Кристаллическое твердое тело: определение, типы, характеристики и примеры

Кристаллическое твердое тело - это тип твердого тела, фундаментальная трехмерная структура которого состоит из очень регулярного узора атомов или молекул, образующих кристаллическую решетку. Большинство твердых тел представляют собой кристаллические твердые тела, и различное расположение атомов и молекул внутри них может изменять их свойства и внешний вид.

Твердое тело - это состояние вещества, в котором вещество сохраняет свою форму и постоянный объем. Это отличает твердое тело от жидкостей или газов; жидкости сохраняют постоянный объем, но принимают форму своего сосуда, а газы принимают форму а также объем их контейнера.

Атомы и молекулы в твердом теле могут быть расположены в виде регулярного рисунка, что делает его кристаллическим твердым телом, или располагаться без рисунка, что делает его аморфным твердым телом.

Атомы или молекулы в кристалле образуют периодический или повторяющийся узор во всех трех измерениях. Это делает внутреннюю структуру кристалла

Наименьшая единица структурного паттерна называется ячейка. Кристалл состоит из этих одинаковых элементарных ячеек, повторяющихся снова и снова во всех трех измерениях. Эта ячейка является наиболее фундаментальным компонентом структуры кристалла и определяет некоторые из его свойств. Он также определяет образец, который видит ученый, когда он смотрит на кристалл, с помощью дифракции рентгеновских лучей, что может помочь им определить структуру и состав кристалла.

Позиции атомов или молекул, составляющих элементарную ячейку, называются точками решетки.

Когда жидкость охлаждается до точки замерзания, она превращается в твердое вещество в процессе, называемом осаждением. Когда вещество осаждается в виде регулярной кристаллической структуры, это называется кристаллизацией.

Кристаллизация начинается с процесса, называемого зародышеобразованием: атомы или молекулы объединяются в кластеры. Когда эти кластеры становятся достаточно стабильными и достаточно большими, начинается рост кристаллов. Зарождение зародышей иногда может быть более легко начато с помощью затравочных кристаллов (предварительно изготовленных сгустков) или шероховатой поверхности, которая способствует образованию кластеров.

Данный атомарный или молекулярный материал может образовывать несколько кристаллических структур. Структура, в которую кристаллизуется материал, будет зависеть от определенных параметров во время процесса кристаллизации, включая температуру, давление и наличие примесей.

Есть четыре основных типа кристаллических твердых тел: ионных, ковалентных, металлических и молекулярных. Они отличаются друг от друга в зависимости от того, из каких атомов или молекул они состоят и как эти атомы или молекулы связаны друг с другом.

Повторяющийся узор в структуре ионных кристаллов состоит из чередования положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов. Эти ионы могут быть атомами или молекулами. Ионные кристаллы обычно хрупкие, с высокими температурами плавления.

Будучи твердыми телами, они не проводят электричество, но они могут проводить электричество как жидкости. Они могут состоять из атомов или молекул, если они заряжены. Типичным примером ионного твердого вещества может быть хлорид натрия (NaCl), известный как поваренная соль.

Кристаллы с ковалентной сеткой, иногда просто называемые сетчатыми кристаллами, удерживаются вместе ковалентными связями между составляющими их атомами. (Обратите внимание, что кристаллы с ковалентной сеткой представляют собой атомарные твердые тела, что означает, что они не могут состоять из молекул.) Они очень твердые твердые тела, имеют высокие температуры плавления и плохо проводят электричество. Распространенными примерами твердых тел с ковалентной сеткой являются алмаз и кварц.

Металлические кристаллы также представляют собой твердые атомы, состоящие из атомов металла, скрепленных металлическими связями. Эти металлические связи придают металлам их пластичность и пластичность, поскольку они позволяют атомам металла катиться и скользить друг мимо друга, не разрушая материал. Металлические связи также позволяют валентным электронам свободно перемещаться по металлу в «электронном море», что делает их отличными проводниками электричества. Их твердость и температура плавления сильно различаются.

Молекулярные кристаллы состоят из связанных молекул, в отличие от металлических и сетчатых кристаллов, которые состоят из связанных атомов. Молекулярные связи относительно слабы по сравнению с атомными связями и могут быть вызваны множеством межмолекулярных сил, включая силы дисперсии и диполь-дипольные силы.

Слабые водородные связи удерживают вместе некоторые молекулярные кристаллы, например лед. Поскольку молекулярные кристаллы удерживаются вместе такими слабыми связями, их температуры плавления, как правило, намного ниже, они хуже проводят тепло и электричество, и они более мягкие. Общие примеры молекулярных кристаллов включают лед, сухой лед и кофеин.

Твердые тела, образованные благородные газы также считаются молекулярными кристаллами, несмотря на то, что они состоят из единичных атомов; Атомы благородного газа связаны такими же силами, как и атомы, слабо связывающие молекулы вместе в молекулярном кристалле, что придает им очень похожие свойства.

Поликристалл - это твердое тело, состоящее из нескольких типов кристаллических структур, которые сами по себе объединены в непериодический узор. Водяной лед является примером поликристалла, как и большинство металлов, керамика и горные породы. Более крупная единица, состоящая из единственного узора, называется зерном, и зерно может содержать множество элементарных ячеек.

Электрон в кристаллическом твердом теле ограничен в том, сколько энергии он может иметь. Возможные значения энергии, которые он может иметь, составляют псевдонепрерывную «полосу» энергии, называемую диапазон энергии. Электрон может принимать любое значение энергии в пределах зоны, пока зона не заполнена (существует ограничение на количество электронов, которое может содержать данная полоса).

Эти полосы, хотя и считаются непрерывными, технически дискретны; они просто содержат слишком много уровней энергии, которые слишком близко друг к другу, чтобы разрешить их по отдельности.

Наиболее важные зоны называются зоной проводимости и валентной зоной: валентная зона - это диапазон самых высоких энергетических уровней материала. в котором электроны присутствуют при абсолютной нулевой температуре, а зона проводимости - это самый нижний диапазон уровней, содержащих незаполненные состояния.

В полупроводниках и изоляторах эти зоны разделены запрещенной зоной, называемой энергетической щелью. запрещенная зона. В полуметаллах они перекрываются. В металлах между ними практически нет различия.

Когда электрон находится в зоне проводимости, у него достаточно энергии, чтобы свободно перемещаться по материалу. Вот как эти материалы проводят электричество: за счет движения электронов в их зонах проводимости. Поскольку в металлах между валентной зоной и зоной проводимости нет промежутка, металлы легко проводят электричество. Материалы с большей шириной запрещенной зоны обычно являются изоляторами; Трудно получить электрону достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть через зазор и перейти в зону проводимости.

Другой тип твердого тела - это аморфное твердое тело, не имеющее периодической структуры. Атомы и молекулы в аморфных твердых телах в значительной степени неорганизованный. Из-за этого они имеют много общего с жидкостями и фактически не имеют заданной температуры плавления.

Вместо этого, поскольку расстояния между соседними атомами или молекулами в структуре меняются, тепловая энергия проходит через материал неравномерно. Материал медленно плавится в широком диапазоне температур.

Примеры аморфных твердых веществ включают резину, стекло и пластик. Обсидиан и сахарная вата также являются примерами аморфных твердых веществ.