, monet keramiikat ja kivet. Suurempaa yksikkökuviosta koostuvaa yksikköä kutsutaan jyväksi, ja jyvä voi sisältää monia yksikkö soluja.
Johtavuus kiteisissä kiinteissä aineissa
Elektronisessa kiteisessä kiinteässä aineessa on rajoitettu energian määrä. Mahdolliset energian arvot, jotka sillä voi olla, muodostavat pseudo-jatkuvan energian "kaistan", jota kutsutaan energia-alue. Elektroni voi ottaa minkä tahansa energian arvon kaistalla, kunhan kaista on täyttämätön (on olemassa raja, kuinka monta elektronia tietyn kaistan voi sisältää).
Näitä kaistoja pidetään jatkuvina, mutta ne ovat teknisesti erillisiä; ne sisältävät vain liian monta energiatasoa, jotka ovat liian lähellä toisiaan ratkaistakseen erikseen.
Tärkeimpiä kaistoja kutsutaan johtamiskaistaksi ja valenssikaistaksi: Valenssikaista on materiaalin korkeimpien energiatasojen alue jossa elektronit ovat läsnä absoluuttisessa nollalämpötilassa, kun taas johtumisalue on alin tasojen alue, joka sisältää täyttymättömiä toteaa.
Puolijohteissa ja eristeissä nämä kaistat erotetaan energiavälillä, jota kutsutaan bändin aukko. Semimetaleissa ne ovat päällekkäisiä. Metallissa ei ole oleellisesti mitään eroa niiden välillä.
Kun elektroni on johtamiskaistalla, sillä on tarpeeksi energiaa liikkua materiaalissa vapaasti. Näin nämä materiaalit johtavat sähköä: elektronien liikkumisen kautta niiden johtumisalueilla. Koska valenssikaistalla ja johtavalla kaistalla ei ole metallien välistä rakoa, metallien on helppo johtaa sähköä. Materiaalit, joilla on suurempi kaistaväli, ovat yleensä eristeitä; on vaikea saada riittävästi elektronia energiaa siirtämään aukko ja siirtymään johtamisalueelle.
Amorfiset kiintoaineet
Toinen kiinteän aineen tyyppi on amorfinen kiinteä aine, jolla ei ole jaksollista kuviota. Amorfisten kiintoaineiden atomit ja molekyylit ovat suurelta osin sekava. Tämän vuoksi niillä on monia yhtäläisyyksiä nesteiden kanssa, eikä niillä ole itse asiassa määritettyä sulamispistettä.
Sen sijaan, koska naapurissa olevien atomien tai molekyylien väliset etäisyydet rakenteessa vaihtelevat, lämpöenergia kulkee materiaalin läpi epätasaisesti. Materiaali sulaa hitaasti suurella lämpötila-alueella.
Esimerkkejä amorfisista kiinteistä aineista ovat kumi, lasi ja muovi. Obsidiaani ja hattara ovat myös esimerkkejä amorfisista kiintoaineista.