კრისტალური მყარი: განმარტება, ტიპები, მახასიათებლები და მაგალითები

კრისტალური მყარი არის მყარი სახეობა, რომლის ფუნდამენტური სამგანზომილებიანი სტრუქტურა შედგება ატომების ან მოლეკულების ძალზე რეგულარული ნიმუშისაგან, ქმნის ბროლის ქსელს. მყარი ნივთიერებების უმეტესობა კრისტალური მყარია და მათში ატომებისა და მოლეკულების განსხვავებულმა წყობამ შეიძლება შეცვალოს მათი თვისებები და გარეგნობა.

მყარი არის მატერიის მდგომარეობა, რომელშიც ნივთიერება ინარჩუნებს ფორმას და ინარჩუნებს მდგრად მოცულობას. ეს გამოყოფს მყარი სითხის ან გაზებისგან; სითხეები ინარჩუნებენ თანმიმდევრულ მოცულობას, მაგრამ იღებენ კონტეინერის ფორმას და გაზები იღებენ ფორმას და მათი კონტეინერის მოცულობა.

მყარი ნივთიერებების ატომები და მოლეკულები შეიძლება განლაგდეს რეგულარული წესით, გახდეს იგი კრისტალური მყარი, ან განლაგდეს ნიმუშის გარეშე, გახდეს ამორფული მყარი.

ბროლის ატომები ან მოლეკულები ქმნიან პერიოდულ, ან განმეორებით ნიმუშს სამივე განზომილებაში. ეს ქმნის ბროლის შიდა სტრუქტურას ძალიან ორგანიზებული. ბროლის შემადგენელი ატომები ან მოლეკულები ერთმანეთთან იკვრება ობლიგაციების საშუალებით. ობლიგაციის ტიპი, რომელიც მათ აერთიანებს, იონური, კოვალენტური, მოლეკულური ან მეტალი, დამოკიდებულია იმაზე, თუ რისგან არის შექმნილი ბროლი.

სტრუქტურული ნიმუშის ყველაზე მცირე ერთეულს ეწოდება a ერთეული უჯრედი. ბროლი შედგება ამ იდენტური ერთეულის უჯრედებისგან, რომლებიც განმეორდება განმეორებით სამივე განზომილებაში. ეს უჯრედი არის ბროლის სტრუქტურის ყველაზე ფუნდამენტური კომპონენტი და განსაზღვრავს მის ზოგიერთ თვისებას. იგი ასევე განსაზღვრავს იმ ნიმუშს, რომელსაც მეცნიერი ხედავს, როდესაც ისინი ბროლს ათვალიერებენ რენტგენის დიფრაქციის გამოყენებით, რაც მათ დაეხმარება კრისტალის სტრუქტურისა და შემადგენლობის დადგენაში.

ატომების ან მოლეკულების პოზიციებს, რომლებიც წარმოადგენენ ერთეულ უჯრედს, ეწოდება ქსელის წერტილები.

როდესაც თხევადი გაცივდება გაყინვის წერტილამდე, იგი მყარი ხდება პროცესში, რომელსაც ეწოდება ნალექი. როდესაც ნივთიერება ილექება რეგულარულ კრისტალურ სტრუქტურაში, მას კრისტალიზაცია ეწოდება.

კრისტალიზაცია იწყება პროცესით, რომელსაც ბირთვი ეწოდება: ატომები ან მოლეკულები ერთობლივად იკრიბებიან. როდესაც ეს მტევანი საკმარისად სტაბილური და საკმარისად დიდია, ბროლის ზრდა იწყება. ბირთვების გაყვანა ზოგჯერ უფრო ადვილად შეიძლება დაიწყოს თესლის კრისტალების (წინასწარ გაკეთებული გროვების) ან უხეში ზედაპირის გამოყენებით, რაც ხელს უწყობს მტევნების წარმოქმნას.

მოცემულ ატომურ ან მოლეკულურ მასალას შეუძლია შექმნას მრავალი კრისტალური სტრუქტურა. სტრუქტურა, რომელშიც მასალა კრისტალირდება, დამოკიდებული იქნება კრისტალიზაციის პროცესის გარკვეულ პარამეტრებზე, მათ შორის ტემპერატურაზე, წნევაზე და მინარევების არსებობაზე.

