Kristali su čvrste supstance koje imaju uređenu unutrašnju strukturu. Ta struktura se naziva kristalna rešetka i određuje mnoge osobine kristala – od oblika do tačke topljenja.
Kako nastaje kristal?
Zamislimo susret atoma natrijuma (Na) i hlora (Cl):
- Natrijum ima jedan elektron u poslednjem energetskom nivou.
- Hlor ima sedam elektrona u poslednjem nivou i nedostaje mu još jedan da popuni ljusku.
Natrijum „predaje“ svoj elektron hloru:
- Natrijum postaje pozitivni jon (Na⁺).
- Hlor postaje negativni jon (Cl⁻).
Između njih nastaje elektrostatička privlačnost, poznata kao jonska veza.
Ogroman broj ovakvih jona se povezuje, formirajući uređenu strukturu – kristal kuhinjske soli (NaCl). Joni se ređaju tako da se pozitivni i negativni joni smenjuju, stvarajući kockastu kristalnu rešetku.
Vrste kristalnih veza
Kristali mogu nastati:
- Jonskim vezama (npr. NaCl),
- Kovalentnim vezama (npr. dijamant),
- Metalnim vezama (npr. gvožđe),
- Van der Valsovim silama (npr. molekulski kristali).
Osobine kristala
- Imaju uređenu unutrašnju strukturu, što im daje prepoznatljiv spoljašnji oblik.
- Tačka topljenja je jasno definisana, jer sve veze pucaju na istoj temperaturi.
- Krti su – lako pucaju pod udarcem, jer pomeranje slojeva dovodi do odbojnih sila između istih jona.
- Dobro provode toplotu, mogu se precizno obraditi, ali nemaju elastičnost.
Topljenje kristala
Kada dodajemo toplotu kristalu:
- Temperatura raste do tačke topljenja.
- Na tački topljenja temperatura se ne menja, iako dodajemo toplotu – energija se troši na kidanje veza.
- Ova energija se naziva latentna toplota topljenja.
Matematički:
$ Q = \lambda \cdot m $
Gde je:
- $Q$ – toplota potrebna za topljenje (J),
- $\lambda$ – latentna toplota topljenja (J/kg),
- $m$ – masa kristala (kg).
Pothlađenje
Prilikom hlađenja vode dolazi do pojave “pothlađenja”, odnosno hlađenja vode ispod temperature mržnjenja, a da ne dolazi do procesa mržnjenja. Kristalizacija (mržnjenje vode) je proces koji zahteva formiranje “klice”, odnosno prvog kristala, na kojem započinje proces kristalizacije. U prirodi je to najčešće neka nečistoća ili predmet. Ukoliko ne postoji takva “klica”, voda se može ohladiti i na temperaturu nižu od tačke mržnjenja, odnosno ispod 00 C. Primer pothlađene vode je pojava ledene kiše, gde se kiša, pothlađena ispod tačke mržnjenja, ledi u dodiru sa tlom.
Kristali vs amorfne supstance
- Kristali: uređena struktura, jasna tačka topljenja.
- Amorfne supstance (staklo, plastika): nemaju uređenu strukturu, tope se omekšavanjem, bez precizne temperature.
Poseban slučaj – led
Led je jedini kristal koji ima veću zapreminu od svoje tečne faze (vode). Zato:
- Led pluta na vodi.
- Pod pritiskom led prelazi u vodu (npr. klizanje po ledu).
Zašto je led klizav?
Većina čvrstih supstanci prelaskom u tečno stanje povećava svoju zapreminu. Otuda povećan pritisak na takve supstance otežava mogućnost povećanja zapremine (otežava prelazak u tečnu fazu), zbog čega raste tačka topljenja. Ali ovo ne važi za led. Led ima veću zapreminu od vode. Pritisak na led potencira smanjenje zapremine leda, čime se olakšava prelazak leda u vodu (koja ima manju zapreminu nego led), odnosno snižava se tačka toplenja leda. Kada čovek stane na ledenu površinu, vrši pritisak na nju zbog čega se snižava tačka topljenja, te će površina leda iako je temperature ispod 00C, preći u tečno stanje – vodu. Tanak sloj vode između obuće i ledene podloge je uzrok klizavosti leda.
Kako nastaju ledenice?
Težina snega na krovovima stvara dodatni pritisak na sneg koji se nalazi tik uz krov. Ovom sloju snega se stoga snižava tačka topljenja i on se topi, bez obzira što je temperatura niža od 00C. Kada tako nastala voda, krećući se niz strminu krova, izađe van naslaga snega pritisak nestaje, te se temperatura topljenja vraća na 00C, zbog čega se ova voda ponovo ledi i formira ledenice koje vise sa ivice krova. Po istom ovom principu se kreću i glečeri.
Zašto su kristali krti?
Veze u kristalu su uređene elektrostatičke sile. Kada se slojevi pomere, privlačne sile se pretvaraju u odbojne, pa kristal puca.