결정질 고체: 정의, 유형, 특성 및 예

결정질 고체는 기본 3 차원 구조가 매우 규칙적인 원자 또는 분자 패턴으로 구성되어 결정 격자를 형성하는 고체 유형입니다. 대부분의 고체는 결정질 고체이며 그 안에있는 원자와 분자의 배열이 다르면 특성과 모양이 바뀔 수 있습니다.

고체는 물질이 모양을 유지하고 일정한 부피를 유지하는 물질 상태입니다. 이것은 고체를 액체 나 기체와 구별합니다. 액체는 일정한 부피를 유지하지만 용기의 모양을 취하고 가스는 모양을 취합니다. 과 컨테이너의 부피.

고체의 원자와 분자는 규칙적인 패턴으로 배열되어 결정질 고체로 만들거나 패턴없이 배열되어 비정질 고체로 만들 수 있습니다.

결정의 원자 또는 분자는 3 차원 모두에서 주기적 또는 반복적 인 패턴을 형성합니다. 이것은 결정의 내부 구조를 만듭니다 고도로 조직 된. 결정의 구성 원자 또는 분자는 결합을 통해 함께 유지됩니다. 이온, 공유, 분자 또는 금속 등 이들을 함께 묶는 결합의 유형은 결정의 구성 요소에 따라 다릅니다.

구조적 패턴의 가장 작은 단위는 단위 세포. 크리스탈은 3 차원 모두에서 계속 반복되는 이러한 동일한 단위 셀로 구성됩니다. 이 세포는 결정 구조의 가장 기본적인 구성 요소이며 일부 특성을 결정합니다. 또한 과학자가 X 선 회절을 사용하여 결정을 볼 때 보는 패턴을 결정하므로 결정의 구조와 구성을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.

단위 세포를 구성하는 원자 또는 분자의 위치를 ​​격자 점이라고합니다.

액체가 빙점까지 냉각되면 침전이라는 과정에서 고체가됩니다. 물질이 규칙적인 결정 구조로 침전되는 것을 결정화라고합니다.

결정화는 핵 생성이라는 과정으로 시작됩니다. 원자 또는 분자가 함께 모여 있습니다. 이러한 클러스터가 충분히 안정적이고 충분히 클 때 결정 성장이 시작됩니다. 핵 형성은 때때로 종자 결정 (미리 만들어진 덩어리) 또는 거친 표면을 사용하여 더 쉽게 시작될 수 있으며, 이는 클러스터 형성을 촉진합니다.

주어진 원자 또는 분자 물질은 다중 결정 구조를 형성 할 수 있습니다. 재료가 결정화되는 구조는 온도, 압력 및 불순물의 존재를 포함하여 결정화 공정 중 특정 매개 변수에 따라 달라집니다.

있습니다 네 가지 주요 유형 결정질 고체: 이온, 공유 네트워크, 금속 및 분자. 그것들은 그들이 어떤 원자 또는 분자로 만들어 졌는지, 원자 또는 분자가 서로 어떻게 결합되어 있는지에 따라 서로 구별됩니다.

이온 결정 구조의 반복 패턴은 양전하를 띤 양이온과 음전하를 띤 음이온으로 구성됩니다. 이러한 이온은 원자 또는 분자 일 수 있습니다. 이온 결정은 일반적으로 부서지기 쉽고 융점이 높습니다.

고체로서 전기를 전도하지 않지만 액체로 전기를 전도 할 수 있습니다. 전하를 띠는 한 원자 또는 분자로 구성 될 수 있습니다. 이온 성 고체의 일반적인 예는 식염으로 알려진 염화나트륨 (NaCl)입니다.

때때로 단순히 네트워크 결정이라고 불리는 공유 네트워크 결정은 구성 원자 사이의 공유 결합에 의해 함께 유지됩니다. (공유 네트워크 결정은 원자 고체이므로 분자로 만들 수 없습니다.) 매우 단단한 고체이고 융점이 높으며 전기를 잘 전도하지 못합니다. 공유 네트워크 고체의 일반적인 예는 다이아몬드와 석영입니다.

