Кристалічне тверде тіло - це тип твердого тіла, фундаментальна тривимірна структура якого складається з дуже регулярного малюнка атомів або молекул, утворюючи кристалічну решітку. Більшість твердих речовин - це кристалічні тверді речовини, і різне розташування атомів і молекул усередині них може змінювати їх властивості та зовнішній вигляд.
Що таке тверде тіло?
Тверде речовина - це речовинний стан, при якому речовина зберігає форму і підтримує стабільний об’єм. Це робить тверду речовину відмінною від рідин або газів; рідини підтримують стабільний об'єм, але приймають форму контейнера, а гази - форму і обсягу їх тари.
Атоми і молекули в твердому тілі можуть бути розташовані за звичайною схемою, що робить її кристалічною, або розташовані без структури, що робить її аморфною твердою речовиною.
Кристалічна структура
Атоми або молекули в кристалі утворюють періодичний або повторюваний малюнок у всіх трьох вимірах. Це робить внутрішню структуру кристала високоорганізований. Вхідні в кристал атоми або молекули утримуються разом за допомогою зв’язків. Тип зв’язку, що утримує їх, іонний, ковалентний, молекулярний або металевий, залежить від того, з чого виготовлений кристал.
Найменша одиниця структурного малюнка називається а елементарна комірка. Кристал складається з цих однакових елементарних комірок, що повторюються знову і знову у всіх трьох вимірах. Ця клітина є найбільш фундаментальним компонентом структури кристала і визначає деякі його властивості. Це також визначає модель, яку вчений бачить, коли він дивиться на кристал за допомогою рентгенівської дифракції, що може допомогти їм визначити структуру та склад кристала.
Положення атомів або молекул, що складають елементарну комірку, називаються точками гратки.
Кристалізація та фазові зміни
Коли рідина охолоджується до точки замерзання, вона стає твердою речовиною в процесі, який називається опадами. Коли речовина випадає в осад у правильну кристалічну структуру, це називається кристалізацією.
Кристалізація починається з процесу, який називається зародком: атоми або молекули скупчуються між собою. Коли ці скупчення досить стабільні та досить великі, починається ріст кристалів. Іноді зародження можна легше розпочати, використовуючи насіннєві кристали (заздалегідь зроблені грудочки) або шорстку поверхню, що сприяє утворенню скупчень.
Даний атомний або молекулярний матеріал може бути здатним утворювати безліч кристалічних структур. Структура, в яку матеріал кристалізується, буде залежати від певних параметрів під час процесу кристалізації, включаючи температуру, тиск та наявність домішок.
Типи кристалічних твердих тіл
Існує чотири основних типи кристалічних твердих речовин: іонна, ковалентна сітка, металева та молекулярна. Вони відрізняються один від одного на основі того, з яких атомів або молекул вони складені, і як ці атоми або молекули зв’язані між собою.
Повторювана картина в структурі іонних кристалів складається з чергуються позитивно заряджених катіонів з негативно зарядженими аніонами. Ці іони можуть бути атомами або молекулами. Іонні кристали, як правило, крихкі, з високими температурами плавлення.
Як тверді речовини вони не проводять електрику, але можуть проводити електрику як рідини. Вони можуть складатися або з атомів, або з молекул, якщо вони заряджені. Поширеним прикладом іонної твердої речовини є хлорид натрію (NaCl), відомий як кухонна сіль.
Кристали ковалентної мережі, які іноді просто називають мережевими кристалами, утримуються разом за допомогою ковалентних зв’язків між складовими їх атомами. (Зверніть увагу, що кристали ковалентної мережі є атомними твердими речовинами, тобто вони не можуть бути виготовлені з молекул.) Вони є дуже твердими твердими речовинами, мають високі температури плавлення і погано проводять електрику. Поширеними прикладами твердих речовин ковалентної мережі є алмаз і кварц.