Არიან, იმყოფებიან ოთხი ძირითადი ტიპი კრისტალური მყარი ნივთიერებების: იონური, კოვალენტური ქსელი, მეტალიკი და მოლეკულური. ისინი ერთმანეთისგან განასხვავებენ იმის მიხედვით, თუ რა ატომებისაგან ან მოლეკულებისგან შედგება და როგორ არიან ეს ატომები ან მოლეკულები ერთმანეთთან დაკავშირებული.

იონური კრისტალების სტრუქტურაში განმეორებადი ნიმუში შედგება დადებითად დამუხტული კატიონების მონაცვლეობით უარყოფითად დამუხტული ანიონებით. ეს იონები შეიძლება იყოს ატომები ან მოლეკულები. იონური კრისტალები, როგორც წესი, მყიფეა, დნობის მაღალი წერტილებით.

როგორც მყარი, ისინი არ ატარებენ ელექტროენერგიას, მაგრამ მათ შეუძლიათ ელექტროენერგიის მიწოდება როგორც სითხე. ისინი შეიძლება შედგებოდეს ან ატომისგან ან მოლეკულისგან, თუ ისინი დამუხტულია. იონური მყარი მასალის საერთო მაგალითი იქნება ნატრიუმის ქლორიდი (NaCl), რომელიც ცნობილია სუფრის მარილის სახელით.

კოვალენტური ქსელის კრისტალები, ზოგჯერ მათ უბრალოდ ქსელურ კრისტალებს უწოდებენ, მათ შემადგენელ ატომებს შორის კოვალენტური კავშირები უჭირავს. (გაითვალისწინეთ, რომ კოვალენტური ქსელის კრისტალები ატომური მყარია, ანუ მათი მოლეკულებისგან წარმოება შეუძლებელია.) ისინი ძალიან მყარი მყარია, აქვთ მაღალი დნობის წერტილები და ელექტროენერგიას კარგად არ ატარებენ. კოვალენტური ქსელის მყარი მასალების საერთო მაგალითებია ალმასი და კვარცი.

მეტალის კრისტალები ასევე არის ატომური მყარი ნივთიერებები, დამზადებულია ლითონის ატომებისაგან, რომლებიც ერთმანეთთან აკავშირებს მეტალის ბმულებს. ეს მეტალიკი ობლიგაციები აძლევს მეტალებს დაქვემდებარებას და დრეკადობას, რადგან ისინი საშუალებას აძლევს ლითონის ატომებს გააფართოვონ და გადაიტანონ ერთმანეთთან მასალის გაწყვეტის გარეშე. მეტალის ობლიგაციები ასევე საშუალებას აძლევს ვალენტურ ელექტრონებს თავისუფლად გადაადგილდნენ მეტალში "ელექტრონულ ზღვაში", რაც მათ ელექტროენერგიის დიდ გამტარებად აქცევს. მათი სიმტკიცე და დნობის წერტილები ძალიან განსხვავდება.

მოლეკულური კრისტალები შედგება შეკრული მოლეკულებისგან, განსხვავებით მეტალისა და ქსელური კრისტალებისაგან, რომლებიც შედგება შეკრული ატომებისაგან. მოლეკულური ბმები შედარებით სუსტია ატომურ კავშირებთან შედარებით და შეიძლება გამოწვეული იყოს სხვადასხვა მოლეკულური ძალებით, მათ შორის დისპერსიული ძალებით და დიპოლური დიპოლური ძალებით.

სუსტი წყალბადის ობლიგაციები იკავებს ზოგიერთ მოლეკულურ კრისტალს, მაგალითად ყინულს. იმის გამო, რომ მოლეკულური კრისტალები თავს იკავებს ასეთი სუსტი ბმებით, მათი დნობის წერტილები გაცილებით დაბალია, ისინი სითბოს და ელექტროენერგიის უარესი გამტარნი არიან და უფრო რბილიც. მოლეკულური კრისტალების საერთო მაგალითებია ყინული, მშრალი ყინული და კოფეინი.

მყარი წარმოქმნილი კეთილშობილი გაზები ასევე განიხილება მოლეკულური კრისტალები მიუხედავად იმისა, რომ ისინი სინგულარული ატომებისაგან არიან დამზადებული; კეთილშობილი გაზის ატომები ანალოგიური ძალებით არის შეკრული, როგორც მოლეკულურ კრისტალში სუსტად შეკრული მოლეკულები, რაც მათ ძალიან ჰგავს თვისებებს.

