ผลึกที่เป็นของแข็งเป็นของแข็งชนิดหนึ่งที่มีโครงสร้างสามมิติพื้นฐานประกอบด้วยรูปแบบของอะตอมหรือโมเลกุลที่สม่ำเสมออย่างมาก ก่อตัวเป็นผลึกขัดแตะ ของแข็งส่วนใหญ่เป็นของแข็งที่เป็นผลึก และการจัดเรียงตัวของอะตอมและโมเลกุลที่แตกต่างกันภายในพวกมันสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติและลักษณะที่ปรากฏได้
ของแข็งคืออะไร?
ของแข็งคือสถานะของสสารที่สสารรักษารูปร่างและรักษาปริมาตรให้คงที่ ทำให้ของแข็งแตกต่างจากของเหลวหรือก๊าซ ของเหลวจะมีปริมาตรสม่ำเสมอแต่จะมีรูปทรงของภาชนะ และก๊าซก็จะมีรูปร่าง และ ปริมาณของภาชนะของพวกเขา
อะตอมและโมเลกุลในของแข็งสามารถจัดเรียงในรูปแบบปกติก็ได้ ทำให้เป็นของแข็งที่เป็นผลึก หรือจัดเรียงโดยไม่มีรูปแบบก็ได้ ทำให้กลายเป็นของแข็งอสัณฐาน
โครงสร้างผลึก
อะตอมหรือโมเลกุลในผลึกก่อตัวเป็นช่วงหรือรูปแบบซ้ำกันในสามมิติ สิ่งนี้ทำให้โครงสร้างภายในของผลึก มีระเบียบสูง. อะตอมหรือโมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบของคริสตัลถูกยึดเข้าด้วยกันผ่านพันธะ ประเภทของพันธะที่ยึดพวกมันไว้ด้วยกัน ไอออนิก โควาเลนต์ โมเลกุลหรือโลหะ ขึ้นอยู่กับว่าคริสตัลทำมาจากอะไร
หน่วยที่เล็กที่สุดของรูปแบบโครงสร้างเรียกว่า a หน่วยเซลล์. คริสตัลประกอบด้วยเซลล์ยูนิตที่เหมือนกันเหล่านี้ซ้ำแล้วซ้ำอีกในสามมิติ เซลล์นี้เป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สุดของโครงสร้างของผลึก และกำหนดคุณสมบัติบางอย่างของผลึก นอกจากนี้ยังกำหนดรูปแบบที่นักวิทยาศาสตร์เห็นเมื่อมองคริสตัลโดยใช้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ซึ่งสามารถช่วยในการระบุโครงสร้างและองค์ประกอบของคริสตัลได้
ตำแหน่งของอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นเซลล์ยูนิตเรียกว่าจุดแลตทิซ
การตกผลึกและการเปลี่ยนแปลงเฟส
เมื่อของเหลวเย็นตัวจนถึงจุดเยือกแข็ง มันจะกลายเป็นของแข็งในกระบวนการที่เรียกว่าการตกตะกอน เมื่อสารตกตะกอนในโครงสร้างผลึกปกติ จะเรียกว่าการตกผลึก
การตกผลึกเริ่มต้นด้วยกระบวนการที่เรียกว่านิวเคลียส: อะตอมหรือโมเลกุลรวมกลุ่มกัน เมื่อกระจุกเหล่านั้นมีความเสถียรเพียงพอและมีขนาดใหญ่เพียงพอ การเติบโตของผลึกก็เริ่มขึ้น บางครั้งการสร้างนิวเคลียสสามารถเริ่มต้นได้ง่ายกว่าโดยใช้ผลึกของเมล็ด (กระจุกที่สร้างไว้ล่วงหน้า) หรือพื้นผิวที่ขรุขระ ซึ่งกระตุ้นการก่อตัวของกระจุก
วัสดุอะตอมหรือโมเลกุลที่กำหนดอาจสามารถสร้างโครงสร้างผลึกได้หลายแบบ โครงสร้างที่วัสดุตกผลึกจะขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์บางอย่างในระหว่างกระบวนการตกผลึก ซึ่งรวมถึงอุณหภูมิ ความดัน และการมีอยู่ของสิ่งเจือปน
ประเภทของผลึกของแข็ง
