Substancje stałe to takie, które mogą tworzyć ciała i mieć objętość. Od cieczy i gazów różnią się kształtem. Ciała stałe zachowują kształt ciała dzięki temu, że ich cząsteczki nie mają możliwości swobodnego poruszania się. Różnią się gęstością, plastycznością, przewodnością elektryczną i kolorem. Mają też inne właściwości. Na przykład większość tych substancji topi się podczas ogrzewania, uzyskując ciekły stan skupienia. Niektóre z nich po podgrzaniu natychmiast zamieniają się w gaz (sublimacja). Ale są też takie, które rozkładają się na inne substancje.
Rodzaje ciał stałych
Wszystkie bryły są podzielone na dwie grupy.
- Amorficzny, w którym poszczególne cząstki są ułożone losowo. Innymi słowy: nie mają jasnej (zdefiniowanej) struktury. Te ciała stałe mogą topić się w określonym zakresie temperatur. Najczęstsze z nich to szkło i żywica.
- Krystaliczne, które z kolei dzielą się na 4 typy: atomowy, molekularny, jonowy, metaliczny. W nich cząstki znajdują się tylko zgodnie z pewnym wzorem, a mianowicie w węzłach sieci krystalicznej. Jego geometria w różnych substancjach może się znacznie różnić.
Substancje stałe krystaliczne przeważają pod względem liczby nad amorficznymi.
Rodzaje krystalicznych ciał stałych
W stanie stałym prawie wszystkie substancje mają strukturę krystaliczną. Różnią się budową. Sieci krystaliczne w swoich węzłach zawierają różne cząstki i pierwiastki chemiczne. Zgodnie z nimi otrzymali swoje imiona. Każdy typ ma specyficzne dla siebie właściwości:
- W atomowej sieci krystalicznej cząsteczki ciała stałego są połączone wiązaniem kowalencyjnym. Wyróżnia się trwałością. Dzięki temu takie substancje mają wysoką temperaturę topnienia i wrzenia. Ten typ obejmuje kwarc i diament.
- W molekularnej sieci krystalicznej wiązanie między cząstkami wyróżnia się słabością. Substancje tego typu charakteryzują się łatwością wrzenia i topnienia. Są lotne, dzięki czemu mają określony zapach. Te ciała stałe obejmują lód i cukier. Ruchy cząsteczek w ciałach stałych tego typu wyróżniają się aktywnością.
- W sieci krystalicznej jonów w węzłach, odpowiednie cząstki są naprzemiennie naładowane dodatnio inegatywny. Są one utrzymywane razem przez przyciąganie elektrostatyczne. Ten rodzaj sieci występuje w alkaliach, solach, zasadowych tlenkach. Wiele tego typu substancji jest łatwo rozpuszczalnych w wodzie. Ze względu na dość silne wiązanie między jonami są one ogniotrwałe. Prawie wszystkie z nich są bezwonne, ponieważ charakteryzują się nielotnością. Substancje z siecią jonową nie są w stanie przewodzić prądu elektrycznego, ponieważ nie zawierają wolnych elektronów. Typowym przykładem jonowego ciała stałego jest sól kuchenna. Taka sieć krystaliczna sprawia, że staje się krucha. Wynika to z faktu, że każda zmiana w nim może prowadzić do pojawienia się sił odpychania jonów.
- W sieci krystalicznej metalu w węzłach znajdują się tylko dodatnio naładowane jony chemiczne. Pomiędzy nimi znajdują się swobodne elektrony, przez które doskonale przepływa energia cieplna i elektryczna. Dlatego każdy metal wyróżnia się taką cechą jak przewodnictwo.
Ogólne koncepcje bryły sztywnej
Ciały stałe i substancje to praktycznie to samo. Terminy te odnoszą się do jednego z 4 stanów agregacji. Ciała stałe mają stabilny kształt i charakter ruchu termicznego atomów. Co więcej, te ostatnie powodują niewielkie oscylacje w pobliżu pozycji równowagi. Dziedzina nauki zajmująca się badaniem składu i struktury wewnętrznej nazywana jest fizyką ciała stałego. Istnieją inne ważne obszary wiedzy dotyczące takich substancji. Zmiana kształtu pod wpływem zewnętrznych wpływów i ruchu nazywana jest mechaniką ciała odkształcalnego.
