Кристална чврста супстанца је врста чврсте супстанце чија се основна тродимензионална структура састоји од изузетно правилног узорка атома или молекула, формирајући кристалну решетку. Већина чврстих супстанци су кристалне чврсте материје, а различити распореди атома и молекула у њима могу променити њихова својства и изглед.
Шта је чврсто?
Чврста супстанца је стање материје у којем супстанца задржава облик и одржава константну запремину. Ово се разликује од течности или гасова; течности одржавају константну запремину, али попримају облик своје посуде, а гасови попримају облик и запремина њиховог контејнера.
Атоми и молекули у чврстој супстанци могу бити распоређени у правилном узорку, чинећи је кристалном чврстом супстанцом, или распоређени без узорка, чинећи је аморфном чврстом супстанцом.
Кристална структура
Атоми или молекули у кристалу чине периодични, или понављајући образац у све три димензије. Ово чини унутрашњу структуру кристала високо организован. Саставни атоми или молекули кристала држе се заједно везама. Врста везе која их држи заједно, јонска, ковалентна, молекуларна или метална, зависи од чега је кристал направљен.
Најмања јединица структурног узорка назива се а унит целл. Кристал се састоји од ових идентичних јединичних ћелија које се изнова понављају у све три димензије. Ова ћелија је најосновнија компонента структуре кристала и одређује нека од његових својстава. Такође одређује образац који научник види када гледа кристал помоћу дифракције Кс-зрака, што им може помоћи да идентификују структуру и састав кристала.
Положаји атома или молекула који чине јединствену ћелију називају се решеткасте тачке.
Кристализација и фазне промене
Када се течност охлади до тачке смрзавања, она постаје чврста супстанца у процесу који се назива падавина. Када се супстанца таложи у правилну кристалну структуру, то се назива кристализација.
Кристализација започиње процесом који се назива нуклеација: атоми или молекули се скупљају. Када су та јата довољно стабилна и довољно велика, започиње раст кристала. Нуклеација се понекад може лакше покренути коришћењем кристала семена (претходно направљене грудвице) или храпаве површине, што подстиче стварање грозда.
Дати атомски или молекуларни материјал може бити у стању да формира вишеструке кристалне структуре. Структура у коју материјал кристалише зависиће од одређених параметара током процеса кристализације, укључујући температуру, притисак и присуство нечистоћа.
Врсте кристалних чврстих тела
Постоје четири главна типа кристалних чврстих тела: јонска, ковалентна мрежа, метална и молекуларна. Разликују се једни од других на основу тога од којих атома или молекула су сачињени и како су ти атоми или молекули повезани једни с другима.
Понављајући образац у структури јонских кристала чине наизменични позитивно наелектрисани катиони са негативно наелектрисаним анионима. Ови јони могу бити атоми или молекули. Јонски кристали су обично ломљиви, са високим тачкама топљења.
Као чврсте материје, они не проводе струју, али електричну енергију могу проводити као течност. Могу се састојати од атома или молекула, све док су наелектрисани. Уобичајени пример јонске чврсте супстанце био би натријум хлорид (НаЦл), познат као кухињска со.
Кристали ковалентне мреже, понекад једноставно названи мрежним кристалима, држе се заједно ковалентним везама између њихових саставних атома. (Имајте на уму да су кристали ковалентне мреже атомске чврсте материје, што значи да се не могу правити од молекула.) То су врло чврсте чврсте материје, имају високе тачке топљења и не спроводе добро електричну енергију. Уобичајени примери чврстих тела ковалентне мреже су дијамант и кварц.
Метални кристали су такође атомске чврсте супстанце, направљене од атома метала који су међусобно повезани металним везама. Те металне везе су оно што металима даје флексибилност и дуктилност, јер омогућавају да се атоми метала котрљају и клизе један поред другог без ломљења материјала. Металне везе такође омогућавају валентним електронима да се слободно крећу кроз метал у „електронском мору“, што их чини одличним проводницима електричне енергије. Њихова тврдоћа и тачке топљења се веома разликују.
Молекуларни кристали се састоје од везаних молекула, за разлику од металних и мрежних кристала, који се састоје од везаних атома. Молекуларне везе су релативно слабе у поређењу са атомским везама и могу бити узроковане разним интермолекуларним силама, укључујући дисперзионе силе и дипол-дипол силе.
Слабе водоничне везе држе заједно неке молекуларне кристале, попут леда. Будући да молекуларне кристале држе заједно тако слабе везе, тачке топљења имају тенденцију да буду много ниже, лошији су проводници топлоте и електричне енергије и мекши. Уобичајени примери молекуларних кристала укључују лед, суви лед и кофеин.
Чврсте материје које формира племените гасове такође се сматрају молекуларним кристалима, иако су направљени од сингуларних атома; атоми племенитог гаса повезани су сличним силама као они који слабо везују молекуле у молекуларном кристалу, што им даје врло слична својства.
Поликристал је чврста супстанца која се састоји од више врста кристалних структура, које су саме комбиноване у непериодичном обрасцу. Водени лед је пример поликристала, као и већина метала, мноштво керамике и стена. Већа јединица која се састоји од појединачног узорка назива се зрно, а зрно може садржати много јединичних ћелија.
Проводљивост у кристалним чврстим делима
Електрон у кристалној чврстој материји има ограничену количину енергије. Могуће вредности енергије које може имати чине псеудо-континуирани „опсег“ енергије, назван ан енергетски појас. Електрон може узети било коју вредност енергије унутар опсега, све док је опсег неиспуњен (постоји ограничење колико електрона може дати одређени опсег).
Ови опсези, иако се сматрају континуираним, технички су дискретни; они само садрже превише нивоа енергије који су преблизу да би се одвојили одвојено.
Најважнији опсези називају се проводни опсег и валентни опсег: Валентни опсег је опсег највиших енергетских нивоа материјала у коме су електрони присутни на апсолутној нултој температури, док је проводни појас најнижи опсег нивоа који садрже неиспуњене државе.
У полупроводницима и изолаторима ови опсези су одвојени енергетском празнином, која се назива појасни размак. У полуметалима се преклапају. У металима у основи нема разлике између њих.
Када се електрон налази у проводном појасу, он има довољно енергије да се слободно креће по материјалу. Овако ови материјали проводе електричну енергију: кретањем електрона у њиховим проводним опсезима. Будући да валентни опсег и проводни опсег немају зазор међу металима, металима је лако да проводе електричну енергију. Материјали са већим размаком од појаса обично су изолатори; тешко је добити електрон довољно енергије да прескочи празнину и уђе у проводни појас.
Аморфне чврсте материје
Друга врста чврсте супстанце је аморфна чврста супстанца која нема периодични образац. Атоми и молекули унутар аморфних чврстих тела су углавном неорганизован. Због тога деле много сличности са течностима и заправо немају подешену тачку топљења.
Уместо тога, јер растојања између суседних атома или молекула у структури варирају, топлотна енергија пролази кроз материјал неравномерно. Материјал се полако топи у великом опсегу температура.
Примери аморфних чврстих тела укључују гуму, стакло и пластику. Обсидиан и бомбона су такође примери аморфних чврстих материја.