Katı Hâl Kimyası

Katıların Sınıflandırılması

• Kristal katılar: Tanecikleri düzenli, tekrarlanan üç boyutlu örgü oluşturur; keskin erime noktası vardır; anizotroptur (bazı özellikleri yöne bağlıdır).
• Amorf katılar: Uzun mesafeli düzen yoktur (cam, plastik, kauçuk); belirli bir erime noktası yerine geniş bir sıcaklık aralığında yumuşar; izotroptur.
• Kristal katı türleri: İyonik (NaCl; yüksek erime noktası, kırılgan, eriyikte iletken), kovalent ağ (atomik) (elmas, SiO₂, SiC; çok sert, çok yüksek erime noktası), moleküler (buz, I₂, CO₂ katısı; zayıf etkileşimler, düşük erime noktası), metalik (Cu, Fe; iletken, dövülebilir).

Kristal Yapılar ve Birim Hücre

• Kristal örgü ve birim hücre: Örgünün tekrarlanan en küçük birimi birim hücredir. 7 kristal sistemi ve 14 Bravais örgüsü vardır (kübik, tetragonal, ortorombik, hegzagonal, trigonal/rombohedral, monoklinik, triklinik).
• Kübik birim hücreler ve atom sayıları: Köşedeki atom 1/8, yüzey merkezindeki 1/2, kenardaki 1/4, hücre içindeki 1 birim hücreye aittir.
  • Basit kübik: 1 atom; koordinasyon sayısı 6; doluluk oranı ≈ %52 (a = 2r).
  • Hacim merkezli kübik (bcc): 2 atom; koordinasyon sayısı 8; doluluk ≈ %68 (Na, K, Fe(α), Cr, W).
  • Yüzey merkezli kübik (fcc) / kübik sıkı istif (ccp): 4 atom; koordinasyon sayısı 12; doluluk ≈ %74 (Cu, Ag, Au, Al, Ni).
  • Hegzagonal sıkı istif (hcp): koordinasyon sayısı 12; doluluk ≈ %74 (Mg, Zn, Ti). Sıkı istifte katman dizilişi ccp'de ABCABC, hcp'de ABAB.
• Yoğunluk hesabı: d = (Z·M)/(N_A·a³) (Z: birim hücredeki tanecik sayısı, a: kenar uzunluğu).
• Boşluklar: Sıkı istifte oktahedral ve tetrahedral boşluklar; n atomlu sıkı istifte n oktahedral, 2n tetrahedral boşluk vardır.

İyonik Kristal Yapıları

• NaCl (kaya tuzu): fcc Cl⁻ örgüsünde Na⁺ oktahedral boşluklarda; koordinasyon 6:6; birim hücrede 4 NaCl.
• CsCl: Basit kübik; koordinasyon 8:8 (bcc değildir, iki farklı iyon).
• ZnS (çinko blend) 4:4 tetrahedral; CaF₂ (florit) 8:4.
• Yarıçap oranı kuralı (r⁺/r⁻): 0,225-0,414 tetrahedral (4), 0,414-0,732 oktahedral (6), > 0,732 kübik (8) koordinasyon.

Kristal Kusurları

• Nokta kusurları: Schottky kusuru (eşit sayıda katyon ve anyon boşluğu; yoğunluk azalır; NaCl), Frenkel kusuru (iyonun örgü noktasından ara konuma geçmesi; yoğunluk değişmez; AgCl, AgBr), ara yer ve yer değiştirme safsızlıkları.
• Çizgisel (dislokasyon) ve yüzeysel kusurlar metallerin plastik deformasyonunu açıklar.
• Katkılama (doping): Yarı iletkenlere safsızlık eklenmesi; Si'ye P (5A) eklenirse n-tipi (fazla elektron), B (3A) eklenirse p-tipi (elektron boşluğu, deşik) yarı iletken.

Elektronik Özellikler: Bant Teorisi

• Atom orbitalleri katıda birleşerek enerji bantları oluşturur: değerlik bandı ve iletkenlik bandı; aradaki enerji aralığı yasak bant (bant aralığı).
• İletkenler: Bantlar çakışır ya da değerlik bandı kısmen doludur; sıcaklık artınca iletkenlik azalır.
• Yarı iletkenler: Bant aralığı küçüktür (Si ≈ 1,1 eV); sıcaklık artınca iletkenlik artar. p-n eklemi diyot, transistör, LED ve güneş pillerinin temelidir.
• Yalıtkanlar: Bant aralığı büyüktür (elmas ≈ 5,5 eV).
• Süper iletkenler: Kritik sıcaklığın altında direnç sıfır; Meissner etkisi (manyetik alanı dışlama).

Diğer Konular

X ışını kırınımı ve Bragg yasası (2d sin θ = nλ) ile kristal yapı tayini; allotropi ve polimorfizm (karbonun elmas, grafit, fulleren biçimleri); sıvı kristaller (LCD); nanomalzemeler (yüzey/hacim oranının büyük olması); seramikler, polimerler ve kompozit malzemeler; manyetik özellikler (diyamanyetik, paramanyetik, ferromanyetik, antiferromanyetik).