Un solid cristalin este un tip de solid a cărui structură tridimensională fundamentală constă dintr-un model foarte regulat de atomi sau molecule, formând o rețea cristalină. Majoritatea solidelor sunt solide cristaline, iar diferitele aranjamente ale atomilor și moleculelor din ele le pot schimba proprietățile și aspectul.
Ce este un solid?
Un solid este o stare a materiei în care substanța își păstrează forma și menține un volum consistent. Aceasta face un solid distinct de lichide sau gaze; lichidele mențin un volum consistent, dar iau forma recipientului lor, iar gazele iau forma și volumul containerului lor.
Atomii și moleculele dintr-un solid pot fi aranjate într-un model regulat, făcându-l un solid cristalin, sau pot fi aranjate fără un model, făcându-l un solid amorf.
Structură cristalină
Atomii sau moleculele dintr-un cristal formează un model periodic sau care se repetă în toate cele trei dimensiuni. Acest lucru face ca structura internă a unui cristal foarte organizat. Atomii sau moleculele constitutive ale cristalului sunt ținute împreună prin legături. Tipul de legătură care le ține împreună, ionice, covalente, moleculare sau metalice, depinde de ce este format cristalul.
Cea mai mică unitate a modelului structural se numește a celulă unitară. Un cristal este alcătuit din aceste celule unitare identice repetate mereu în toate cele trei dimensiuni. Această celulă este cea mai fundamentală componentă a structurii cristalului și determină unele dintre proprietățile sale. De asemenea, determină modelul pe care un om de știință îl vede atunci când se uită la cristal folosind difracția de raze X, ceea ce îi poate ajuta să identifice structura și compoziția cristalului.
Pozițiile atomilor sau moleculelor care alcătuiesc celula unitară se numesc puncte de rețea.
Cristalizare și modificări de fază
Când un lichid se răcește până la punctul său de îngheț, devine un solid într-un proces numit precipitație. Când o substanță precipită într-o structură cristalină regulată, se numește cristalizare.
Cristalizarea începe cu un proces numit nucleație: atomii sau moleculele se unesc. Când acele clustere sunt suficient de stabile și suficient de mari, începe creșterea cristalelor. Nucleerea poate fi uneori mai ușor pornită prin utilizarea cristalelor de semințe (aglomerări prefabricate) sau a unei suprafețe aspre, care încurajează formarea de clustere.
Un anumit material atomic sau molecular poate fi capabil să formeze mai multe structuri cristaline. Structura în care cristalizează materialul va depinde de anumiți parametri în timpul procesului de cristalizare, inclusiv temperatura, presiunea și prezența impurităților.
Tipuri de solide cristaline
Sunt patru tipuri principale a solidelor cristaline: rețea ionică, covalentă, metalică și moleculară. Acestea se deosebesc una de cealaltă în funcție de ce atomi sau molecule sunt formate și de modul în care acești atomi sau molecule sunt legate între ele.
Modelul care se repetă în structura cristalelor ionice este alcătuit din alternarea cationilor încărcați pozitiv cu anioni încărcați negativ. Acești ioni pot fi atomi sau molecule. Cristalele ionice sunt de obicei fragile, cu puncte de topire ridicate.
Ca solide, ele nu conduc electricitatea, dar pot conduce electricitatea ca lichide. Ele pot fi formate fie din atomi, fie din molecule, atâta timp cât sunt încărcate. Un exemplu obișnuit de solid ionic ar fi clorura de sodiu (NaCI), cunoscută sub numele de sare de masă.
Cristalele de rețea covalente, uneori numite pur și simplu cristale de rețea, sunt ținute împreună prin legături covalente între atomii lor constituenți. (Rețineți că cristalele de rețea covalente sunt solide atomice, ceea ce înseamnă că nu pot fi obținute din molecule.) Sunt solide foarte dure, au puncte de topire ridicate și nu conduc bine electricitatea. Exemple obișnuite de solide covalente în rețea sunt diamantul și cuarțul.
