Kristalna krutina je vrsta krutine čija se temeljna trodimenzionalna struktura sastoji od vrlo pravilnog uzorka atoma ili molekula, tvoreći kristalnu rešetku. Većina krutina su kristalne krutine, a različiti rasporedi atoma i molekula u njima mogu promijeniti njihova svojstva i izgled.
Što je čvrsto?
Čvrsta supstanca je stanje materije u kojem tvar zadržava svoj oblik i održava konstantan volumen. To čini krutinu različitom od tekućina ili plinova; tekućine održavaju jednak volumen, ali poprimaju oblik svoje posude, a plinovi poprimaju oblik i volumen njihovog spremnika.
Atomi i molekule u krutini mogu biti poredani u pravilnom uzorku, čineći je kristalnom krutinom, ili raspoređeni bez uzorka, čineći je amorfnom krutinom.
Kristalna struktura
Atomi ili molekule u kristalu tvore periodični ili ponavljajući obrazac u sve tri dimenzije. To čini unutarnju strukturu kristala visoko organiziran. Sastavni atomi ili molekule kristala drže se zajedno vezama. Vrsta veze koja ih drži zajedno, ionska, kovalentna, molekularna ili metalna, ovisi o tome od čega je kristal izrađen.
Najmanja jedinica strukturnog uzorka naziva se a jedinična ćelija. Kristal se sastoji od ovih identičnih jediničnih stanica koje se opetovano ponavljaju u sve tri dimenzije. Ova je stanica najosnovnija komponenta strukture kristala i određuje neka njegova svojstva. Također utvrđuje uzorak koji znanstvenik vidi kada promatra kristal pomoću difrakcije X-zraka, što im može pomoći u identificiranju strukture i sastava kristala.
Položaji atoma ili molekula koji čine jediničnu ćeliju nazivaju se rešetkaste točke.
Kristalizacija i fazne promjene
Kada se tekućina ohladi do točke ledišta, ona postaje krutina u procesu koji se naziva oborina. Kad se tvar taloži u pravilnu kristalnu strukturu, to se naziva kristalizacija.
Kristalizacija započinje procesom koji se naziva nukleacija: atomi ili molekule skupljaju se zajedno. Kada su te nakupine dovoljno stabilne i dovoljno velike, započinje rast kristala. Nukleaciju se ponekad može lakše pokrenuti korištenjem kristala sjemena (prethodno izrađenih nakupina) ili hrapave površine, što potiče stvaranje nakupina.
Dati atomski ili molekularni materijal može biti u stanju stvoriti višestruke kristalne strukture. Struktura u koju materijal kristalizira ovisit će o određenim parametrima tijekom procesa kristalizacije, uključujući temperaturu, tlak i prisutnost nečistoća.
Vrste kristalnih krutina
Tamo su četiri glavne vrste kristalnih krutina: ionska, kovalentna mreža, metalna i molekularna. Razlikuju se jedni od drugih na temelju toga od kojih su atoma ili molekula načinjeni i kako su ti atomi ili molekule povezani jedni s drugima.
Uzorak koji se ponavlja u strukturi ionskih kristala sastoji se od izmjeničnih pozitivno nabijenih kationa s negativno nabijenim anionima. Ti ioni mogu biti atomi ili molekule. Jonski kristali su obično lomljivi, s visokim talištima.
Kao krutine, oni ne provode električnu energiju, ali električnu energiju mogu provoditi kao tekućine. Mogu se sastojati od atoma ili molekula, sve dok su nabijeni. Uobičajeni primjer ionske krutine bio bi natrijev klorid (NaCl), poznat kao kuhinjska sol.
Kristali kovalentne mreže, koji se ponekad jednostavno nazivaju mrežnim kristalima, drže se zajedno kovalentnim vezama između njihovih sastavnih atoma. (Imajte na umu da su kristali kovalentne mreže atomske krute tvari, što znači da se ne mogu stvoriti od molekula.) Oni su vrlo tvrde krutine, imaju visoka tališta i ne provode dobro električnu energiju. Uobičajeni primjeri čvrstih tvari kovalentne mreže su dijamant i kvarc.
