Čvrste supstance su one koje su u stanju da formiraju tela i imaju zapreminu. Od tečnosti i gasova se razlikuju po svom obliku. Čvrste tvari zadržavaju oblik tijela zbog činjenice da se njihove čestice ne mogu slobodno kretati. Razlikuju se po svojoj gustoći, plastičnosti, električnoj provodljivosti i boji. Imaju i druge nekretnine. Tako se, na primjer, većina ovih supstanci topi tijekom zagrijavanja, dobijajući tečno agregacijsko stanje. Neki od njih, kada se zagreju, odmah prelaze u gas (sublimat). Ali ima i onih koje se razlažu u druge supstance.
Vrste čvrste materije
Sve čvrste materije su podeljene u dve grupe.
- Amorfna, u kojoj su pojedinačne čestice raspoređene nasumično. Drugim riječima: nemaju jasnu (definiranu) strukturu. Ove čvrste materije se mogu topiti unutar određenog temperaturnog raspona. Najčešći od njih uključuju staklo i smolu.
- Kristalni, koji se, pak, dijele na 4 tipa: atomski, molekularni, jonski, metalni. U njima se čestice nalaze samo prema određenom uzorku, naime, na čvorovima kristalne rešetke. Njegova geometrija u različitim supstancama može značajno varirati.
Čvrste kristalne supstance po svom broju prevladavaju nad amorfnim.
Vrste kristalnih čvrstih materija
U čvrstom stanju, skoro sve supstance imaju kristalnu strukturu. Razlikuju se po svojoj strukturi. Kristalne rešetke u svojim čvorovima sadrže različite čestice i hemijske elemente. Po njima su i dobili imena. Svaki tip ima svojstva specifična za njega:
- U atomskoj kristalnoj rešetki, čestice čvrste supstance vezane su kovalentnom vezom. Ističe se po svojoj izdržljivosti. Zbog toga takve tvari imaju visoku točku topljenja i ključanja. Ova vrsta uključuje kvarc i dijamant.
- U molekularnoj kristalnoj rešetki, veza između čestica se razlikuje po svojoj slabosti. Supstance ove vrste odlikuju se lakoćom ključanja i topljenja. Isparljivi su, zbog čega imaju određeni miris. Ove čvrste materije uključuju led i šećer. Kretanja molekula u čvrstim tvarima ove vrste razlikuju se po njihovoj aktivnosti.
- U ionskoj kristalnoj rešetki na čvorovima, odgovarajuće čestice se izmjenjuju, pozitivno nabijene inegativan. Drže ih zajedno elektrostatička privlačnost. Ova vrsta rešetke postoji u alkalijama, solima, bazičnim oksidima. Mnoge supstance ove vrste su lako rastvorljive u vodi. Zbog prilično jake veze između jona, oni su vatrostalni. Gotovo svi su bez mirisa, jer ih karakterizira neisparljivost. Supstance sa jonskom rešetkom ne mogu da provode električnu struju, jer ne sadrže slobodne elektrone. Tipičan primjer jonske čvrste supstance je kuhinjska so. Takva kristalna rešetka čini ga krhkim. To je zbog činjenice da svaki pomak u njemu može dovesti do pojave sila odbijanja jona.
- U metalnoj kristalnoj rešetki na čvorovima postoje samo pozitivno nabijeni hemijski joni. Između njih se nalaze slobodni elektroni kroz koje toplotna i električna energija savršeno prolaze. Zato se svi metali razlikuju po osobini kao što je provodljivost.
Opći koncepti krutog tijela
Čvrste materije i supstance su praktično ista stvar. Ovi termini se odnose na jedno od 4 stanja agregacije. Čvrste tvari imaju stabilan oblik i prirodu toplinskog kretanja atoma. Štaviše, potonji prave male oscilacije u blizini ravnotežnih pozicija. Grana nauke koja se bavi proučavanjem kompozicije i unutrašnje strukture naziva se fizika čvrstog stanja. Postoje i druge važne oblasti znanja koje se bave takvim supstancama. Promjena oblika pod vanjskim utjecajima i kretanjem naziva se mehanika deformabilnog tijela.
