Čvrste tvari su one koje mogu tvoriti tijela i imaju volumen. Od tekućina i plinova se razlikuju po svom obliku. Čvrste tvari zadržavaju oblik tijela zbog činjenice da se njihove čestice ne mogu slobodno kretati. Razlikuju se po gustoći, plastičnosti, električnoj vodljivosti i boji. Imaju i druga svojstva. Tako se, na primjer, većina tih tvari topi tijekom zagrijavanja, stječući tekuće agregatno stanje. Neki od njih, kada se zagriju, odmah se pretvaraju u plin (sublimat). Ali ima i onih koje se razlažu u druge tvari.
Vrste krutih tvari
Sve krute tvari podijeljene su u dvije grupe.
- Amorfna, u kojoj su pojedinačne čestice raspoređene nasumično. Drugim riječima: nemaju jasnu (definiranu) strukturu. Ove krute tvari se mogu topiti unutar određenog temperaturnog raspona. Najčešći od njih uključuju staklo i smolu.
- Kristalni, koji se, pak, dijele na 4 vrste: atomski, molekularni, ionski, metalni. U njima se čestice nalaze samo prema određenom uzorku, naime, na čvorovima kristalne rešetke. Njegova geometrija u različitim tvarima može se jako razlikovati.
Čvrste kristalne tvari u svom broju prevladavaju nad amorfnim.
Vrste kristalnih čvrstih tvari
U čvrstom stanju, gotovo sve tvari imaju kristalnu strukturu. Razlikuju se po svojoj strukturi. Kristalne rešetke u svojim čvorovima sadrže različite čestice i kemijske elemente. Po njima su i dobili imena. Svaka vrsta ima svojstva specifična za nju:
- U atomskoj kristalnoj rešetki, čestice čvrste tvari vezane su kovalentnom vezom. Ističe se svojom izdržljivošću. Zbog toga takve tvari imaju visoko talište i vrelište. Ova vrsta uključuje kvarc i dijamant.
- U molekularnoj kristalnoj rešetki, veza između čestica se razlikuje po svojoj slabosti. Tvari ove vrste karakteriziraju lakoća ključanja i taljenja. Oni su hlapljivi, zbog čega imaju određeni miris. Ove krute tvari uključuju led i šećer. Kretanja molekula u krutim 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 lužinama, solima, bazičnim oksidima. Mnoge tvari ove vrste lako su topljive u vodi. Zbog prilično jake veze između iona, oni su vatrostalni. Gotovo svi su bez mirisa, jer ih karakterizira nehlapljivost. Tvari s ionskom rešetkom ne mogu provoditi električnu struju, jer ne sadrže slobodne elektrone. Tipičan primjer ionske krutine je kuhinjska sol. Takva kristalna rešetka čini ga krhkim. To je zbog činjenice da svaki pomak u njemu može dovesti do pojave sila odbijanja iona.
- U metalnoj kristalnoj rešetki na čvorovima postoje samo pozitivno nabijeni kemijski ioni. Između njih se nalaze slobodni elektroni kroz koje savršeno prolazi toplinska i električna energija. Zato se svi metali razlikuju po osobini kao što je vodljivost.
Opći koncepti krutog tijela
Čvrste tvari i tvari su praktički ista stvar. Ovi pojmovi se odnose na jedno od 4 stanja agregacije. Čvrste tvari imaju stabilan oblik i prirodu toplinskog gibanja atoma. Štoviše, potonji prave male oscilacije u blizini ravnotežnih položaja. Grana znanosti koja se bavi proučavanjem sastava i unutarnje strukture naziva se fizika čvrstog stanja. Postoje i druga važna područja znanja koja se bave takvim tvarima. Promjena oblika pod vanjskim utjecajima i kretanjem naziva se mehanika deformabilnog tijela.
