Trdne snovi: lastnosti, struktura, gostota in primeri

Trdne snovi so tiste, ki so sposobne tvoriti telesa in imeti prostornino. Od tekočin in plinov se razlikujejo po svoji obliki. Solide ohranjajo obliko telesa zaradi dejstva, da se njihovi delci ne morejo prosto gibati. Razlikujejo se po njihovi gostoti, plastičnosti, električni prevodnosti in barvi. Imajo tudi druge lastnosti. Na primer, večina teh snovi se taljenje med segrevanjem, pridobivanje tekočega agregatnega stanja. Nekateri od njih, ko se segrejejo, se takoj spremenijo v plin (sublimno). Vendar pa obstajajo tudi tisti, ki se razgrajujejo v druge snovi.

Vrste trdnih snovi

Vse trdne snovi so razdeljene v dve skupini.

1. Amorfen, v katerem se posamezni delci nahajajo kaotično. Z drugimi besedami: nimajo jasne (definitivne) strukture. Te trdne snovi se lahko talijo v določenem temperaturnem območju. Najpogostejši od njih je mogoče pripisati steklo in smolo.
2. Kristalen, ki je nato razdeljen na 4 vrste: atomski, molekularni, ionski, kovinski. V njih se delci nahajajo le po določeni shemi, in sicer na vozliščih kristalne rešetke. Njegova geometrija v različnih snoveh se lahko zelo razlikuje.

Trdne kristalinične snovi prevladujejo nad amorfno številko.

Vrste kristalnih trdnih snovi

V trdnem stanju imajo skoraj vse snovi kristalno strukturo. Razlikujejo se po svoji strukturi. Kristalne rešetke v vozliščih vsebujejo različne delce in kemične elemente. V skladu z njimi so imeli imena. Vsak tip ima svoje lastnosti:

• V atomski kristalni rešetki so delci trdne snovi vezani s kovalentno vezjo. Odlikuje ga njegova moč. Zaradi tega se takšne snovi razlikujejo po visoki vrednosti tališče in vrenja. Kvarca in diamanta so takšne vrste.
• V molekularni kristalni rešetki se vez med delci razlikuje po svoji šibkosti. Za takšne snovi je značilna enostavnost vretja in taljenja. Razlikujejo se po volatilnosti, zaradi katerih imajo določen vonj. Taka trdna telesa vključujejo led, sladkor. Premiki molekul v takšnih trdnih delcih se razlikujejo po svoji aktivnosti.
• V Ljubljani ionske kristalne rešetke na vozliščih se ustrezni delci izmenično, pozitivno in negativno napolnijo. Zadržujejo jih elektrostatična privlačnost. Ta vrsta mrežice obstaja v alkalijah, soli, osnovni oksidi. Številne snovi te vrste so zlahka topne v vodi. Zaradi precej močne povezave med ioni so neodzivni. Skoraj vsi so brez vonja, saj jih zaznamujejo nestanovitnost. Ionske rešetke ne morejo voditi električnega toka, ker ne vsebujejo prostih elektronov. Tipičen primer ionske trdne snovi je natrijev klorid. Taka kristalna mreža ga naredi krhek. To je posledica dejstva, da lahko katerikoli od njegovih premikov povzroči nastanek ionskih odbojnih sil.
• V rešetki kovinske kristalov so v vozliščih prisotni le ioni kemičnih snovi, ki so pozitivno napolnjeni. Med njimi so prosti elektroni, skozi katere toplotna in električna energija prehaja odlično. Zato se vse kovine v takšni funkciji razlikujejo od prevodnosti.

Splošni koncepti trdne snovi

Trdna telesa in snovi so praktično ista stvar. Ti izrazi so ena od štirih agregatnih stanj. Trdna telesa imajo stabilno obliko in značaj termičnega gibanja atomov. In sledijo majhna nihanja poleg ravnovesnih položajev. Oddelek znanosti, ki se ukvarja s preučevanjem sestave in notranje strukture, se imenuje fizika trdne snovi. Obstajajo tudi druga pomembna področja znanja, ki se ukvarjajo s takšnimi snovmi. Sprememba oblike pri zunanjih vplivih in gibanju se imenuje mehanika deformiranega telesa.

