Krystaliczne ciało stałe to rodzaj ciała stałego, którego fundamentalna trójwymiarowa struktura składa się z bardzo regularnego wzoru atomów lub cząsteczek, tworzących sieć krystaliczną. Większość ciał stałych to ciała krystaliczne, a różne układy atomów i cząsteczek w nich mogą zmieniać ich właściwości i wygląd.
Co to jest bryła?
Ciało stałe to stan skupienia, w którym substancja zachowuje swój kształt i stałą objętość. To odróżnia ciało stałe od cieczy lub gazów; ciecze zachowują stałą objętość, ale przybierają kształt pojemnika, a gazy kształtują się i objętość ich pojemnika.
Atomy i cząsteczki w ciele stałym mogą być ułożone w regularny wzór, dzięki czemu jest krystalicznym ciałem stałym, lub być ułożone bez wzoru, dzięki czemu jest amorficznym ciałem stałym.
Struktura krystaliczna
Atomy lub cząsteczki w krysztale tworzą okresowy lub powtarzający się wzór we wszystkich trzech wymiarach. To sprawia, że wewnętrzna struktura kryształu wysoce zorganizowany. Atomy lub cząsteczki składowe kryształu są utrzymywane razem przez wiązania. Rodzaj wiążącego je wiązania, jonowego, kowalencyjnego, molekularnego lub metalicznego, zależy od tego, z czego zbudowany jest kryształ.
Najmniejsza jednostka wzoru strukturalnego nazywa się a komórka elementarna. Kryształ składa się z tych identycznych komórek jednostkowych powtarzających się w kółko we wszystkich trzech wymiarach. Komórka ta jest najbardziej podstawowym elementem struktury kryształu i decyduje o niektórych jego właściwościach. Określa również wzór, który widzi naukowiec, gdy patrzy na kryształ za pomocą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego, co może pomóc im zidentyfikować strukturę i skład kryształu.
Pozycje atomów lub cząsteczek tworzących komórkę elementarną nazywane są punktami sieciowymi.
Krystalizacja i zmiany fazowe
Gdy ciecz ochładza się do punktu zamarzania, staje się ciałem stałym w procesie zwanym wytrącaniem. Kiedy substancja wytrąca się w regularną strukturę krystaliczną, nazywa się to krystalizacją.
Krystalizacja zaczyna się od procesu zwanego zarodkowaniem: atomy lub cząsteczki skupiają się razem. Kiedy te klastry są wystarczająco stabilne i wystarczająco duże, zaczyna się wzrost kryształów. Nukleację można czasem łatwiej rozpocząć, stosując kryształy zarodkowe (wstępnie przygotowane grudki) lub szorstką powierzchnię, co sprzyja tworzeniu się skupisk.
Dany materiał atomowy lub cząsteczkowy może być zdolny do tworzenia wielu struktur krystalicznych. Struktura, w którą krystalizuje materiał, będzie zależeć od pewnych parametrów podczas procesu krystalizacji, w tym temperatury, ciśnienia i obecności zanieczyszczeń.
Rodzaje krystalicznych ciał stałych
Tam są cztery główne typy krystalicznych ciał stałych: jonowych, sieci kowalencyjnych, metalicznych i molekularnych. Różnią się one od siebie na podstawie tego, z jakich atomów lub cząsteczek są zbudowane i jak te atomy lub cząsteczki są ze sobą połączone.
Powtarzający się wzór w strukturze kryształów jonowych składa się z naprzemiennych dodatnio naładowanych kationów z ujemnie naładowanymi anionami. Te jony mogą być atomami lub cząsteczkami. Kryształy jonowe są zwykle kruche, o wysokich temperaturach topnienia.
Jako ciała stałe nie przewodzą prądu, ale mogą przewodzić prąd jako ciecze. Mogą składać się z atomów lub cząsteczek, o ile są naładowane. Typowym przykładem jonowego ciała stałego byłby chlorek sodu (NaCl), znany jako sól kuchenna.
Kryształy sieci kowalencyjnej, czasami nazywane po prostu kryształami sieciowymi, są utrzymywane razem przez wiązania kowalencyjne między ich atomami składowymi. (Zauważ, że kryształy sieci kowalencyjnej są ciałami stałymi atomowymi, co oznacza, że nie mogą być zbudowane z cząsteczek.) Są to bardzo twarde ciała stałe, mają wysoką temperaturę topnienia i nie przewodzą dobrze elektryczności. Typowymi przykładami ciał stałych sieci kowalencyjnej są diament i kwarc.