มี สี่ประเภทหลัก ของผลึกของแข็ง ได้แก่ อิออน โครงข่ายโควาเลนต์ โลหะ และโมเลกุล พวกมันแยกจากกันโดยพิจารณาจากอะตอมหรือโมเลกุลที่พวกมันสร้างขึ้น และวิธีที่อะตอมหรือโมเลกุลเหล่านั้นมีพันธะระหว่างกัน
รูปแบบที่เกิดซ้ำในโครงสร้างของผลึกไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกที่มีประจุบวกสลับกับแอนไอออนที่มีประจุลบ ไอออนเหล่านี้อาจเป็นอะตอมหรือโมเลกุลก็ได้ ผลึกไอออนิกมักจะเปราะ มีจุดหลอมเหลวสูง
ในฐานะที่เป็นของแข็ง พวกมันจะไม่นำไฟฟ้า แต่สามารถนำไฟฟ้าเป็นของเหลวได้ พวกมันสามารถประกอบขึ้นจากอะตอมหรือโมเลกุลก็ได้ ตราบใดที่พวกมันมีประจุ ตัวอย่างทั่วไปของของแข็งไอออนิกคือโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ที่เรียกว่าเกลือแกง
ผลึกเครือข่ายโควาเลนต์ บางครั้งเรียกง่ายๆ ว่าผลึกเครือข่าย ถูกยึดเข้าด้วยกันโดยพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมที่เป็นส่วนประกอบ (โปรดทราบว่าผลึกเครือข่ายโควาเลนต์เป็นของแข็งอะตอม ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถสร้างจากโมเลกุลได้) พวกมันเป็นของแข็งที่แข็งมาก มีจุดหลอมเหลวสูงและไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ดี ตัวอย่างทั่วไปของของแข็งเครือข่ายโควาเลนต์ ได้แก่ เพชรและควอตซ์
ผลึกโลหะยังเป็นของแข็งของอะตอมซึ่งทำจากอะตอมของโลหะที่ยึดเข้าด้วยกันด้วยพันธะโลหะ พันธะโลหะเหล่านี้เป็นสิ่งที่ทำให้โลหะมีความอ่อนตัวและความเหนียว เนื่องจากช่วยให้อะตอมของโลหะหมุนและเลื่อนผ่านกันและกันโดยไม่ทำให้วัสดุเสียหาย พันธะโลหะยังช่วยให้เวเลนซ์อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วทั้งโลหะใน "ทะเลอิเล็กตรอน" ซึ่งทำให้พวกมันเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี ความแข็งและจุดหลอมเหลวแตกต่างกันอย่างมาก
ผลึกโมเลกุลประกอบด้วยโมเลกุลที่ถูกพันธะ ซึ่งแตกต่างจากผลึกโลหะและผลึกที่เป็นโครงข่าย ซึ่งประกอบขึ้นจากอะตอมที่ถูกพันธะ พันธะโมเลกุลค่อนข้างอ่อนเมื่อเทียบกับพันธะอะตอม และอาจเกิดจากแรงระหว่างโมเลกุลที่หลากหลาย รวมทั้งแรงกระจายและแรงไดโพล-ไดโพล
พันธะไฮโดรเจนที่อ่อนจะจับผลึกโมเลกุลบางอย่าง เช่น น้ำแข็ง ไว้ด้วยกัน เนื่องจากผลึกโมเลกุลถูกยึดเข้าด้วยกันโดยพันธะที่อ่อนแอดังกล่าว จุดหลอมเหลวของพวกมันจึงมีแนวโน้มที่จะต่ำกว่ามาก เป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่แย่กว่า และอ่อนกว่า ตัวอย่างทั่วไปของผลึกโมเลกุล ได้แก่ น้ำแข็ง น้ำแข็งแห้ง และคาเฟอีน
ของแข็งที่เกิดจาก ก๊าซมีตระกูล ถือเป็นผลึกโมเลกุลแม้จะทำจากอะตอมเอกพจน์ อะตอมของแก๊สมีตระกูลนั้นถูกพันธะด้วยแรงที่คล้ายคลึงกันเมื่ออะตอมของก๊าซมีตระกูลจับตัวกันอย่างอ่อนในผลึกโมเลกุล ซึ่งทำให้พวกมันมีคุณสมบัติคล้ายกันมาก
