Kristalinė kieta medžiaga yra kietosios medžiagos tipas, kurio pagrindinė trimatė struktūra susideda iš labai taisyklingo atomų ar molekulių modelio, formuojančio kristalinę gardelę. Dauguma kietųjų dalelių yra kristalinės kietosios medžiagos, o skirtingi jose esančių atomų ir molekulių išdėstymai gali pakeisti jų savybes ir išvaizdą.
Kas yra kietasis?
Kietoji medžiaga yra medžiagos būsena, kurioje medžiaga išlaiko savo formą ir palaiko pastovų tūrį. Kietoji medžiaga skiriasi nuo skysčių ar dujų; skysčiai palaiko pastovų tūrį, tačiau įgauna savo indo formą, o dujos - formą ir jų konteinerio tūrio.
Kietosios medžiagos atomai ir molekulės gali būti išdėstyti taisyklingu pavidalu, paverčiant ją kristaline kieta medžiaga, arba išsidėstę be modelio, paverčiant ją amorfine kieta dalimi.
Kristalinė struktūra
Atomai ar molekulės kristale sudaro periodišką arba pasikartojantį modelį visose trijose dimensijose. Tai daro vidinę kristalo struktūrą labai organizuota. Kristalo sudedamieji atomai ar molekulės laikomi kartu per jungtis. Junginių, laikančių juos kartu, joninės, kovalentinės, molekulinės ar metalinės, tipas priklauso nuo to, iš ko pagamintas kristalas.
Mažiausias struktūrinio modelio vienetas vadinamas a vienetinė ląstelė. Kristalą sudaro šios tapačios vienetinės ląstelės, kartojamos vis iš naujo visose trijose dimensijose. Ši ląstelė yra pats svarbiausias kristalo struktūros komponentas ir lemia kai kurias jo savybes. Tai taip pat nustato modelį, kurį mokslininkas mato žiūrėdamas į kristalą naudodamas rentgeno spindulių difrakciją, o tai gali padėti identifikuoti kristalo struktūrą ir sudėtį.
Atomų ar molekulių, sudarančių vienetinę ląstelę, padėtis vadinama grotelių taškais.
Kristalizacija ir fazių pokyčiai
Kai skystis atvėsta iki užšalimo taško, jis tampa kieta medžiaga, vadinama krituliais. Kai medžiaga nusėda į taisyklingą kristalinę struktūrą, ji vadinama kristalizacija.
Kristalizacija prasideda nuo proceso, vadinamo branduoliu: atomai ar molekulės susitelkia. Kai tos sankaupos yra pakankamai stabilios ir pakankamai didelės, prasideda kristalų augimas. Kartais branduolį galima lengviau pradėti naudojant sėklų kristalus (iš anksto pagamintus grumstus) arba grubų paviršių, kuris skatina klasterių susidarymą.
Nurodyta atominė ar molekulinė medžiaga gali sudaryti kelias kristalų struktūras. Struktūra, į kurią kristalizuojasi medžiaga, priklausys nuo tam tikrų kristalizacijos proceso parametrų, įskaitant temperatūrą, slėgį ir priemaišų buvimą.
Kristalinių kietųjų medžiagų tipai
Yra keturi pagrindiniai tipai kristalinių kietųjų medžiagų: joninis, kovalentinis tinklas, metalinis ir molekulinis. Jie atskiriami vienas nuo kito pagal tai, iš kokių atomų ar molekulių jie yra pagaminti, ir kaip tie atomai ar molekulės yra susieti vienas su kitu.
Joninių kristalų struktūroje besikartojantį modelį sudaro pakaitomis teigiamai įkrauti katijonai su neigiamai įkrautais anijonais. Šie jonai gali būti atomai ar molekulės. Joninių kristalai paprastai yra trapūs, jų lydymosi temperatūra yra aukšta.
Kaip kietosios medžiagos jie nevadina elektros energijos, tačiau gali praleisti elektrą kaip skysčius. Jie gali būti sudaryti iš atomų arba molekulių, jei jie yra įkrauti. Dažnas joninės kietosios medžiagos pavyzdys būtų natrio chloridas (NaCl), žinomas kaip valgomoji druska.
Kovalentiniai tinklo kristalai, kartais tiesiog vadinami tinklo kristalais, laikomi kovalentiniais ryšiais tarp jų sudedamųjų atomų. (Atkreipkite dėmesį, kad kovalentiniai tinklo kristalai yra kietosios atomo medžiagos, vadinasi, jie negali būti pagaminti iš molekulių.) Jie yra labai kietos kietos medžiagos, turi aukštas lydymosi temperatūras ir blogai praleidžia elektrą. Dažni kovalentinio tinklo kietųjų medžiagų pavyzdžiai yra deimantas ir kvarcas.
Metaliniai kristalai taip pat yra atominės kietosios medžiagos, pagamintos iš metalo atomų, kuriuos laiko metalinės jungtys. Šios metalinės jungtys suteikia metalams jų plastiškumą ir plastiškumą, nes jie leidžia metalų atomams riedėti ir slinkti vienas šalia kito, nesulaužant medžiagos. Metalinės jungtys taip pat leidžia valentiniams elektronams laisvai judėti po metalą „elektronų jūroje“, todėl jie tampa puikiais elektros laidininkais. Jų kietumas ir lydymosi temperatūra labai skiriasi.
Molekulinius kristalus sudaro surištos molekulės, skirtingai nuo metalinių ir tinklinių kristalų, kurias sudaro surišti atomai. Molekulinės jungtys yra palyginti silpnos, palyginti su atominėmis jungtimis, ir jas gali sukelti įvairios tarpmolekulinės jėgos, įskaitant dispersijos jėgas ir dipolio-dipolio jėgas.
Silpnos vandenilio jungtys kartu laiko kai kuriuos molekulinius kristalus, pavyzdžiui, ledą. Kadangi molekulinius kristalus laiko tokios silpnos jungtys, jų lydymosi taškai paprastai būna daug žemesni, jie yra blogesni šilumos ir elektros laidininkai ir yra minkštesni. Dažni molekulinių kristalų pavyzdžiai yra ledas, sausas ledas ir kofeinas.
Kietosios medžiagos, susidariusios tauriųjų dujų taip pat laikomi molekuliniais kristalais, nepaisant to, kad jie pagaminti iš vienaskaitos atomų; tauriųjų dujų atomus jungia panašios jėgos kaip silpnai molekules surišančias molekules molekuliniame kristale, o tai suteikia jiems labai panašių savybių.
Polikristalas yra kieta medžiaga, susidedanti iš kelių tipų kristalų struktūrų, kurios pačios yra sujungtos neperiodiniu modeliu. Vandens ledas yra polikristalio pavyzdys, kaip ir dauguma metalų, daugybė keramikos dirbinių ir uolienų. Didesnis vienetinio modelio vienetas vadinamas grūdeliu, o grūde gali būti daug vienetinių ląstelių.
Laidumas kristalinėse kietosiose dalyse
Elektronas kristalinėje kietojoje medžiagoje yra ribotas, kiek jis gali turėti energijos. Galimos energijos vertės, kurias jis gali turėti, sudaro pseudo ištisinę energijos „juostą“, vadinamą an energijos juosta. Elektronas gali paimti bet kokią energijos vertę juostoje, jei juosta yra neužpildyta (yra riba, kiek elektronų gali būti tam tikroje juostoje).
Nors šios juostos laikomos ištisinėmis, techniškai yra atskiros; jose tiesiog yra per daug energijos lygių, kurie yra per arti vienas kito, kad išspręstų atskirai.
Svarbiausios juostos vadinamos laidumo juosta ir valentine juosta: Valentinė juosta yra medžiagos didžiausio energijos lygio diapazonas kurioje elektronai yra absoliučioje nulio temperatūroje, o laidumo juosta yra žemiausias lygių, kuriuose yra neužpildytų, diapazonas teigia.
Puslaidininkiuose ir izoliatoriuose šias juostas skiria energijos tarpas, vadinamas juostos tarpas. Semimetaluose jie sutampa. Metaluose iš esmės nėra jokio skirtumo.
Kai elektronas yra laidumo juostoje, jis turi pakankamai energijos laisvai judėti aplink medžiagą. Štai kaip šios medžiagos praleidžia elektrą: per elektronų judėjimą jų laidumo juostose. Kadangi valentinė juosta ir laidumo juosta neturi jokio tarpo tarp metalų, metalams lengva praleisti elektrą. Medžiagos su didesniu juostų tarpu dažniausiai būna izoliatoriai; sunku gauti pakankamai elektrono energijos, kad peršoktų spragą ir patektų į laidumo juostą.
Amorfinės kietosios medžiagos
Kita kietųjų medžiagų rūšis yra amorfinė kietoji medžiaga, kuri neturi periodinio modelio. Amorfinių kietųjų dalelių atomai ir molekulės daugiausia yra neorganizuotas. Dėl to jie turi daug panašumų su skysčiais ir iš tikrųjų neturi nustatytos lydymosi temperatūros.
Vietoj to, kadangi atstumai tarp kaimyninių atomų ar molekulių struktūroje skiriasi, šilumos energija per medžiagą praeina netolygiai. Medžiaga lėtai tirpsta esant dideliam temperatūrų diapazonui.
Amorfinių kietųjų medžiagų pavyzdžiai yra guma, stiklas ir plastikas. Obsidianas ir cukraus vata taip pat yra amorfinių kietųjų medžiagų pavyzdžiai.