Faste stoffer er dem, der er i stand til at danne kroppe og har volumen. De adskiller sig fra væsker og gasser i deres form. Faste stoffer bevarer kroppens form på grund af det faktum, at deres partikler ikke er i stand til at bevæge sig frit. De adskiller sig i deres tæthed, plasticitet, elektrisk ledningsevne og farve. De har også andre egenskaber. Så for eksempel smelter de fleste af disse stoffer under opvarmning og opnår en flydende aggregeringstilstand. Nogle af dem, når de opvarmes, bliver straks til en gas (sublimerer). Men der er også dem, der nedbrydes til andre stoffer.
Typer af faste stoffer
Alle faste stoffer er opdelt i to grupper.
- Amorf, hvor individuelle partikler er arrangeret tilfældigt. Med andre ord: de har ikke en klar (defineret) struktur. Disse faste stoffer er i stand til at smelte inden for et specificeret temperaturområde. De mest almindelige af disse omfatter glas og harpiks.
- Krystallinsk, som igen er opdelt i 4 typer: atomart, molekylært, ionisk, metallisk. I dem er partiklerne kun placeret i henhold til et bestemt mønster, nemlig ved krystalgitterets noder. Dens geometri i forskellige stoffer kan variere meget.
Fast krystallinske stoffer råder over amorfe stoffer i deres antal.
Typer af krystallinske faste stoffer
I fast tilstand har næsten alle stoffer en krystallinsk struktur. De adskiller sig i deres struktur. Krystalgitre i deres noder indeholder forskellige partikler og kemiske elementer. Det er i overensstemmelse med dem, at de har fået deres navne. Hver type har egenskaber, der er specifikke for sig:
- I det atomare krystalgitter er partikler af et fast stof bundet af en kovalent binding. Den skiller sig ud for sin holdbarhed. På grund af dette har sådanne stoffer et højt smelte- og kogepunkt. Denne type inkluderer kvarts og diamant.
- I det molekylære krystalgitter er bindingen mellem partikler kendetegnet ved sin svaghed. Stoffer af denne type er kendetegnet ved, at de er nemme at koge og smelte. De er flygtige, på grund af hvilke de har en vis lugt. Disse faste stoffer omfatter is og sukker. Bevægelser af molekyler i faste stoffer af denne type er kendetegnet ved deres aktivitet.
- I det ioniske krystalgitter ved knudepunkterne veksler de tilsvarende partikler, positivt ladede ognegativ. De holdes sammen af elektrostatisk tiltrækning. Denne type gitter findes i alkalier, s alte, basiske oxider. Mange stoffer af denne type er letopløselige i vand. På grund af den ret stærke binding mellem ionerne er de ildfaste. Næsten alle af dem er lugtfri, da de er karakteriseret ved ikke-flygtighed. Stoffer med et ionisk gitter er ude af stand til at lede elektrisk strøm, da de ikke indeholder frie elektroner. Et typisk eksempel på et ionisk fast stof er bords alt. Sådan et krystalgitter gør det skørt. Dette skyldes det faktum, at ethvert skift i det kan føre til fremkomsten af ionafstødningskræfter.
- I metalkrystalgitteret ved noderne er der kun positivt ladede kemiske ioner. Mellem dem er der frie elektroner, gennem hvilke termisk og elektrisk energi passerer perfekt. Det er grunden til, at alle metaller er kendetegnet ved en egenskab som ledningsevne.
Generelle koncepter for en stiv krop
Faststoffer og stoffer er praktisk t alt det samme. Disse udtryk refererer til en af de 4 aggregeringstilstande. Faste stoffer har en stabil form og arten af den termiske bevægelse af atomer. Desuden laver sidstnævnte små svingninger nær ligevægtspositionerne. Den gren af videnskaben, der beskæftiger sig med studiet af sammensætning og indre struktur, kaldes faststoffysik. Der er andre vigtige vidensområder, der beskæftiger sig med sådanne stoffer. Ændringen i form under ydre påvirkninger og bevægelse kaldes mekanikken i en deformerbar krop.
På grund af de forskellige egenskaber ved faste stoffer har de fundet anvendelse i forskellige tekniske enheder skabt af mennesker. Oftest var deres brug baseret på sådanne egenskaber som hårdhed, volumen, masse, elasticitet, plasticitet, skrøbelighed. Moderne videnskab tillader brugen af andre kvaliteter af faste stoffer, som kun kan findes i laboratoriet.
Hvad er krystaller
Krystaller er faste legemer med partikler arrangeret i en bestemt rækkefølge. Hvert kemisk stof har sin egen struktur. Dens atomer danner et tredimensionelt periodisk arrangement kaldet krystalgitteret. Faste stoffer har forskellige strukturelle symmetrier. Den krystallinske tilstand af et fast stof anses for at være stabil, fordi det har en minimal mængde potentiel energi.
Langt de fleste faste materialer (naturlige) består af et stort antal tilfældigt orienterede individuelle korn (krystallitter). