Krute tvari: svojstva, struktura, gustoća i primjeri

Čvrste supstance su one koje mogu oblikovati tijela i imati volumen. Od tekućina i plinova razlikuju se po obliku. Čvrste tvari zadržavaju oblik tijela zbog činjenice da se njihove čestice ne mogu slobodno kretati. Oni se razlikuju po svojoj gustoći, plastičnosti, električnoj vodljivosti i boji. Imaju i druga svojstva. Na primjer, većina tih tvari rastopiti se tijekom zagrijavanja, stjecanjem tekućeg agregatnog stanja. Neki od njih, kada se grije, odmah pretvore u plin (uzvišen). Ali postoje i one koje se raspadaju u druge tvari.

Vrste krutih tvari

Sve krute tvari su podijeljene u dvije skupine.

1. Amorfna, u kojoj se pojedinačne čestice nalaze kaotično. Drugim riječima: nemaju jasnu (definitivnu) strukturu. Ove se krute tvari mogu taliti u nekom utvrđenom temperaturnom području. Najčešći od njih može se pripisati staklo i smola.
2. Kristalna, koja je zauzvrat podijeljena u 4 vrste: atomska, molekularna, ionska, metalna. U njima se čestice nalaze samo prema određenoj shemi, na čvorovima kristalne rešetke. Njegova geometrija u različitim tvarima može se jako razlikovati.

Krute kristalne tvari prevladavaju nad amorfnim brojem.

Vrste kristaliničnih krutina

U čvrstom stanju, gotovo sve tvari imaju kristalnu strukturu. Razlikuju se u njihovoj strukturi. Kristalni rešetke u čvorovima sadrže različite čestice i kemijske elemente. Bilo je u skladu s njima da su dobili njihova imena. Svaka vrsta ima svojstva:

• U atomskoj kristalnoj rešetki čestice krute tvari vezane su kovalentnom vezom. Ono se razlikuje po svojoj snazi. Zbog toga se takve supstance odlikuju visokim talište i ključanje. Kvarc i dijamant su takve vrste.
• U molekularnoj kristalnoj rešetki, veza između čestica razlikuje se od slabosti. Tvari ove vrste karakteriziraju lakoća ključanja i taljenja. Oni se razlikuju po volatilnosti zbog kojih imaju određeni miris. Takva čvrsto tijelo uključuje led, šećer. Prijedlozi molekula u krutinama ovog tipa razlikuju se u njihovoj aktivnosti.
• U ionske kristalne rešetke na čvorištima odgovarajuće čestice mijenjaju, pozitivno i negativno nabijene. Drži ih elektrostatska atrakcija. Ova vrsta rešetke postoji u alkalijama, solima, bazični oksidi. Mnoge tvari ove vrste su lako topive u vodi. Zbog prilično snažne veze između iona, oni su vatrostalni. Gotovo svi od njih su bez mirisa, budući da ih karakterizira neobuhaljivost. Ion-rešetke tvari nisu u mogućnosti provoditi električnu struju, jer oni ne sadrže slobodne elektrone. Tipični primjer ionske krutine je natrijev klorid. Takva kristalna rešetka čini ga krhkim. To je zbog činjenice da bilo koji od njegovih smjena može dovesti do pojave ionskih odbojnih sila.
• U metalnoj kristalnoj rešetki prisutni su samo ioni kemijskih tvari u čvorovima, koji su pozitivno napunjeni. Između njih postoje slobodni elektroni, kroz koje toplinska i električna energija prolaze savršeno. Zato se svaki metal razlikuje u takvoj značajki kao i provodljivost.

Opći koncepti čvrste

Čvrsta tijela i tvari su praktički ista stvar. Ovi su pojmovi jedno od četiri agregatna stanja. Čvrsta tijela imaju stabilan oblik i karakter termičkog gibanja atoma. I potonji čine male promjene pored ravnotežnih položaja. Dio znanosti koji se bavi proučavanjem sastava i unutarnje strukture zove se fizika čvrstog stanja. Postoje i druga važna područja znanja koja se bave takvim tvarima. Promjena oblika prema vanjskim utjecajima i gibanju naziva se mehanika deformiranog tijela.

