Faststoff: egenskaper, struktur, tetthet og eksempler

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 05:37

Faste stoffer er de som er i stand til å danne kropper og har volum. De skiller seg fra væsker og gasser i form. Faste stoffer beholder kroppens form på grunn av at partiklene deres ikke er i stand til å bevege seg fritt. De er forskjellige i tetthet, plastisitet, elektrisk ledningsevne og farge. De har også andre egenskaper. Så for eksempel smelter de fleste av disse stoffene under oppvarming, og får en flytende aggregeringstilstand. Noen av dem, når de varmes opp, blir umiddelbart til en gass (sublimerer). Men det er også de som brytes ned til andre stoffer.

Typer av faste stoffer

Alle faste stoffer er delt inn i to grupper.

Amorf, der individuelle partikler er ordnet tilfeldig. Med andre ord: de har ikke en klar (definert) struktur. Disse faststoffene er i stand til å smelte innenfor et spesifisert temperaturområde. De vanligste av disse inkluderer glass og harpiks.
Krystallinsk, som igjen er delt inn i 4 typer: atom, molekylær, ionisk, metallisk. I dem er partiklene bare plassert i henhold til et visst mønster, nemlig ved nodene til krystallgitteret. Dens geometri i forskjellige stoffer kan variere mye.

Fast krystallinske stoffer råder over amorfe stoffer i antall.

Typer av krystallinske faste stoffer

I fast tilstand har nesten alle stoffer en krystallinsk struktur. De er forskjellige i deres struktur. Krystallgitter i nodene deres inneholder ulike partikler og kjemiske elementer. Det er i samsvar med dem at de har fått navnene sine. Hver type har egenskaper som er spesifikke for seg:

I det atomære krystallgitteret er partikler av et fast stoff bundet av en kovalent binding. Den skiller seg ut for sin holdbarhet. På grunn av dette har slike stoffer et høyt smelte- og kokepunkt. Denne typen inkluderer kvarts og diamant.
I det molekylære krystallgitteret kjennetegnes bindingen mellom partikler ved sin svakhet. Stoffer av denne typen er preget av enkel koking og smelting. De er flyktige, på grunn av hvilke de har en viss lukt. Disse faste stoffene inkluderer is og sukker. Bevegelsene til molekyler i faste stoffer av denne typen utmerker seg ved deres aktivitet.
I det ioniske krystallgitteret ved nodene veksler de tilsvarende partiklene, ladet positivt ognegativ. De holdes sammen av elektrostatisk tiltrekning. Denne typen gitter finnes i alkalier, s alter, basiske oksider. Mange stoffer av denne typen er lett løselige i vann. På grunn av den ganske sterke bindingen mellom ionene er de ildfaste. Nesten alle av dem er luktfrie, siden de er preget av ikke-flyktighet. Stoffer med et ionisk gitter er ikke i stand til å lede elektrisk strøm, siden de ikke inneholder frie elektroner. Et typisk eksempel på et ionisk fast stoff er bords alt. Et slikt krystallgitter gjør det sprøtt. Dette skyldes det faktum at enhver endring i den kan føre til fremveksten av ionefrastøtende krefter.
I metallkrystallgitteret ved nodene er det kun positivt ladede kjemiske ioner. Mellom dem er det frie elektroner som termisk og elektrisk energi passerer perfekt. Det er grunnen til at alle metaller utmerker seg ved en egenskap som konduktivitet.

Generelle konsepter for en stiv kropp

Faststoffer og stoffer er praktisk t alt det samme. Disse begrepene refererer til en av de 4 aggregeringstilstandene. Faste stoffer har en stabil form og arten av den termiske bevegelsen til atomer. Dessuten gjør sistnevnte små svingninger nær likevektsposisjonene. Den vitenskapsgrenen som omhandler studiet av komposisjon og indre struktur kalles faststofffysikk. Det er andre viktige kunnskapsområder som omhandler slike stoffer. Endringen i form under ytre påvirkninger og bevegelse kalles mekanikken til en deformerbar kropp.

