מוצק גבישי: הגדרה, סוגים, מאפיינים ודוגמאות

מוצק גבישי הוא סוג של מוצק שמבנהו התלת-ממדי הבסיסי מורכב מתבנית אטומית או מולקולות רגילה ביותר ויוצרת סריג קריסטל. רוב המוצקים הם מוצקים גבישיים, והסדרים השונים של אטומים ומולקולות בתוכם יכולים לשנות את תכונותיהם ומראהם.

מוצק הוא מצב של חומר בו החומר שומר על צורתו ושומר על נפח עקבי. זה עושה מוצק נבדל מנוזלים או גזים; נוזלים שומרים על נפח עקבי אך לובשים את צורת המיכל שלהם, וגזים מקבלים צורה ו נפח המכולה שלהם.

האטומים והמולקולות במוצק יכולים להיות מסודרים בתבנית רגילה, מה שהופך אותו למוצק גבישי, או להיות מסודרים ללא תבנית, מה שהופך אותו למוצק אמורפי.

אטומים או מולקולות בקריסטל יוצרים תבנית תקופתית, או חוזרת, בכל שלושת הממדים. זה הופך את המבנה הפנימי של גביש מאוד מאורגן. האטומים או המולקולות המרכיבים של הגביש מוחזקים יחד באמצעות קשרים. סוג הקשר המחזיק אותם יחד, יוני, קוולנטי, מולקולרי או מתכתי, תלוי ממה עשוי הגביש.

היחידה הקטנה ביותר בתבנית המבנית נקראת a תא יחידה. גביש מורכב מתאי יחידה זהים אלה החוזרים שוב ושוב בכל שלושת הממדים. תא זה הוא המרכיב הבסיסי ביותר במבנה הגביש, וקובע חלק מתכונותיו. זה גם קובע את התבנית שרואה מדען כאשר הם מסתכלים על הגביש באמצעות עקיפה רנטגן, מה שיכול לעזור להם לזהות את מבנה הגביש והרכבו.

מיקומי האטומים או המולקולות המרכיבים את תא היחידה נקראים נקודות סריג.

כאשר נוזל מתקרר עד לקפאתו, הוא הופך להיות מוצק בתהליך שנקרא משקעים. כאשר חומר מזרז למבנה גבישי רגיל, זה נקרא התגבשות.

התגבשות מתחילה בתהליך הנקרא גרעין: אטומים או מולקולות מקובצים יחד. כאשר אותם אשכולות יציבים מספיק וגדולים מספיק, מתחילה צמיחת הגבישים. לעיתים ניתן להתחיל בקלות רבה יותר בגרעין באמצעות גבישי זרע (גושים מוכנים מראש) או משטח מחוספס, המעודד יצירת אשכולות.

חומר אטומי או מולקולרי נתון עשוי ליצור מבני גביש מרובים. המבנה אליו מתגבש החומר יהיה תלוי בפרמטרים מסוימים במהלך תהליך ההתגבשות, כולל טמפרטורה, לחץ ונוכחות זיהומים.

יש ארבעה סוגים עיקריים של מוצקים גבישיים: רשת יונית, קוולנטית, מתכתית ומולקולרית. הם נבדלים זה מזה על סמך האטומים או המולקולות שהם עשויים, וכיצד אותם אטומים או מולקולות נקשרים זה לזה.

התבנית החוזרת על עצמה במבנה הגבישים היוניים מורכבת מקטונים בעלי מטען חיובי לסירוגין עם אניונים טעונים שלילית. יונים אלה יכולים להיות אטומים או מולקולות. גבישים יוניים הם בדרך כלל שבירים, עם נקודות התכה גבוהות.

כמוצקים הם אינם מוליכים חשמל, אך הם יכולים להוביל חשמל כנוזלים. הם יכולים להיות מורכבים מאטומים או ממולקולות, כל עוד הם טעונים. דוגמה נפוצה למוצק יוני תהיה נתרן כלורי (NaCl), המכונה מלח שולחן.

גבישי רשת קוולנטיים, המכונים לעתים פשוט גבישי רשת, מוחזקים יחד על ידי קשרים קוולנטיים בין האטומים המרכיבים אותם. (שימו לב כי גבישי רשת קוולנטיים הם מוצקים אטומיים, כלומר לא ניתן לייצר אותם ממולקולות.) הם מוצקים קשים מאוד, בעלי נקודות התכה גבוהות ואינם מוליכים חשמל בצורה טובה. דוגמאות נפוצות למוצקי רשת קוולנטיים הם יהלום וקוורץ.

