Твърди: свойства, структура, плътност и примери

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 05:17

Твърдите вещества са тези, които могат да образуват тела и имат обем. Те се различават от течностите и газовете по своята форма. Твърдите тела запазват формата на тялото поради факта, че техните частици не могат да се движат свободно. Те се различават по своята плътност, пластичност, електрическа проводимост и цвят. Имат и други свойства. Така, например, повечето от тези вещества се топят по време на нагряване, придобивайки течно агрегатно състояние. Някои от тях при нагряване веднага се превръщат в газ (сублимиран). Но има и такива, които се разлагат до други вещества.

Видове твърди вещества

Всички твърди вещества са разделени на две групи.

Аморфен, при който отделните частици са подредени на случаен принцип. С други думи: те нямат ясна (дефинирана) структура. Тези твърди вещества могат да се топят в рамките на определен температурен диапазон. Най-често срещаните от тях включват стъкло и смола.
Кристални, които от своя страна са разделени на 4 вида: атомни, молекулни, йонни, метални. При тях частиците са разположени само по определен модел, а именно в възлите на кристалната решетка. Неговата геометрия в различните вещества може да варира значително.

Твърдите кристални вещества преобладават над аморфните в техния брой.

Видове кристални твърди вещества

В твърдо състояние почти всички вещества имат кристална структура. Те се различават по своята структура. Кристалните решетки в своите възли съдържат различни частици и химични елементи. В съответствие с тях те са получили имената си. Всеки тип има свойства, специфични за него:

В атомната кристална решетка частиците на твърдото вещество са свързани с ковалентна връзка. Отличава се със своята издръжливост. Поради това такива вещества имат висока точка на топене и кипене. Този тип включва кварц и диамант.
В молекулярната кристална решетка връзката между частиците се отличава със своята слабост. Веществата от този тип се характеризират с лекота на кипене и топене. Те са летливи, поради което имат определена миризма. Тези твърди вещества включват лед и захар. Движенията на молекулите в твърдите тела от този тип се отличават с тяхната активност.
В йонната кристална решетка в възлите се редуват съответните частици, заредени положително иотрицателен. Те се държат заедно чрез електростатично привличане. Този тип решетка съществува в алкали, соли, основни оксиди. Много вещества от този тип са лесно разтворими във вода. Поради доста силната връзка между йоните, те са огнеупорни. Почти всички те са без мирис, тъй като се характеризират с нелетливост. Веществата с йонна решетка не могат да провеждат електрически ток, тъй като не съдържат свободни електрони. Типичен пример за йонно твърдо вещество е готварската сол. Такава кристална решетка я прави крехка. Това се дължи на факта, че всяко изместване в него може да доведе до появата на сили на отблъскване на йони.
В металната кристална решетка във възлите има само положително заредени химически йони. Между тях има свободни електрони, през които топлинната и електрическата енергия преминават перфектно. Ето защо всички метали се отличават с такава характеристика като проводимост.

Общи концепции за твърдо тяло

Твърдите и веществата са практически едно и също нещо. Тези термини се отнасят до едно от 4-те агрегатни състояния. Твърдите тела имат стабилна форма и естеството на топлинното движение на атомите. Освен това, последните правят малки трептения в близост до равновесните позиции. Клонът на науката, който се занимава с изучаване на състава и вътрешната структура, се нарича физика на твърдото тяло. Има и други важни области на познанието, занимаващи се с такива вещества. Промяната на формата при външни влияния и движение се нарича механика на деформируемо тяло.

Поради различните свойства на твърдите тела, те са намерили приложение в различни технически устройства, създадени от човека. Най-често използването им се основава на свойства като твърдост, обем, маса, еластичност, пластичност, крехкост. Съвременната наука позволява използването на други качества на твърдите вещества, които могат да бъдат намерени само в лабораторията.

Какво са кристалите

Кристалите са твърди тела с частици, подредени в определен ред. Всяко химическо вещество има своя собствена структура. Неговите атоми образуват триизмерно периодично подреждане, наречено кристална решетка. Твърдите тела имат различни структурни симетрии. Кристалното състояние на твърдото вещество се счита за стабилно, защото има минимално количество потенциална енергия.

По-голямата част от твърдите материали (естествени) се състои от огромен брой произволно ориентирани отделни зърна (кристалити). Такива вещества се наричат поликристални. Те включват технически сплави и метали, както и много скали. Монокристален се отнася до единични естествени или синтетични кристали.

Най-често такива твърди вещества се образуват от състоянието на течната фаза, представена от стопилка или разтвор. Понякога се получават от газообразно състояние. Този процес се нарича кристализация. Благодарение на научно-техническия прогрес процедурата за отглеждане (синтез) на различни вещества придоби индустриален мащаб. Повечето кристали имат естествена форма под формата на правилнаполиедри. Размерите им са много различни. Така естественият кварц (скален кристал) може да тежи до стотици килограми, а диамантите - до няколко грама.

