Kristāliska cieta viela ir tāda veida cietviela, kuras pamata trīsdimensiju struktūra sastāv no ļoti regulāra atomu vai molekulu parauga, veidojot kristāla režģi. Cietvielu lielākā daļa ir kristāliskas cietas vielas, un atomu un molekulu atšķirīgais izvietojums tajās var mainīt to īpašības un izskatu.
Kas ir ciets?
Cieta viela ir vielas stāvoklis, kurā viela saglabā savu formu un saglabā nemainīgu tilpumu. Tas padara cieto vielu atšķirīgu no šķidrumiem vai gāzēm; šķidrumi uztur nemainīgu tilpumu, bet iegūst to trauka formu, un gāzes iegūst formu un tvertnes tilpums.
Cietā vielā esošie atomi un molekulas var būt vai nu izvietoti pēc regulāras formas, padarot to par kristālisku cietvielu, vai arī izkārtoti bez parauga, padarot to par amorfu cietvielu.
Kristāliskā struktūra
Atomi vai molekulas kristālā veido periodisku vai atkārtojošu modeli visās trīs dimensijās. Tas padara kristāla iekšējo struktūru augsti organizēta. Kristāla sastāvdaļas un molekulas tiek turētas kopā, izmantojot saites. Savienojumu veids, kas tos satur, jonu, kovalentu, molekulāru vai metālu, ir atkarīgs no tā, no kā sastāv kristāls.
Vismazāko strukturālā modeļa vienību sauc par a vienības šūna. Kristāls sastāv no šīm identiskajām vienības šūnām, kas atkārtojas atkārtoti visās trīs dimensijās. Šī šūna ir vissvarīgākā kristāla struktūras sastāvdaļa, un tā nosaka dažas tā īpašības. Tas arī nosaka modeli, kādu zinātnieks redz, skatoties uz kristālu, izmantojot rentgena difrakciju, kas var palīdzēt identificēt kristāla struktūru un sastāvu.
Atomu vai molekulu, kas veido vienības šūnu, pozīcijas sauc par režģa punktiem.
Kristalizācija un fāzes izmaiņas
Kad šķidrums atdziest līdz sasalšanas temperatūrai, tas kļūst par cietu vielu procesā, ko sauc par nokrišņiem. Kad viela nogulsnējas regulārā kristāliskā struktūrā, to sauc par kristalizāciju.
Kristalizācija sākas ar procesu, ko sauc par nukleāciju: Atomi vai molekulas apvienojas kopā. Kad šīs kopas ir pietiekami stabilas un pietiekami lielas, sākas kristālu augšana. Dažreiz kodolu var sākt vieglāk, izmantojot sēklu kristālus (iepriekš sagatavotus gabaliņus) vai raupju virsmu, kas veicina kopu veidošanos.
Konkrētais atomu vai molekulārais materiāls var veidot vairākas kristāla struktūras. Struktūra, kurā materiāls kristalizējas, būs atkarīga no noteiktiem parametriem kristalizācijas procesā, ieskaitot temperatūru, spiedienu un piemaisījumu klātbūtni.
Kristālisko cieto vielu veidi
Tur ir četri galvenie veidi no kristāliskām cietvielām: jonu, kovalentu tīkls, metālisks un molekulārs. Tie tiek atšķirti viens no otra, pamatojoties uz to, no kuriem atomiem vai molekulām tie ir izgatavoti, un kā šie atomi vai molekulas ir saistītas viena ar otru.
Atkārtojošos modeli jonu kristālu struktūrā veido pozitīvi lādētu katjonu maiņa ar negatīvi lādētiem anjoniem. Šie joni var būt atomi vai molekulas. Jonu kristāli parasti ir trausli, ar augstu kušanas temperatūru.
Kā cietas vielas tās nevada elektrību, bet var vadīt elektrību kā šķidrumu. Tos var veidot vai nu atomi, vai molekulas, ja vien tie ir uzlādēti. Parasti jonu cietas vielas piemērs būtu nātrija hlorīds (NaCl), kas pazīstams kā galda sāls.
Kovalentie tīkla kristāli, kurus dažreiz vienkārši sauc par tīkla kristāliem, tiek turēti kopā ar to sastāvā esošajiem atomiem ar kovalentām saitēm. (Ņemiet vērā, ka kovalentā tīkla kristāli ir cieta atoma, tas nozīmē, ka tos nevar izgatavot no molekulām.) Tie ir ļoti cieti cietie materiāli, ar augstu kušanas temperatūru un slikti vada elektrību. Kovalento tīkla cieto vielu izplatīti piemēri ir dimants un kvarcs.