Zbog različitih svojstava krutih tvari, našle su primjenu u raznim tehničkim uređajima koje je stvorio čovjek. Najčešće se njihova upotreba temeljila na svojstvima kao što su tvrdoća, volumen, masa, elastičnost, plastičnost, krhkost. Moderna znanost dopušta korištenje drugih kvaliteta čvrstih tvari koje se mogu pronaći samo u laboratoriju.
Što su kristali
Kristali su čvrsta tijela s česticama raspoređenim određenim redoslijedom. Svaka kemijska tvar ima svoju strukturu. Njegovi atomi tvore 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 zrnaca (kristalita). Takve tvari nazivaju se polikristalini. To uključuje tehničke legure i metale, kao i mnoge stijene. Monokristalni se odnosi na pojedinačne prirodne ili sintetičke kristale.
Takve krute tvari najčešće nastaju iz stanja tekuće faze, predstavljene talinom ili otopinom. Ponekad se dobivaju iz plinovitog stanja. Taj se proces naziva kristalizacija. Zahvaljujući znanstvenom i tehnološkom napretku, postupak uzgoja (sinteze) različitih tvari dobio je industrijske razmjere. Većina kristala ima prirodan oblik u obliku pravilnogpoliedri. Veličine su im vrlo različite. Dakle, prirodni kvarc (gorski kristal) može težiti do stotine kilograma, a dijamanti - do nekoliko grama.
U amorfnim čvrstim tvarima atomi su u konstantnoj oscilaciji oko nasumično lociranih točaka. Zadržavaju određeni kratkoročni poredak, ali ne postoji poredak na daljinu. To je zbog činjenice da se njihove molekule nalaze na udaljenosti koja se može usporediti s njihovom veličinom. Najčešći primjer takve čvrste tvari u našem životu je staklasto stanje. Amorfne tvari se često smatraju tekućinama beskonačno visokog viskoziteta. Vrijeme njihove kristalizacije ponekad je toliko dugo da se uopće ne pojavljuje.
Navedena svojstva ovih tvari čine ih jedinstvenim. Amorfne krute tvari smatraju se nestabilnim jer mogu postati kristalne tijekom vremena.
Molekule i atomi koji čine čvrstu supstancu su pakirani u visokoj gustoći. Oni praktički 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 njezina simetrija određuju mnoga svojstva, kao što su elektronski pojas, cijepanje i optika. Kada se na kruto tijelo primijeni dovoljno velika sila, ove kvalitete mogu biti narušene u jednom ili drugom stupnju. U ovom slučaju, čvrsto tijelo je podložno trajnoj deformaciji.
Atomi čvrstih tijela čine oscilatorna gibanja, koja određuju njihovo posjedovanje toplinske energije. Budući da su zanemarivi, mogu se promatrati samo u laboratorijskim uvjetima. Molekularna struktura čvrste tvari uvelike utječe na njena svojstva.
Proučavanje čvrstih tvari
Obilježja, svojstva ovih tvari, njihove kvalitete i kretanje čestica proučavaju različiti pododjeljci fizike čvrstog stanja.
Za istraživanje se koriste: radiospektroskopija, strukturna analiza pomoću rendgenskih zraka i druge metode. Tako se proučavaju mehanička, fizička i toplinska svojstva krutih tvari. Znanost o materijalima proučava tvrdoću, otpornost na opterećenje, vlačnu čvrstoću, fazne transformacije. U velikoj mjeri odražava fiziku čvrstog stanja. Postoji još jedna važna moderna znanost. Proučavanje postojećih i sinteza novih tvari provodi se kemijom čvrstog stanja.
Značajke čvrste tvari
Priroda kretanja vanjskih elektrona atoma čvrste tvari određuje mnoga njezina svojstva, na primjer električna. Postoji 5 klasa takvih tijela. Postavljaju se ovisno o vrsti atomske veze:
- Ionski, čija je glavna karakteristika sila elektrostatičke privlačnosti. Njegove značajke: refleksija i apsorpcija svjetlosti u infracrvenom području. Pri niskim temperaturama ionsku vezu karakterizira niska električna vodljivost. Primjer takve tvari je natrijeva sol klorovodične kiseline (NaCl).
