Solids: proprietăți, structură, densitate și exemple

Substanțele solide sunt cele care sunt capabile să formeze corpuri și să aibă volum. Din lichide și gaze diferă în forma lor. Solidul reține forma corpului datorită faptului că particulele sale nu se pot mișca liber. Ele diferă prin densitatea, plasticitatea, conductivitatea electrică și culoarea lor. Ei au și alte proprietăți. De exemplu, majoritatea acestor substanțe se topesc în timpul încălzirii, obținând o stare agregată lichidă. Unele dintre ele, atunci când sunt încălzite, se transformă imediat în gaz (sublim). Dar există și acelea care se descompun în alte substanțe.

Tipuri de solide

Toate substanțele solide sunt împărțite în două grupuri.

1. Amorf, în care particulele individuale sunt situate haotic. Cu alte cuvinte: nu au o structură clară (definită). Aceste solide sunt capabile să se topească într-un anumit interval de temperatură stabilit. Cele mai obișnuite dintre ele pot fi atribuite sticlă și rășină.
2. Cristalin, care, la rândul său, este împărțit în 4 tipuri: atomic, molecular, ionic, metalic. În ele, particulele sunt localizate numai în conformitate cu o anumită schemă, și anume la nodurile rețelei cristaline. Geometria sa în diferite substanțe poate varia foarte mult.

Substanțele cristaline solide predomină în număr amorf.

Tipuri de solide cristaline

În stare solidă, aproape toate substanțele au o structură cristalină. Ele diferă în structura lor. Grilele de cristal din nodurile lor conțin particule diferite și elemente chimice. Era în acord cu ei că și-au primit numele. Fiecare tip are proprietățile sale caracteristice:

• Într-o rețea de cristal atomic, particulele unui solid sunt legate printr-o legătură covalentă. Se distinge prin puterea sa. Datorită acestui fapt, aceste substanțe se disting prin înălțime punctul de topire și fierbere. Cuarțul și diamantul sunt de acest tip.
• În lattica cu cristale moleculare, legătura dintre particule se distinge prin slăbiciunea sa. Substanțele de acest tip se caracterizează prin ușurința de fierbere și topire. Ele diferă în volatilitate datorită căruia au un anumit miros. Astfel de corpuri solide includ gheață, zahăr. Propunerile de molecule în solide de acest tip diferă în activitatea lor.
• În cristal ionic cristal la noduri, particulele corespunzătoare se alternează, încărcate pozitiv și negativ. Ele sunt ținute de atracția electrostatică. Acest tip de zăbrele există în baze, săruri, oxizi de bază. Multe substanțe de acest tip sunt ușor solubile în apă. Datorită unei legături destul de puternice între ioni, ele sunt refractare. Practic toate acestea sunt inodore, deoarece sunt caracterizate de non-volatilitate. Componentele din lățimea de ioni nu sunt capabile să efectueze un curent electric, deoarece nu conțin electroni liberi. Un exemplu tipic al unui solid ionic este clorura de sodiu. O astfel de latură de cristal o face fragilă. Acest lucru se datorează faptului că oricare dintre schimburile sale poate duce la apariția forțelor ionice respingătoare.
• Într-o rețea de cristal metalic, în noduri sunt prezente numai ioni de substanțe chimice, care sunt încărcate pozitiv. Între ele există electroni liberi, prin care energia termică și electrică trece perfect. Acesta este motivul pentru care orice metale diferă într-o astfel de caracteristică ca conductivitatea.

Concepte generale ale unui solid

Corpurile și substanțele solide sunt practic același lucru. Acești termeni sunt unul dintre cele 4 stări agregate. Corpurile solide au o formă și un caracter stabil al mișcării termice a atomilor. Și acestea din urmă fac fluctuații mici lângă pozițiile de echilibru. Secțiunea de știință care se ocupă de studiul compoziției și structurii interne se numește fizica solidă a statului. Există și alte domenii importante de cunoaștere care se ocupă de astfel de substanțe. Schimbarea formei sub influențe și mișcări externe se numește mecanica corpului deformat.

