Et krystallinsk fast stoff er en type fast stoff hvis grunnleggende tredimensjonale struktur består av et meget regelmessig mønster av atomer eller molekyler som danner et krystallgitter. De fleste faste stoffer er krystallinske faste stoffer, og de forskjellige arrangementene av atomer og molekyler i dem kan endre deres egenskaper og utseende.
Hva er en solid?
Et fast stoff er en materietilstand der stoffet holder formen og holder et jevnt volum. Dette skiller et fast stoff fra væsker eller gasser; væsker holder et jevnt volum, men har form av beholderen, og gasser har form og volum av beholderen.
Atomer og molekyler i et fast stoff kan enten ordnes i et vanlig mønster, noe som gjør det til et krystallinsk fast stoff, eller arrangeres uten et mønster, noe som gjør det til et amorft fast stoff.
Krystallinsk struktur
Atomer eller molekyler i en krystall danner et periodisk eller gjentatt mønster i alle tre dimensjoner. Dette gjør den indre strukturen til en krystall høyt organisert. Krystallets atomer eller molekyler holdes sammen gjennom bindinger. Hvilken binding som holder dem sammen, ionisk, kovalent, molekylær eller metallisk, avhenger av hva krystallet er laget av.
Den minste enheten i strukturmønsteret kalles a Enhetscelle. En krystall består av disse identiske enhetscellene gjentatt om og om igjen i alle tre dimensjoner. Denne cellen er den mest grunnleggende komponenten i krystallets struktur, og bestemmer noen av dens egenskaper. Det bestemmer også mønsteret en forsker ser når de ser på krystallet ved hjelp av røntgendiffraksjon, som kan hjelpe dem med å identifisere krystallets struktur og sammensetning.
Posisjonene til atomene eller molekylene som utgjør enhetscellen kalles gitterpunkter.
Krystallisering og faseendringer
Når en væske avkjøles til frysepunktet, blir den et fast stoff i en prosess som kalles nedbør. Når et stoff faller ut i en vanlig krystallinsk struktur, kalles det krystallisering.
Krystallisering begynner med en prosess som kalles kimdannelse: Atomer eller molekyler klynges sammen. Når disse klyngene er stabile nok og store nok, begynner krystallveksten. Nukleering kan noen ganger lettere startes ved å bruke frøkrystaller (ferdige klumper) eller en grov overflate, noe som oppmuntrer til dannelse av klynger.
Et gitt atom- eller molekylært materiale kan være i stand til å danne flere krystallstrukturer. Strukturen som materialet krystalliserer til vil avhenge av visse parametere under krystalliseringsprosessen, inkludert temperatur, trykk og tilstedeværelse av urenheter.
Typer av krystallinske faste stoffer
Det er fire hovedtyper av krystallinske faste stoffer: ionisk, kovalent nettverk, metallisk og molekylært. De skiller seg fra hverandre basert på hvilke atomer eller molekyler de er laget av, og hvordan disse atomene eller molekylene er bundet til hverandre.
Det gjentatte mønsteret i strukturen til ioniske krystaller består av vekslende positivt ladede kationer med negativt ladede anioner. Disse ionene kan være atomer eller molekyler. Ioniske krystaller er vanligvis sprø, med høye smeltepunkter.
Som faste stoffer leder de ikke strøm, men de kan lede elektrisitet som væsker. De kan bestå av enten atomer eller molekyler, så lenge de er ladet. Et vanlig eksempel på et ionisk fast stoff vil være natriumklorid (NaCl), kjent som bordsalt.
Kovalente nettverkskrystaller, noen ganger bare kalt nettverkskrystaller, holdes sammen av kovalente bindinger mellom deres atomer. (Merk at kovalente nettverkskrystaller er atomfaste stoffer, noe som betyr at de ikke kan fremstilles av molekyler.) De er veldig harde faste stoffer, har høye smeltepunkter og leder ikke strøm godt. Vanlige eksempler på kovalente nettverksfaststoffer er diamant og kvarts.
