Substanțele solide sunt cele care sunt capabile să formeze corpuri și să aibă volum. Ele diferă de lichide și gaze prin forma lor. Solidele păstrează forma corpului datorită faptului că particulele lor nu se pot mișca liber. Ele diferă prin densitate, plasticitate, conductivitate electrică și culoare. Au și alte proprietăți. Deci, de exemplu, majoritatea acestor substanțe se topesc în timpul încălzirii, dobândind o stare lichidă de agregare. Unele dintre ele, atunci când sunt încălzite, se transformă imediat într-un gaz (sublimă). Dar există și cele care se descompun în alte substanțe.
Tipuri de solide
Toate solidele sunt împărțite în două grupuri.
- Amorf, în care particulele individuale sunt aranjate aleatoriu. Cu alte cuvinte: nu au o structură clară (definită). Aceste solide sunt capabile să se topească într-un interval de temperatură specificat. Cele mai comune dintre acestea includ sticla și rășina.
- Cristaline, care, la rândul lor, se împart în 4 tipuri: atomice, moleculare, ionice, metalice. În ele, particulele sunt localizate numai după un anumit model, și anume, la nodurile rețelei cristaline. Geometria sa în diferite substanțe poate varia foarte mult.
Substanțele solide cristaline prevalează asupra celor amorfe în numărul lor.
Tipuri de solide cristaline
În stare solidă, aproape toate substanțele au o structură cristalină. Ele diferă prin structura lor. Rețelele cristaline din nodurile lor conțin diverse particule și elemente chimice. În conformitate cu ei și-au primit numele. Fiecare tip are proprietăți specifice:
- În rețeaua cristalină atomică, particulele unui solid sunt legate printr-o legătură covalentă. Se remarcă prin durabilitate. Din acest motiv, astfel de substanțe au un punct de topire și de fierbere ridicat. Acest tip include cuarț și diamant.
- În rețeaua cristalină moleculară, legătura dintre particule se distinge prin slăbiciunea sa. Substanțele de acest tip se caracterizează prin ușurință în fierbere și topire. Sunt volatile, datorită cărora au un anumit miros. Aceste solide includ gheața și zahărul. Mișcările moleculelor în solidele de acest tip se disting prin activitatea lor.
- În rețeaua cristalină ionică de la noduri, particulele corespunzătoare alternează, încărcate pozitiv șinegativ. Ele sunt ținute împreună prin atracție electrostatică. Acest tip de rețea există în alcalii, săruri, oxizi bazici. Multe substanțe de acest tip sunt ușor solubile în apă. Datorită legăturii destul de puternice dintre ioni, aceștia sunt refractari. Aproape toate sunt inodore, deoarece sunt caracterizate de nevolatilitate. Substanțele cu o rețea ionică nu sunt capabile să conducă curentul electric, deoarece nu conțin electroni liberi. Un exemplu tipic de solid ionic este sarea de masă. O astfel de rețea cristalină o face fragilă. Acest lucru se datorează faptului că orice schimbare a acestuia poate duce la apariția forțelor de repulsie ionică.
- În rețeaua cristalină metalică de la noduri există doar ioni chimici încărcați pozitiv. Între ei se află electroni liberi prin care trece perfect energia termică și electrică. De aceea, orice metal se distinge printr-o astfel de caracteristică precum conductivitatea.
Concepte generale ale unui corp rigid
Solidele și substanțele sunt practic același lucru. Acești termeni se referă la una dintre cele 4 stări de agregare. Solidele au o formă stabilă și natura mișcării termice a atomilor. Mai mult, acestea din urmă fac mici oscilații în apropierea pozițiilor de echilibru. Ramura științei care se ocupă cu studiul compoziției și structurii interne se numește fizica stării solide. Există și alte domenii importante de cunoaștere care se ocupă de astfel de substanțe. Schimbarea formei sub influențe externe și mișcare se numește mecanica unui corp deformabil.
Datorită proprietăților diferite ale solidelor, acestea și-au găsit aplicație în diverse dispozitive tehnice create de om. Cel mai adesea, utilizarea lor s-a bazat pe proprietăți precum duritatea, volumul, masa, elasticitatea, plasticitatea, fragilitatea. Știința modernă permite utilizarea altor calități de solide care pot fi găsite doar în laborator.
