Kristalna trdna snov: opredelitev, vrste, značilnosti in primeri

Kristalna trdna snov je vrsta trdne snovi, katere osnovna tridimenzionalna struktura je sestavljena iz zelo pravilnega vzorca atomov ali molekul, ki tvorijo kristalno mrežo. Večina trdnih snovi je kristalnih trdnih snovi in ​​različna razporeditev atomov in molekul v njih lahko spremeni njihove lastnosti in videz.

Trdna snov je stanje snovi, v katerem snov ohranja svojo obliko in ohranja konstanten volumen. To se močno razlikuje od tekočin ali plinov; tekočine ohranjajo enakomeren volumen, vendar dobijo obliko posode, plini pa obliko in prostornine njihove posode.

Atomi in molekule v trdni snovi so lahko razporejeni po pravilnem vzorcu, tako da postane kristalna trdna snov, ali pa razporejeni brez vzorca, zaradi česar je amorfna trdna snov.

Atomi ali molekule v kristalu tvorijo periodični ali ponavljajoči se vzorec v vseh treh dimenzijah. To naredi notranjo strukturo kristala zelo organizirana. Sestavni atomi ali molekule kristala se držijo skupaj z vezmi. Vrsta vezi, ki ju drži skupaj, ionska, kovalentna, molekularna ali kovinska, je odvisna od tega, iz česa je kristal.

Najmanjša enota strukturnega vzorca se imenuje a enota celica. Kristal je sestavljen iz teh enakih enotnih celic, ki se ponavljajo znova in znova v vseh treh dimenzijah. Ta celica je najbolj temeljna sestavina strukture kristala in določa nekatere njegove lastnosti. Določa tudi vzorec, ki ga znanstvenik vidi, ko gleda kristal z rentgensko difrakcijo, kar jim lahko pomaga prepoznati strukturo in sestavo kristala.

Položaji atomov ali molekul, ki tvorijo enotno celico, se imenujejo rešetkaste točke.

Ko se tekočina ohladi do ledišča, postane trdna snov v procesu, imenovanem padavine. Ko se snov obori v pravilno kristalno strukturo, se imenuje kristalizacija.

Kristalizacija se začne s postopkom, imenovanim nukleacija: atomi ali molekule se združujejo. Ko so ti grozdi dovolj stabilni in dovolj veliki, se začne rast kristalov. Nukleacijo je včasih lažje začeti z uporabo semenskih kristalov (vnaprej narejene kepe) ali hrapave površine, kar spodbuja nastajanje grozdov.

Dani atomski ali molekularni material lahko tvori več kristalnih struktur. Struktura, v katero material kristalizira, bo odvisna od nekaterih parametrov med postopkom kristalizacije, vključno s temperaturo, tlakom in prisotnostjo nečistoč.

Obstajajo štiri glavne vrste kristalnih trdnih snovi: ionska, kovalentna mreža, kovinska in molekularna. Ločijo se med seboj glede na to, iz katerih atomov ali molekul so sestavljeni in kako so ti atomi ali molekule povezani med seboj.

Ponavljajoči se vzorec v strukturi ionskih kristalov sestavljajo izmenično pozitivno nabiti kationi z negativno nabitimi anioni. Ti ioni so lahko atomi ali molekule. Ionski kristali so običajno krhki, z visokimi tališči.

Kot trdne snovi ne prevajajo električne energije, lahko pa jo vodijo kot tekočine. Lahko so sestavljeni iz atomov ali molekul, če so napolnjeni. Pogost primer ionske trdne snovi bi bil natrijev klorid (NaCl), znan kot kuhinjska sol.

Kovalentni mrežni kristali, včasih imenovani tudi mrežni kristali, držijo skupaj kovalentne vezi med sestavnimi atomi. (Upoštevajte, da so kristali kovalentne mreže atomske trdne snovi, kar pomeni, da jih ni mogoče izdelati iz molekul.) So zelo trde trdne snovi, imajo visoka tališča in ne prevajajo električne energije dobro. Pogosta primera trdnih snovi kovalentne mreže sta diamant in kremen.