Datorită diferitelor proprietăți ale substanțelor solide, acestea au găsit aplicații în diverse dispozitive tehnice create de om. Cel mai adesea, proprietățile lor s-au bazat pe proprietăți precum duritatea, volumul, masa, elasticitatea, plasticitatea și fragilitatea. Știința modernă permite utilizarea altor calități de solide care pot fi detectate exclusiv în laborator.

Ce sunt cristalele?

Cristalele sunt solide cu particule aranjate într-o anumită ordine. Pentru fiecare substanță chimică corespunde structurii sale. Atomii săi formează o aranjare periodică tridimensională, numită o latură de cristal. Solidul are o simetrie diferită de structură. 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 granule individuale (cristalite) orientate aleator. Astfel de substanțe sunt numite policristaline. Acestea includ aliaje tehnice și metale, precum și multe roci. Cristalele singulare sunt numite cristale unice naturale sau sintetice.

Cel mai des, astfel de solide se formează din starea fazei lichide reprezentată de topitură sau soluție. Uneori sunt obținute din starea gazoasă. Acest proces se numește cristalizare. Datorită progresului științific și tehnic, procedura de cultivare (sintetizare) a diferitelor substanțe a fost industrializată. Cele mai multe cristale au o formă naturală sub formă regulate polyhedra. Dimensiunile lor sunt foarte diferite. Deci, cuarț natural (cristal de rocă) poate cântări până la sute de kilograme, iar diamantele - până la câteva grame.

În solidele amorfe, atomii sunt în oscilație constantă în jurul punctelor localizate haotic. Ei păstrează o anumită ordine cu rază scurtă de acțiune, dar nu există o comandă cu rază lungă de acțiune. Acest lucru se datorează faptului că moleculele lor sunt situate la o distanță care poate fi comparată cu dimensiunea lor. Cel mai obișnuit exemplu din viața noastră a unui astfel de solid este starea sticloasă. Substanțe amorfe adesea considerat ca un fluid cu o viscozitate infinit de mare. Timpul cristalizării lor este uneori atât de mare încât nu apare deloc.

Proprietățile de mai sus ale acestor substanțe le fac unice. Soluțiile solide amorfe sunt considerate instabile, deoarece pot ajunge în cele din urmă într-o stare cristalină.

Moleculele și atomii care alcătuiesc solidul sunt împachetați cu densitate mare. Ei își păstrează practic poziția reciprocă față de alte particule și sunt ținute împreună prin interacțiune intermoleculară. Distanța dintre moleculele de materie solidă în direcții diferite este numită parametrul laturii cristalului. Structura substanței și simetria sa determină o varietate de proprietăți, cum ar fi zona electronică, clivarea și optica. Atunci când sunt expuse la o substanță tare de o rezistență suficient de ridicată, aceste calități pot fi într-o oarecare măsură încălcate. În acest caz, solidul este supus unei deformări permanente.

Atomii solidelor realizează mișcări vibraționale, datorate posesiei lor de energie termică. Deoarece acestea sunt neglijabile, ele pot fi observate numai în condiții de laborator. Structura moleculară materia solidă afectează în mare măsură proprietățile sale.

Studiul solidelor

Caracteristicile, proprietățile acestor substanțe, calitatea lor și mișcarea particulelor sunt studiate în diferite subsecții ale fizicii solide.

Pentru studiul folosit: spectroscopia radio, analiza structurală utilizând raze X și alte metode. Deci, studiem proprietățile mecanice, fizice și termice ale substanțelor solide. Duritate, rezistență la sarcini, rezistență maximă, transformări de fază, știința materialelor de studiu. În mare parte rezonează cu fizica solidelor. Există o altă știință modernă importantă. Investigarea existenței și sintetizării substanțelor noi se realizează prin chimie în stare solidă.

