Bir kristal katı, temel üç boyutlu yapısı, bir kristal kafes oluşturan oldukça düzenli bir atom veya molekül modelinden oluşan bir katı türüdür. Katıların çoğu kristal katılardır ve içlerindeki farklı atom ve molekül düzenlemeleri, özelliklerini ve görünüşlerini değiştirebilir.
Katı Nedir?
Katı, maddenin şeklini koruduğu ve tutarlı bir hacmi koruduğu bir madde halidir. Bu, katıyı sıvılardan veya gazlardan farklı kılar; sıvılar sabit bir hacmi korurlar ancak bulundukları kabın şeklini alırlar ve gazlar şekli alır ve kaplarının hacmi.
Bir katıdaki atomlar ve moleküller, onu kristal bir katı haline getiren düzenli bir düzende düzenlenebilir veya onu amorf bir katı haline getirerek bir model olmadan düzenlenebilir.
Kristal yapı
Bir kristaldeki atomlar veya moleküller, her üç boyutta da periyodik veya tekrarlayan bir model oluşturur. Bu, bir kristalin iç yapısını son derece organize. Kristali oluşturan atomlar veya moleküller, bağlarla bir arada tutulur. Bunları bir arada tutan iyonik, kovalent, moleküler veya metalik bağ türü, kristalin neyden yapıldığına bağlıdır.
Yapısal desenin en küçük birimine a denir. Birim hücre. Bir kristal, üç boyutta da tekrar tekrar tekrarlanan bu özdeş birim hücrelerden oluşur. Bu hücre, kristalin yapısının en temel bileşenidir ve bazı özelliklerini belirler. Ayrıca, bir bilim insanının kristale baktıklarında gördüğü modeli, X-ışını kırınımı kullanarak belirler ve bu da kristalin yapısını ve bileşimini tanımlamalarına yardımcı olabilir.
Birim hücreyi oluşturan atomların veya moleküllerin konumlarına kafes noktaları denir.
Kristalleşme ve Faz Değişimleri
Bir sıvı donma noktasına soğuduğunda, çökelme adı verilen bir süreçte katı hale gelir. Bir madde düzenli bir kristal yapıya çöktüğünde buna kristalleşme denir.
Kristalizasyon, çekirdeklenme adı verilen bir süreçle başlar: Atomlar veya moleküller birlikte kümelenir. Bu kümeler yeterince kararlı ve yeterince büyük olduğunda, kristal büyümesi başlar. Çekirdeklenme bazen tohum kristalleri (önceden yapılmış kümeler) veya küme oluşumunu teşvik eden pürüzlü bir yüzey kullanılarak daha kolay bir şekilde başlatılabilir.
Belirli bir atomik veya moleküler malzeme, çoklu kristal yapılar oluşturabilir. Malzemenin kristalleştiği yapı, kristalizasyon işlemi sırasında sıcaklık, basınç ve safsızlıkların varlığı dahil olmak üzere belirli parametrelere bağlı olacaktır.
Kristal Katı Madde Türleri
Var dört ana tip kristal katıların: iyonik, kovalent ağ, metalik ve moleküler. Hangi atom veya moleküllerden yapıldıklarına ve bu atomların veya moleküllerin birbirine nasıl bağlandığına göre birbirlerinden ayırt edilirler.
İyonik kristallerin yapısındaki tekrar eden model, pozitif yüklü katyonlarla negatif yüklü anyonlardan oluşur. Bu iyonlar atom veya molekül olabilir. İyonik kristaller genellikle kırılgandır ve yüksek erime noktalarına sahiptir.
Katılar olarak elektriği iletmezler, ancak elektriği sıvı olarak iletebilirler. Yüklü oldukları sürece atomlardan veya moleküllerden oluşabilirler. İyonik bir katının yaygın bir örneği, sofra tuzu olarak bilinen sodyum klorürdür (NaCl).
Bazen basitçe ağ kristalleri olarak adlandırılan kovalent ağ kristalleri, kurucu atomları arasındaki kovalent bağlarla bir arada tutulur. (Kovalent ağ kristallerinin atomik katılar olduğuna dikkat edin, yani moleküllerden yapılamazlar.) Çok sert katılardır, yüksek erime noktalarına sahiptirler ve elektriği iyi iletmezler. Kovalent ağ katılarının yaygın örnekleri elmas ve kuvarstır.