Zbog različitih svojstava krutih tvari, pronašli su primjenu u raznim tehničkim napravama koje je stvorio čovjek. Najčešće se njihova svojstva temelje na svojstvima kao što su tvrdoća, volumen, masa, elastičnost, plastičnost i krhkost. Moderna znanost dopušta upotrebu drugih svojstava krutih tvari koje se mogu otkriti isključivo u laboratoriju.

Što su kristali?

Kristali su krute tvari čije su čestice postavljene u određenom redoslijedu. Svima kemijska supstanca odgovara njenoj strukturi. Njeni atomi čine trodimenzionalno periodičko polaganje, nazvanu kristalnom rešetkom. Krute tvari imaju drugačiju simetriju strukture. Kristalno stanje krute tvari smatra se stabilnim, jer ima minimalnu količinu potencijalne energije.

Velika većina čvrstih materijala (prirodnih) sastoji se od velikog broja nasumično orijentiranih pojedinačnih zrna (kristalita). Takve tvari nazivaju se polikristaliničnim. To uključuje tehničke legure i metale, kao i mnoge stijene. Pojedinačni kristali nazivaju se jednim prirodnim ili sintetičkim kristalima.

Najčešće se takve krute tvari formiraju iz stanja tekuće faze koju predstavlja talina ili otopina. Ponekad se dobivaju iz plinovitog stanja. Ovaj se proces naziva kristalizacija. Zahvaljujući znanstvenom i tehničkom napretku, industrijaliziran je postupak za uzgoj (sintetiziranje) različitih tvari. Većina kristala ima prirodni oblik u obliku redovita polyhedra. Njihove su veličine vrlo različite. Dakle, prirodni kvarc (kristalni kamen) može težiti do stotina kilograma, a dijamanti - do nekoliko grama.

U amorfnim krutinama, atomi su u stalnoj oscilaciji oko kaotično lociranih točaka. Zadržavaju određenu kratkotrajnu narudžbu, ali nema dugoročne narudžbe. To je zbog činjenice da su njihove molekule smještene na udaljenosti koja se može usporediti s njihovom veličinom. Najčešći primjer u našem životu tako čvrstog je staklastog stanja. Amorfne tvari često se smatra fluidom s beskonačno visokom viskoznošću. Vrijeme kristalizacije ponekad je tako velika da se uopće ne pojavljuje.

Gore navedena svojstva ovih tvari čine ih jedinstvenima. Amorfne krute tvari smatraju se nestabilnim, jer se na kraju mogu prebaciti u kristalnu državu.

Molekule i atomi koji tvore čvrstu supstancu pune su gustoće. Oni praktički zadržavaju zajednički položaj u odnosu na druge čestice i drže se međusobno međusobno. Udaljenost između molekula krute tvari u različitim smjerovima naziva se parametrom kristalne rešetke. Struktura supstancije i njegova simetrija određuju različita svojstva, poput elektroničke zone, cijepanja i optike. Kada su izloženi tvrdi materijali dovoljno visoke čvrstoće, te se osobine mogu u određenoj mjeri povrijediti. U tom slučaju krutina je podložna trajnoj deformaciji.

Atomi krutih tijela obavljaju vibracijske pokrete, koji su posljedica njihovog posjedovanja toplinske energije. Budući da su zanemarljivi, mogu se promatrati samo u laboratorijskim uvjetima. Molekularna struktura čvrsta tvar uglavnom utječe na njena svojstva.

Proučavanje krutih tvari

Značajke, svojstva tih tvari, njihova kvaliteta i gibanje čestica proučavaju se u raznim pododjeljcima fizike čvrstog stanja.

Za studiju koja se koristi: radio spektroskopija, strukturna analiza pomoću rendgenskih zraka i drugih metoda. Stoga proučavamo mehanička, fizikalna i toplinska svojstva krutih tvari. Tvrdoća, otpornost na opterećenja, krajnja snaga, fazne transformacije, studija materijala znanosti. Uglavnom rezonira fizikom čvrstih tijela. Postoji još jedna važna suvremena znanost. Istraživanje postojećih i sintetiziranje novih tvari provodi se kemijskim postupkom čvrstog stanja.