Metallkrystaller er også atomfaste stoffer, laget av metallatomer holdt sammen av metallbindinger. Disse metallbindinger er det som gir metaller deres smidighet og duktilitet, ettersom de lar metallatomene rulle og gli forbi hverandre uten å bryte materialet. De metallbindingene tillater også valenselektroner å bevege seg fritt gjennom metallet i et "elektronhav", noe som gjør dem til store ledere av elektrisitet. Deres hardhet og smeltepunkter varierer mye.
Molekylære krystaller består av bundet molekyler, i motsetning til metalliske og nettverkskrystaller, som består av bundet atomer. Molekylære bindinger er relativt svake sammenlignet med atombindinger og kan være forårsaket av en rekke intermolekylære krefter inkludert dispersjonskrefter og dipol-dipolkrefter.
Svake hydrogenbindinger holder noen molekylære krystaller, for eksempel is, sammen. Fordi molekylære krystaller holdes sammen av slike svake bindinger, har deres smeltepunkter en tendens til å være mye lavere, de er dårligere ledere av varme og elektrisitet, og de er mykere. Vanlige eksempler på molekylære krystaller inkluderer is, tørris og koffein.
De faste stoffene dannet av edelgasser blir også betraktet som molekylære krystaller til tross for at de er laget av enslige atomer; edelgassatomer er bundet av lignende krefter som de som svakt forbinder molekyler i en molekylær krystall, noe som gir dem veldig like egenskaper.
En polykrystall er et fast stoff som består av flere typer krystallstrukturer, som selv er kombinert i et ikke-periodisk mønster. Vannis er et eksempel på en polykrystall, det samme er de fleste metaller, mange keramikker og bergarter. Den større enheten som består av et enkelt mønster kalles korn, og et korn kan inneholde mange enhetsceller.
Ledningsevne i krystallinske faste stoffer
Et elektron i et krystallinsk fast stoff er begrenset i hvor mye energi det kan ha. De mulige verdiene av energi den kan ha utgjør et pseudokontinuerlig "bånd" av energi, kalt en energibånd. Et elektron kan ta en hvilken som helst verdi av energi i båndet, så lenge båndet er ufylt (det er en grense for hvor mange elektroner et gitt bånd kan inneholde).
Disse bandene, selv om de betraktes som kontinuerlige, er teknisk diskrete; de inneholder bare for mange energinivåer som er for tett sammen til å løse hver for seg.
De viktigste båndene kalles ledningsbånd og valensbånd: Valensbåndet er materialets høyeste energinivå hvor elektroner er til stede ved absolutt null temperatur, mens ledningsbåndet er det laveste nivået av nivåer som inneholder ufylt fastslår.
I halvledere og isolatorer er disse båndene skilt av et energigap, kalt båndgapet. I halvmetaller overlapper de. I metaller er det i hovedsak ikke noe skille mellom dem.
Når et elektron er i ledningsbåndet, har det nok energi til å bevege seg rundt materialet fritt. Slik leder disse materialene elektrisitet: gjennom bevegelse av elektroner i deres ledningsbånd. Siden valensbånd og ledningsbånd ikke har noen avstand mellom dem i metaller, er det lett for metaller å lede strøm. Materialer med større båndavstand pleier å være isolatorer; det er vanskelig å få et elektron nok energi til å hoppe over gapet og gå inn i ledningsbåndet.
Amorfe faste stoffer
En annen type fast stoff er et amorft fast stoff, som ikke har et periodisk mønster. Atomer og molekyler i amorfe faste stoffer er stort sett uorganisert. På grunn av dette deler de mange likheter med væsker, og har faktisk ingen angitt smeltepunkt.
I stedet, fordi avstandene mellom nærliggende atomer eller molekyler i strukturen varierer, går termisk energi ujevnt gjennom materialet. Materialet smelter sakte over et stort temperaturområde.
Eksempler på amorfe faste stoffer inkluderer gummi, glass og plast. Obsidian og sukkerspinn er også eksempler på amorfe faste stoffer.