Zbog različitih svojstava čvrstih materija, našli su primenu u raznim tehničkim uređajima koje je stvorio čovek. Najčešće se njihova upotreba zasnivala na osobinama kao što su tvrdoća, volumen, masa, elastičnost, plastičnost, krhkost. Moderna nauka dozvoljava upotrebu drugih kvaliteta čvrstih materija koje se mogu naći samo u laboratoriji.
Šta su kristali
Kristali su čvrsta tijela sa česticama raspoređenim u određenom redoslijedu. Svaka hemijska supstanca ima svoju strukturu. Njegovi atomi formiraju trodimenzionalni periodični raspored koji se naziva kristalna rešetka. Čvrste tvari imaju različite strukturne simetrije. Kristalno stanje čvrste tvari smatra se stabilnim jer ima minimalnu količinu potencijalne energije.
Velika većina čvrstih materijala (prirodnih) sastoji se od ogromnog broja nasumično orijentiranih pojedinačnih zrna (kristalita). Takve tvari se nazivaju polikristalne. To uključuje tehničke legure i metale, kao i mnoge stijene. Monokristalni se odnosi na pojedinačne prirodne ili sintetičke kristale.
Takve čvrste materije najčešće nastaju iz stanja tečne faze, predstavljene topljenjem ili rastvorom. Ponekad se dobijaju iz gasovitog stanja. Ovaj proces se naziva kristalizacija. Zahvaljujući naučnom i tehnološkom napretku, postupak uzgoja (sinteze) različitih supstanci je dobio industrijske razmjere. Većina kristala ima prirodan oblik u obliku pravilnogpoliedri. Njihove veličine su veoma različite. Dakle, prirodni kvarc (gorski kristal) može težiti i do stotine kilograma, a dijamanti - do nekoliko grama.
U amorfnim čvrstim materijama, atomi su u konstantnoj oscilaciji oko nasumično lociranih tačaka. Oni zadržavaju određeni poredak kratkog dometa, ali ne postoji poredak na daljinu. To je zbog činjenice da se njihovi molekuli nalaze na udaljenosti koja se može usporediti s njihovom veličinom. Najčešći primjer takve čvrste tvari u našem životu je staklasto stanje. Amorfne supstance se često smatraju tečnostima beskonačno visokog viskoziteta. Vrijeme njihove kristalizacije je ponekad toliko dugo da se uopće ne pojavljuju.
Navedena svojstva ovih supstanci čine ih jedinstvenim. Amorfne čvrste materije se smatraju nestabilnim jer mogu postati kristalne tokom vremena.
Molekuli i atomi koji čine čvrstu supstancu su spakovani u velikoj gustini. Oni praktično zadržavaju svoj međusobni položaj u odnosu na druge čestice i drže se zajedno zbog međumolekularne interakcije. Udaljenost između molekula čvrste tvari u različitim smjerovima naziva se parametar rešetke. Struktura materije i njena simetrija određuju mnoga svojstva, kao što su elektronski pojas, cijepanje i optika. Kada se na čvrstu materiju primeni dovoljno velika sila, ovi kvaliteti mogu biti narušeni u jednom ili drugom stepenu. U ovom slučaju, čvrsto tijelo je podložno trajnoj deformaciji.
Atomi čvrstih tijela vrše oscilatorna kretanja, koja određuju njihovo posjedovanje toplinske energije. Pošto su zanemarljive, mogu se posmatrati samo u laboratorijskim uslovima. Molekularna struktura čvrste supstance u velikoj meri utiče na njena svojstva.
Proučavanje čvrstih materija
Karakteristike, svojstva ovih supstanci, njihove kvalitete i kretanje čestica proučavaju različiti pododjeljci fizike čvrstog stanja.
Za studije se koriste: radiospektroskopija, strukturna analiza pomoću rendgenskih zraka i druge metode. Na ovaj način se proučavaju mehanička, fizička i toplinska svojstva čvrstih tijela. Nauka o materijalima proučava tvrdoću, otpornost na opterećenje, vlačnu čvrstoću, fazne transformacije. U velikoj mjeri odražava fiziku čvrstog stanja. Postoji još jedna važna moderna nauka. Proučavanje postojećih i sinteza novih supstanci vrši se hemijom čvrstog stanja.
