A kristályos szilárd anyag olyan szilárd anyag, amelynek alapvető háromdimenziós szerkezete az atomok vagy molekulák rendkívül szabályos mintázatából áll, és kristályrácsot képez. A szilárd anyagok többsége kristályos szilárd anyag, és az atomok és a molekulák különböző elrendezése bennük megváltoztathatja tulajdonságait és megjelenését.
Mi a szilárd anyag?
A szilárd anyag olyan állapot, amelyben az anyag megőrzi alakját és állandó térfogatot tart fenn. Ez megkülönbözteti a szilárd anyagot a folyadékoktól vagy gázoktól; a folyadékok egyenletes térfogatot tartanak fenn, de tartályuk formáját veszik fel, a gázok pedig alakot és tartályuk térfogata.
A szilárd anyagban lévő atomok és molekulák vagy szabályos mintázatban rendezhetők el, így kristályos szilárd anyaggá válhatnak, vagy mintázat nélkül is elrendezhetők, amorf szilárd anyaggá válva.
Kristályos szerkezet
A kristályban lévő atomok vagy molekulák mindhárom dimenzióban periodikus vagy ismétlődő mintázatot alkotnak. Ez teszi a kristály belső szerkezetét
magasan szervezett. A kristály alkotó atomjait vagy molekuláit kötések révén tartják össze. Az összetartó kötés típusa, ionos, kovalens, molekuláris vagy fémes, attól függ, hogy miből áll a kristály.A szerkezeti minta legkisebb egységét a-nak nevezzük egységcella. A kristály ezekből az azonos egységsejtekből áll, amelyek mindhárom dimenzióban ismétlődnek. Ez a sejt a kristály szerkezetének legalapvetőbb alkotóeleme, és meghatározza néhány tulajdonságát. Meghatározza azt a mintát is, amelyet a tudós lát, amikor röntgendiffrakcióval nézik a kristályt, ami segíthet nekik azonosítani a kristály szerkezetét és összetételét.
Az egységsejtet alkotó atomok vagy molekulák helyzetét rácspontoknak nevezzük.
Kristályosítás és fázisváltozások
Amikor egy folyadék fagypontjáig lehűl, szilárd anyaggá válik a csapadéknak nevezett folyamatban. Amikor egy anyag szabályos kristályos szerkezetté válik, kristályosodásnak nevezzük.
A kristályosodás egy nukleációnak nevezett folyamattal kezdődik: atomok vagy molekulák csoportosulnak. Amikor ezek a klaszterek elég stabilak és elég nagyok, megindul a kristálynövekedés. Az atommagot olykor könnyebben meg lehet kezdeni, ha magkristályokat (előre elkészített csomókat) vagy durva felületet használunk, ami ösztönzi a klaszterek kialakulását.
Egy adott atom- vagy molekuláris anyag képes lehet több kristályszerkezetet alkotni. Az a szerkezet, amelyre az anyag kristályosodik, a kristályosítási folyamat során bizonyos paraméterektől függ, beleértve a hőmérsékletet, a nyomást és a szennyeződéseket.
Kristályos szilárd anyagok típusai
Vannak négy fő típus kristályos szilárd anyagok: ionos, kovalens hálózat, fémes és molekuláris. Az alapján különböztetik meg egymástól, hogy milyen atomokból vagy molekulákból állnak, és ezek az atomok vagy molekulák hogyan kapcsolódnak egymáshoz.
Az ionkristályok szerkezetének ismétlődő mintázata pozitív töltésű kationok és negatív töltésű anionok váltakozásából áll. Ezek az ionok lehetnek atomok vagy molekulák. Az ionos kristályok általában törékenyek, magas olvadásponttal rendelkeznek.
Szilárd anyagként nem vezetnek áramot, de folyadékként képesek vezetni az áramot. Akár atomokból, akár molekulákból állhatnak, feltéve, hogy töltve vannak. Az ionos szilárd anyag gyakori példája a nátrium-klorid (NaCl), amely asztali só néven ismert.
A kovalens hálózati kristályokat, amelyeket néha egyszerűen hálózati kristályoknak neveznek, kovalens kötések tartják össze alkotó atomjaik között. (Vegye figyelembe, hogy a kovalens hálózati kristályok atomi szilárd anyagok, vagyis nem készíthetők molekulákból.) Nagyon kemény szilárd anyagok, magas olvadáspontúak és nem vezetik jól az elektromosságot. A kovalens hálózati szilárd anyagok általános példái a gyémánt és a kvarc.
