Kryštalická pevná látka je typ pevnej látky, ktorej základná trojrozmerná štruktúra pozostáva z veľmi pravidelného vzoru atómov alebo molekúl, ktoré vytvárajú kryštalickú mriežku. Väčšina tuhých látok sú kryštalické tuhé látky a rozdielne usporiadanie atómov a molekúl v nich môže meniť ich vlastnosti a vzhľad.
Čo je to tuhá látka?
Tuhá látka je skupenstvo látky, v ktorom si látka udržuje svoj tvar a udržuje stály objem. Toto robí pevnú látku odlišnú od kvapalín alebo plynov; kvapaliny udržujú stály objem, ale majú tvar svojej nádoby a plyny majú tvar a objem ich nádoby.
Atómy a molekuly v tuhej látke môžu byť usporiadané do pravidelného obrazca, čo z neho robí kryštalickú pevnú látku, alebo môžu byť usporiadané bez obrazca, čo z neho robí amorfnú tuhú látku.
Kryštalická štruktúra
Atómy alebo molekuly v kryštáli tvoria periodický alebo opakujúci sa vzor vo všetkých troch rozmeroch. Toto vytvára vnútornú štruktúru kryštálu vysoko organizovaný. Atómy alebo molekuly tvoriace kryštál sú držané spolu väzbami. Typ väzby, ktorá ich drží pohromade, iónová, kovalentná, molekulárna alebo kovová, závisí od toho, z čoho je kryštál vyrobený.
Najmenšia jednotka štruktúrneho vzoru sa nazýva a jednotková bunka. Z týchto identických jednotkových buniek sa skladá kryštál, ktorý sa opakuje znova a znova vo všetkých troch rozmeroch. Táto bunka je najzákladnejšou zložkou štruktúry kryštálu a určuje niektoré z jeho vlastností. Určuje tiež vzor, ktorý vedec vidí, keď sa pozerajú na kryštál, pomocou röntgenovej difrakcie, ktorá im môže pomôcť identifikovať štruktúru a zloženie kryštálu.
Pozície atómov alebo molekúl, ktoré tvoria jednotkovú bunku, sa nazývajú mriežkové body.
Kryštalizácia a fázové zmeny
Keď sa kvapalina ochladí na bod mrazu, stáva sa z nej pevná látka v procese nazývanom zrážanie. Keď sa látka vyzráža do pravidelnej kryštalickej štruktúry, nazýva sa to kryštalizácia.
Kryštalizácia sa začína procesom nazývaným nukleácia: atómy alebo molekuly sa zhlukujú. Keď sú tieto zhluky dostatočne stabilné a dostatočne veľké, začne sa rast kryštálov. Nukleáciu je možné niekedy ľahšie naštartovať použitím očkovacích kryštálov (vopred vytvorených zhlukov) alebo drsného povrchu, ktorý podporuje tvorbu zhlukov.
Daný atómový alebo molekulárny materiál môže byť schopný vytvárať viac kryštálových štruktúr. Štruktúra, do ktorej materiál kryštalizuje, bude závisieť od určitých parametrov počas procesu kryštalizácie, vrátane teploty, tlaku a prítomnosti nečistôt.
Typy kryštalických tuhých látok
Existujú štyri hlavné typy kryštalických pevných látok: iónová, kovalentná sieť, kovová a molekulárna. Odlišujú sa od seba na základe toho, z akých atómov alebo molekúl sú vyrobené, a na tom, ako sú tieto atómy alebo molekuly navzájom spojené.
Opakujúci sa vzorec v štruktúre iónových kryštálov je tvorený striedaním kladne nabitých katiónov so záporne nabitými aniónmi. Týmito iónmi môžu byť atómy alebo molekuly. Iónové kryštály sú zvyčajne krehké s vysokou teplotou topenia.
Ako pevné látky nevedú elektrinu, ale môžu viesť elektrinu ako kvapaliny. Môžu byť tvorené buď atómami alebo molekulami, pokiaľ sú nabité. Bežným príkladom iónovej pevnej látky by bol chlorid sodný (NaCl), známy ako kuchynská soľ.
Kovalentné sieťové kryštály, niekedy jednoducho nazývané sieťové kryštály, sú držané spolu kovalentnými väzbami medzi ich atómami, z ktorých sa skladá. (Upozorňujeme, že kryštály kovalentnej siete sú atómové pevné látky, čo znamená, že ich nemožno vytvoriť z molekúl.) Sú to veľmi tvrdé pevné látky, majú vysoké teploty topenia a nevedú dobre elektrinu. Bežným príkladom kovalentných pevných látok v sieti sú diamant a kremeň.