Karakteristike čvrstih materijala
Priroda kretanja vanjskih elektrona atoma čvrste tvari određuje mnoga njena svojstva, na primjer, električna. Postoji 5 klasa takvih tijela. Postavljaju se ovisno o vrsti atomske veze:
- Jonski, čija je glavna karakteristika sila elektrostatičke privlačnosti. Njegove karakteristike: refleksija i apsorpcija svjetlosti u infracrvenom području. Na niskim temperaturama, ionsku vezu karakterizira niska električna provodljivost. Primjer takve supstance je natrijeva so hlorovodonične kiseline (NaCl).
- Covalent,vrši elektronski par koji pripada oba atoma. Takva veza se dijeli na: jednostruku (jednostavnu), dvostruku i trostruku. Ovi nazivi ukazuju na prisustvo parova elektrona (1, 2, 3). Dvostruke i trostruke veze nazivaju se višestrukim vezama. Postoji još jedna podjela ove grupe. Dakle, u zavisnosti od distribucije elektronske gustine, razlikuju se polarne i nepolarne veze. Prvi je formiran od različitih atoma, a drugi je isti. Takvo čvrsto stanje materije, čiji su primjeri dijamant (C) i silicijum (Si), odlikuje se svojom gustinom. Najtvrđi kristali pripadaju kovalentnoj vezi.
- Metalik, formiran kombinovanjem valentnih elektrona atoma. Kao rezultat, pojavljuje se zajednički elektronski oblak, koji se pomiče pod utjecajem električnog napona. Metalna veza nastaje kada su povezani atomi veliki. Oni su sposobni donirati elektrone. U mnogim metalima i kompleksnim jedinjenjima, ova veza formira čvrsto stanje materije. Primeri: natrijum, barijum, aluminijum, bakar, zlato. Od nemetalnih jedinjenja mogu se primetiti sledeće: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Supstance s metalnom vezom (metali) su različite po svojim fizičkim svojstvima. Mogu biti tečni (Hg), meki (Na, K), vrlo tvrdi (W, Nb).
- Molekularni, koji nastaju u kristalima, koji su formirani od pojedinačnih molekula supstance. Karakteriziraju ga praznine između molekula s nultom elektronskom gustinom. Sile koje vežu atome u takvim kristalima su značajne. Molekuli se privlačejedni prema drugima samo slabom intermolekularnom privlačnošću. Zbog toga se veze između njih lako uništavaju prilikom zagrijavanja. Veze između atoma mnogo je teže prekinuti. Molekularno vezivanje se dijeli na orijentacijsko, disperziono i induktivno. Primjer takve supstance je čvrsti metan.
- Vodik, koji se javlja između pozitivno polarizovanih atoma molekula ili njegovog dela i najmanje negativno polarizovane čestice drugog molekula ili drugog dela. Ove veze uključuju led.
Svojstva čvrstih materija
Šta znamo danas? Naučnici su dugo proučavali svojstva čvrstog stanja materije. Kada je izložena temperaturi, takođe se menja. Prelazak takvog tijela u tečnost naziva se topljenje. Transformacija čvrstog u gasovito stanje naziva se sublimacija. Kada se temperatura spusti, dolazi do kristalizacije čvrste supstance. Neke supstance pod uticajem hladnoće prelaze u amorfnu fazu. Naučnici ovaj proces nazivaju vitrifikacija.
Tokom faznih prelaza, unutrašnja struktura čvrstih materija se menja. Najveći red dobija sa smanjenjem temperature. Pri atmosferskom pritisku i temperaturi T > 0 K, sve supstance koje postoje u prirodi očvršćavaju se. Samo helijum, koji zahteva pritisak od 24 atm za kristalizaciju, je izuzetak od ovog pravila.
Čvrsto stanje materije daje mu različita fizička svojstva. Oni karakterišu specifično ponašanje telapod uticajem određenih polja i sila. Ova svojstva su podijeljena u grupe. Postoje 3 načina izlaganja, koji odgovaraju 3 vrste energije (mehanička, termalna, elektromagnetna). Prema tome, postoje 3 grupe fizičkih svojstava čvrstih tijela:
- Mehanička svojstva povezana sa stresom i naprezanjem tijela. Prema ovim kriterijima, čvrste tvari se dijele na elastične, reološke, čvrstoće i tehnološke. U mirovanju takvo tijelo zadržava svoj oblik, ali se može promijeniti pod djelovanjem vanjske sile. Istovremeno, njegova deformacija može biti plastična (početni oblik se ne vraća), elastična (vraća se u prvobitni oblik) ili destruktivna (kada se dosegne određeni prag, dolazi do propadanja / loma). Odgovor na primijenjenu silu opisuje se modulima elastičnosti. Čvrsto tijelo odoleva ne samo kompresiji, istezanju, već i pomacima, torziji i savijanju. Snaga čvrstog tijela je njegovo svojstvo da se odupre uništenju.
