Cristall

Un cristall és una forma sòlida, en què els constituents, àtoms, molècules, o ions,^[1] estan empaquetats de manera ordenada i amb patrons de repetició que s'estenen en les tres dimensions espacials. La cristal·lografia és l'estudi dels cristalls i de la seva formació (cristal·logènesi).

Cristall i vidre

Mentre que el terme cristall té un significat precís dins de la ciència i enginyeria, col·loquialment es fa servir com a sinònim de vidre, el qual per la seva natura és l'antítesi dels cristalls a què es refereix la física de l'estat sòlid. En la majoria dels casos, per a fabricar aquests materials vitris cal refredar un fluid molt ràpidament de manera que els àtoms no puguin viatjar als seus llocs d'enreixat abans que perdin la mobilitat. Aquests materials no cristal·lins, que no tenen cap ordre de llarg abast, s'anomenen sòlids amorfs o vidriosos. L'exemple més conegut d'aquesta mena de materials és el vidre, però n'existeixen molts més.

Formació natural espontània

Les diverses formes de tals cristalls es troben en la natura. La forma d'aquests cristalls és dependent del tipus d'enllaços moleculars entre els àtoms per determinar l'estructura, així com de les condicions sota les quals s'han format. Els flocs de neu, els diamants i la sal són exemples comuns de cristalls.

Les substàncies poden formar cristalls quan sofreixen un procés de solidificació, ja sigui pel pas de líquid a sòlid, de gas a sòlid o per la precipitació d'una dissolució saturada. Sota condicions ideals, el resultat pot ser un cristall senzill, on tots els àtoms en el sòlid caben al mateix enreixat o estructura cristal·lina, però, generalment, molts cristalls es formen simultàniament durant la solidificació, portant a un sòlid policristal·lí. La majoria dels metalls que es troben en la vida diària són policristalls. Els cristalls creixen junts simètricament formant parelles bessones.

Quina estructura cristal·lina formarà el fluid dependrà de la substància química del fluid, les condicions sota les quals s'està solidificant, i també de la pressió ambiental. Al procés de formació d'una estructura cristal·lina se'l coneix amb el nom de cristal·lització.

Síntesi

Les estructures cristal·lines ocorren en totes les classes de materials, amb tots els tipus d'enllaços químics. Gairebé tots el metalls existeixen en un estat policristal·lí; els metalls amorfs o monocristal·lins s'han de produir sintèticament, sovint amb gran dificultat. Els cristalls amb enllaços iònics es poden formar bé des d'un fluid fos o per precipitació d'una dissolució.

Els cristalls amb enllaç covalent són també molt comuns, exemples notables en són el diamant, la sílice, i el grafit. Els materials de polímer generalment formaran regions cristal·lines, però les llargades de les molècules normalment eviten una completa cristal·lització. Les forces més dèbils de Van der Waals també poden tenir un paper important en una estructura cristal·lina; per exemple, aquest tipus d'enllaç dèbil manté unides les capes hexagonals del grafit i expliquen la seva tendència a l'exfoliació.

Defectes

La majoria dels cristalls tenen una varietat de defectes cristal·logràfics, que apareixen per causes diverses: deformacions mecàniques, refredament excessivament ràpid, defectes produïts per la radiació, impureses, etc.

Els defectes més comuns són els puntuals (incloent els topològics), de línia, de massa, el defecte de Frenkel, en el qual un ió és desplaçat des del seu lloc a la xarxa a un dels espais intersticials o entre els àtoms a la xarxa, i el defecte de Schottky, en el qual dos ions de signes oposats deixen la xarxa.

Els tipus i les estructures dels defectes poden tenir un efecte profund sobre les propietats dels materials.

Exemples de sòlids moleculars

Diverses classes de sòlids moleculars es poden distingir (vegeu taula de la dreta). La gran majoria dels sòlids moleculars es pot atribuir als compostos orgànics que contenen carboni i hidrogen, com ara hidrocarburs (C_nH_m) i diamantoides, [12] [13] molècules esfèriques que consisteixen en un nombre diferent d'àtoms de carboni, és a dir, els ful·lerens, són una altra classe important. Menys nombrosos, els sòlids moleculars, encara distintius, són halògens (per exemple Cl2) i els seus compostos amb hidrogen (HCl), així com calcògens de llum (O2) i el grup del nitrogen (N2).

Propietats

La debilitat de les forces intermoleculars es tradueix en baixes temperatures de fusió dels sòlids moleculars. Atès que el punt de fusió característic dels metalls i els sòlids iònics és d'aproximadament de 1.000 °C, la majoria dels sòlids de fos molecular són molt per sota de 300 °C, de manera que moltes substàncies corresponents són ja sigui líquid (gel) o gasós (oxigen) a temperatura ambient. [1] Els sòlids moleculars també tenen relativament baixa densitat i duresa. Això és a causa dels elements de llum implicats i d'enllaços intermoleculars relativament llargs, i per tant febles. A causa de la neutralitat de càrrega de les molècules constituents i de llarga distància entre si, els sòlids moleculars són aïllants elèctrics. [2]

Les tendències poden il·lustrar-se en exemples de diferents al·lòtrops del fòsfor. El fòsfor blanc, un sòlid molecular, té una densitat relativament baixa d'1,82 g/cm3 i un punt de fusió de 44,1 °C; es tracta d'un material tou que es pot tallar amb un ganivet. Quan es converteix en el fòsfor vermell covalent, la densitat va a 2.2 a 2.4 g/cm³ i el punt de fusió a 590 °C, i quan el fòsfor blanc es transforma en el (també covalent) fòsfor negre, la densitat esdevé 2,69-3,8 g/cm³ i la temperatura de fusió ~ 200 °C. Les dues formes de fòsfor vermell i negre són significativament més dures que el fòsfor blanc, [3] el fòsfor blanc és un aïllant, l'al·lòtrop negre, que consisteix en capes que s'estenen sobretot en el vidre, no condueix l'electricitat. [4] [5]

La conductivitat de sòlids moleculars es pot il·lustrar en exemple de ful·lerè. El seu sòlid és un aïllant, perquè tots els electrons de valència dels àtoms de carboni estan implicats en els enllaços covalents dins de les molècules de carboni individuals. No obstant això, la inserció (intercalació) d'àtoms de metall alcalí entre les molècules de ful·lerè proporciona electrons addicionals, que poden ser ionitzats fàcilment dels àtoms de metall i fan material conductor i fins i tot superconductors. [6]

Galeria

L'estructura cristal·lina del gel hexagonal. Les línies discontínues grises indiquen els enllaços d'hidrogen
La cel·la unitària de sòlids [diòxid de carboni], un sòlid que conté CO₂ molecular
Model de la molècula de sacarosa
Gel
Petites boletes de sublimació del gel sec en l'aire
Iode cristal·lí
Cristalls [sacarosa]
Cristalls de ful·lerè