- kovalentno,koju provodi elektronski par koji pripada oba atoma. Takva se veza dijeli na: jednostruku (jednostavnu), dvostruku i trostruku. Ovi nazivi ukazuju na prisutnost parova elektrona (1, 2, 3). Dvostruke i trostruke veze nazivaju se višestrukim vezama. Postoji još jedna podjela ove grupe. Dakle, ovisno o raspodjeli elektronske gustoće, razlikuju se polarne i nepolarne veze. Prvi tvore različiti atomi, a drugi je isti. Takvo čvrsto stanje tvari, čiji su primjeri dijamant (C) i silicij (Si), razlikuje se po svojoj gustoći. Najtvrđi kristali pripadaju kovalentnoj vezi.
- Metalik, nastao spajanjem 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 složenim spojevima ova veza tvori čvrsto stanje tvari. Primjeri: natrij, barij, aluminij, bakar, zlato. Od nemetalnih spojeva mogu se primijetiti sljedeće: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Tvari s metalnom vezom (metali) raznolike su po svojim fizikalnim svojstvima. Mogu biti tekući (Hg), meki (Na, K), vrlo tvrdi (W, Nb).
- Molekularni, koji nastaju u kristalima, koji su formirani od pojedinačnih molekula tvari. Karakteriziraju ga praznine između molekula s nultom elektronskom gustoćom. Sile koje vežu atome u takvim kristalima su značajne. Molekule se privlačemeđusobno samo slabim međumolekularnim privlačenjem. Zato se veze između njih lako uništavaju kada se zagrijavaju. Veze između atoma mnogo je teže prekinuti. Molekularna veza se dijeli na orijentacijsku, disperzijsku i induktivnu. Primjer takve tvari je čvrsti metan.
- Vodik, koji se javlja između pozitivno polariziranih atoma molekule ili njezinog dijela i najmanje negativno polarizirane čestice druge molekule ili drugog dijela. Ove veze uključuju led.
Svojstva čvrstih tijela
Što znamo danas? Znanstvenici su dugo proučavali svojstva čvrstog stanja tvari. Kada je izložena temperaturi, također se mijenja. Prijelaz takvog tijela u tekućinu naziva se taljenjem. Transformacija krutog u plinovito stanje naziva se sublimacija. Kada se temperatura spusti, dolazi do kristalizacije krutine. Neke tvari pod utjecajem hladnoće prelaze u amorfnu fazu. Znanstvenici ovaj proces nazivaju vitrifikacija.
Tijekom faznih prijelaza mijenja se unutarnja struktura krutih tvari. Najveći red dobiva s padom temperature. Pri atmosferskom tlaku i temperaturi T > 0 K, sve tvari koje postoje u prirodi se skrućuju. Samo helij, kojem je za kristalizaciju potreban tlak od 24 atm, iznimka je od ovog pravila.
Čvrsto stanje materije daje mu različita fizička svojstva. Oni karakteriziraju specifično ponašanje tijelapod utjecajem određenih polja i sila. Ova svojstva su podijeljena u grupe. Postoje 3 načina izlaganja, što odgovara 3 vrste energije (mehanička, toplinska, elektromagnetska). Sukladno tome, postoje 3 grupe fizičkih svojstava čvrstih tijela:
- Mehanička svojstva povezana sa stresom i naprezanjem tijela. Prema tim kriterijima krute tvari se dijele na elastične, reološke, čvrstoće i tehnološke. U mirovanju takvo tijelo zadržava oblik, ali se može promijeniti pod djelovanjem vanjske sile. Istodobno, njegova deformacija može biti plastična (početni oblik se ne vraća), elastična (vraća se u izvorni 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.