Ze względu na różne właściwości ciał stałych znalazły zastosowanie w różnych urządzeniach technicznych stworzonych przez człowieka. Najczęściej ich stosowanie opierało się na takich właściwościach jak twardość, objętość, masa, elastyczność, plastyczność, kruchość. Współczesna nauka pozwala na wykorzystanie innych właściwości ciał stałych, które można znaleźć tylko w laboratorium.
Czym są kryształy
Kryształy to ciała stałe z cząsteczkami ułożonymi w określonej kolejności. Każda substancja chemiczna ma swoją własną strukturę. Jego atomy tworzą trójwymiarowy, okresowy układ zwany siecią krystaliczną. Bryły mają różne symetrie strukturalne. Stan krystaliczny ciała stałego jest uważany za stabilny, ponieważ ma minimalną ilość energii potencjalnej.
Zdecydowana większość materiałów stałych (naturalnych) składa się z ogromnej liczby losowo zorientowanych pojedynczych ziaren (krystalitów). Takie substancje nazywane są polikrystalicznymi. Należą do nich stopy i metale techniczne, a także wiele skał. Monokrystaliczny odnosi się do pojedynczych kryształów naturalnych lub syntetycznych.
Najczęściej takie ciała stałe powstają ze stanu fazy ciekłej, reprezentowanej przez stop lub roztwór. Czasami są pozyskiwane ze stanu gazowego. Ten proces nazywa się krystalizacją. Dzięki postępowi naukowemu i technologicznemu procedura hodowli (syntezy) różnych substancji zyskała skalę przemysłową. Większość kryształów ma naturalny kształt w postaci regularnychwielościany. Ich rozmiary są bardzo różne. Tak więc naturalny kwarc (kryształ górski) może ważyć nawet setki kilogramów, a diamenty - nawet kilka gramów.
W amorficznych ciałach stałych atomy stale oscylują wokół losowo rozmieszczonych punktów. Zachowują pewien porządek krótkiego zasięgu, ale nie ma porządku dalekiego zasięgu. Wynika to z faktu, że ich cząsteczki znajdują się w odległości, którą można porównać z ich wielkością. Najczęstszym przykładem takiego ciała stałego w naszym życiu jest stan szklisty. Substancje amorficzne są często uważane za ciecze o nieskończenie wysokiej lepkości. Czas ich krystalizacji jest czasem tak długi, że w ogóle się nie pojawia.
To właśnie powyższe właściwości tych substancji czynią je wyjątkowymi. Amorficzne ciała stałe są uważane za niestabilne, ponieważ z czasem mogą stać się krystaliczne.
Cząsteczki i atomy tworzące ciało stałe są upakowane z dużą gęstością. Praktycznie zachowują swoje wzajemne położenie w stosunku do innych cząstek i są utrzymywane razem dzięki interakcjom międzycząsteczkowym. Odległość między cząsteczkami ciała stałego w różnych kierunkach nazywana jest parametrem sieci. Struktura materii i jej symetria determinują wiele właściwości, takich jak pasmo elektronów, rozszczepienie i optyka. Kiedy do ciała stałego zostanie przyłożona wystarczająco duża siła, cechy te mogą zostać naruszone w takim czy innym stopniu. W takim przypadku ciało stałe podlega trwałej deformacji.
Atomy ciał stałych wykonują ruchy oscylacyjne, które determinują posiadanie przez nie energii cieplnej. Ponieważ są one znikome, można je zaobserwować tylko w warunkach laboratoryjnych. Struktura molekularna ciała stałego ma duży wpływ na jego właściwości.
Badanie ciał stałych
Cechy, właściwości tych substancji, ich właściwości i ruch cząstek są badane przez różne podrozdziały fizyki ciała stałego.
Do badań wykorzystywane są: radiospektroskopia, analiza strukturalna z wykorzystaniem promieni rentgenowskich i inne metody. W ten sposób badane są właściwości mechaniczne, fizyczne i termiczne ciał stałych. Twardość, odporność na obciążenia, wytrzymałość na rozciąganie, przemiany fazowe są badane przez materiałoznawstwo. W dużej mierze odzwierciedla fizykę ciała stałego. Jest jeszcze jedna ważna współczesna nauka. Badania istniejących i synteza nowych substancji są prowadzone przez chemię ciała stałego.
Cechy brył
Natura ruchu zewnętrznych elektronów atomów ciała stałego determinuje wiele jego właściwości, na przykład elektryczne. Istnieje 5 klas takich ciał. Ustawia się je w zależności od rodzaju wiązania atomowego:
- Ionic, którego główną cechą jest siła przyciągania elektrostatycznego. Jego cechy: odbicie i absorpcja światła w zakresie podczerwieni. W niskich temperaturach wiązanie jonowe charakteryzuje się niską przewodnością elektryczną. Przykładem takiej substancji jest sól sodowa kwasu solnego (NaCl).