Kovové kryštály sú tiež atómové tuhé látky vyrobené z atómov kovu držaných pohromade kovovými väzbami. Tieto kovové väzby sú to, čo dáva kovom ich tvárnosť a tvárnosť, pretože umožňujú atómom kovov valiť sa a kĺzať okolo seba bez toho, aby došlo k rozbitiu materiálu. Kovové väzby tiež umožňujú valenčným elektrónom voľne sa pohybovať po celom kovu v „elektrónovom mori“, čo z nich robí skvelé vodiče elektriny. Ich tvrdosť a teploty topenia sa veľmi líšia.
Molekulárne kryštály sú tvorené viazanými molekulami, na rozdiel od kovových a sieťových kryštálov, ktoré sú tvorené viazanými atómami. Molekulárne väzby sú v porovnaní s atómovými väzbami relatívne slabé a môžu byť spôsobené rôznymi intermolekulárnymi silami vrátane disperzných síl a síl dipól-dipól.
Slabé vodíkové väzby držia spolu niektoré molekulárne kryštály, napríklad ľad. Pretože molekulárne kryštály držia pokope tak slabými väzbami, ich teploty topenia bývajú oveľa nižšie, sú horšími vodičmi tepla a elektriny a sú mäkšie. Medzi bežné príklady molekulárnych kryštálov patrí ľad, suchý ľad a kofeín.
Pevné látky tvorené vzácne plyny sú tiež považované za molekulárne kryštály napriek tomu, že sú tvorené singulárnymi atómami; atómy vzácneho plynu sú spojené podobnými silami ako tie, ktoré slabo viažu molekuly dohromady v molekulárnom kryštáli, čo im dáva veľmi podobné vlastnosti.
Polykryštál je tuhá látka, ktorá sa skladá z viacerých typov kryštálových štruktúr, ktoré sú samy kombinované v neperiodickom obrazci. Vodný ľad je príkladom polykryštálu, rovnako ako väčšina kovov, veľa keramiky a hornín. Väčšia jednotka pozostávajúca z singulárneho vzoru sa nazýva zrno a zrno môže obsahovať veľa jednotkových buniek.
Vodivosť v kryštalických tuhých látkach
Elektrón v kryštalickej tuhej látke je obmedzený tým, koľko energie môže mať. Možné hodnoty energie, ktoré môže mať, tvoria pseudo-kontinuálne „pásmo“ energie, ktoré sa nazýva an energetické pásmo. Elektrón môže prijať akúkoľvek hodnotu energie v rámci pásma, pokiaľ nie je pásmo naplnené (existuje limit, koľko elektrónov môže dané pásmo obsahovať).
Tieto pásma, aj keď sa považujú za spojité, sú technicky diskrétne; obsahujú iba príliš veľa energetických úrovní, ktoré sú príliš blízko pri sebe, aby ich bolo možné vyriešiť samostatne.
Najdôležitejšie pásma sa nazývajú vodivé pásmo a valenčné pásmo: Valenčné pásmo predstavuje rozsah najvyšších energetických úrovní materiálu. v ktorej sú elektróny prítomné pri absolútnej nulovej teplote, zatiaľ čo vodivé pásmo je najnižší rozsah úrovní, ktoré obsahujú nenaplnené uvádza.
V polovodičoch a izolátoroch sú tieto pásma oddelené energetickou medzerou nazývanou medzera v pásme. V semimetroch sa prekrývajú. V kovoch sa medzi nimi v zásade nerozlišuje.
Keď je elektrón vo vodivom pásme, má dostatok energie na voľný pohyb po materiáli. Takto tieto materiály vedú elektrinu: pohybom elektrónov v ich vodivých pásmach. Pretože valenčné pásmo a vodivé pásmo medzi sebou nemajú v kovoch medzeru, je pre kovy ľahké viesť elektrinu. Materiály s väčšou medzerou v páse bývajú izolátory; je ťažké získať dostatok elektrónu na preskočenie medzery a prechod do vodivého pásma.
Amorfné tuhé látky
Ďalším typom tuhej látky je amorfná tuhá látka, ktorá nemá periodický vzor. Atómy a molekuly v amorfných pevných látkach sú vo veľkej miere neusporiadaný. Z tohto dôvodu zdieľajú veľa podobností s tekutinami a v skutočnosti nemajú stanovenú teplotu topenia.
Namiesto toho, pretože vzdialenosti medzi susednými atómami alebo molekulami v štruktúre sa líšia, tepelná energia prechádza materiálom nerovnomerne. Materiál sa pri veľkom rozsahu teplôt topí pomaly.
Príklady amorfných pevných látok zahŕňajú gumu, sklo a plast. Obsidián a cukrová vata sú tiež príkladmi amorfných pevných látok.