Metalik kristaller ayrıca metalik bağlarla bir arada tutulan metal atomlarından yapılmış atomik katılardır. Bu metalik bağlar, metal atomlarının malzemeyi kırmadan yuvarlanmalarına ve birbirlerinin yanından kaymalarına izin verdikleri için, metallere dövülebilirlik ve süneklik kazandıran şeydir. Metalik bağlar ayrıca değerlik elektronlarının metal boyunca bir "elektron denizinde" serbestçe hareket etmesine izin verir, bu da onları büyük elektrik iletkenleri yapar. Sertlikleri ve erime noktaları çok değişkendir.
Moleküler kristaller, bağlı atomlardan oluşan metalik ve ağ kristallerinin aksine, bağlı moleküllerden oluşur. Moleküler bağlar, atomik bağlara kıyasla nispeten zayıftır ve dağılma kuvvetleri ve dipol-dipol kuvvetleri dahil olmak üzere çeşitli moleküller arası kuvvetlerden kaynaklanabilir.
Zayıf hidrojen bağları, buz gibi bazı moleküler kristalleri bir arada tutar. Moleküler kristaller bu tür zayıf bağlarla bir arada tutuldukları için erime noktaları çok daha düşük olma eğilimindedir, ısı ve elektriği daha kötü iletirler ve daha yumuşaktırlar. Moleküler kristallerin yaygın örnekleri arasında buz, kuru buz ve kafein bulunur.
tarafından oluşturulan katılar soy gazlar ayrıca tekil atomlardan yapılmış olmalarına rağmen moleküler kristaller olarak kabul edilirler; soy gaz atomları, molekülleri bir moleküler kristalde birbirine zayıf şekilde bağlayanlar gibi benzer kuvvetlerle bağlanır ve bu da onlara çok benzer özellikler verir.
Bir polikristal, kendileri periyodik olmayan bir düzende birleştirilen çok sayıda kristal yapı türünden oluşan bir katıdır. Su buzu, çoğu metal, birçok seramik ve kaya gibi bir polikristal örneğidir. Tekil bir desenden oluşan daha büyük birime tane denir ve bir tane birçok birim hücre içerebilir.
Kristal Katılarda İletkenlik
Kristal bir katıdaki bir elektronun sahip olabileceği enerji miktarı sınırlıdır. Sahip olabileceği olası enerji değerleri, sözde sürekli bir enerji "bantını" oluşturur. enerji bandı. Bir elektron, bant doldurulmadığı sürece bant içindeki herhangi bir enerji değerini alabilir (belirli bir bandın kaç elektron içerebileceğinin bir sınırı vardır).
Bu bantlar, sürekli olarak kabul edilirken, teknik olarak ayrıktır; ayrı ayrı çözülemeyecek kadar birbirine yakın olan çok fazla enerji seviyesi içerirler.
En önemli bantlara iletim bandı ve değerlik bandı denir: Değerlik bandı, malzemenin en yüksek enerji seviyelerinin aralığıdır. elektronların mutlak sıfır sıcaklığında mevcut olduğu, iletim bandı ise doldurulmamış içeren seviyelerin en düşük aralığıdır. devletler.
Yarı iletkenlerde ve yalıtkanlarda bu bantlar bir enerji boşluğu ile ayrılır. bant boşluğu. Yarı metallerde örtüşürler. Metallerde, esasen aralarında bir ayrım yoktur.
Bir elektron iletim bandındayken, malzeme etrafında serbestçe hareket etmek için yeterli enerjiye sahiptir. Bu malzemeler elektriği bu şekilde iletir: elektronların iletim bantlarındaki hareketi yoluyla. Metallerde değerlik bandı ile iletim bandı arasında boşluk olmadığı için metallerin elektriği iletmesi kolaydır. Daha büyük bir bant aralığına sahip malzemeler yalıtkan olma eğilimindedir; boşluğu atlamak ve iletim bandına girmek için yeterli enerjiyi bir elektron elde etmek zordur.
Amorf Katılar
Başka bir katı türü, periyodik bir deseni olmayan amorf bir katıdır. Amorf katılardaki atomlar ve moleküller büyük ölçüde dağınık. Bu nedenle sıvılarla pek çok benzerlik paylaşırlar ve aslında belirli bir erime noktası yoktur.
Bunun yerine, yapıdaki komşu atomlar veya moleküller arasındaki mesafeler değiştiğinden, termal enerji malzemeden eşit olmayan bir şekilde geçer. Malzeme, geniş bir sıcaklık aralığında yavaş yavaş erir.
Amorf katıların örnekleri arasında kauçuk, cam ve plastik bulunur. Obsidiyen ve pamuk şeker de şekilsiz katılara örnektir.