En kristallin fast substans är en typ av fast ämne vars grundläggande tredimensionella struktur består av ett mycket regelbundet mönster av atomer eller molekyler som bildar ett kristallgitter. Majoriteten av fasta ämnen är kristallina fasta ämnen, och de olika arrangemangen av atomer och molekyler i dem kan förändra deras egenskaper och utseende.
Vad är en solid?
Ett fast ämne är ett materietillstånd där ämnet behåller sin form och bibehåller en jämn volym. Detta skiljer ett fast ämne från vätskor eller gaser; vätskor upprätthåller en jämn volym men har formen på sin behållare och gaserna har formen och volymen på deras behållare.
Atomerna och molekylerna i ett fast ämne kan antingen ordnas i ett vanligt mönster, vilket gör det till ett kristallint fast ämne eller ordnas utan ett mönster, vilket gör det till ett amorft fast ämne.
Kristallin struktur
Atomer eller molekyler i en kristall bildar ett periodiskt eller upprepande mönster i alla tre dimensioner. Detta gör den inre strukturen av en kristall
Den minsta enheten i strukturmönstret kallas a enhetscell. En kristall består av dessa identiska enhetsceller som upprepas om och om igen i alla tre dimensioner. Denna cell är den mest grundläggande komponenten i kristallens struktur och bestämmer några av dess egenskaper. Det bestämmer också det mönster som en forskare ser när de tittar på kristallen med röntgendiffraktion, vilket kan hjälpa dem att identifiera kristallens struktur och sammansättning.
Positionerna för atomerna eller molekylerna som utgör enhetscellen kallas gitterpunkter.
Kristallisering och fasförändringar
När en vätska svalnar till fryspunkten blir den fast i en process som kallas utfällning. När ett ämne fälls ut i en vanlig kristallstruktur kallas det kristallisering.
Kristallisering börjar med en process som kallas kärnbildning: Atomer eller molekyler kluster ihop. När dessa kluster är tillräckligt stabila och tillräckligt stora, börjar kristalltillväxt. Kärnbildning kan ibland lättare startas genom att använda frökristaller (färdiga klumpar) eller en grov yta, vilket uppmuntrar bildandet av kluster.
Ett givet atom- eller molekylärt material kan kunna bilda flera kristallstrukturer. Strukturen som materialet kristalliserar in beror på vissa parametrar under kristallisationsprocessen, inklusive temperatur, tryck och närvaron av föroreningar.
Typer av kristallina fasta ämnen
Det finns fyra huvudtyper av kristallina fasta ämnen: joniskt, kovalent nätverk, metalliskt och molekylärt. De skiljer sig från varandra baserat på vilka atomer eller molekyler de är gjorda av och hur dessa atomer eller molekyler är bundna till varandra.
Det upprepande mönstret i strukturen hos joniska kristaller består av alternerande positivt laddade katjoner med negativt laddade anjoner. Dessa joner kan vara atomer eller molekyler. Joniska kristaller är vanligtvis spröda med höga smältpunkter.
Som fasta ämnen leder de inte elektricitet, men de kan leda elektricitet som vätskor. De kan bestå av antingen atomer eller molekyler så länge de är laddade. Ett vanligt exempel på ett joniskt fast ämne skulle vara natriumklorid (NaCl), känd som bordssalt.
Kovalenta nätverkskristaller, ibland bara kallade nätverkskristaller, hålls samman av kovalenta bindningar mellan deras ingående atomer. (Observera att kovalenta nätverkskristaller är atomfasta ämnen, vilket innebär att de inte kan tillverkas av molekyler.) De är mycket hårda fasta ämnen, har höga smältpunkter och leder inte elektricitet bra. Vanliga exempel på kovalenta fasta nätverk är diamant och kvarts.
Metallkristaller är också atomära fasta ämnen, gjorda av metallatomer som hålls samman av metallbindningar. Dessa metallbindningar ger metaller deras smidighet och smidighet, eftersom de låter metallatomerna rulla och glida förbi varandra utan att bryta materialet. Metallbindningarna tillåter också valenselektroner att röra sig fritt genom metallen i ett "elektronhav", vilket gör dem till stora ledare för elektricitet. Deras hårdhet och smältpunkter varierar mycket.
Molekylära kristaller består av bundna molekyler, till skillnad från metallkristaller och nätverkskristaller, som består av bundna atomer. Molekylära bindningar är relativt svaga jämfört med atombindningar och kan orsakas av en mängd olika intermolekylära krafter inklusive dispersionskrafter och dipol-dipolkrafter.
Svaga vätebindningar håller ihop vissa molekylkristaller, såsom is. Eftersom molekylkristaller hålls samman av sådana svaga bindningar tenderar deras smältpunkter att vara mycket lägre, de är sämre ledare för värme och elektricitet och de är mjukare. Vanliga exempel på molekylära kristaller inkluderar is, torris och koffein.
De fasta ämnena som bildas av ädelgaser betraktas också som molekylära kristaller trots att de är gjorda av enstaka atomer; ädelgasatomerna är bundna av liknande krafter som de som svagt binder samman molekyler i en molekylär kristall, vilket ger dem mycket liknande egenskaper.
En polykristall är ett fast ämne som består av flera typer av kristallstrukturer, som själva kombineras i ett icke-periodiskt mönster. Vattenis är ett exempel på en polykristall, liksom de flesta metaller, många keramik och stenar. Den större enheten som består av ett enstaka mönster kallas en korn, och en korn kan innehålla många enhetsceller.
Konduktivitet i kristallina fasta ämnen
En elektron i en kristallin fast substans är begränsad i hur mycket energi den kan ha. De möjliga energivärdena den kan ha utgör ett pseudokontinuerligt "band" av energi, kallat en energiband. En elektron kan ta vilket energivärde som helst inom bandet, så länge bandet är ofyllt (det finns en gräns för hur många elektroner ett givet band kan innehålla).
Även om dessa band anses vara kontinuerliga är de tekniskt diskreta. de innehåller bara för många energinivåer som är för nära varandra för att lösa separat.
De viktigaste banden kallas ledningsband och valensband: Valensbandet är materialets högsta energinivåer i vilka elektroner finns vid absolut noll temperatur, medan ledningsbandet är det lägsta intervallet av nivåer som innehåller ofyllda stater.
I halvledare och isolatorer är dessa band åtskilda av ett energigap, kallat bandgap. Under halvmetaller överlappar de varandra. I metaller är det i princip ingen skillnad mellan dem.
När en elektron är i ledningsbandet har den tillräckligt med energi för att röra sig fritt runt materialet. Så här leder dessa material elektricitet: genom elektroners rörelse i deras ledningsband. Eftersom valensbandet och ledningsbandet inte har något mellanrum i metaller är det lätt för metaller att leda elektricitet. Material med större bandgap tenderar att vara isolatorer; det är svårt att få en elektron tillräckligt med energi för att hoppa över klyftan och gå in i ledningsbandet.
Amorfa fasta ämnen
En annan typ av fast ämne är ett amorft fast ämne som inte har ett periodiskt mönster. Atomerna och molekylerna i amorfa fasta ämnen är till stor del oorganiserad. På grund av detta delar de många likheter med vätskor och har faktiskt ingen fastställd smältpunkt.
I stället, eftersom avstånden mellan angränsande atomer eller molekyler i strukturen varierar, passerar termisk energi ojämnt genom materialet. Materialet smälter långsamt över ett stort temperaturintervall.
Exempel på amorfa fasta ämnen inkluderar gummi, glas och plast. Obsidian och sockervadd är också exempel på amorfa fasta ämnen.