توضیح جامدهای کریستالی در شیمی

ما هر روز جامدهای بلوری مختلفی مثل شکر و نمک را مصرف می‌کنیم. این بلورها واقعاً با ترکیب کریستال‌های ریز فراوان ایجاد می‌شوند. در اینجا ما تعریف اصلی جامدهای بلوری و ویژگی‌های متعدد آنها را برای شما آورده‌ایم و انواع مختلف جامدهای کریستالی را به طور خلاصه توضیح می‌دهیم.

همه را خبر کنید! انسولین در فضا!

کریستال های بسیار ریز انسولین در فضا رشد می‌کنند؛ این کریستال‌ها وضوح بسیاری زیادی از ساختار هورمون به دانشمندان می‌دهند تا این که بتوان ساختار آن را بهتر درک کرد و باعث ظهور روش درمانی موثرتر برای دیابت شد. آنها امید دارند که داروی چنان موثری تولید کنند که بیماران از هر سه روز به جای سه بار در روز، به تزریق انسولین نیاز پیدا کنند!
در شیمی، ماده می‌تواند به چهار حالت مختلف وجود داشته باشد؛ جامد، مایع، گاز و پلاسما. در جامد، اتم‌ها، مولکول‌ها و یون‌هایی که آن را تشکیل می‌دهند به خاطر نیروهای جاذب قوی بین آنها، در وضعیت ثابتی قرار می‌گیرند. هر جامد سفتی ویژه‌ی خود را دارد و در مقابل تغییر شکل خود، وقتی که کمی فشار به آن اعمال می‌شود، مقاومت می‌کند. آنها دوست دارند شکل و حجم مشخص خود را حفظ کنند.
جامد کریستالی می‌تواند به صورت قرار گیری و آرایش اتم‌ها، مولکول‌ها و یا یون‌های تشکیل دهنده،‌ در حالت بسیار مشخص در فضای سه بعدی، تعریف شود. آنها نوع شبکه‌ای آرایش را به نام شبکه‌ی کریستالی تشکیل می‌دهند. می‌توان تصور کرد که آنها همانند یک سری جعبه (به نام سلول‌های واحد) هستند که در کنار یک دیگر در فضای سه بعدی قرار گرفته‌اند.

ویژگی‌های جامدهای بلوری و کریستالی :

جامدهای کریستالی معمولاً بسیار پایدار هستند – انرژی آزاد گیبس این جامدها بسیار کم است. انرژی شبکه‌ی آنها بسیار بالا است (آن انرژی که برای تشکیل شبکه داده می‌شود). در نتیجه انرژی بسیار زیادی برای شکستن ساختار شبکه‌ی جامدها (گرمای نهان ذوب) لازم است.
برخی اتم‌ها که مولکول‌های جامد کریستالی را تشکیل می‌دهند قادر به کریستالی شدن به روشی هستند که ممکن است منجر به ظهور بیش از یک ساختار کریستالی شوند. این موضوع به خاطر آرایش‌های فضایی متفاوت همان اتم‌ها، رخ می‌دهد و پلی مورفیسم یا آلوتروپی جامدهای کریستالی نامیده می‌شود. ‌
این جامدها ویژگی انیزوتروپی را از خود نشان می‌دهند (انیزوتروپی خاصیتی از ماده است که ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی مختلف مثل جذب، ضریب شکست، استحکام کششی و غیره را در جهات مختلف، از خود نشان می‌دهد).
این جامدها دمای ویژه‌ای دارند که در آن دما ذوب می‌شوند و گفته می‌شود نقطه‌ی ذوب تیزی دارند. این به خاطر این است که اتم‌ها به حالتی قرار می‌گیرند که فواصل مساوی از اتم‌های مجاور و همسایه‌ی خود داشته باشند و نیروی اندر کنش بین تمام اتم‌ها دقیقاً یکسان باشد.
این جامدها ساختار منظمی دارند و تمایل دارند که خود را در فاصله‌های مساوی تکرار کنند. در نتیجه می‌توان گفت که قرار گیری و آرایش اتم‌ها درون جامدهای کریستالی، پریودی و متناوب است. این واحدهای تکرار شونده ساختار مشخصی دارند و سلول‌های واحد نامیده می‌شوند. می‌توان گفت که آنها کوچک‌ترین واحد جامد کریستالی و بلوری هستند.
کریستال‌ها معمولاً ساختارهای میکروسکوپی هستند و آنهایی که برای ما قابل مشاهده هستند معمولاً به خاطر ذوب و گداخت این کریستال‌ها است تا ساختار چند بلوری و چند کریستالی را تشکیل دهند. با این که چند بلوری‌ها از کریستال‌های زیادی تشکیل می‌شوند اما نمی‌توانند کریستال‌های حقیقی در نظر گرفته شوند چون آرایش و قرار گیری اتم‌ها، در حالت متناوب نیست.
جامدهای کریستالی ساختار داخلی متمایزی دارند که منجر به تمایز صفحات و یا وجه‌های صاف و مسطح می‌شوند؛ زوایایی که در آنها این صفحات هم دیگر را قطع می‌کنند، ویژگی ذاتی جامد هستند. بسته به این موضوع، آنها می‌توانند به صورت منتظم (آنهایی که صفحات خوب - شکل گرفته دارند)، نیمه منتظم (آنهایی که تا حدودی سطوح صاف دارند) و نامنتظم (آنهایی که صفحات خوب شکل گرفته ندارند) طبقه بندی شوند.
وقتی یک جامد کریستالی شکافته می‌شود در طول صفحات تعریف شده می‌شکند و موجب ظهور وجه‌های جدید می‌شود. این وجه‌ها در همان زوایای جامد اصلی، هم دیگر را قطع می‌کنند.