В аморфните твърди тела атомите са в постоянни колебания около произволно разположени точки. Те запазват определен ред на къси разстояния, но няма дълъг ред. Това се дължи на факта, че техните молекули са разположени на разстояние, което може да се сравни с техния размер. Най-честият пример за такова твърдо вещество в живота ни е стъкленото състояние. Аморфните вещества често се разглеждат като течности с безкрайно висок вискозитет. Времето на тяхната кристализация понякога е толкова дълго, че изобщо не се появява.

Именно горните свойства на тези вещества ги правят уникални. Аморфните твърди вещества се считат за нестабилни, защото могат да станат кристални с течение на времето.

Молекулите и атомите, които изграждат твърдо вещество, са опаковани с висока плътност. Те практически запазват взаимното си положение спрямо другите частици и се държат заедно поради междумолекулното взаимодействие. Разстоянието между молекулите на твърдото вещество в различни посоки се нарича параметър на решетката. Структурата на материята и нейната симетрия определят много свойства, като електронната лента, разцепването и оптиката. Когато върху твърдо тяло се приложи достатъчно голяма сила, тези качества могат да бъдат нарушени в една или друга степен. В този случай твърдото тяло е обект на постоянна деформация.

Атомите на твърдите тела извършват осцилаторни движения, които определят притежанието им на топлинна енергия. Тъй като те са незначителни, те могат да се наблюдават само в лабораторни условия. Молекулната структура на твърдото вещество силно влияе върху неговите свойства.

Изследване на твърди вещества

Характеристиките, свойствата на тези вещества, техните качества и движението на частиците се изучават от различни подраздели на физиката на твърдото тяло.

За изследването се използват: радиоспектроскопия, структурен анализ с помощта на рентгенови лъчи и други методи. По този начин се изследват механичните, физичните и топлинните свойства на твърдите тела. Твърдостта, устойчивостта на натоварване, якостта на опън, фазовите трансформации се изучават от материалознанието. Той до голяма степен отразява физиката на твърдото тяло. Има още една важна съвременна наука. Изучаването на съществуващите и синтеза на нови вещества се извършват чрез химия на твърдото тяло.

Характеристики на твърдите вещества

Естеството на движението на външните електрони на атомите на твърдото тяло определя много от неговите свойства, например електрически. Има 5 класа такива тела. Те се задават в зависимост от вида на атомната връзка:

Йонен, чиято основна характеристика е силата на електростатично привличане. Неговите характеристики: отразяване и поглъщане на светлината в инфрачервената област. При ниски температури йонната връзка се характеризира с ниска електрическа проводимост. Пример за такова вещество е натриевата сол на солната киселина (NaCl).
ковалентен,осъществявано от електронна двойка, която принадлежи на двата атома. Такава връзка е разделена на: единична (проста), двойна и тройна. Тези имена показват наличието на двойки електрони (1, 2, 3). Двойните и тройните връзки се наричат множествени връзки. Има и друго разделение на тази група. Така че, в зависимост от разпределението на електронната плътност, се разграничават полярни и неполярни връзки. Първият се образува от различни атоми, а вторият е същият. Такова твърдо състояние на материята, примери за което са диамант (C) и силиций (Si), се отличава със своята плътност. Най-твърдите кристали принадлежат специално към ковалентната връзка.
Метален, образуван чрез комбиниране на валентните електрони на атомите. В резултат на това се появява общ електронен облак, който се измества под въздействието на електрическо напрежение. Метална връзка се образува, когато свързаните атоми са големи. Те са способни да даряват електрони. В много метали и комплексни съединения тази връзка образува твърдо състояние на материята. Примери: натрий, барий, алуминий, мед, злато. От неметалните съединения могат да се отбележат следните: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu_{5 Zn 8}. Веществата с метална връзка (метали) са разнообразни по своите физични свойства. Те могат да бъдат течни (Hg), меки (Na, K), много твърди (W, Nb).
Молекулярна, възникваща в кристали, които се образуват от отделни молекули на дадено вещество. Характеризира се с пролуки между молекули с нулева електронна плътност. Силите, които свързват атомите в такива кристали, са значителни. Молекулите се привличатедин към друг само чрез слабо междумолекулно привличане. Ето защо връзките между тях лесно се разрушават при нагряване. Връзките между атомите са много по-трудни за прекъсване. Молекулното свързване се подразделя на ориентационно, дисперсионно и индуктивно. Пример за такова вещество е твърд метан.
Водород, който се среща между положително поляризираните атоми на една молекула или нейната част и най-малката отрицателно поляризирана частица на друга молекула или друга част. Тези връзки включват лед.

Свойства на твърдите тела

Какво знаем днес? Учените отдавна изучават свойствата на твърдото състояние на материята. Когато е изложен на температура, той също се променя. Преходът на такова тяло в течност се нарича топене. Превръщането на твърдо вещество в газообразно състояние се нарича сублимация. При понижаване на температурата настъпва кристализация на твърдото вещество. Някои вещества под въздействието на студа преминават в аморфна фаза. Учените наричат този процес витрификация.