Metāliskie kristāli ir arī cietie atomi, kas izgatavoti no metāla atomiem, kurus kopā satur metāla saites. Šīs metāliskās saites ir tās, kas metāliem nodrošina to plastiskumu un elastību, jo tās ļauj metāla atomiem ripot un slīdēt garām, nesalaužot materiālu. Metāliskās saites arī ļauj valences elektroniem brīvi pārvietoties pa visu metālu "elektronu jūrā", kas tos padara par lieliskiem elektrības vadītājiem. To cietība un kušanas temperatūra ir ļoti atšķirīga.
Molekulāros kristālus veido sasaistītas molekulas, atšķirībā no metāla un tīkla kristāliem, kurus veido sasaistīti atomi. Molekulārās saites ir salīdzinoši vājas, salīdzinot ar atomu saitēm, un tās var izraisīt dažādi starpmolekulārie spēki, ieskaitot dispersijas spēkus un dipola-dipola spēkus.
Vājās ūdeņraža saites kopā satur dažus molekulārus kristālus, piemēram, ledu. Tā kā molekulāros kristālus tur kopā tik vājas saites, to kušanas temperatūras mēdz būt daudz zemākas, tie ir sliktāki siltuma un elektrības vadītāji un mīkstāki. Biežākie molekulāro kristālu piemēri ir ledus, sausais ledus un kofeīns.
Cietās vielas, ko veido cēlās gāzes tiek uzskatīti arī par molekulāriem kristāliem, neskatoties uz to, ka tie ir izgatavoti no vienskaitļa atomiem; cēlgāzes atomus saista līdzīgi spēki kā vāji saistošās molekulas molekulārajā kristālā, kas piešķir tām ļoti līdzīgas īpašības.
Polikristāls ir cieta viela, kas sastāv no vairāku veidu kristālu struktūrām, kuras pašas ir apvienotas neperiodiskā veidā. Ūdens ledus ir polikristāla piemērs, tāpat kā lielākā daļa metālu, daudzi keramikas izstrādājumi un ieži. Lielāku vienību, kas sastāv no vienskaitļa, sauc par graudu, un graudā var būt daudzas vienības šūnas.
Elektrovadītspēja kristāliskās cietās daļās
Elektrons kristāliskā cietā vielā ir ierobežots. Iespējamās enerģijas vērtības, kas tam var būt, veido pseido-nepārtrauktu enerģijas "joslu", ko sauc par enerģijas josla. Elektrons var uzņemt jebkuru enerģijas vērtību joslā, ja vien josla nav piepildīta (ir noteikts ierobežojums tam, cik daudz elektronus konkrētā josla var saturēt).
Lai arī šīs joslas tiek uzskatītas par nepārtrauktām, tās ir tehniski diskrētas; tie vienkārši satur pārāk daudz enerģijas līmeņu, kas ir pārāk tuvu viens otram, lai tos atrisinātu atsevišķi.
Vissvarīgākās joslas sauc par vadīšanas joslu un valences joslu: Valences josla ir materiāla augstāko enerģijas līmeņu diapazons kurā elektroni atrodas absolūtā nulles temperatūrā, bet vadīšanas josla ir zemākais līmeņu diapazons, kas satur neuzpildītu norāda.
Pusvadītājos un izolatoros šīs joslas atdala enerģijas sprauga, ko sauc par joslu atšķirība. Semimetālos tie pārklājas. Metālos būtībā nav atšķirības starp tiem.
Kad elektrons atrodas vadīšanas joslā, tam ir pietiekami daudz enerģijas, lai brīvi pārvietotos pa materiālu. Šādi materiāli vada elektrību: caur elektronu kustību to vadīšanas joslās. Tā kā valences joslai un vadīšanas joslai starp tām nav plaisu metālos, metāliem ir viegli vadīt elektrību. Materiāli ar lielāku joslu atstarpi mēdz būt izolatori; ir grūti iegūt pietiekami daudz elektrona enerģijas, lai pārietu uz atstarpi un nonāktu vadīšanas joslā.
Amorfas cietās vielas
Cits cietvielu veids ir amorfs cietais materiāls, kuram nav periodiska modeļa. Amorfās cietās daļās atomi un molekulas lielākoties ir neorganizēts. Tāpēc viņiem ir daudz līdzību ar šķidrumiem, un faktiski tiem nav noteikta kušanas temperatūra.
Tā vietā, tā kā attālumi starp blakus esošajiem atomiem vai molekulām struktūrā ir atšķirīgi, siltuma enerģija caur materiālu šķērso nevienmērīgi. Materiāls lielā temperatūras diapazonā kūst lēnām.
Amorfu cietvielu piemēri ir gumija, stikls un plastmasa. Obsidians un kokvilnas konfektes ir arī amorfu cietvielu piemēri.