- Kowalencyjne,realizowane przez parę elektronów, która należy do obu atomów. Takie wiązanie dzieli się na: pojedyncze (proste), podwójne i potrójne. Nazwy te wskazują na obecność par elektronów (1, 2, 3). Wiązania podwójne i potrójne nazywane są wiązaniami wielokrotnymi. Jest jeszcze inny podział tej grupy. Tak więc w zależności od rozkładu gęstości elektronowej rozróżnia się wiązania polarne i niepolarne. Pierwszy składa się z różnych atomów, a drugi jest taki sam. Taki stały stan skupienia, którego przykładem są diament (C) i krzem (Si), wyróżnia się gęstością. Najtwardsze kryształy należą w szczególności do wiązania kowalencyjnego.
- Metaliczny, powstały z połączenia elektronów walencyjnych atomów. W efekcie pojawia się wspólna chmura elektronów, która przemieszcza się pod wpływem napięcia elektrycznego. Wiązanie metaliczne powstaje, gdy związane atomy są duże. Są w stanie oddać elektrony. W wielu metalach i związkach złożonych to wiązanie tworzy stały stan materii. Przykłady: sód, bar, aluminium, miedź, złoto. Spośród związków niemetalicznych można wymienić następujące: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Substancje z wiązaniem metalicznym (metale) mają zróżnicowane właściwości fizyczne. Mogą być płynne (Hg), miękkie (Na, K), bardzo twarde (W, Nb).
- Molekularny, powstający w kryształach, które tworzą pojedyncze cząsteczki substancji. Charakteryzuje się przerwami między cząsteczkami o zerowej gęstości elektronowej. Siły wiążące atomy w takich kryształach są znaczne. Cząsteczki są przyciąganedo siebie tylko przez słabe przyciąganie międzycząsteczkowe. Dlatego wiązania między nimi łatwo ulegają zniszczeniu po podgrzaniu. Wiązania między atomami są znacznie trudniejsze do zerwania. Wiązanie molekularne dzieli się na orientacyjne, dyspersyjne i indukcyjne. Przykładem takiej substancji jest metan w postaci stałej.
- Wodór, który występuje pomiędzy dodatnio spolaryzowanymi atomami cząsteczki lub jej części a najmniejszą ujemnie spolaryzowaną cząsteczką innej cząsteczki lub innej części. Te obligacje obejmują lód.
Właściwości ciał stałych
Co wiemy dzisiaj? Naukowcy od dawna badają właściwości stałego stanu materii. Pod wpływem temperatury zmienia się również. Przejście takiego ciała w ciecz nazywa się topnieniem. Przemianę ciała stałego w stan gazowy nazywamy sublimacją. Gdy temperatura jest obniżona, następuje krystalizacja ciała stałego. Niektóre substancje pod wpływem zimna przechodzą w fazę amorficzną. Naukowcy nazywają ten proces zeszkleniem.
Podczas przemian fazowych zmienia się wewnętrzna struktura ciał stałych. Największe uporządkowanie osiąga wraz ze spadkiem temperatury. Przy ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze T > 0 K wszelkie substancje występujące w przyrodzie zestalają się. Wyjątkiem od tej reguły jest tylko hel, który do krystalizacji wymaga ciśnienia 24 atm.
Stały stan materii nadaje mu różne właściwości fizyczne. Charakteryzują specyficzne zachowanie ciałpod wpływem pewnych pól i sił. Te właściwości są podzielone na grupy. Istnieją 3 sposoby narażenia, odpowiadające 3 rodzajom energii (mechaniczna, termiczna, elektromagnetyczna). W związku z tym istnieją 3 grupy właściwości fizycznych ciał stałych:
- Właściwości mechaniczne związane ze stresem i obciążeniem ciała. Zgodnie z tymi kryteriami ciała stałe dzielą się na sprężyste, reologiczne, wytrzymałościowe i technologiczne. W spoczynku takie ciało zachowuje swój kształt, ale może się zmieniać pod wpływem siły zewnętrznej. Jednocześnie jego deformacja może być plastyczna (początkowa forma nie powraca), elastyczna (powraca do pierwotnej postaci) lub niszcząca (po osiągnięciu pewnego progu następuje rozkład / pęknięcie). Odpowiedź na przyłożoną siłę jest opisana przez moduły sprężystości. Solidny korpus jest odporny nie tylko na ściskanie, rozciąganie, ale także na przesunięcia, skręcanie i zginanie. Siła ciała stałego jest jego właściwością polegającą na odporności na zniszczenie.