คริสตัลโพลีคริสตัลเป็นของแข็งที่ประกอบด้วยโครงสร้างผลึกหลายประเภท ซึ่งรวมเข้าด้วยกันในรูปแบบที่ไม่เป็นคาบ น้ำแข็งน้ำเป็นตัวอย่างของคริสตัลพอลิคริสตัล เช่นเดียวกับโลหะส่วนใหญ่ เซรามิกและหินจำนวนมาก หน่วยที่ใหญ่กว่าซึ่งประกอบด้วยรูปแบบเอกพจน์เรียกว่าเมล็ดพืชและเมล็ดพืชอาจมีเซลล์หลายหน่วย
การนำไฟฟ้าในผลึกของแข็ง
อิเล็กตรอนในของแข็งที่เป็นผลึกจะมีพลังงานจำกัด ค่าพลังงานที่เป็นไปได้สามารถประกอบขึ้นเป็น "แถบ" ของพลังงานที่เรียกว่า an แถบพลังงาน. อิเล็กตรอนสามารถรับค่าพลังงานใดๆ ภายในแถบความถี่ได้ ตราบใดที่แถบนั้นไม่มีการบรรจุ (มีการจำกัดจำนวนอิเล็กตรอนในแถบที่กำหนด)
วงดนตรีเหล่านี้แม้ว่าจะถือว่าต่อเนื่องกัน แต่ก็ไม่ต่อเนื่องกันในทางเทคนิค พวกมันมีระดับพลังงานมากเกินไปที่อยู่ใกล้กันเกินกว่าจะแก้ไขแยกกันได้
แถบที่สำคัญที่สุดเรียกว่าแถบการนำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์: แถบวาเลนซ์เป็นช่วงของระดับพลังงานสูงสุดของวัสดุ ซึ่งมีอิเล็กตรอนอยู่ในอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ ในขณะที่แถบการนำไฟฟ้าเป็นช่วงต่ำสุดของระดับที่ไม่มีการเติม รัฐ
ในเซมิคอนดักเตอร์และฉนวน แถบเหล่านี้จะถูกคั่นด้วยช่องว่างพลังงานที่เรียกว่า ช่องว่างวง. ในเซมิเมทัลจะทับซ้อนกัน ในโลหะนั้นโดยพื้นฐานแล้วไม่มีความแตกต่างระหว่างพวกมัน
เมื่ออิเล็กตรอนอยู่ในแถบการนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะมีพลังงานเพียงพอที่จะเคลื่อนที่ไปรอบๆ วัสดุได้อย่างอิสระ นี่คือวิธีที่วัสดุเหล่านี้นำไฟฟ้า: โดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้า เนื่องจากแถบวาเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้าไม่มีช่องว่างระหว่างโลหะทั้งสอง จึงทำให้โลหะสามารถนำไฟฟ้าได้ง่าย วัสดุที่มีช่องว่างวงกว้างขึ้นมักจะเป็นฉนวน เป็นการยากที่จะได้รับพลังงานมากพอที่จะกระโดดข้ามช่องว่างและเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า
ของแข็งอสัณฐาน
ของแข็งอีกประเภทหนึ่งคือของแข็งอสัณฐานซึ่งไม่มีรูปแบบเป็นระยะ อะตอมและโมเลกุลภายในของแข็งอสัณฐานเป็นส่วนใหญ่ ไม่เป็นระเบียบ. ด้วยเหตุนี้จึงมีความคล้ายคลึงกันมากกับของเหลว และในความเป็นจริงไม่มีจุดหลอมเหลวที่กำหนดไว้
แต่เนื่องจากระยะห่างระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงในโครงสร้างแตกต่างกัน พลังงานความร้อนจึงไหลผ่านวัสดุอย่างไม่สม่ำเสมอ วัสดุละลายช้าในช่วงอุณหภูมิกว้าง
ตัวอย่างของของแข็งอสัณฐาน ได้แก่ ยาง แก้ว และพลาสติก ลูกอมออบซิเดียนและสายไหมเป็นตัวอย่างของของแข็งอสัณฐาน