- Termički, manifestuje se kada je izložen toplotnim poljima. Jedno od najvažnijih svojstava je tačka topljenja na kojoj tijelo prelazi u tečno stanje. Uočava se u kristalnim čvrstim materijama. Amorfna tijela imaju latentnu toplinu fuzije, budući da se njihov prijelaz u tekuće stanje s porastom temperature odvija postepeno. Po dolasku do određene topline, amorfno tijelo gubi elastičnost i dobiva plastičnost. Ovo stanje znači da je dostigao temperaturu stakla. Kada se zagrije, dolazi do deformacije čvrste tvari. I većinu vremena se širi. Kvantitativno ovostanje karakteriše određeni koeficijent. Temperatura tijela utiče na mehanička svojstva kao što su fluidnost, duktilnost, tvrdoća i čvrstoća.
- Elektromagnetski, povezan sa uticajem na čvrstu supstancu tokova mikročestica i elektromagnetnih talasa velike krutosti. Svojstva zračenja se također uslovno nazivaju njima.
struktura zone
Čvrste materije se takođe klasifikuju prema takozvanoj strukturi traka. Dakle, među njima razlikuju:
- Provodnici, koji se odlikuju time što se njihova provodljivost i valentni pojas preklapaju. U ovom slučaju, elektroni se mogu kretati između njih, primajući i najmanju energiju. Svi metali su provodnici. Kada se na takvo tijelo primeni razlika potencijala, nastaje električna struja (zbog slobodnog kretanja elektrona između tačaka sa najnižim i najvećim potencijalom).
- Dielektrici čije se zone ne preklapaju. Interval između njih prelazi 4 eV. Mnogo energije je potrebno za provođenje elektrona iz valentnog u provodni pojas. Zbog ovih svojstava, dielektrici praktično ne provode struju.
- Poluprovodnici koje karakteriše odsustvo provodljivosti i valentnih pojasa. Interval između njih je manji od 4 eV. Za prijenos elektrona iz valentnog u provodni pojas potrebno je manje energije nego za dielektrike. Čisti (nedopirani i prirodni) poluprovodnici ne prolaze dobro struju.
Kretanja molekula u čvrstim materijama određuju njihova elektromagnetna svojstva.
Ostalosvojstva
Čvrsta tijela se također dijele prema svojim magnetnim svojstvima. Postoje tri grupe:
- Dijamagneti, čija svojstva malo zavise od temperature ili stanja agregacije.
- Paramagneti koji su rezultat orijentacije elektrona provodljivosti i magnetnih momenata atoma. Prema Curiejevom zakonu, njihova osjetljivost opada proporcionalno temperaturi. Dakle, na 300 K to je 10-5.
- Tijela sa uređenom magnetskom strukturom, sa dalekosežnim redoslijedom atoma. Na čvorovima njihove rešetke periodično se nalaze čestice sa magnetnim momentima. Takve čvrste supstance i supstance se često koriste u različitim poljima ljudske aktivnosti.
Najteže supstance u prirodi
Šta su oni? Gustoća čvrstih materija u velikoj meri određuje njihovu tvrdoću. Posljednjih godina, naučnici su otkrili nekoliko materijala za koje se tvrdi da su "najizdržljivije tijelo". Najčvršća supstanca je fulerit (kristal sa molekulima fulerena), koji je oko 1,5 puta tvrđi od dijamanta. Nažalost, trenutno je dostupan samo u izuzetno malim količinama.
Danas, najčvršća supstanca koja se može koristiti u budućnosti u industriji je lonsdaleite (šestougaoni dijamant). 58% je tvrđi od dijamanta. Lonsdaleit je alotropska modifikacija ugljika. Njegova kristalna rešetka je vrlo slična dijamantu. Ćelija lonsdaleita sadrži 4 atoma, dok dijamant sadrži 8. Od kristala koji se široko koriste, dijamant je i danas najtvrđi.
