結晶性固体：定義、タイプ、特性、例

結晶性固体は、基本的な3次元構造が原子または分子の非常に規則的なパターンで構成され、結晶格子を形成する固体の一種です。 固体の大部分は結晶性固体であり、その中の原子と分子のさまざまな配置によって、それらの特性と外観が変わる可能性があります。

固体とは、物質がその形状を維持し、一定の体積を維持している物質の状態です。 これにより、固体は液体や気体とは区別されます。 液体は一定の体積を維持しますが、容器の形を取り、気体は形を取ります そして 彼らのコンテナのボリューム。

固体内の原子と分子は、規則的なパターンで配置されて結晶性の固体になるか、パターンなしで配置されてアモルファスの固体になります。

結晶内の原子または分子は、3次元すべてで周期的または繰り返しのパターンを形成します。 これにより、結晶の内部構造が作成されます 高度に組織化. 結晶の構成原子または分子は、結合によって結合されています。 イオン結合、共有結合、分子結合、金属結合など、それらを結合する結合の種類は、結晶が何でできているかによって異なります。

構造パターンの最小単位は、 単位格子. 結晶は、3次元すべてで何度も繰り返されるこれらの同一のユニットセルで構成されています。 このセルは、結晶の構造の最も基本的なコンポーネントであり、その特性のいくつかを決定します。 また、科学者がX線回折を使用して結晶を見るときに見るパターンを決定します。これは、結晶の構造と組成を特定するのに役立ちます。

ユニットセルを構成する原子または分子の位置は、格子点と呼ばれます。

液体が凝固点まで冷えると、沈殿と呼ばれるプロセスで固体になります。 物質が規則的な結晶構造に沈殿するとき、それは結晶化と呼ばれます。

結晶化は、核形成と呼ばれるプロセスから始まります。原子または分子が一緒にクラスター化します。 それらのクラスターが十分に安定し、十分に大きくなると、結晶成長が始まります。 核形成は、種結晶（事前に作成された塊）または粗い表面を使用することで、より簡単にジャンプスタートできる場合があります。これにより、クラスターの形成が促進されます。

与えられた原子または分子材料は、複数の結晶構造を形成できる場合があります。 材料が結晶化する構造は、温度、圧力、不純物の存在など、結晶化プロセス中の特定のパラメータに依存します。

がある 4つの主なタイプ 結晶性固体の：イオン性、共有結合ネットワーク、金属および分子。 それらは、それらがどの原子または分子でできているか、およびそれらの原子または分子が互いにどのように結合しているかに基づいて、互いに区別されます。

イオン結晶の構造の繰り返しパターンは、正に帯電した陽イオンと負に帯電した陰イオンが交互に並んだもので構成されています。 これらのイオンは、原子または分子にすることができます。 イオン結晶は通常もろく、融点が高くなります。

固体としては電気を通しませんが、液体として電気を通すことができます。 それらは、帯電している限り、原子または分子のいずれかで構成できます。 イオン性固体の一般的な例は、食卓塩として知られる塩化ナトリウム（NaCl）です。

共有ネットワーク結晶は、単にネットワーク結晶と呼ばれることもあり、構成原子間の共有結合によって結合されます。 （共有結合ネットワーク結晶は原子固体であるため、分子から作ることはできません。）非常に硬い固体であり、融点が高く、電気を通しません。 共有ネットワーク固体の一般的な例は、ダイヤモンドと石英です。

金属結晶も原子固体であり、金属結合によって結合された金属原子でできています。 これらの金属結合は、金属原子が材料を壊すことなく互いに転がったり滑ったりすることを可能にするため、金属に展性と延性を与えるものです。 金属結合はまた、価電子が「電子の海」内で金属全体を自由に移動することを可能にし、それがそれらを優れた電気伝導体にします。 それらの硬度と融点は大きく異なります。

分子結晶は、結合原子で構成されている金属結晶やネットワーク結晶とは異なり、結合分子で構成されています。 分子結合は原子結合に比べて比較的弱く、分散力や双極子-双極子力などのさまざまな分子間力によって引き起こされる可能性があります。

弱い水素結合は、氷などのいくつかの分子結晶を一緒に保持します。 分子結晶はこのような弱い結合によって結合されているため、融点がはるかに低くなる傾向があり、熱と電気の伝導性が悪く、柔らかくなります。 分子結晶の一般的な例には、氷、ドライアイス、カフェインなどがあります。

によって形成された固体 希ガス 特異な原子でできているにもかかわらず、分子結晶と見なされます。 希ガス原子は、分子結晶内で分子を弱く結合するものと同様の力で結合しているため、非常に類似した特性が得られます。

多結晶は、複数の種類の結晶構造で構成され、それ自体が非周期的なパターンで組み合わされた固体です。 ウォーターアイスは、ほとんどの金属、多くのセラミック、岩石と同様に、多結晶の例です。 単一のパターンで構成される大きな単位は粒子と呼ばれ、粒子には多くの単位セルが含まれる場合があります。

結晶性固体中の電子は、持つことができるエネルギー量に制限があります。 それが持つことができるエネルギーの可能な値は、エネルギーの疑似連続「バンド」を構成します。 エネルギーバンド. バンドが満たされていない限り、電子はバンド内の任意の値のエネルギーを取ることができます（特定のバンドに含めることができる電子の数には制限があります）。

これらのバンドは連続的であると見なされますが、技術的には離散的です。 それらは、別々に解決するには互いに近すぎるエネルギーレベルを含んでいるだけです。

最も重要なバンドは、伝導帯および価電子帯と呼ばれます。価電子帯は、材料の最高エネルギーレベルの範囲です。 電子は絶対零度で存在し、伝導帯は満たされていないものを含むレベルの最低範囲です。 状態。

半導体や絶縁体では、これらのバンドはエネルギーギャップによって分離されています。 バンドギャップ. 半金属では、それらは重なります。 金属では、本質的にそれらの間に区別はありません。

電子が伝導帯にあるとき、それは材料の周りを自由に動き回るのに十分なエネルギーを持っています。 これは、これらの材料が電気を伝導する方法です：伝導帯の電子の動きを通して。 金属では価電子帯と伝導帯の間に隙間がないため、金属が電気を通しやすい。 バンドギャップが大きい材料は絶縁体になる傾向があります。 ギャップをジャンプして伝導帯に入るのに十分なエネルギーを電子に与えることは困難です。

別の種類の固体は、周期的なパターンを持たないアモルファス固体です。 アモルファス固体内の原子と分子は主に 混乱した. このため、それらは液体と多くの類似点を共有しており、実際には融点が設定されていません。

代わりに、構造内の隣接する原子または分子間の距離が変化するため、熱エネルギーは材料を不均一に通過します。 材料は広範囲の温度でゆっくりと溶けます。

アモルファス固体の例には、ゴム、ガラス、プラスチックが含まれます。 黒曜石や綿菓子もアモルファス固体の例です。