Metalni kristali su također atomske krute tvari, izrađene od atoma metala koji su međusobno povezani metalnim vezama. Te metalne veze su ono što metalima daje podatnost i gipkost, jer omogućuju da se atomi metala kotrljaju i klize jedni pored drugih bez lomljenja materijala. Metalne veze također omogućuju da se valentni elektroni slobodno kreću kroz metal u "elektronskom moru", što ih čini izvrsnim provodnicima električne energije. Njihova tvrdoća i tališta jako se razlikuju.
Molekularni kristali sastoje se od vezanih molekula, za razliku od metalnih i mrežnih kristala, koji se sastoje od vezanih atoma. Molekularne veze su relativno slabe u usporedbi s atomskim vezama i mogu biti uzrokovane raznim intermolekularnim silama, uključujući disperzijske sile i dipol-dipolne sile.
Slabe vodikove veze drže zajedno neke molekularne kristale, poput leda. Budući da molekularne kristale drže zajedno tako slabe veze, njihova tališta imaju tendenciju biti puno niža, lošiji su vodiči topline i električne energije i mekši. Uobičajeni primjeri molekularnih kristala uključuju led, suhi led i kofein.
Čvrste tvari koje tvori plemeniti plinovi također se smatraju molekularnim kristalima, iako su izrađeni od singularnih atoma; atomi plemenitog plina povezani su sličnim silama kao oni koji slabo vežu molekule u molekularnom kristalu, što im daje vrlo slična svojstva.
Polikristal je krutina koja se sastoji od više vrsta kristalnih struktura koje se same kombiniraju u neperiodičnom uzorku. Vodeni led je primjer polikristala, kao i većina metala, mnoge keramike i stijena. Veća jedinica koja se sastoji od jedinstvenog uzorka naziva se zrno, a zrno može sadržavati mnogo jediničnih stanica.
Provodljivost u kristalnim krutinama
Elektron u kristalnoj krutini ograničen je u količini energije koju može imati. Moguće vrijednosti energije koje može imati čine pseudo-kontinuirani "pojas" energije, nazvan energetski pojas. Elektron može uzeti bilo koju vrijednost energije unutar pojasa, sve dok je pojas neispunjen (postoji ograničenje koliko elektrona može sadržavati određena traka).
Ovi opsezi, iako se smatraju kontinuiranim, tehnički su diskretni; oni samo sadrže previše razina energije koje su preblizu jedna drugoj da bi se mogle odvojeno riješiti.
Najvažniji opsezi nazivaju se vodljivi pojas i valentni pojas: valentni pojas je raspon najviših energetskih razina materijala u kojem su elektroni prisutni na apsolutnoj nultoj temperaturi, dok je vodljivi pojas najniži raspon razina koji sadrže neispunjene Države.
U poluvodičima i izolatorima ti su pojasevi odvojeni energetskom prazninom, koja se naziva pojasni razmak. U polumetalima se preklapaju. U metalima u osnovi nema razlike između njih.
Kad se elektron nalazi u vodljivom pojasu, on ima dovoljno energije da se slobodno kreće po materijalu. Tako ovi materijali provode električnu energiju: kretanjem elektrona u njihovim vodljivim opsezima. Budući da valentni pojas i vodljivi pojas nemaju razmak među metalima, metalima je lako provoditi električnu energiju. Materijali s većim razmakom od pojasa obično su izolatori; teško je dobiti elektron dovoljno energije da preskoči prazninu i uđe u vodljivi pojas.
Amorfne krutine
Druga vrsta krutine je amorfna krutina koja nema periodični uzorak. Atomi i molekule unutar amorfnih krutina uglavnom su neorganizirano. Zbog toga dijele mnoge sličnosti s tekućinama, a zapravo nemaju postavljenu točku topljenja.
Umjesto toga, jer udaljenost između susjednih atoma ili molekula u strukturi varira, toplinska energija prolazi kroz materijal neravnomjerno. Materijal se polako topi u velikom rasponu temperatura.
Primjeri amorfnih krutina uključuju gumu, staklo i plastiku. Obsidian i šećerna vata također su primjeri amorfnih krutina.