Cristalele metalice sunt, de asemenea, solide atomice, realizate din atomi metalici, ținuți împreună prin legături metalice. Aceste legături metalice sunt cele care conferă metalelor maleabilitatea și ductilitatea lor, deoarece permit atomilor de metal să se rostogolească și să alunece unul lângă celălalt fără a rupe materialul. Legăturile metalice permit, de asemenea, electronii de valență să se deplaseze liber în întregul metal într-o „mare de electroni”, ceea ce îi face mari conductori de electricitate. Duritatea și punctele de topire ale acestora variază foarte mult.
Cristalele moleculare sunt formate din molecule legate, spre deosebire de cristalele metalice și de rețea, care sunt formate din atomi legați. Legăturile moleculare sunt relativ slabe în comparație cu legăturile atomice și pot fi cauzate de o varietate de forțe intermoleculare, inclusiv forțe de dispersie și forțe dipol-dipol.
Legăturile slabe de hidrogen rețin unele cristale moleculare, cum ar fi gheața, împreună. Deoarece cristalele moleculare sunt ținute împreună de astfel de legături slabe, punctele lor de topire tind să fie mult mai mici, sunt conductori mai răi ai căldurii și electricității și sunt mai moi. Exemple obișnuite de cristale moleculare includ gheața, gheața uscată și cofeina.
Solidele formate de gaze nobile sunt, de asemenea, considerate cristale moleculare, în ciuda faptului că sunt formate din atomi singulari; atomii de gaz nobil sunt legați de forțe similare cu cele care leagă slab moleculele împreună într-un cristal molecular, ceea ce le conferă proprietăți foarte similare.
Un policristal este un solid care este compus din mai multe tipuri de structuri cristaline, care sunt ele însele combinate într-un model neperiodic. Gheața de apă este un exemplu de policristal, la fel ca majoritatea metalelor, multe ceramice și roci. Unitatea mai mare constând dintr-un model singular se numește bob, iar un bob poate conține multe celule unitare.
Conductivitate în solide cristaline
Un electron dintr-un solid cristalin are o cantitate limitată de energie. Valorile posibile de energie pe care le poate avea alcătuiesc o „bandă” de energie pseudo-continuă, numită banda energetică. Un electron poate lua orice valoare a energiei în interiorul benzii, atâta timp cât banda este neumplută (există o limită a numărului de electroni care poate conține o anumită bandă).
Aceste benzi, deși sunt considerate continue, sunt discret din punct de vedere tehnic; ele conțin doar prea multe niveluri de energie care sunt prea apropiate pentru a se rezolva separat.
Cele mai importante benzi se numesc banda de conducție și banda de valență: banda de valență este gama celor mai ridicate niveluri de energie ale materialului în care electronii sunt prezenți la temperatura absolută zero, în timp ce banda de conducție este cel mai mic interval de niveluri care conțin neumplute stări.
În semiconductori și izolatori aceste benzi sunt separate printr-un decalaj de energie, numit band gap. În semimetale, acestea se suprapun. În metal, în esență nu există nicio distincție între ele.
Când un electron se află în banda de conducție, are suficientă energie pentru a se deplasa liber în jurul materialului. Acesta este modul în care aceste materiale conduc electricitatea: prin mișcarea electronilor din benzile lor de conducere. Deoarece banda de valență și banda de conducție nu au niciun decalaj între ele în metale, este ușor pentru metale să conducă electricitatea. Materialele cu un spațiu de bandă mai mare tind să fie izolatoare; este dificil să obții un electron cu energie suficientă pentru a sări distanța și pentru a intra în banda de conducție.
Solidele amorfe
Un alt tip de solid este un solid amorf, care nu are un model periodic. Atomii și moleculele din solidele amorfe sunt în mare parte dezorganizat. Din această cauză, aceștia au multe asemănări cu lichidele și, de fapt, nu au un punct de topire stabilit.
În schimb, deoarece distanțele dintre atomii vecini sau moleculele din structură variază, energia termică trece prin material inegal. Materialul se topește încet pe o gamă largă de temperaturi.
Exemple de solide amorfe includ cauciuc, sticlă și plastic. Obsidiana și vata de zahăr sunt, de asemenea, exemple de solide amorfe.