A fémes kristályok szintén atomi szilárd anyagok, amelyek fématomokból állnak, amelyeket fémes kötések tartanak össze. Ezek a fémkötések adják a fémek alakíthatóságát és alakíthatóságát, mivel lehetővé teszik a fématomok gördülését és egymás mellé csúszását anélkül, hogy megtörnék az anyagot. A fémkötések lehetővé teszik a vegyértékű elektronok szabad mozgását a fém egészében egy "elektrontengerben", ami nagyszerű áramvezetővé teszi őket. Keménységük és olvadáspontjuk nagyban különbözik.
A molekuláris kristályok kötött molekulákból állnak, ellentétben a fémes és a hálózati kristályokkal, amelyek kötött atomokból állnak. A molekuláris kötések viszonylag gyengék az atomi kötésekhez képest, és számos intermolekuláris erő okozhatja, ideértve a diszperziós erőket és a dipól-dipól erőket is.
A gyenge hidrogénkötések összetartanak néhány molekuláris kristályt, például a jeget. Mivel a molekuláris kristályokat ilyen gyenge kötések tartják össze, olvadáspontjuk általában sokkal alacsonyabb, rosszabb hő- és villamosenergia-vezetők, és lágyabbak. A molekuláris kristályok gyakori példái a jég, a szárazjég és a koffein.
A szilárd anyagok, amelyeket a nemesgázok molekuláris kristályoknak tekintik, annak ellenére, hogy egyes atomokból állnak; a nemesgázatomokat hasonló erők kötik össze, mint azokat, amelyek gyengén kötik össze a molekulákat egy molekulakristályban, ami nagyon hasonló tulajdonságokat kölcsönöz nekik.
A polikristály olyan szilárd anyag, amely többféle kristályszerkezetből áll, amelyek maguk is nem periodikus mintázatban vannak kombinálva. A vízjég egy példa a polikristályra, akárcsak a legtöbb fém, sok kerámia és kő. A szinguláris mintázatból álló nagyobb egységet gabonának nevezzük, és egy szem sok egységcellát tartalmazhat.
Vezetőképesség kristályos szilárd anyagokban
A kristályos szilárd anyagban lévő elektron korlátozott energiát tartalmazhat. A lehetséges energiaértékek pszeudo-folytonos energia "sávot" alkothatnak, az úgynevezett an-t energia sáv. Az elektron bármilyen értékű energiát vehet fel a sávon belül, amennyiben a sáv nincs kitöltve (van egy korlát, hogy egy adott sáv hány elektront tartalmazhat).
Bár ezeket a sávokat folyamatosnak tekintik, technikailag diszkrétek; csak túl sok olyan energiaszintet tartalmaznak, amelyek túl közel vannak egymáshoz ahhoz, hogy külön megoldódjanak.
A legfontosabb sávokat vezetési sávnak és vegyérték sávnak nevezzük: A vegyérték sáv az anyag legmagasabb energiaszintjének tartománya amelyben az elektronok abszolút nulla hőmérsékleten vannak jelen, míg a vezetési sáv a legalacsonyabb azon tartományok tartománya, amelyek nem töltik fel Államok.
A félvezetőkben és a szigetelőkben ezeket a sávokat egy energiahézag választja el, az úgynevezett sávrés. Félméretekben átfedik egymást. A fémekben lényegében nincs különbség közöttük.
Amikor egy elektron a vezetősávban van, akkor elegendő energiával rendelkezik ahhoz, hogy szabadon mozoghasson az anyagban. Ezek az anyagok így vezetik az elektromosságot: az elektronok vezetési sávjaikban történő mozgása révén. Mivel a vegyérték sávnak és a vezetési sávnak nincs hézaguk a fémek között, a fémek számára könnyű vezetni az áramot. A nagyobb sávréssel rendelkező anyagok általában szigetelők; nehéz elegendő elektronhoz jutni ahhoz, hogy a rést átugorja és a vezetősávba kerüljön.
Amorf szilárd anyagok
A szilárd anyagok másik típusa egy amorf szilárd anyag, amelynek nincs periodikus mintázata. Az amorf szilárd anyagok atomjai és molekulái nagyrészt szervezetlen. Emiatt sok hasonlóságot mutatnak a folyadékokkal, és valójában nincs meghatározott olvadáspontjuk.
Ehelyett, mivel a szomszédos atomok vagy molekulák közötti távolság a szerkezetben változik, a hőenergia egyenetlenül halad át az anyagon. Az anyag nagy hőmérsékleti tartományban lassan olvad.
Az amorf szilárd anyagok például a gumi, az üveg és a műanyag. Az obszidián és a vattacukor szintén példa az amorf szilárd anyagokra.