- Toplinski, koji se očituje kada je izložen toplinskim poljima. Jedno od najvažnijih svojstava je točka taljenja na kojoj tijelo prelazi u tekuće stanje. Uočava se u kristalnim čvrstim tvarima. Amorfna tijela imaju latentnu toplinu fuzije, budući da se njihov prijelaz u tekuće stanje s porastom temperature događa postupno. Postizanjem određene topline amorfno tijelo gubi elastičnost i dobiva plastičnost. Ovo stanje znači da je dostiglo temperaturu staklastog prijelaza. Pri zagrijavanju dolazi do deformacije krutine. I većinu vremena se širi. Kvantitativno ovostanje karakterizira određeni koeficijent. Tjelesna temperatura utječe na mehanička svojstva kao što su fluidnost, duktilnost, tvrdoća i čvrstoća.
- Elektromagnetski, povezan s utjecajem na čvrstu tvar protoka mikročestica i elektromagnetskih valova visoke krutosti. Svojstva zračenja također se uvjetno nazivaju njima.
struktura zone
Čvrste tvari se također klasificiraju prema takozvanoj strukturi traka. Dakle, među njima razlikuju:
- Dirigenti, karakterizirani time da im se vodljivi i valentni pojas preklapaju. U ovom slučaju, elektroni se mogu kretati između njih, primajući najmanju energiju. Svi metali su provodnici. Kada se na takvo tijelo primijeni razlika potencijala, nastaje električna struja (zbog slobodnog kretanja elektrona između točaka s najnižim i najvećim potencijalom).
- Dielektrici čije se zone ne preklapaju. Interval između njih prelazi 4 eV. Za provođenje elektrona iz valentnog u vodljivi pojas potrebno je puno energije. Zbog ovih svojstava, dielektrici praktički ne provode struju.
- Poluvodiči koje karakterizira odsutnost vodljivosti i valentnih pojaseva. Interval između njih je manji od 4 eV. Za prijenos elektrona iz valencije u vodljivi pojas potrebno je manje energije nego za dielektrike. Čisti (nedopirani i izvorni) poluvodiči ne prolaze dobro struju.
Kretanja molekula u čvrstim tvarima određuju njihova elektromagnetska svojstva.
Ostalosvojstva
Čvrsta tijela se također dijele prema svojim magnetskim svojstvima. Postoje tri grupe:
- Dijamagneti čija svojstva malo ovise o temperaturi ili stanju agregacije.
- Paramagneti koji proizlaze iz orijentacije elektrona vodljivosti i magnetskih momenata atoma. Prema Curiejevom zakonu, njihova osjetljivost opada proporcionalno temperaturi. Dakle, na 300 K to je 10-5.
- Tijela s uređenom magnetskom strukturom, s dalekometnim redoslijedom atoma. Na čvorovima njihove rešetke povremeno se nalaze čestice s magnetskim momentima. Takve krute tvari i tvari često se koriste u različitim područjima ljudske djelatnosti.
Najteže tvari u prirodi
Što su oni? Gustoća krutih tvari uvelike određuje njihovu tvrdoću. Posljednjih godina znanstvenici su otkrili nekoliko materijala za koje se tvrdi da su "najizdržljivije tijelo". Najčvršća tvar je fulerit (kristal s molekulama fulerena), koji je oko 1,5 puta tvrđi od dijamanta. Nažalost, trenutno je dostupan samo u iznimno malim količinama.
Danas, najteža tvar koja se može koristiti u budućnosti u industriji je lonsdaleite (šesterokutni dijamant). 58% je tvrđi od dijamanta. Lonsdaleit je alotropska modifikacija ugljika. Njegova kristalna rešetka vrlo je slična dijamantu. Stanica lonsdaleita sadrži 4 atoma, dok dijamant sadrži 8. Od široko korištenih kristala, dijamant je i danas najtvrđi.