Металеві кристали - це також атомні тверді речовини, виготовлені з атомів металів, утримуваних разом металевими зв’язками. Ці металеві зв’язки надають металам пластичність і пластичність, оскільки вони дозволяють атомам металу котитися і ковзати один біля одного, не порушуючи матеріал. Металеві зв'язки також дозволяють валентним електронам вільно рухатися по металу в "електронному морі", що робить їх чудовими провідниками електрики. Їх твердість і температури плавлення коливаються в широких межах.
Молекулярні кристали складаються з пов'язаних молекул, на відміну від металевих та мережевих кристалів, які складаються з пов'язаних атомів. Молекулярні зв’язки відносно слабкі порівняно з атомними зв’язками і можуть бути спричинені різними міжмолекулярними силами, включаючи сили дисперсії та диполь-дипольні сили.
Слабкі водневі зв’язки утримують разом деякі молекулярні кристали, такі як лід. Оскільки молекулярні кристали утримуються разом за допомогою таких слабких зв’язків, їх точки плавлення, як правило, значно нижчі, вони гірші провідники тепла та електрики, і вони м’якші. Поширені приклади молекулярних кристалів включають лід, сухий лід та кофеїн.
Тверді речовини, утворені благородні гази також вважаються молекулярними кристалами, незважаючи на те, що вони виготовлені з особливих атомів; атоми благородного газу зв’язані подібними силами, як ті, що слабо зв’язують молекули разом у молекулярному кристалі, що надає їм дуже подібних властивостей.
Полікристал - це тверде тіло, яке складається з декількох типів кристалічних структур, які самі по собі поєднуються в неперіодичному візерунку. Водний лід є прикладом полікристалу, як і більшість металів, багато кераміки та гірських порід. Більша одиниця, що складається з одиничного візерунка, називається зерном, і зерно може містити безліч осередків.
Провідність у кристалічних твердих речовинах
Електрон у кристалічній твердій речовині обмежений тим, скільки енергії він може мати. Можливі значення енергії, які вона може мати, складають псевдонеперервну "смугу" енергії, яка називається енергетичний діапазон. Електрон може приймати будь-яке значення енергії в зоні, доки смуга не заповнена (існує обмеження кількості електронів, яку може містити дана смуга).
Ці смуги, хоча і вважаються безперервними, є технічно дискретними; вони просто містять занадто багато енергетичних рівнів, які є занадто близько один до одного, щоб їх можна було окремо вирішити.
Найважливіші смуги називаються зоною провідності та валентною зоною: валентна смуга - це діапазон найвищих рівнів енергії матеріалу в якому електрони присутні при абсолютній нульовій температурі, тоді як зона провідності є найнижчим діапазоном рівнів, що містять незаповнені штатів.
У напівпровідниках та ізоляторах ці смуги розділені енергетичним зазором, який називається смуговий зазор. У напівметалах вони перекриваються. У металах по суті немає різниці між ними.
Коли електрон знаходиться в зоні провідності, він має достатньо енергії, щоб вільно рухатися по матеріалу. Ось як ці матеріали проводять електрику: за рахунок руху електронів у їх смугах провідності. Оскільки валентна зона та зона провідності не мають зазору між собою в металах, металам легко проводити електрику. Матеріали з більшим зазором, як правило, є ізоляторами; важко отримати електрон, достатньо енергії, щоб перестрибнути щілину і потрапити в зону провідності.
Аморфні тверді речовини
Інший тип твердого тіла - це аморфне тверде тіло, яке не має періодичного малюнка. Атоми та молекули всередині аморфних твердих тіл значною мірою дезорганізований. Через це вони мають багато схожості з рідинами і фактично не мають заданої температури плавлення.
Натомість, оскільки відстань між сусідніми атомами або молекулами в структурі змінюється, теплова енергія проходить крізь матеріал нерівномірно. Матеріал повільно плавиться при великому діапазоні температур.
Приклади аморфних твердих речовин включають гуму, скло та пластмасу. Обсидіан та цукрова вата - також приклади аморфних твердих речовин.