ТВЕРДИЙ СТАН: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВЛАСТИВОСТІ, ТИПИ, ПРИКЛАДИ - НАУКА - 2025

Твердотільний є одним з основних способів , в яких важливі агрегати для створення конденсованих або твердих тіл. Вся земна кора, що випускає моря і океани, являє собою строкатий конгломерат твердих тіл. Прикладами предметів у твердому стані є книга, камінь або зерна піску.

Ми можемо взаємодіяти з твердими речовинами завдяки відштовхуванню наших електронів з їх атомами чи молекулами. На відміну від рідин і газів, якщо вони не є сильно токсичними, наші руки не можуть пройти через них, а навпаки, розсипатись або поглинати їх.

Дерев'яна статуя цього коня виготовлена ​​з сильно згуртованих природних полімерів. Джерело: Pxhere.

Тверді речовини, як правило, набагато простіше обробляти або зберігати, ніж рідина або газ. Якщо його частинки не будуть тонко розділені, вітровий струм не буде переносити його в інших напрямках; вони фіксуються в просторі, визначеному міжмолекулярними взаємодіями їх атомів, іонів або молекул.

Тверда концепція

Тверда речовина - це стан речовини, в якому є жорсткий об'єм і форма; частинки, що утворюють матеріали або предмети в твердому стані, закріплені в одному місці, вони не легко стискаються.

Цей стан речовини є найрізноманітнішим і найбагатшим з точки зору хімії та фізики. У нас є іонні, металеві, атомні, молекулярні та ковалентні тверді речовини, кожна з яких має свою структурну одиницю; тобто з власними кристалами. Коли спосіб їх агрегації не дозволяє їм встановлювати впорядковані внутрішні структури, вони стають аморфними та заплутаними.

Вивчення твердого тіла сходиться в проектуванні та синтезі нових матеріалів. Наприклад, дерево, природне тверде тіло, також використовувалося як декоративний матеріал та для будівництва будинків.

Інші тверді матеріали дозволяють виготовляти автомобілі, літаки, кораблі, космічні кораблі, ядерні реактори, спортивні товари, акумулятори, каталізатори та багато інших предметів чи виробів.

Загальна характеристика твердих речовин

Пружина і дерево, компоненти супорта, приклад твердого тіла

Основними характеристиками твердих речовин є:

-Визначили масу, об'єм і форму. Наприклад, газ не має кінця або початку, оскільки вони залежать від контейнера, який його зберігає.

-Вони дуже щільні. Тверді речовини, як правило, щільніше, ніж рідини та гази; хоча є кілька винятків із правила, особливо при порівнянні рідин і твердих тіл.

-Разміни, що розділяють його частинки, короткі. Це означає, що вони стали дуже згуртованими або ущільненими у відповідному обсязі.

- Її міжмолекулярні взаємодії дуже сильні, інакше вони не існували б такими, а танули б або сублімували в земних умовах.

Відмінності між частинками твердого речовини, рідини та газу

-Мобільність твердих тіл зазвичай досить обмежена не тільки з матеріальної точки зору, але і молекулярно. Її частинки обмежені у фіксованому положенні, де вони можуть лише вібрувати, але не рухатися чи обертатися (теоретично).

Властивості

Точки плавлення

Усі тверді речовини, якщо вони не розкладаються в процесі і незалежно від того, хороші вони провідники тепла, можуть перейти в рідкий стан при певній температурі: їх температура плавлення. Коли ця температура буде досягнута, її частинки, нарешті, встигають стікати та виходити зі своїх фіксованих положень.

Ця температура плавлення залежатиме від природи твердого тіла, його взаємодій, молярної маси та енергії кристалічної решітки. Як правило, іонні тверді речовини та ковалентні мережі (такі як алмаз та діоксид кремнію) мають найвищі температури плавлення; тоді як молекулярні тверді речовини найнижчі.

На наступному зображенні показано, як кубик льоду (твердий стан) перетворюється на рідкий стан:

Стехіометрія

Значна частина твердих речовин є молекулярною, оскільки це сполуки, міжмолекулярні взаємодії дозволяють їм зливатися таким чином. Однак багато інших є іонними або частково іонними, тому їх одиницями є не молекули, а клітини: сукупність атомів чи іонів, розташованих впорядковано.