גבישים מתכתיים הם גם מוצקים אטומיים, עשויים אטומי מתכת המוחזקים יחד על ידי קשרים מתכתיים. קשרים מתכתיים אלה הם המעניקים למתכות את יכולת הנחישות שלהם ואת יכולת המשיכות שלהם, מכיוון שהם מאפשרים לאטומי המתכת להתגלגל ולהחליק אחד על השני מבלי לשבור את החומר. הקשרים המתכתיים מאפשרים גם אלקטרוני ערכיות לנוע בחופשיות ברחבי המתכת ב"ים אלקטרונים ", מה שהופך אותם למוליכים גדולים של חשמל. קשיותן ונקודות ההיתוך שלהם שונות מאוד.

גבישים מולקולריים מורכבים ממולקולות קשורות, בשונה מגבישים מתכתיים ורשתיים, המורכבים מאטומים קשורים. קשרים מולקולריים הם חלשים יחסית לקשרים אטומיים ויכולים להיגרם על ידי מגוון כוחות בין-מולקולריים הכוללים כוחות פיזור וכוחות דיפול-דיפול.

קשרי מימן חלשים מחזיקים יחד גבישים מולקולריים כמו קרח. מכיוון שהגבישים המולקולריים מוחזקים ביניהם על ידי קשרים חלשים כאלה, נקודות ההיתוך שלהם נוטות להיות נמוכות בהרבה, הן מוליכות גרועות יותר של חום וחשמל והן רכות יותר. דוגמאות נפוצות לקריסטלים מולקולריים כוללות קרח, קרח יבש וקפאין.

המוצקים שנוצרו על ידי גזים אצילים נחשבים גם גבישים מולקולריים למרות שהם עשויים אטומים יחיד; אטומי הגז האצילי נקשרים על ידי כוחות דומים כמו אלה המחברים מולקולות חלשות יחד בגביש מולקולרי, מה שמעניק להם תכונות דומות מאוד.

קריסטל רב-כיווני הוא מוצק המורכב מסוגים רבים של מבני גביש, אשר משולבים בעצמם בתבנית לא תקופתית. קרח מים הוא דוגמה לפוליש קריסטל, כמו רוב המתכות, קרמיקה וסלעים רבים. היחידה הגדולה יותר המורכבת מדפוס יחיד נקראת גרגר, ודגן עשוי להכיל תאי יחידה רבים.

אלקטרון במוצק גבישי מוגבל בכמות האנרגיה שיכולה להיות לו. הערכים האפשריים של האנרגיה שהיא יכולה להוות מהווים "פס" רציף של אנרגיה, הנקרא רצועת אנרגיה. אלקטרון יכול לקחת כל ערך של אנרגיה בתוך הלהקה, כל עוד הלהקה לא ממולאת (יש גבול לכמה אלקטרונים רצועה מסוימת יכולה להכיל).

הלהקות הללו, אף שנחשבות רציפות, הן דיסקרטיות מבחינה טכנית; הם פשוט מכילים יותר מדי רמות אנרגיה שקרובות יותר מכדי לפתור בנפרד.

הלהקות החשובות ביותר נקראות רצועת ההולכה ורצועת הערכיות: רצועת הערכיות היא הטווח של רמות האנרגיה הגבוהות ביותר של החומר בהם אלקטרונים נמצאים בטמפרטורה אפסית מוחלטת, ואילו רצועת ההולכה היא הטווח הנמוך ביותר של רמות המכילות לא ממולא מדינות.

במוליכים למחצה ובמבודדים להקות אלה מופרדות על ידי פער אנרגיה, הנקרא פער הלהקה. בחצי מידה הם חופפים זה לזה. במתכות אין כל הבחנה ביניהן.

כאשר אלקטרון נמצא ברצועת ההולכה, יש לו מספיק אנרגיה לנוע בחומר בחופשיות. כך חומרים אלה מוליכים חשמל: באמצעות תנועת אלקטרונים ברצועות ההולכה שלהם. מכיוון שרצועת הערכיות ורצועת ההולכה אין פער ביניהן במתכות, קל למתכות להוביל חשמל. חומרים עם פער גדול יותר של הלהקה נוטים להיות מבודדים; קשה להשיג אלקטרונים מספיק אנרגיה כדי לקפוץ על הפער ולהיכנס ללהקת ההולכה.

סוג אחר של מוצק הוא מוצק אמורפי, שאין לו דפוס תקופתי. האטומים והמולקולות בתוך מוצקים אמורפיים הם במידה רבה לא מאורגן. בגלל זה, הם חולקים קווי דמיון רבים לנוזלים, ולמעשה אין להם נקודת התכה קבועה.

במקום זאת, מכיוון שהמרחקים בין אטומים או מולקולות שכנות במבנה משתנים, אנרגיה תרמית עוברת דרך החומר בצורה לא אחידה. החומר נמס לאט בטווח טמפרטורות גדול.

דוגמאות למוצקים אמורפיים כוללים גומי, זכוכית ופלסטיק. אובסידיאן וממתק כותנה הם גם דוגמאות למוצקים אמורפיים.