Kryształy metaliczne są również ciałami stałymi atomowymi, złożonymi z atomów metalu połączonych metalowymi wiązaniami. Te wiązania metaliczne nadają metalom ich ciągliwość i ciągliwość, ponieważ umożliwiają one toczenie się atomów metalu i przesuwanie się obok siebie bez łamania materiału. Wiązania metaliczne pozwalają również elektronom walencyjnym na swobodne poruszanie się po metalu w „morze elektronowym”, co czyni je doskonałymi przewodnikami elektryczności. Ich twardość i temperatury topnienia są bardzo zróżnicowane.
Kryształy molekularne składają się ze związanych cząsteczek, w przeciwieństwie do kryształów metalicznych i sieciowych, które składają się ze związanych atomów. Wiązania molekularne są stosunkowo słabe w porównaniu do wiązań atomowych i mogą być spowodowane różnymi siłami międzycząsteczkowymi, w tym siłami dyspersyjnymi i siłami dipol-dipol.
Słabe wiązania wodorowe utrzymują razem niektóre kryształy molekularne, takie jak lód. Ponieważ kryształy molekularne są utrzymywane razem przez takie słabe wiązania, ich temperatury topnienia są zwykle znacznie niższe, są gorszymi przewodnikami ciepła i elektryczności i są bardziej miękkie. Typowe przykłady kryształów molekularnych to lód, suchy lód i kofeina.
Ciała stałe utworzone przez Gazy szlachetne są również uważane za kryształy molekularne, mimo że składają się z pojedynczych atomów; atomy gazu szlachetnego są związane siłami podobnymi do tych, które słabo wiążą molekuły w krysztale molekularnym, co nadaje im bardzo podobne właściwości.
Polikryształ jest ciałem stałym, które składa się z wielu rodzajów struktur krystalicznych, które same są połączone w nieokresowy wzór. Przykładem polikryształu jest lód wodny, podobnie jak większość metali, wiele ceramiki i skał. Większa jednostka składająca się z pojedynczego wzoru nazywana jest ziarnem, a ziarno może zawierać wiele komórek jednostkowych.
Przewodność w krystalicznych ciałach stałych
Elektron w krystalicznym ciele stałym ma ograniczoną energię, jaką może mieć. Możliwe wartości energii, które może mieć, tworzą pseudociągły „pas” energii, zwany an zespół energetyczny. Elektron może przyjąć dowolną wartość energii w obrębie pasma, o ile pasmo nie jest wypełnione (istnieje limit liczby elektronów, które może zawierać dane pasmo).
Te pasma, chociaż uważane za ciągłe, są technicznie dyskretne; zawierają po prostu zbyt wiele poziomów energii, które są zbyt blisko siebie, aby można je było rozwiązać osobno.
Najważniejsze pasma to pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne: pasmo walencyjne to zakres najwyższych poziomów energetycznych materiału w którym elektrony są obecne w temperaturze zera absolutnego, natomiast pasmo przewodnictwa to najniższy zakres poziomów, które zawierają niewypełnione państw.
W półprzewodnikach i izolatorach pasma te są oddzielone przerwą energetyczną, zwaną pasmo wzbronione. W półmetalach nakładają się na siebie. W metalach zasadniczo nie ma między nimi rozróżnienia.
Gdy elektron znajduje się w paśmie przewodnictwa, ma wystarczającą energię, aby swobodnie poruszać się po materiale. W ten sposób materiały te przewodzą elektryczność: poprzez ruch elektronów w ich pasmach przewodnictwa. Ponieważ pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa nie mają między sobą przerwy w metalach, metale łatwo przewodzą prąd. Materiały o większej przerwie energetycznej są zwykle izolatorami; trudno jest uzyskać wystarczającą energię elektronu, aby przeskoczyć szczelinę i wejść w pasmo przewodnictwa.
Amorficzne ciała stałe
Innym rodzajem ciała stałego jest ciało stałe amorficzne, które nie ma wzoru okresowego. Atomy i cząsteczki w amorficznych ciałach stałych to w dużej mierze zdezorganizowany. Z tego powodu mają wiele podobieństw do płynów i w rzeczywistości nie mają ustalonej temperatury topnienia.
Zamiast tego, ponieważ odległości między sąsiednimi atomami lub cząsteczkami w strukturze zmieniają się, energia cieplna przechodzi przez materiał nierównomiernie. Materiał topi się powoli w szerokim zakresie temperatur.
Przykłady amorficznych ciał stałych obejmują gumę, szkło i plastik. Obsydian i wata cukrowa są również przykładami amorficznych ciał stałych.