Kovinski kristali so tudi atomske trdne snovi, izdelane iz kovinskih atomov, ki jih držijo kovinske vezi. Te kovinske vezi so tisto, kar kovinam daje gibčnost in duktilnost, saj omogočajo kovinskim atomom, da se kotalijo in drsijo drug mimo drugega, ne da bi zlomili material. Kovinske vezi omogočajo tudi, da se valentni elektroni prosto gibljejo po kovini v "elektronskem morju", zaradi česar so odlični prevodniki električne energije. Njihova trdota in tališča se zelo razlikujejo.

Molekularni kristali so sestavljeni iz vezanih molekul, za razliko od kovinskih in mrežnih kristalov, ki so sestavljeni iz vezanih atomov. Molekulske vezi so v primerjavi z atomskimi vezmi razmeroma šibke in jih lahko povzročijo različne medmolekularne sile, vključno z disperzijskimi silami in dipol-dipolnimi silami.

Šibke vodikove vezi držijo skupaj nekaj molekularnih kristalov, na primer led. Ker molekularne kristale držijo skupaj tako šibke vezi, so njihova tališča običajno precej nižja, so slabši prevodniki toplote in električne energije in so mehkejši. Pogosti primeri molekularnih kristalov vključujejo led, suh led in kofein.

Trdne snovi, ki jih tvori žlahtni plini se štejejo tudi za molekularne kristale, čeprav so izdelani iz edinstvenih atomov; atomi žlahtnega plina se vežejo s podobnimi silami kot tisti, ki molekule šibko vežejo skupaj v molekularnem kristalu, kar jim daje zelo podobne lastnosti.

Polikristal je trdna snov, ki jo sestavlja več vrst kristalnih struktur, ki so same po sebi kombinirane v neperiodičnem vzorcu. Vodni led je primer polikristala, tako kot večina kovin, veliko keramike in kamnin. Večja enota, sestavljena iz edninskega vzorca, se imenuje zrno, zrno pa lahko vsebuje veliko enotnih celic.

Elektron v kristalni trdni snovi je omejen glede na to, koliko energije lahko ima. Možne vrednosti energije, ki jo lahko ima, tvorijo psevdo-neprekinjen "pas" energije, imenovan energijski pas. Elektron lahko sprejme katero koli vrednost energije znotraj pasu, če je pas nenapolnjen (obstaja omejitev, koliko elektronov lahko vsebuje določen pas).

Ti pasovi, čeprav veljajo za neprekinjene, so tehnično ločeni; vsebujejo le preveč ravni energije, ki so preblizu skupaj, da bi jih ločili ločeno.

Najpomembnejši pasovi se imenujejo prevodni pas in valentni pas: valenčni pas je območje najvišjih energijskih ravni materiala v kateri so elektroni prisotni pri temperaturi absolutne ničle, medtem ko je prevodni pas najnižji obseg ravni, ki vsebujejo neizpolnjene države.

V polprevodnikih in izolatorjih so ti pasovi ločeni z energijsko režo, imenovano pasovna vrzel. V polmetih se prekrivajo. V kovinah v bistvu ni razlike med njimi.

Ko je elektron v prevodnem pasu, ima dovolj energije, da se lahko prosto giblje po materialu. Tako ti materiali prevajajo elektriko: skozi gibanje elektronov v njihovih prevodnih pasovih. Ker valentni pas in prevodni pas med seboj nimata razmika v kovinah, kovine enostavno prevajajo elektriko. Materiali z večjo pasovno režo so ponavadi izolatorji; težko je dobiti elektron dovolj energije, da preskoči vrzel in gre v prevodni pas.

Druga vrsta trdne snovi je amorfna trdna snov, ki nima periodičnega vzorca. Atomi in molekule znotraj amorfnih trdnih snovi so večinoma neorganizirano. Zaradi tega imajo veliko podobnosti s tekočinami in dejansko nimajo nastavljenega tališča.

Namesto tega, ker se razdalje med sosednjimi atomi ali molekulami v strukturi spreminjajo, gre toplotna energija skozi material neenakomerno. Material se počasi topi v velikem temperaturnem območju.

Primeri amorfnih trdnih snovi so guma, steklo in plastika. Obsidian in bombažni bonboni so tudi primeri amorfnih trdnih snovi.