Ce sunt cristalele
Cristalele sunt corpuri solide cu particule dispuse într-o anumită ordine. Fiecare substanță chimică are propria sa structură. Atomii săi formează un aranjament periodic tridimensional numit rețea cristalină. Solidele au simetrii structurale diferite. Starea cristalină a unui solid este considerată stabilă deoarece are o cantitate minimă de energie potențială.
Marea majoritate a materialelor solide (naturale) constă dintr-un număr mare de boabe individuale orientate aleatoriu (cristaliți). Astfel de substanțe se numesc policristaline. Acestea includ aliaje tehnice și metale, precum și multe roci. Monocristalin se referă la cristale naturale sau sintetice unice.
Cel mai adesea, astfel de solide se formează din starea fazei lichide, reprezentată de o topitură sau soluție. Uneori sunt obținute din stare gazoasă. Acest proces se numește cristalizare. Datorită progresului științific și tehnologic, procedura de creștere (sinteză) a diferitelor substanțe a câștigat o scară industrială. Majoritatea cristalelor au o formă naturală sub formă de obișnuitpoliedre. Dimensiunile lor sunt foarte diferite. Deci, cuarțul natural (cristalul de stâncă) poate cântări până la sute de kilograme, iar diamantele - până la câteva grame.
În solidele amorfe, atomii sunt în oscilație constantă în jurul unor puncte situate aleatoriu. Ei păstrează o anumită ordine pe rază scurtă, dar nu există o ordine pe rază lungă. Acest lucru se datorează faptului că moleculele lor sunt situate la o distanță care poate fi comparată cu dimensiunea lor. Cel mai comun exemplu de astfel de solid în viața noastră este starea sticloasă. Substanțele amorfe sunt adesea considerate ca un lichid cu o vâscozitate infinit de mare. Timpul de cristalizare a acestora este uneori atât de lung încât nu apare deloc.
Proprietățile de mai sus ale acestor substanțe le fac unice. Solidele amorfe sunt considerate instabile, deoarece pot deveni cristaline în timp.
Moleculele și atomii care alcătuiesc un solid sunt împachetate la o densitate mare. Ele își păstrează practic poziția reciprocă față de alte particule și sunt ținute împreună datorită interacțiunii intermoleculare. Distanța dintre moleculele unui solid în diferite direcții se numește parametrul rețelei. Structura materiei și simetria ei determină multe proprietăți, cum ar fi banda de electroni, clivajul și optica. Atunci când unui solid se aplică o forță suficient de mare, aceste calități pot fi încălcate într-o măsură sau alta. În acest caz, corpul solid este supus unei deformări permanente.
Atomii solidelor fac mișcări oscilatorii, care determină posesia lor de energie termică. Deoarece sunt neglijabile, pot fi observate numai în condiții de laborator. Structura moleculară a unui solid îi afectează foarte mult proprietățile.
Studiul solidelor
Caracteristicile, proprietățile acestor substanțe, calitățile lor și mișcarea particulelor sunt studiate de diferite subsecțiuni ale fizicii stării solide.
Pentru studiu se folosesc: radiospectroscopie, analiza structurală cu raze X și alte metode. Așa se studiază proprietățile mecanice, fizice și termice ale solidelor. Duritatea, rezistența la sarcină, rezistența la tracțiune, transformările de fază sunt studiate de știința materialelor. În mare măsură, ecou fizica stării solide. Există o altă știință modernă importantă. Studiul substanțelor existente și sinteza noilor sunt realizate prin chimie în stare solidă.
Caracteristicile solidelor
Natura mișcării electronilor exteriori ai atomilor unui solid determină multe dintre proprietățile sale, de exemplu, electrice. Există 5 clase de astfel de corpuri. Acestea sunt setate în funcție de tipul de legătură atomică:
- Ionic, a cărui caracteristică principală este forța de atracție electrostatică. Caracteristicile sale: reflectarea și absorbția luminii în regiunea infraroșu. La temperaturi scăzute, legătura ionică se caracterizează prin conductivitate electrică scăzută. Un exemplu de astfel de substanță este sarea de sodiu a acidului clorhidric (NaCl).