- Termiczne, pojawiające się po wystawieniu na działanie pól termicznych. Jedną z najważniejszych właściwości jest temperatura topnienia, w której organizm przechodzi w stan płynny. Obserwuje się to w krystalicznych ciałach stałych. Ciała amorficzne mają utajone ciepło topnienia, ponieważ ich przejście do stanu ciekłego wraz ze wzrostem temperatury następuje stopniowo. Po osiągnięciu określonej temperatury ciało amorficzne traci elastyczność i nabiera plastyczności. Ten stan oznacza, że osiągnął on temperaturę zeszklenia. Po podgrzaniu następuje odkształcenie ciała stałego. I przez większość czasu się rozwija. Ilościowo topaństwo charakteryzuje się pewnym współczynnikiem. Temperatura ciała wpływa na właściwości mechaniczne, takie jak płynność, ciągliwość, twardość i wytrzymałość.
- Elektromagnetyczny, związany z oddziaływaniem na substancję stałą przepływów mikrocząstek i fal elektromagnetycznych o dużej sztywności. Warunkowo odnosi się do nich również właściwości promieniowania.
Struktura strefy
Cały stałe są również klasyfikowane według tak zwanej struktury pasmowej. Tak więc wśród nich wyróżniają:
- Przewodniki, charakteryzujące się nakładaniem się ich pasma przewodnictwa i walencyjnego. W takim przypadku elektrony mogą poruszać się między nimi, otrzymując najmniejszą energię. Wszystkie metale są przewodnikami. Po przyłożeniu różnicy potencjałów do takiego ciała powstaje prąd elektryczny (ze względu na swobodny przepływ elektronów między punktami o najniższym i najwyższym potencjale).
- Dielektryki, których strefy się nie nakładają. Odstęp między nimi przekracza 4 eV. Do przewodzenia elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa potrzeba dużo energii. Ze względu na te właściwości dielektryki praktycznie nie przewodzą prądu.
- Półprzewodniki charakteryzujące się brakiem przewodnictwa i pasm walencyjnych. Odstęp między nimi wynosi mniej niż 4 eV. Aby przenieść elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, potrzeba mniej energii niż w przypadku dielektryków. Czyste (niedomieszkowane i natywne) półprzewodniki nie przepuszczają dobrze prądu.
Ruchy cząsteczek w ciałach stałych determinują ich właściwości elektromagnetyczne.
Innewłaściwości
Ciała stałe są również podzielone według ich właściwości magnetycznych. Istnieją trzy grupy:
- Diamagnesy, których właściwości w niewielkim stopniu zależą od temperatury lub stanu skupienia.
- Paramagnesy wynikające z orientacji elektronów przewodnictwa i momentów magnetycznych atomów. Zgodnie z prawem Curie ich podatność maleje proporcjonalnie do temperatury. Tak więc przy 300 K jest to 10-5.
- Ciała o uporządkowanej strukturze magnetycznej i uporządkowaniu atomów o dalekim zasięgu. W węzłach ich sieci okresowo znajdują się cząstki z momentami magnetycznymi. Takie ciała stałe i substancje są często wykorzystywane w różnych dziedzinach ludzkiej działalności.
Najtwardsze substancje w przyrodzie
Czym one są? Gęstość ciał stałych w dużej mierze decyduje o ich twardości. W ostatnich latach naukowcy odkryli kilka materiałów, które twierdzą, że są „najbardziej wytrzymałym korpusem”. Najtwardszą substancją jest fullerit (kryształ z cząsteczkami fulerenów), który jest około 1,5 raza twardszy od diamentu. Niestety obecnie jest dostępny tylko w bardzo małych ilościach.
Dziś najtwardszą substancją, która może być używana w przyszłości w przemyśle, jest lonsdaleit (diament heksagonalny). Jest o 58% twardszy niż diament. Lonsdaleite to alotropowa modyfikacja węgla. Jego sieć krystaliczna jest bardzo podobna do diamentu. Ogniwo lonsdaleitu zawiera 4 atomy, a diament zawiera 8. Spośród powszechnie stosowanych kryształów diament pozostaje dziś najtwardszy.