Caracteristicile substanțelor solide

Natura mișcării electronilor exteriori ai atomilor solizi determină multe proprietăți, de exemplu, proprietățile electrice. Există 5 clase de astfel de organisme. Ele se stabilesc în funcție de tipul de legătură dintre atomi:

• Ionică, principala caracteristică a cărei forță este atracția electrostatică. Caracteristicile sale: reflectarea și absorbția luminii în regiunea infraroșie. La temperaturi scăzute, legătura ionică este caracterizată de o conductivitate electrică scăzută. Un exemplu de astfel de substanță este sarea de sodiu a acidului clorhidric (NaCl).
• Covalent, efectuat datorită perechii de electroni, care aparține ambilor atomi. Această relație este împărțită în: singură (simplă), dublă și triplă. Aceste denumiri indică prezența perechilor de electroni (1, 2, 3). Dublurile și triplele legături sunt numite multiple. Există încă o diviziune a acestui grup. Astfel, în funcție de distribuția densității electronice, se separă o legătură polară și nepolară. 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 deosebește prin densitatea sa. Cele mai grele cristale aparțin legăturii covalente.
• Metal, format prin combinarea electronilor valenți ai atomilor. Ca rezultat, există un nor electronic obișnuit, care se schimbă sub influența tensiunii electrice. Se formează o legătură metalică atunci când atomii legați sunt mari. Ei sunt cei care sunt capabili să dea electroni departe. Pentru multe metale și compuși complexi, prin această legătură se formează o stare solidă a materiei. Exemple: sodiu, bariu, aluminiu, cupru, aur. Dintre compușii nemetalici se pot observa următoarele: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu₅Zn₈. Substanțele cu o legătură metalică (metale) sunt diverse în ceea ce privește proprietățile fizice. Ele pot fi lichide (Hg), moi (Na, K), foarte grele (W, Nb).
• Moleculare, care apar în cristale, care sunt formate de molecule separate de materie. Se caracterizează prin diferențe între moleculele cu densitate electronică zero. Forțele de legare forțate în astfel de cristale sunt semnificative. În acest caz, moleculele sunt atrase unul de celălalt numai printr-o atracție intermoleculară slabă. De aceea, conexiunile dintre ele sunt ușor distruse atunci când sunt încălzite. Legăturile dintre atomi sunt mult mai complicate. Legătura moleculară este împărțită în orientare, dispersie și inducție. Un exemplu de astfel de substanță este metanul solid.
• Hidrogenul care apare între atomii pozitiv polarizați ai unei molecule sau o parte din ea și o particulă mai mică polarizată negativ dintr-o altă moleculă sau dintr-o altă parte. Aceste legături includ gheața.

Proprietăți ale substanțelor solide

Ce știm astăzi? Oamenii de știință au studiat de mult timp proprietățile stării solide a materiei. Atunci când temperatura este afectată, se schimbă și ea. Trecerea unui astfel de corp într-un lichid se numește fuziune. Transformarea unui solid într-o stare gazoasă se numește sublimare. Pe măsură ce temperatura este redusă, are loc solidificarea. Unele substanțe aflate sub influența rece trec în faza amorfă. Acest proces se numește vitrificare de către oamenii de știință.

În cazul tranzițiilor de fază, structura internă a solidelor se modifică. Cea mai mare ordine pe care o dobândește atunci când temperatura este redusă. La presiunea atmosferică și la temperatura T> 0 K, orice substanțe existente în natură se întăresc. Numai heliul, pentru cristalizarea căruia este necesară o presiune de 24 atm, constituie o excepție de la această regulă.

Starea solidă a substanței îi conferă diferite proprietăți fizice. Ele caracterizează comportamentul specific al corpurilor sub influența unor domenii și forțe. Aceste proprietăți sunt împărțite în grupuri. Există 3 moduri de expunere, care corespund la 3 tipuri de energie (mecanică, termică, electromagnetică). În consecință, există 3 grupe de proprietăți fizice ale solidelor:

• Proprietăți mecanice asociate stresului și deformării corpurilor. Conform acestor criterii, solidele sunt împărțite în elasticitate, reologică, rezistență și tehnologică. În rest, un astfel de corp își păstrează forma, dar se poate schimba sub influența unei forțe externe. În acest caz, poate fi de deformare plastică (vedere inițial nu a revenit), elastice (revine la forma inițială) sau distructive (atunci când un anumit prag dezintegreaza / pauză). Răspunsul la forța aplicată este descris de modulele elastice. Corpul solid rezistă nu numai la comprimare, întindere, dar și la schimbări, răsuciri și îndoire. Forța unui corp solid se numește proprietatea sa de a rezista distrugerii.
• Termică, manifestată atunci când este expusă câmpurilor termice. Una dintre cele mai importante proprietăți este punctul de topire la care corpul intră într-o stare lichidă. Se notează pentru solidele cristaline. Corpurile amorfe au o căldură latentă de fuziune, deoarece trecerea lor la o stare lichidă cu creșterea temperaturii are loc treptat. La atingerea unei anumite căldură, corpul amorf își pierde elasticitatea și dobândește plasticitate. Această stare înseamnă că atinge temperatura de tranziție vitroasă. Când este încălzit, are loc deformarea solidului. Și se extinde adesea. Din punct de vedere cantitativ, această stare este caracterizată de un anumit coeficient. Temperatura corporală afectează caracteristici mecanice precum fluiditatea, ductilitatea, duritatea și rezistența.
• Electromagnetic, asociat cu impactul fluxurilor de materie solidă de microparticule și unde electromagnetice de rigiditate mare. Pentru ele, sunt luate în considerare și proprietățile de radiație.

Structura zonei

Substanțele solide sunt clasificate prin așa-numita structură de bandă. Deci, printre ei se disting:

• Conductorii, care diferă prin faptul că benzile de conducție și de valență se suprapun. În acest caz, electronii se pot mișca între ei, primind cea mai mică energie. Conductorii includ toate metalele. Atunci când se aplică o diferență de potențial la un astfel de corp, 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 acestea depășește 4 eV. Pentru a transporta electroni de la valență la zona conductivă, este necesară o cantitate mare de energie. Datorită unor astfel de proprietăți ale dielectricilor, practic nu curge curent.
• Semiconductori caracterizați prin absența benzilor de conducție și de valență. Intervalul dintre ele este mai mic de 4 eV. Pentru a transfera electroni din banda de valență în zona de conducere, avem nevoie de o energie mai mică decât cea pentru dielectrici. Semiconductoarele pure (nedepuse și intrinseci) trec prost.

Mișcările moleculelor din solide determină proprietățile lor electromagnetice.

Alte proprietăți

Solidurile sunt, de asemenea, subdivizate în funcție de proprietățile lor magnetice. Există trei grupuri:

• Diamagnetele ale căror proprietăți depind puțin de temperatură sau de starea de agregare.
• Paramagnetice, care sunt o consecință a orientării electronilor de conducere și a momentelor magnetice ale atomilor. Conform legii Curie, susceptibilitatea lor scade proporțional cu temperatura. Astfel, la 300 K este de 10^-5.
• Corpuri cu o structură magnetică comandată care dispun de o ordine de atomi pe termen lung. La nodurile rețelei lor, particulele cu momente magnetice sunt localizate periodic. Astfel de substanțe solide și substanțe sunt adesea folosite în diferite sfere ale activității umane.

Cele mai solide substanțe din natură

Ce sunt? Densitatea solidelor determină în mare măsură duritatea lor. În ultimii ani, oamenii de știință au descoperit mai multe materiale care pretind că sunt "cel mai durabil organism". Cea mai grea substanță este fullerita (un cristal cu molecule fullerene), care este de aproximativ 1,5 ori mai dură decât un diamant. Din păcate, acesta este disponibil numai în cantități foarte mici.

Până în prezent, substanța cea mai solidă, care poate fi utilizată ulterior în industrie, este lonsdaleite (diamant hexagonal). El este cu 58% mai greu decât un diamant. Lonsdale este o modificare alotropică a carbonului. Grinzile sale de cristal sunt foarte asemănătoare rețelei de diamante. Celula din Lonsdaleit conține 4 atomi, iar diamantul - 8. Din cristalele utilizate pe scară largă, astăzi cel mai greu rămâne diamantul.