금속 결정은 또한 금속 결합에 의해 결합 된 금속 원자로 이루어진 원자 고체입니다. 이러한 금속 결합은 금속 원자가 재료를 깨지 않고 서로 롤링하고 미끄러지도록 허용하므로 금속에 가단성과 연성을 부여합니다. 금속 결합은 또한 원자가 전자가 "전자 바다"에서 금속 전체를 자유롭게 이동할 수있게하여 훌륭한 전기 전도체가됩니다. 경도와 융점은 매우 다양합니다.

분자 결정은 결합 된 원자로 구성된 금속 및 네트워크 결정과 달리 결합 된 분자로 구성됩니다. 분자 결합은 원자 결합에 비해 상대적으로 약하며 분산력 및 쌍극자-쌍극자 힘을 포함한 다양한 분자간 힘에 의해 발생할 수 있습니다.

약한 수소 결합은 얼음과 같은 일부 분자 결정을 함께 보유합니다. 분자 결정은 이러한 약한 결합에 의해 결합되기 때문에 융점이 훨씬 낮아지는 경향이 있으며 열과 전기의 전도체가 더 나쁘고 더 부드럽습니다. 분자 결정의 일반적인 예로는 얼음, 드라이 아이스 및 카페인이 있습니다.

에 의해 형성된 고체 고귀한 가스 또한 단일 원자로 만들어 졌음에도 불구하고 분자 결정으로 간주됩니다. 고귀한 가스 원자는 분자 결정에서 분자를 약하게 결합하는 것과 유사한 힘으로 결합되어 매우 유사한 특성을 제공합니다.

다결정은 비 주기적 패턴으로 결합되는 여러 유형의 결정 구조로 구성된 고체입니다. 물 얼음은 대부분의 금속, 많은 세라믹 및 암석과 마찬가지로 다결정의 예입니다. 단일 패턴으로 구성된 더 큰 단위를 그레인이라고하며 그레인에는 많은 단위 셀이 포함될 수 있습니다.

결정질 고체의 전자는 가질 수있는 에너지의 양이 제한됩니다. 그것이 가질 수있는 에너지의 가능한 값은 에너지의 유사 연속적인 "밴드"를 구성합니다. 에너지 밴드. 전자는 밴드가 채워지지 않는 한 밴드 내의 모든 에너지 값을 가질 수 있습니다 (주어진 밴드에 포함 할 수있는 전자 수에 제한이 있음).

이러한 밴드는 연속적인 것으로 간주되지만 기술적으로는 분리되어 있습니다. 그것들은 서로 너무 가깝기 때문에 따로 해결하기에는 너무 많은 에너지 수준을 포함하고 있습니다.

가장 중요한 밴드는 전도대와 가전 자대라고합니다. 가전 자대는 물질의 최고 에너지 수준 범위입니다. 전자가 절대 영도에 존재하는 반면 전도대는 채워지지 않은 것을 포함하는 가장 낮은 수준의 범위입니다. 상태.

반도체와 절연체에서 이러한 밴드는 에너지 갭으로 분리됩니다. 밴드 갭. 반 금속에서는 겹칩니다. 금속에서는 본질적으로 그들 사이에 구별이 없습니다.

전자가 전도대에 있으면 물질 주위를 자유롭게 이동할 수있는 충분한 에너지가 있습니다. 이것이 이러한 물질이 전도대에서 전자의 이동을 통해 전기를 전도하는 방식입니다. 가전 ​​자대와 전도대는 금속에서 간격이 없기 때문에 금속이 전기를 전도하기 쉽습니다. 밴드 갭이 큰 재료는 절연체가되는 경향이 있습니다. 전자가 갭을 뛰어 넘어 전도대에 들어갈만큼 충분한 에너지를 얻는 것은 어렵습니다.

또 다른 유형의 고체는주기적인 패턴이없는 무정형 고체입니다. 무정형 고체 내의 ​​원자와 분자는 크게 무질서. 이 때문에 그들은 액체와 많은 유사점을 공유하며 실제로 설정된 융점이 없습니다.

대신 구조에서 인접한 원자 또는 분자 사이의 거리가 다르기 때문에 열 에너지가 재료를 고르지 않게 통과합니다. 재료는 넓은 온도 범위에서 천천히 녹습니다.

무정형 고체의 예로는 고무, 유리 및 플라스틱이 있습니다. 흑요석과 솜사탕도 무정형 고체의 예입니다.