პოლიკრისტალი არის მყარი, რომელიც შედგება მრავალი ტიპის ბროლის სტრუქტურებისაგან, რომლებიც თავად გაერთიანებულია არა პერიოდულ ფორმაში. წყლის ყინული პოლიკრისტალის მაგალითია, ისევე როგორც ლითონების უმეტესობა, მრავალი კერამიკა და ქანები. ცალკეულ ნიმუშს შემდგომ უფრო დიდ ერთეულს მარცვალი ეწოდება და მარცვალი შეიძლება შეიცავდეს მრავალ ერთეულ უჯრედს.

ელექტრონი კრისტალურ მყარ ნივთიერებაში შეზღუდულია იმით, თუ რამდენად ენერგია შეიძლება ჰქონდეს მას. ენერგიის შესაძლო მნიშვნელობებს შეიძლება ჰქონდეს ენერგიის ფსევდო-უწყვეტი "ჯგუფი", ე.წ. ენერგეტიკული ზოლი. ელექტრონს შეუძლია მიიღოს ენერგიის ნებისმიერი მნიშვნელობა ჯგუფის შიგნით, სანამ ზოლი არ არის შევსებული (შეზღუდულია თუ რამდენი ელექტრონი შეიძლება შეიცავდეს მოცემულ ჯგუფს).

ეს შემსრულებლები, მიუხედავად იმისა, რომ განიხილება უწყვეტი, ტექნიკურად დისკრეტულია; ისინი უბრალოდ შეიცავს ძალიან ბევრ ენერგიის დონეს, რომლებიც ერთმანეთთან ძალიან ახლოსაა და ცალკე ვერ გადაწყდება.

ყველაზე მნიშვნელოვან შემსრულებლებს ეწოდება გამტარობა და ვალენტობის ზოლი: ვალენტობის ზოლი არის მასალის უმაღლესი ენერგეტიკული დონის დიაპაზონი რომელშიც ელექტრონები იმყოფებიან აბსოლუტურ ნულოვან ტემპერატურაზე, ხოლო გამტარობა არის დონის ყველაზე დაბალი დიაპაზონი, რომელიც შეიცავს შევსებას აცხადებს.

ნახევარგამტარებსა და იზოლატორებში ეს ზოლები გამოყოფილია ენერგეტიკული უფსკრულით, ე.წ. ჯგუფის უფსკრული. სემიმეტალებში ისინი ერთმანეთს ემთხვევა. მეტალებში, მათ შორის არსებითად არანაირი განსხვავება არ არის.

ელექტრონი გამტარ ზოლში იმყოფება, მას აქვს საკმარისი ენერგია მასალის თავისუფლად გადასაადგილებლად. ეს მასალები ასე ახორციელებს ელექტროენერგიას: ელექტროენერგიის გადაადგილების გზით მათ გამტარ ზოლებში. ვინაიდან ვალენტურ ზოლს და გამტარ ზოლს მათ შორის ლითონებს შორის არანაირი განსხვავება არ არის, ლითონებისთვის ელექტროენერგიის გატარება მარტივია. მასალები უფრო დიდი ზოლის უფსკრულით არის იზოლატორი; რთულია ელექტრონის საკმარისი ენერგიის მოპოვება ხარვეზის გადასასვლელად და გამტარობის ზონაში გადასასვლელად.

მყარი სხვა ტიპია ამორფული მყარი, რომელსაც პერიოდული ფორმა არ აქვს. ამორფული მყარი ნივთიერებების ატომები და მოლეკულები მეტწილად არაორგანიზებული. ამის გამო, მათ სითხეებთან ბევრი მსგავსება აქვთ და სინამდვილეში არ აქვთ დნობის წერტილი.

ამის ნაცვლად, იმის გამო, რომ მანძილი სტრუქტურაში მეზობელ ატომებსა და მოლეკულებს შორის განსხვავებულია, თერმული ენერგია მასალში არათანაბრად გადის. მასალა ნელა დნება ტემპერატურის დიდ დიაპაზონში.

ამორფული მასალების მაგალითებია რეზინის, მინის და პლასტმასის. ობსიდიანი და ბამბის ტკბილეული ასევე ამორფული მყარი მასალების მაგალითებია.