Značajke krutih tvari

Priroda gibanja vanjskih elektrona čvrstih atoma određuje mnoga svojstva, na primjer, električna svojstva. Postoji 5 klasa takvih tijela. Utvrđeni su ovisno o vrsti veze atoma:

• Jonska, čija je glavna karakteristika sila elektrostatske privlačnosti. Njegove značajke: refleksija i apsorpcija svjetlosti u infracrvenom području. Na niskim temperaturama, ionska veza karakterizira niska električna vodljivost. Primjer takve tvari je natrijeva sol klorovodične kiseline (NaCl).
• Kovalentno, izvedeno zbog elektronskog para, koji pripada oba atoma. Taj je odnos podijeljen na: jednu (jednostavnu), dvostruku i trostruku. Ta imena ukazuju na prisutnost parova elektrona (1, 2, 3). Dvostruke i trostruke veze nazivaju se više. Postoji još jedna podjela ove skupine. Dakle, ovisno o raspodjeli gustoće elektrona, izolirana je polarna i nepolarna veza. Prvi oblikuju različiti atomi, a drugi je isti. Takvo čvrsto stanje materije, čiji primjeri su dijamant (C) i silikon (Si), razlikuje se po svojoj gustoći. Najteži kristali pripadaju kovalentnoj vezi.
• Metal, formiran kombiniranjem valentnih elektrona atoma. Kao rezultat toga, postoji zajednički elektronički oblak koji se mijenja pod utjecajem električnog napona. Metalna se veza formira kada su vezani atomi veliki. Oni su oni koji su sposobni dati elektrone. Za mnoge metale i složene spojeve, ova veza stvara čvrsto stanje tvari. Primjeri: natrij, barij, aluminij, bakar, zlato. Od nemetalnih spojeva može se primijetiti sljedeće: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu₅Zn₈. Tvari s metalnom vezom (metali) različiti su u fizičkim svojstvima. Mogu biti tekući (Hg), mekani (Na, K), vrlo teški (W, Nb).
• Molekularni, nastajući u kristalima, koji su formirani odvojene molekule tvari. Karakterizira ga jaz između molekula s nulom gustoćom elektrona. Snage koji vežu atome u takvim kristalima su značajni. U ovom slučaju, molekule privlače jedna drugu samo slabom intermolekularnom privlačnom. Zato se veze između njih lako uništavaju kad se zagrije. Veze između atoma su mnogo složenije. Molekularna je veza podijeljena u orijentaciju, disperziju i indukciju. Primjer takve tvari je čvrsti metan.
• Vodik, koji nastaje između pozitivno polariziranih atoma molekule ili dijela te negativno polarizirane najmanjih čestica druge molekule ili drugog dijela. Ti linkovi uključuju led.

Svojstva krutih tvari

Što danas znamo? Znanstvenici su dugo proučavali svojstva čvrstog stanja materije. Kada utječe na temperaturu, ona se također mijenja. Prijelaz takvog tijela u tekućinu zove se fuzija. Transformacija krute tvari u plinovito stanje naziva se sublimacija. Kako se temperatura spušta, skrutnjivanje se odvija. Neke tvari pod utjecajem hladnoće prolaze u amorfnu fazu. Taj se proces naziva vitrification od strane znanstvenika.

U slučaju faznih prijelaza, unutarnja struktura krutih tvari mijenja se. Najviša porednost koju dobiva kada se temperatura spusti. Pri atmosferskom tlaku i temperaturi T> 0 K bilo koje tvari koje postoje u prirodi otvrdnu. Samo helij, za čiju kristalizaciju treba pritisak od 24 atm, predstavlja iznimku od ovog pravila.

Kruto stanje tvari daje mu različita fizikalna svojstva. Oni karakteriziraju specifično ponašanje tijela pod utjecajem pojedinih područja i snaga. Ova svojstva su podijeljena u skupine. Postoje 3 načina ekspozicije, koji odgovaraju 3 vrste energije (mehanički, toplinski, elektromagnetski). Sukladno tome, postoje tri skupine fizikalnih svojstava krutih tvari:

• Mehanička svojstva povezana sa stresom i deformacijom tijela. Prema ovim kriterijima, krute tvari se dijele u elastičnu, reološku, čvrstoću i tehnološku. U mirovanju, takvo tijelo zadržava svoj oblik, ali se može promijeniti pod utjecajem vanjske sile. U tom slučaju njezina deformacija može biti plastična (početni se oblik ne vraća), elastičan (vraća se u izvornu formu) ili destruktivan (kada se postigne određeni prag, dolazi do propadanja / prekida). Odgovor na primijenjenu silu opisuju elastični moduli. Čvrsta tijela otporna su ne samo na kompresiju, istezanje, već i pomicanje, uvijanje i savijanje. Snaga čvrstog tijela naziva se njezinom imovinom da se odupre uništenju.
• Toplinska, koja se manifestira kada je izložena toplinskim poljima. Jedno od najvažnijih svojstava je točka topljenja na kojoj tijelo prelazi u tekuće stanje. Zabilježeno je za kristalne krutine. Amorfna tijela imaju latentnu toplinu fuzije, budući da njihovo prijelaz na tekuće stanje s rastućom temperaturom postupno dolazi. Nakon postizanja određene topline, amorfno tijelo gubi elastičnost i postiže plastičnost. Ovo stanje znači da dostigne temperaturu staklastog prijelaza. Kada se zagrije, dolazi do deformacije krute tvari. I često se širi. Kvantitativno, ovo stanje karakterizira određeni koeficijent. Temperatura tijela utječe na takve mehaničke osobine kao što su fluidnost, duktilnost, tvrdoća i čvrstoća.
• Elektromagnetski, povezan s utjecajem na tok krute tvari mikročestica i elektromagnetskih valova velike čvrstoće. Njima se također razmatraju i svojstva zračenja.

Struktura zone

Krute tvari klasificiraju se tzv. Struktura trake. Dakle, među njima se razlikuju:

• Dirigenti, koji se razlikuju po tome što se njihova provodljivost i valentni pojas preklapaju. U ovom slučaju, elektroni mogu kretati između njih, primajući najmanju energiju. Dirigenti uključuju sve metale. Kada se na takvo tijelo primijeni potencijalna razlika, stvara se električna struja (zbog slobodnog kretanja elektrona između točaka s najmanjim i najvećim potencijalom).
• Dielektrika čije se zone ne preklapaju. Interval između njih prelazi 4 eV. Da bi nosili elektrone od valencije do provodne zone, potrebna je velika količina energije. Zbog takvih svojstava dielektrika praktički nema tekućih struja.
• Poluvodiči koji se odlikuju nepostojanjem vodljivosti i valencijskih vrpci. Interval između njih je manji od 4 eV. Za prijenos elektrona iz valentnog pojasa na zonu provođenja, potrebna nam je energija manja od dielektrika. Čisti (nedovršeni i intrinzični) poluvodiči slabo prolaze struju.

Kretanja molekula u krutinama uzrokuju njihova elektromagnetska svojstva.

Ostala svojstva

Krute tvari također su podijeljene u skladu s njihovim magnetskim svojstvima. Postoje tri skupine:

• Diamagneti čija svojstva malo ovise o temperaturi ili stanju agregacije.
• Paramagnetika, što je posljedica orijentacije elektrona provođenja i magnetskih trenutaka atoma. Prema zakonu Curie, njihova osjetljivost smanjuje se proporcionalno temperaturi. Dakle, kod 300 K to je 10^-5.
• Tijela s naručenom magnetskom strukturom posjeduju dugoročni redoslijed atoma. Na čvorištima njihove rešetke, čestice s magnetskim momentima se periodično nalaze. Takve krute tvari i tvari se često koriste u različitim sferama ljudske aktivnosti.

Najkrutnije tvari u prirodi

Što su oni? Gustoća krutih tvari uglavnom određuje njihovu tvrdoću. Posljednjih godina znanstvenici su otkrili nekoliko materijala koji tvrde da su "najduže tijelo". Najteža tvar je fullerite (kristal s molekulama fullerena), što je oko 1,5 puta teže od dijamanta. Nažalost, to je još uvijek dostupno samo u vrlo malim količinama.

Do danas, najsvrstniji sastojak, koji se kasnije može koristiti u industriji, je lonsdaleit (heksagonalni dijamant). 58% je teži od dijamanta. Lonsdale je alotropna modifikacija ugljika. Njegova kristalna rešetka vrlo je slična dijamantnoj rešetki. Stanica Lonsdaleita sadrži 4 atoma, a dijamant - 8. Od široko korištenih kristala, danas najteže ostaje dijamant.