انواع جامدهای کریستالی :

این جامدها می‌توانند به چهار نوع طبقه بندی شوند :

جامدهای بلوری فلزی :

اینها اتم‌های فلزی با آرایش فضایی ویژه، دارند که سلول‌های واحد را تشکیل می‌دهند. فلزات تمایل دارند که الکترون‌های ظرفیت بیرونی خود را به آسانی از دست بدهند و منجر به ظهور الکترون‌های غیر مستقر و یون‌های با بار مثبت و یا کاتیون‌ها بشوند. این الکترون‌های غیر مستقر قادر به حرکت در طول فلز هستند. نیروهای بین اتمی که این اتم‌ها را کنار هم نگه می‌دارند، پیوندهای فلزی نامیده می‌شوند.

ویژگی‌ها :

آنها ساختار صلبی مناسب را حفظ می‌کنند اما سختی آنها می‌تواند متفاوت باشد.
نقطه‌ی ذوب فلزات به جز چند استثنا، معمولاً بسیار بالا است.
آنها براق، چکش خوار و شکل پذیر هستند.
آنها رساناهای خوب گرما و الکتریسیته هستند.
مثال : قلع، آلومینیوم، آهن، طلا، مس و غیره.

جامدهای بلوری یونی :

در این جامدها، هر سلول واحد از یک کاتیون که توسط تعدادی از آنیون‌ها احاطه شده و یک آنیون که توسط تعدادی از کاتیون‌ها احاطه شده، تشکیل یافته است. نیروهای بین مولکولی که این اتم‌ها را کنار هم نگه می‌دارند، نیروهای جاذبه‌ی الکترو استاتیک هستند.

ویژگی‌ها :

آنها ساختار صلبی مناسب خود را حفظ می‌کنند که معمولاً سخت است.
نقطه‌ی ذوب آنها معمولاً متوسط تا بسیار بالا است.
اینها در حالت جامد، رساناهای بد گرما و الکتریسیته هستند.
آنها در حلال‌های قطبی مثل آب، قابل انحلال هستند.
مثال : NaCl، MgO، NaNO_3 و غیره.

جامدهای کریستالی مولکولی :

اینها می‌توانند به صورت زیر طبقه بندی شوند :
قطبی : در اینجا مولکول‌هایی که هر سلول واحد را می‌سازند ذاتاً قطبی هستند یعنی مثلاً این مولکول‌ها بار مثبت و منفی نسبی دارند. نیروهای جاذبه‌ی بین مولکولی که در اینجا حضور دارند، نیروهای جاذبه‌ی دو قطبی – دو قطبی هستند.

ویژگی‌ها :

آنها سختی کمی دارند.
آنها رساناهای بد گرما و الکتریسیته هستند.
نقطه‌ی ذوب آنها پایین است (در دمای اتاق به صورت مایع یا گاز هستند) اما نقطه‌ی ذوب آنها بیشتر از نقطه‌ی ذوب جامدهای کریستالی غیر قطبی است.
مثال : HCl، SO_2، CHCl_3
غیر قطبی : اینها می‌توانند مولکول‌ها و یا اتم‌های غیر قطبی باشند که هر سلول واحد را می‌سازند. نیروهای جاذبه‌ی بین مولکولی بین آنها نیروهای وان در والس و نیروهای پراکندگی لاندون هستند. این نیروها بسیار ضعیف هستند و موجب بروز ویژگی‌های فیزیکی زیر می‌شوند.

ویژگی‌ها :

آنها ذاتاً نرم هستند.
آنها رساناهای بد گرما و الکتریسیته هستند.
آنها نقطه‌ی ذوب و نقطه‌ی جوش بسیار پایینی دارند.
پیوندهای هیدروژنی : در این جامدها، مولکول‌هایی که سلول‌های واحد را تشکیل می‌دهند مولکول‌های قطبی هستند که شامل یا هیدروژن، اکسیژن، فلوئور و یا نیتروژن هستند. پیوندهای هیدروژنی، نیروهای جاذبه‌ای هستند که مولکول‌ها را کنار هم نگه می‌دارند.

ویژگی‌ها :

آنها نقطه‌ی ذوب متوسط تا پایینی دارند.
آنها در حلال‌هایی که پیوندهای هیدروژنی دارند، قابل انحلال هستند.
مثال : H_2 O، NH_3، HF و غیره.
جامدهای کریستالی شبکه‌ای و یا کوالانت :
در این جامدها، اتم‌هایی که هر سلول واحد را می‌سازند، به کمک پیوندهای کوالانسی به سلول مجاور متصل می‌شوند. اتم‌ها، شبکه‌ی بزرگی از پیوندهای کووالانسی را که در طول مولکول گسترده شده‌اند، تشکیل می‌دهند. این امر موجب ظهور مولکول بزرگ می‌شود.