På grunn av de forskjellige egenskapene til faste stoffer, har de funnet anvendelse i forskjellige tekniske enheter laget av mennesker. Oftest var bruken deres basert på egenskaper som hardhet, volum, masse, elastisitet, plastisitet, skjørhet. Moderne vitenskap tillater bruk av andre kvaliteter av faste stoffer som bare finnes i laboratoriet.

Hva er krystaller

Krystaller er faste legemer med partikler arrangert i en bestemt rekkefølge. Hvert kjemisk stoff har sin egen struktur. Dens atomer danner et tredimensjon alt periodisk arrangement k alt krystallgitteret. Faste stoffer har forskjellige strukturelle symmetrier. Den krystallinske tilstanden til et fast stoff anses som stabil fordi det har en minimumsmengde potensiell energi.

De aller fleste faste materialer (naturlige) består av et stort antall tilfeldig orienterte individuelle korn (krystallitter). Slike stoffer kalles polykrystallinske. Disse inkluderer tekniske legeringer og metaller, samt mange bergarter. Monokrystallinsk refererer til enkeltstående naturlige eller syntetiske krystaller.

Slike faste stoffer dannes oftest fra tilstanden til væskefasen, representert ved en smelte eller løsning. Noen ganger er de hentet fra gassform. Denne prosessen kalles krystallisering. Takket være vitenskapelig og teknologisk fremgang har prosedyren for dyrking (syntese) av ulike stoffer fått en industriell skala. De fleste krystaller har en naturlig form i form av vanligepolyeder. Størrelsene deres er veldig forskjellige. Så naturlig kvarts (bergkrystall) kan veie opptil hundrevis av kilo, og diamanter - opptil flere gram.

I amorfe faste stoffer er atomer i konstant svingning rundt tilfeldig plasserte punkter. De beholder en viss rekkefølge på kort rekkevidde, men det er ingen rekkefølge på lang rekkevidde. Dette skyldes det faktum at molekylene deres befinner seg i en avstand som kan sammenlignes med størrelsen. Det vanligste eksemplet på et slikt fast stoff i livet vårt er den glassaktige tilstanden. Amorfe stoffer betraktes ofte som en væske med uendelig høy viskositet. Tiden for deres krystallisering er noen ganger så lang at den ikke vises i det hele tatt.

Det er egenskapene ovenfor til disse stoffene som gjør dem unike. Amorfe faste stoffer anses som ustabile fordi de kan bli krystallinske over tid.

Molekylene og atomene som utgjør et fast stoff er pakket med høy tetthet. De beholder praktisk t alt sin innbyrdes posisjon i forhold til andre partikler og holdes sammen på grunn av intermolekylær interaksjon. Avstanden mellom molekylene til et fast stoff i forskjellige retninger kalles gitterparameteren. Materiens struktur og symmetri bestemmer mange egenskaper, som elektronbåndet, sp altningen og optikken. Når en tilstrekkelig stor kraft påføres et fast stoff, kan disse egenskapene bli krenket i en eller annen grad. I dette tilfellet er det faste legemet utsatt for permanent deformasjon.

Atomer av faste stoffer gjør oscillerende bevegelser, som bestemmer deres besittelse av termisk energi. Siden de er ubetydelige, kan de bare observeres under laboratorieforhold. Den molekylære strukturen til et fast stoff påvirker dets egenskaper i stor grad.

Studie av faste stoffer

Funksjoner, egenskaper til disse stoffene, deres kvaliteter og partiklers bevegelse studeres av ulike underseksjoner av faststoff-fysikk.

For studien brukes: radiospektroskopi, strukturanalyse ved bruk av røntgen og andre metoder. Slik studeres de mekaniske, fysiske og termiske egenskapene til faste stoffer. Hardhet, belastningsmotstand, strekkfasthet, fasetransformasjoner studeres av materialvitenskap. Det gjenspeiler stort sett faststofffysikk. Det er en annen viktig moderne vitenskap. Studiet av eksisterende og syntesen av nye stoffer utføres av faststoffkjemi.

Features of solids

Arten til bevegelsen til de ytre elektronene til atomene til et fast stoff bestemmer mange av dets egenskaper, for eksempel elektriske. Det er 5 klasser av slike kropper. De er satt avhengig av typen atombinding:

Ionisk, hvor hovedkarakteristikken er kraften til elektrostatisk tiltrekning. Dens funksjoner: refleksjon og absorpsjon av lys i det infrarøde området. Ved lave temperaturer er ionbindingen preget av lav elektrisk ledningsevne. Et eksempel på et slikt stoff er natriums altet av s altsyre (NaCl).
Covalent,utføres av et elektronpar som tilhører begge atomene. En slik binding er delt inn i: enkel (enkel), dobbel og trippel. Disse navnene indikerer tilstedeværelsen av elektronpar (1, 2, 3). Dobbelt- og trippelbindinger kalles multippelbindinger. Det er en annen inndeling av denne gruppen. Så, avhengig av fordelingen av elektrontetthet, skilles polare og ikke-polare bindinger. Den første er dannet av forskjellige atomer, og den andre er den samme. En slik fast tilstand av materie, eksempler på dem er diamant (C) og silisium (Si), utmerker seg ved sin tetthet. De hardeste krystallene tilhører spesifikt den kovalente bindingen.
Metallisk, dannet ved å kombinere valenselektronene til atomer. Som et resultat dukker det opp en vanlig elektronsky, som forskyves under påvirkning av elektrisk spenning. En metallisk binding dannes når de bundne atomene er store. De er i stand til å donere elektroner. I mange metaller og komplekse forbindelser danner denne bindingen en fast tilstand av materie. Eksempler: natrium, barium, aluminium, kobber, gull. Av de ikke-metalliske forbindelsene kan følgende nevnes: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu_{5 Zn 8}. Stoffer med en metallisk binding (metaller) er forskjellige i sine fysiske egenskaper. De kan være flytende (Hg), myke (Na, K), veldig harde (W, Nb).
Molekylær, som oppstår i krystaller, som er dannet av individuelle molekyler av et stoff. Det er preget av gap mellom molekyler med null elektrontetthet. Kreftene som binder atomer i slike krystaller er betydelige. Molekylene tiltrekkestil hverandre kun ved svak intermolekylær tiltrekning. Det er grunnen til at bindingene mellom dem lett blir ødelagt når de varmes opp. Bindingene mellom atomer er mye vanskeligere å bryte. Molekylær binding er delt inn i orientering, dispersjon og induktiv. Et eksempel på et slikt stoff er fast metan.
Hydrogen, som oppstår mellom de positivt polariserte atomene til et molekyl eller dets del og den minste negativt polariserte partikkelen til et annet molekyl eller en annen del. Disse bindingene inkluderer is.

Properties of solids

Hva vet vi i dag? Forskere har lenge studert egenskapene til stoffets faste tilstand. Når den utsettes for temperatur, endres den også. Overgangen av et slikt legeme til en væske kalles smelting. Transformasjonen av et fast stoff til en gassform kalles sublimering. Når temperaturen senkes, skjer krystalliseringen av faststoffet. Noen stoffer under påvirkning av kulde går over i den amorfe fasen. Forskere kaller denne prosessen vitrifisering.

Under faseoverganger endres den indre strukturen til faste stoffer. Den får den største orden med synkende temperatur. Ved atmosfærisk trykk og temperatur T > 0 K størkner alle stoffer som finnes i naturen. Bare helium, som krever et trykk på 24 atm for å krystallisere, er et unntak fra denne regelen.

Materiens faste tilstand gir den ulike fysiske egenskaper. De karakteriserer den spesifikke oppførselen til kropperunder påvirkning av visse felt og krefter. Disse eiendommene er delt inn i grupper. Det er 3 måter å eksponering på, tilsvarende 3 typer energi (mekanisk, termisk, elektromagnetisk). Følgelig er det 3 grupper av fysiske egenskaper til faste stoffer:

Mekaniske egenskaper forbundet med stress og belastning av kroppen. I henhold til disse kriteriene deles faste stoffer inn i elastisk, reologisk, styrke og teknologisk. I hvile beholder en slik kropp formen, men den kan endres under påvirkning av en ytre kraft. Samtidig kan dens deformasjon være plastisk (den opprinnelige formen kommer ikke tilbake), elastisk (går tilbake til sin opprinnelige form) eller destruktiv (når en viss terskel er nådd, oppstår forfall / brudd). Responsen på den påførte kraften er beskrevet av elastisitetsmodulene. En solid kropp motstår ikke bare kompresjon, strekking, men også skift, vridning og bøyning. Styrken til en solid kropp er dens egenskap til å motstå ødeleggelse.
Termisk, manifestert når den utsettes for termiske felt. En av de viktigste egenskapene er smeltepunktet der kroppen går over i flytende tilstand. Det er observert i krystallinske faste stoffer. Amorfe legemer har en latent fusjonsvarme, siden deres overgang til flytende tilstand med økende temperatur skjer gradvis. Når den når en viss varme, mister den amorfe kroppen sin elastisitet og får plastisitet. Denne tilstanden betyr at den har nådd glassovergangstemperaturen. Ved oppvarming oppstår deformasjonen av faststoffet. Og mesteparten av tiden utvider det seg. Kvantitativt dettestaten er preget av en viss koeffisient. Kroppstemperaturen påvirker mekaniske egenskaper som flyt, duktilitet, hardhet og styrke.
Elektromagnetisk, assosiert med innvirkning på et fast stoff av strømmer av mikropartikler og elektromagnetiske bølger med høy stivhet. Strålingsegenskaper er også betinget referert til dem.

Sonestruktur

Faststoffer er også klassifisert i henhold til den såk alte båndstrukturen. Så blant dem skiller de:

Ledere, karakterisert ved at deres lednings- og valensbånd overlapper hverandre. I dette tilfellet kan elektroner bevege seg mellom dem og motta den minste energien. Alle metaller er ledere. Når en potensialforskjell påføres et slikt legeme, dannes det en elektrisk strøm (på grunn av fri bevegelse av elektroner mellom punkter med lavest og høyeste potensial).
Dielektrikum hvis soner ikke overlapper hverandre. Intervallet mellom dem overstiger 4 eV. Det trengs mye energi for å lede elektroner fra valensen til ledningsbåndet. På grunn av disse egenskapene leder dielektrikum praktisk t alt ikke strøm.
Halvledere preget av fravær av lednings- og valensbånd. Intervallet mellom dem er mindre enn 4 eV. For å overføre elektroner fra valensen til ledningsbåndet trengs mindre energi enn for dielektrikum. Rene (udopede og native) halvledere passerer dårlig strøm.

Bevegelsene til molekyler i faste stoffer bestemmer deres elektromagnetiske egenskaper.

Anneteiendommer

Fastlegemer er også delt inn i henhold til deres magnetiske egenskaper. Det er tre grupper:

Diamagneter, hvis egenskaper avhenger lite av temperatur eller aggregeringstilstand.
Paramagneter som er et resultat av orienteringen av ledningselektroner og magnetiske momenter til atomer. I følge Curies lov avtar deres mottakelighet proporsjon alt med temperaturen. Så ved 300 K er det 10-5.
Kroppene med en ordnet magnetisk struktur, med en lang rekkefølge av atomer. Ved nodene til gitteret deres er partikler med magnetiske momenter periodisk lokalisert. Slike faste stoffer og stoffer brukes ofte i ulike felt av menneskelig aktivitet.

De hardeste stoffene i naturen

Hva er de? Tettheten av faste stoffer bestemmer i stor grad deres hardhet. De siste årene har forskere oppdaget flere materialer som hevder å være den "mest holdbare kroppen." Det hardeste stoffet er fulleritt (en krystall med fullerenmolekyler), som er omtrent 1,5 ganger hardere enn diamant. Dessverre er den for øyeblikket bare tilgjengelig i ekstremt små mengder.

I dag er det hardeste stoffet som kan brukes i fremtiden i industrien lonsdaleite (sekskantet diamant). Det er 58% hardere enn diamant. Lonsdaleite er en allotrop modifikasjon av karbon. Krystallgitteret ligner veldig på diamant. En lonsdaleittcelle inneholder 4 atomer, mens en diamant inneholder 8. Av de mye brukte krystallene er diamant fortsatt den hardeste i dag.