- Covalent,realizat de o pereche de electroni care aparține ambilor atomi. O astfel de legătură este împărțită în: simplă (simple), dublă și triplă. Aceste nume indică prezența perechilor de electroni (1, 2, 3). Legăturile duble și triple se numesc legături multiple. Există o altă diviziune a acestui grup. Deci, în funcție de distribuția densității electronice, se disting legăturile polare și nepolare. Primul este format din atomi diferiți, iar al doilea este același. O astfel de stare solidă a materiei, dintre care exemple sunt diamantul (C) și siliciul (Si), se distinge prin densitatea sa. Cele mai dure cristale aparțin în mod specific legăturii covalente.
- Metalic, format prin combinarea electronilor de valență ai atomilor. Ca urmare, apare un nor de electroni comun, care este deplasat sub influența tensiunii electrice. O legătură metalică se formează atunci când atomii legați sunt mari. Sunt capabili să doneze electroni. În multe metale și compuși complecși, această legătură formează o stare solidă a materiei. Exemple: sodiu, bariu, aluminiu, cupru, aur. Dintre compușii nemetalici, pot fi remarcați următorii: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Substanțele cu o legătură metalică (metale) sunt diverse în proprietățile lor fizice. Pot fi lichide (Hg), moi (Na, K), foarte tari (W, Nb).
- Molecular, care se formează în cristale, care sunt formate din molecule individuale ale unei substanțe. Se caracterizează prin goluri între molecule cu densitate electronică zero. Forțele care leagă atomii din astfel de cristale sunt semnificative. Moleculele sunt atraseunul față de celăl alt numai prin atracție intermoleculară slabă. De aceea, legăturile dintre ele sunt ușor distruse atunci când sunt încălzite. Legăturile dintre atomi sunt mult mai greu de rupt. Legătura moleculară este împărțită în orientativă, dispersie și inductivă. Un exemplu de astfel de substanță este metanul solid.
- Hidrogen, care apare între atomii polarizați pozitiv ai unei molecule sau ai unei părți a acesteia și cea mai mică particulă polarizată negativ a unei alte molecule sau ai altei părți. Aceste obligațiuni includ gheață.
Proprietățile solidelor
Ce știm astăzi? Oamenii de știință au studiat de multă vreme proprietățile stării solide a materiei. Când este expus la temperatură, se modifică și el. Tranziția unui astfel de corp într-un lichid se numește topire. Transformarea unui solid în stare gazoasă se numește sublimare. Când temperatura este scăzută, are loc cristalizarea solidului. Unele substanțe sub influența frigului trec în faza amorfă. Oamenii de știință numesc acest proces vitrificare.
În timpul tranzițiilor de fază, structura internă a solidelor se modifică. Acesta capătă cea mai mare ordine odată cu scăderea temperaturii. La presiunea atmosferică și temperatura T > 0 K, orice substanță care există în natură se solidifică. Doar heliul, care necesită o presiune de 24 atm pentru a cristaliza, este o excepție de la această regulă.
Starea solidă a materiei îi conferă diverse proprietăți fizice. Ele caracterizează comportamentul specific al corpurilorsub influenţa anumitor câmpuri şi forţe. Aceste proprietăți sunt împărțite în grupuri. Există 3 moduri de expunere, corespunzătoare a 3 tipuri de energie (mecanică, termică, electromagnetică). În consecință, există 3 grupuri de proprietăți fizice ale solidelor:
- Proprietăți mecanice asociate cu stresul și solicitarea corpului. Conform acestor criterii, solidele sunt împărțite în elastice, reologice, de rezistență și tehnologice. În repaus, un astfel de corp își păstrează forma, dar se poate schimba sub acțiunea unei forțe externe. Totodată, deformarea sa poate fi plastică (forma inițială nu revine), elastică (revine la forma inițială) sau distructivă (când se atinge un anumit prag, are loc dezintegrarea/ruptura). Răspunsul la forța aplicată este descris de modulii de elasticitate. Un corp solid rezistă nu numai la compresiune, întindere, ci și la deplasări, torsiune și îndoire. Puterea unui corp solid este proprietatea sa de a rezista distrugerii.
- Termic, manifestat la expunerea la câmpuri termice. Una dintre cele mai importante proprietăți este punctul de topire la care corpul trece în stare lichidă. Se observă în solidele cristaline. Corpurile amorfe au o căldură latentă de fuziune, deoarece trecerea lor la starea lichidă odată cu creșterea temperaturii are loc treptat. La atingerea unei anumite călduri, corpul amorf își pierde elasticitatea și capătă plasticitate. Această stare înseamnă că a atins temperatura de tranziție sticloasă. Când este încălzit, are loc deformarea solidului. Și de cele mai multe ori se extinde. Cantitativ astastarea se caracterizează printr-un anumit coeficient. Temperatura corpului afectează proprietățile mecanice precum fluiditatea, ductilitatea, duritatea și rezistența.
- Electromagnetic, asociat cu impactul asupra unei substanțe solide a fluxurilor de microparticule și unde electromagnetice de rigiditate ridicată. Proprietățile radiațiilor sunt, de asemenea, menționate în mod condiționat.
Structura zonei
Solidele sunt, de asemenea, clasificate în funcție de așa-numita structură de bandă. Deci, printre ei disting:
- Conductori, caracterizați prin aceea că benzile lor de conducere și de valență se suprapun. În acest caz, electronii se pot deplasa între ei, primind cea mai mică energie. Toate metalele sunt conductoare. Atunci când unui astfel de corp i se aplică o diferență de potențial, se formează un curent electric (datorită mișcării libere a electronilor între punctele cu cel mai mic și cel mai mare potențial).
- Dielectrice ale căror zone nu se suprapun. Intervalul dintre ele depășește 4 eV. Este nevoie de multă energie pentru a conduce electronii de la valență la banda de conducere. Datorită acestor proprietăți, dielectricii practic nu conduc curentul.
- Semiconductori caracterizați prin absența benzilor de conducție și de valență. Intervalul dintre ele este mai mic de 4 eV. Pentru a transfera electroni din valență în banda de conducție, este nevoie de mai puțină energie decât pentru dielectrici. Semiconductori puri (nedopați și nativi) nu trec bine curentul.
Mișcările moleculelor din solide determină proprietățile lor electromagnetice.
Alteleproprietăți
Corpurile solide sunt de asemenea subdivizate în funcție de proprietățile lor magnetice. Există trei grupuri:
- Diamagneți, ale căror proprietăți depind puțin de temperatură sau de starea de agregare.
- Paramagneți rezultați din orientarea electronilor de conducere și momentele magnetice ale atomilor. Conform legii lui Curie, susceptibilitatea lor scade proporțional cu temperatura. Deci, la 300 K este 10-5.
- Corpi cu o structură magnetică ordonată, cu o ordine lungă de atomi. La nodurile rețelei lor, particulele cu momente magnetice sunt localizate periodic. Astfel de solide și substanțe sunt adesea folosite în diferite domenii ale activității umane.
Cele mai dure substanțe din natură
Ce sunt acestea? Densitatea solidelor determină în mare măsură duritatea acestora. În ultimii ani, oamenii de știință au descoperit mai multe materiale care pretind a fi „cel mai durabil corp”. Cea mai dură substanță este fullerita (un cristal cu molecule fullerene), care este de aproximativ 1,5 ori mai dur decât diamantul. Din păcate, în prezent este disponibil doar în cantități extrem de mici.
Astăzi, cea mai dură substanță care poate fi folosită în viitor în industrie este lonsdaleitul (diamantul hexagonal). Este cu 58% mai dur decât diamantul. Lonsdaleitul este o modificare alotropică a carbonului. Rețeaua sa cristalină este foarte asemănătoare cu diamantul. O celulă lonsdaleită conține 4 atomi, în timp ce un diamant conține 8. Dintre cristalele utilizate pe scară largă, diamantul rămâne cel mai dur astăzi.