Zaradi različnih lastnosti trdnih snovi so našli aplikacijo v različnih tehničnih napravah, ki jih je ustvaril človek. Najpogosteje so njihove lastnosti temeljile na takšnih lastnostih, kot so trdota, volumen, masa, elastičnost, plastičnost in krhkost. Sodobna znanost omogoča uporabo drugih lastnosti trdnih snovi, ki jih je mogoče odkriti izključno v laboratoriju.

Kaj so kristali?

Kristali so trdne snovi z delci, razporejenimi v določenem vrstnem redu. Vsakemu kemična snov ustreza njegovi strukturi. Njeni atomi tvorijo tridimenzionalno-periodično polaganje, ki se imenuje kristalna mreža. Čvrste snovi imajo drugačno simetrijo strukture. Kristalno stanje trdne snovi velja za stabilno, saj ima minimalno količino potencialne energije.

Velika večina trdnih snovi (naravno) je sestavljena iz ogromnega števila naključno naravnanih posameznih zrn (kristalitov). Takšne snovi imenujemo polikristalinični. Te vključujejo tehnične zlitine in kovine, pa tudi veliko kamnin. Enkratni kristali imenujemo posamezni naravni ali sintetični kristali.

Najpogosteje se takšne trdne snovi tvorijo iz stanja tekoče faze, ki jo predstavlja talina ali raztopina. Včasih so pridobljeni iz plinastega stanja. Ta proces imenujemo kristalizacija. Zahvaljujoč znanstvenemu in tehničnemu napredku je bil postopek industrijskega razvijanja (sintetiziranja) različnih snovi. Večina kristalov ima naravno obliko v obliki redni poliedri. Njihove velikosti so zelo različne. Torej, naravni kremen (rock kristal) lahko tehta do stotine kilogramov, in diamanti - do nekaj gramov.

V amorfnih trdnih delcih so atomi v konstantnem nihanju okoli kaotično razporejenih točk. Obdržijo določen režim kratkega dosega, vendar ni dolgega reda. To je posledica dejstva, da se njihove molekule nahajajo na razdalji, ki jo je mogoče primerjati z njihovo velikostjo. Najpogostejši primer v našem življenju takšne trdne snovi je steklasto stanje. Amorfne snovi pogosto šteje kot tekočina z neskončno visoko viskoznostjo. Čas kristalizacije je včasih tako velik, da se sploh ne pojavlja.

Zgoraj navedene lastnosti teh snovi so edinstvene. Amorfne trdne snovi se štejejo za nestabilne, saj lahko sčasoma preidejo v kristalno stanje.

Molekule in atomi, ki tvorijo trdno snov, so pakirani z visoko gostoto. Praktično ohranjajo svoj medsebojni položaj v primerjavi z drugimi delci in jih držijo skupaj z intermolekularno interakcijo. Razdalja med molekulami trdne snovi v različnih smereh imenujemo parameter kristalne rešetke. Struktura snovi in ​​njena simetrija določata različne lastnosti, kot so elektronska cona, cepitev in optika. Kadar so izpostavljeni trdni snovi z dovolj visoko trdnostjo, se lahko te lastnosti do neke mere kršijo. V tem primeru je trdna snov podvržena stalni deformaciji.

Atomi trdnih snovi opravljajo vibracijske gibe, ki so posledica posedovanja toplotne energije. Ker so zanemarljive, jih je mogoče opazovati le v laboratorijskih pogojih. Molekularna struktura trdna snov močno vpliva na njegove lastnosti.

Študija trdnih snovi

Značilnosti, lastnosti teh snovi, njihova kakovost in gibanje delcev so preučevali v različnih pododdelkih fizike trdne snovi.

Za uporabljeno študijo: radio spektroskopija, strukturna analiza z rentgenskimi žarki in druge metode. Zato preučujemo mehanske, fizikalne in termične lastnosti trdnih snovi. Trdota, odpornost proti obremenitvam, končna trdnost, fazne preobrazbe, študije materialov. V veliki meri se odziva s fiziko trdnih snovi. Obstaja še ena pomembna sodobna znanost. Preiskava obstoječega in sintetiziranja novih snovi poteka s trdno-kemijsko kemijo.