По време на фазовите преходи вътрешната структура на твърдите вещества се променя. Той придобива най-голям ред с понижаване на температурата. При атмосферно налягане и температура T > 0 K всички вещества, които съществуват в природата, се втвърдяват. Само хелият, който изисква налягане от 24 атм, за да кристализира, е изключение от това правило.

Твърдото състояние на материята му придава различни физически свойства. Те характеризират специфичното поведение на телатапод въздействието на определени полета и сили. Тези имоти са разделени на групи. Има 3 начина на експозиция, съответстващи на 3 вида енергия (механична, термична, електромагнитна). Съответно има 3 групи физически свойства на твърдите тела:

Механични свойства, свързани със стрес и напрежение на телата. Според тези критерии твърдите тела се делят на еластични, реологични, якостни и технологични. В покой такова тяло запазва формата си, но може да се промени под действието на външна сила. В същото време деформацията му може да бъде пластична (първоначалната форма не се връща), еластична (връща се в първоначалната си форма) или разрушителна (при достигане на определен праг възниква разпад / счупване). Отговорът на приложената сила се описва от модулите на еластичност. Твърдото тяло издържа не само на компресия, разтягане, но и на изместване, усукване и огъване. Силата на твърдото тяло е неговото свойство да устои на унищожаване.
Термичен, проявява се при излагане на топлинни полета. Едно от най-важните свойства е точката на топене, при която тялото преминава в течно състояние. Наблюдава се в кристални твърди вещества. Аморфните тела имат латентна топлина на синтез, тъй като преминаването им в течно състояние с повишаване на температурата става постепенно. При достигане на определена топлина аморфното тяло губи своята еластичност и придобива пластичност. Това състояние означава, че е достигнала температурата на встъкляване. При нагряване се получава деформация на твърдото вещество. И през повечето време се разширява. Количествено товасъстоянието се характеризира с определен коефициент. Телесната температура влияе върху механичните свойства като течливост, пластичност, твърдост и здравина.
Електромагнитни, свързани с въздействието върху твърдо вещество на потоци от микрочастици и електромагнитни вълни с висока твърдост. Радиационните свойства също се отнасят условно към тях.

Зонна структура

Твърдите тела също се класифицират според така наречената лентова структура. И така, сред тях те разграничават:

Проводници, характеризиращи се с това, че техните проводимост и валентни ленти се припокриват. В този случай електроните могат да се движат между тях, като получават и най-малката енергия. Всички метали са проводници. Когато се приложи потенциална разлика към такова тяло, се образува електрически ток (поради свободното движение на електрони между точките с най-нисък и най-висок потенциал).
Диелектрици, чиито зони не се припокриват. Интервалът между тях надвишава 4 eV. Необходима е много енергия за провеждане на електрони от валентната към зоната на проводимост. Поради тези свойства диелектриците практически не провеждат ток.
Полупроводници, характеризиращи се с липса на проводимост и валентни ленти. Интервалът между тях е по-малък от 4 eV. За прехвърляне на електрони от валентната към зоната на проводимост е необходима по-малко енергия, отколкото за диелектриците. Чистите (нелегирани и естествени) полупроводници не преминават добре тока.

Движенията на молекулите в твърдите тела определят техните електромагнитни свойства.

Другиимоти

Твърдите тела също се подразделят според техните магнитни свойства. Има три групи:

Диамагнити, чиито свойства зависят малко от температурата или състоянието на агрегатиране.
Парамагнети, произтичащи от ориентацията на електроните на проводимостта и магнитните моменти на атомите. Според закона на Кюри тяхната чувствителност намалява пропорционално на температурата. И така, при 300 K е 10-5.
Тела с подредена магнитна структура, с далечен ред на атоми. В възлите на тяхната решетка периодично се намират частици с магнитни моменти. Такива твърди вещества и вещества често се използват в различни области на човешката дейност.

Най-твърдите вещества в природата

Какви са те? Плътността на твърдите вещества до голяма степен определя тяхната твърдост. През последните години учените откриха няколко материала, които твърдят, че са „най-издръжливото тяло“. Най-твърдото вещество е фулерит (кристал с фулеренови молекули), който е около 1,5 пъти по-твърд от диаманта. За съжаление в момента се предлага само в изключително малки количества.

Днес най-твърдото вещество, което може да се използва в бъдеще в индустрията, е лонсдейл (шестоъгълен диамант). Той е 58% по-твърд от диаманта. Lonsdaleite е алотропна модификация на въглерода. Кристалната му решетка е много подобна на диаманта. Лонсдейлитната клетка съдържа 4 атома, докато диамантът съдържа 8. От широко използваните кристали, диамантът остава най-твърдият днес.