Саме тут формули таких твердих тіл повинні дотримуватися нейтральності зарядів, вказуючи на їх склад та стехіометричні співвідношення. Наприклад, тверда речовина, гіпотетичною формулою якої є A ₂ B ₄ O _2, вказує на те, що вона має таку ж кількість атомів A, що і O (2: 2), тоді як вона має вдвічі більше атомів B (2: 4).

Зауважимо, що індекси формули A ₂ B ₄ O ₂ є цілими числами, що свідчить про те, що це стехіометричне тверде тіло. Склад багатьох твердих речовин описаний цими формулами. Заряди на A, B і O повинні дорівнювати нулю, оскільки в іншому випадку буде позитивний чи негативний заряд.

Для твердих тіл особливо корисно знати, як інтерпретувати їх формули, оскільки, як правило, склади рідин і газів простіші.

Дефекти

Структури твердих тіл не є ідеальними; вони представляють недосконалість або дефекти, якими б кришталевими вони не були. Це не так з рідинами, ні з газами. Немає регіонів рідкої води, про які можна сказати заздалегідь, щоб вони були "дислоковані" від оточення.

Такі дефекти відповідають за тверді і крихкі тверді речовини, проявляючи такі властивості, як піроелектричність та п'єзоелектричність, або перестаючи мати певні композиції; тобто вони є нестехіометричними твердими речовинами (наприклад, A _0,4 B _1,3 O _0,5 ).

Реактивність

Тверді речовини, як правило, менш реакційноздатні, ніж рідини та гази; але не через хімічні причини, а через те, що їх структури перешкоджають нападу реагентів на частинки всередині них, реагуючи спочатку на ті, що знаходяться на їх поверхні. Тому реакції, що включають тверді речовини, мають тенденцію повільніше; за винятком їх подрібнення.

Коли тверда речовина знаходиться у формі порошку, її більш дрібні частинки мають більшу площу або поверхню для реакції. Ось чому дрібні тверді речовини часто позначаються як потенційно небезпечні реагенти, оскільки вони можуть швидко запалюватися або енергійно реагувати при контакті з іншими речовинами або сполуками.

Часто тверді речовини розчиняють у реакційному середовищі для гомогенізації системи та проведення синтезу з більш високим виходом.

Фізичні

За винятком температури плавлення та дефектів, сказане до цього часу більше відповідає хімічним властивостям твердих речовин, ніж їх фізичним властивостям. Фізика матеріалів глибоко орієнтована на те, як світло, звук, електрони і тепло взаємодіють із твердими речовинами, будь то кристалічні, аморфні, молекулярні тощо.

Сюди потрапляють ті, що відомі як пластичні, пружні, жорсткі, непрозорі, прозорі, надпровідні, фотоелектричні, мікропористі, феромагнітні, ізолюючі або напівпровідникові тверді тіла.

Наприклад, в хімії представляють інтерес матеріали, які не поглинають ультрафіолетове випромінювання або видиме світло, оскільки вони використовуються для виготовлення вимірювальних комірок для УФ-спектрофотометрів. Те саме відбувається з інфрачервоним випромінюванням, коли потрібно охарактеризувати з'єднання, отримавши його ІЧ-спектр, або вивчити хід реакції.

Вивченню та маніпулюванню всіма фізичними властивостями твердих тіл потрібна величезна відданість, а також їх синтезу та проектування, вибору «шматочків» неорганічної, біологічної, органічної або металоорганічної конструкції для нових матеріалів.

Типи та приклади

Оскільки хімічно існує кілька типів твердих речовин, представницькі приклади будуть згадані окремо для кожного.

Кристалічні тверді речовини

З одного боку, є кристалічні тверді речовини. Ці елементи характеризуються тим, що молекули, що їх складають, налаштовані так само, що повторюється як візерунок у всьому кристалі. Кожен малюнок називається одиничною коміркою.

Кристалічні тверді речовини також характеризуються тим, що мають певну температуру плавлення; Це означає, що, зважаючи на рівномірність розташування його молекул, існує однакова відстань між кожною одиничною клітиною, що дозволяє всій структурі постійно перетворюватися при одній і тій же температурі.