Značilnosti trdnih snovi

Narava gibanja zunanjih elektronov trdnih atomov določa številne njene lastnosti, na primer električne lastnosti. Obstaja 5 razredov takih teles. Ugotovljeni so glede na vrsto vezave atomov:

• Ionski, katerega glavna značilnost je sila elektrostatične privlačnosti. Njene značilnosti: refleksija in absorpcija svetlobe v infrardeči regiji. Pri nizkih temperaturah je ionska vez značilna nizka električna prevodnost. Primer takšne snovi je natrijeva sol klorovodikove kisline (NaCl).
• Covalent, izveden zaradi elektronskega para, ki pripada obema atomoma. To razmerje je razdeljeno na: eno (preprosto), dvojno in trojno. Ta imena označujejo prisotnost elektronskih parov (1, 2, 3). Dvojne in trojne vezi imenujemo večkratnik. Obstaja še ena delitev te skupine. Tako je v odvisnosti od porazdelitve gostote elektronov izolirana polarna in nepolarna vez. Prvi je oblikovan z različnimi atomi, drugi pa isti. Tovrstno trdno snov, katere primere so diamant (C) in silicij (Si), se odlikuje po njeni gostoti. Najtežji kristali pripadajo kovalentni vezi.
• Kovina, nastala s kombiniranjem valenčnih elektronov atomov. Posledično obstaja skupni elektronski oblak, ki se spreminja pod vplivom električne napetosti. Kovinski vezi se tvori, kadar so vezani atomi veliki. Oni so sposobni oddajati elektrone. Za mnoge kovine in kompleksne spojine ta spojina tvori trdno stanje snovi. Primeri: natrij, barij, aluminij, baker, zlato. Od nekovinskih spojin je mogoče opaziti naslednje: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu₅Zn_{8. mesto}. Snovi s kovinsko vezjo (kovine) so raznolike v fizikalnih lastnostih. Lahko so tekoči (Hg), mehki (Na, K), zelo trdi (W, Nb).
• Molekularni, ki nastajajo v kristalih, ki jih tvorijo ločene molekule snovi. Zanj so značilne reže med molekulami z ničelno gostoto elektronov. Cilji vezanja, ki so vezani na take kristale, so pomembni. V tem primeru se molekule privlačijo le s šibko intermolekularno privlačnostjo. Zato se med segrevanjem zlahka uničijo povezave med njimi. Povezave med atomi so veliko bolj zapletene. Molekulska vez je razdeljena na orientacijo, disperzijo in indukcijo. Primer takšne snovi je trdni metan.
• Vodik, ki nastane med pozitivno polariziranimi atomi molekule ali njenega dela in negativno polariziranim najmanjšim delcem druge molekule ali drugega dela. Te povezave vključujejo led.

Lastnosti trdnih snovi

Kaj vemo danes? Znanstveniki že dolgo preučujejo lastnosti trdnega stanja snovi. Ko je temperatura prizadeta, se spremeni tudi. Prehod takšnega telesa v tekočino se imenuje fuzija. Pretvorba trdne snovi v plinasto stanje se imenuje sublimacija. Ker se temperatura znižuje, se strdi. Nekatere snovi pod vplivom hladnega prehoda v amorfno fazo. Ta proces imenujemo vitrifikacija znanstvenikov.

V primeru faznih prehodov se spremeni notranja struktura trdnih snovi. Najvišja urejenost, ki jo pridobi, ko se temperatura spusti. Pri atmosferskem tlaku in temperaturi T> 0 K vse snovi, ki obstajajo v naravi. Samo helij, za kristalizacijo katerega je potreben tlak 24 atm, je izjema od tega pravila.

Trdno stanje snovi ji daje različne fizikalne lastnosti. Označujejo specifično obnašanje teles pod vplivom določenih polj in sil. Te lastnosti so razdeljene v skupine. Obstajajo tri načine izpostavljenosti, ki ustrezajo 3 vrstam energije (mehansko, termično, elektromagnetno). Skladno s tem obstajajo tri skupine fizikalnih lastnosti trdnih snovi:

• Mehanske lastnosti, povezane s stresom in deformacijo teles. Glede na ta merila se trdne snovi delijo na elastične, reološke, močne in tehnološke. V mirovanju takšno telo ohranja svojo obliko, vendar se lahko spremeni pod vplivom zunanje sile. V tem primeru je lahko njegova deformacija plastična (začetni obrazec se ne vrne), elastičen (se vrne v prvotno obliko) ali uniči (pri določenem pragu se zgodi propad / prelom). Odziv na uporabljeno silo opisujejo elastični moduli. Trdno telo se upira ne le stiskanju, raztezanju, ampak tudi premikanjem, zvijanju in upogibanju. Trdnost trdnega telesa se imenuje njegova lastnost, da se upira uničenju.
• Termični, ki se kaže, ko je izpostavljen termičnim poljam. Ena od najpomembnejših lastnosti je tališče, pri katerem telo preide v tekoče stanje. Opazimo jo za kristalne trdne snovi. Amorfna telesa imajo latentno toploto fuzije, ker se njihov prehod v tekoče stanje s povečano temperaturo zgodi postopoma. Ko doseže določeno toploto, amorfno telo izgubi elastičnost in pridobi plastičnost. To stanje pomeni, da doseže temperaturo steklenega prehoda. Pri segrevanju pride do deformacije trdne snovi. In pogosto se širi. Kvantitativno, za to stanje je značilen določen koeficient. Temperatura telesa vpliva na mehanske lastnosti, kot sta fluidnost, duktilnost, trdota in trdnost.
• Elektromagnetna, povezana z vplivom na tokove trdnih snovi iz mikrodelcev in elektromagnetnih valov velike togosti. Za njih se upoštevajo lastnosti sevanja.

Struktura cone

Trde snovi so razvrščene po tirodni strukturi. Torej, med njimi se razlikujejo:

• Provodniki, ki se razlikujejo po tem, da se njihovi prevodni in valenčni pasovi prekrivajo. V tem primeru se lahko elektroni premikajo med seboj, pri čemer dobijo najmanjšo energijo. Prevodniki vključujejo vse kovine. Ko se na takšno telo uporabi možna razlika, se tvori električni tok (zaradi prostega gibanja elektronov med točkami z najmanjšim in največjim potencialom).
• Dielektriki, katerih območja se ne prekrivajo. Interval med njima presega 4 eV. Za prenos elektronov iz valence v prevodno cono je potrebna velika količina energije. Zaradi teh lastnosti dielektrikov praktično ni tekočih tokov.
• Polprevodniki, za katere je značilna odsotnost prevodnih in valenčnih pasov. Interval med njimi je manjši od 4 eV. Za prenos elektronov iz valenčnega pasu v prevodno območje potrebujemo energijo, manjšo kot za dielektriko. Čisti (nedopiran in notranji) polprevodniki slabo prenesejo tok.

Premiki molekul v trdnih delcih povzročajo njihove elektromagnetne lastnosti.

Druge lastnosti

Trdne snovi so tudi podrejene glede na njihove magnetne lastnosti. Obstajajo tri skupine:

• Diamagneti, katerih lastnosti so malo odvisne od temperature ali agregacije.
• Paramagneti, ki so posledica usmeritve prevodnih elektronov in magnetnih momentov atomov. Po zakonu Curie se njihova občutljivost zmanjšuje sorazmerno temperaturi. Tako je pri 300 K 10^-5.
• Telesa z urejeno magnetno strukturo z dolgim ​​razponom atomov. Na vozliščih njihovih mrež se občasno nahajajo delci z magnetnimi momenti. Takšne trdne snovi in ​​snovi se pogosto uporabljajo na različnih področjih človeške dejavnosti.

Najbolj trdne snovi v naravi

Kaj so oni? Gostota trdnih delcev v veliki meri določa njihovo trdoto. V zadnjih letih so znanstveniki odkrili več materialov, ki trdijo, da so "najnevarnejše telo". Najtežja snov je fulerit (kristal s molekulami fulerena), kar je približno 1,5-krat trše kot diamant. Na žalost je še vedno na voljo le v zelo majhnih količinah.

Do danes je najbolj trdna snov, ki se kasneje lahko uporablja v industriji, lonsdaleit (šesterokotni diamant). 58% je težje kot diamant. Lonsdale je alotropna sprememba ogljika. Njegova kristalna mreža je zelo podobna diamantni rešetki. Celica Lonsdaleit vsebuje 4 atome, diamant - 8. Od kristalov, ki se pogosto uporabljajo, je danes najtežje diamant.