Прикладами кристалічних твердих речовин можуть бути сіль і цукор.

Аморфні тверді речовини

Аморфні тверді речовини характеризуються тим, що конформація їх молекул не відповідає картині, а змінюється по всій поверхні.

Оскільки такої картини немає, температура плавлення аморфних твердих тіл не визначається, на відміну від кристалічних, а це означає, що вона плавиться поступово і при різних температурах.

Прикладами аморфних твердих речовин можуть бути скло та більшість пластиків.

Іоніка

Іонні тверді речовини характеризуються тим, що мають катіони та аніони, які взаємодіють між собою електростатичним притяганням (іонне зв’язування). Коли іони невеликі, отримані структури зазвичай завжди є кристалічними (з урахуванням їх дефектів). Серед деяких іонних твердих речовин ми маємо:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^- ), хлорид натрію

-MgO (Mg ²⁺ O ^2- ), оксид магнію

-CaCO ₃ (Са ²⁺ CO ₃ ^2- ), карбонат кальцію

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ^2- ), мідний купорос

-KF (K ⁺ F ^- ), фторид калію

-NH ₄ Cl (NH ₄ ⁺ Cl ^- ), хлорид амонію

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2- ), сульфід цинку

-Fe (C ₆ H ₅ COO) ₃ , бензоат заліза

Металеві

Як вказує їх назва, вони є твердими речовинами, у яких металеві атоми взаємодіють через металевий зв’язок:

-Сільвере

-Златка

-Вести

-Бессе

-Бронза

-Біле золото

-Півня

-Сталі

-Дуралюмін

Зверніть увагу, що сплави, звичайно, також враховуються як металеві тверді речовини.

Атомний

Металеві тверді речовини також є атомними, оскільки в теорії немає ковалентних зв’язків між металевими атомами (ММ). Однак благородні гази по суті вважаються атомними видами, оскільки серед них переважають лише лондонські дисперсивні сили.

Тому, хоча вони не є твердими речовинами високого застосування (і їх важко отримати), кристалізовані благородні гази є зразками атомних твердих речовин; тобто: гелій, неон, аргон, криптон тощо, тверді речовини.

Молекулярні та полімерні

Молекули можуть взаємодіяти через сили Ван-дер-Уоллса, де важливу роль відіграють їх молекулярні маси, дипольні моменти, водневі зв’язки, структури та геометрія. Чим сильніші такі взаємодії, тим більше шансів на те, що вони будуть у твердій формі.

З іншого боку, те ж міркування стосується полімерів, які завдяки високій середній молекулярній масі майже завжди є твердими речовинами, а декілька з них є аморфними; оскільки його полімерні одиниці важко акуратно розташувати для створення кристалів.

Таким чином, серед деяких молекулярних і полімерних твердих речовин ми маємо наступне:

-Сухий лід

-Сагар

-Іод

-Бензойна кислота

-Ацетамід

-Ромбічна сірка

-Пальмінова кислота

-Фуллеренос

-Мач

-Кафеїн

-Нафталін

-Вида і папір

-Силка

-Тефлон

-Поліетилен

-Кевлар

-Бакеліт

-Полівініл хлорид

-Полістирол

-Поліпропілен

-Протеїни

-Плитка шоколаду

Ковалентні мережі

Нарешті, у нас є ковалентні мережі між найтвердішими та найвищими твердими речовинами. Деякі приклади:

-Графіт

-Діамант

-Кварц

-Саліцій карбід

-Нітрид бору

-Фосфат алюмінію

-Арсенід галію

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
3. Вікіпедія. (2019). Твердотільна хімія. Відновлено з: en.wikipedia.org
4. Elsevier BV (2019). Твердотільна хімія. ScienceDirect. Відновлено з: sciencedirect.com
5. Доктор Майкл Луфасо. (sf). Примітки до лекції з хімії твердого тіла. Відновлено з: une.edu
6. запитанняІІтяни. (2019). Загальна характеристика твердого тіла. Відновлено з: askiitians.com
7. Девід Вуд. (2019). Як атоми та молекули утворюють тверді тіла: візерунки та кристали. Вивчення. Відновлено з: study.com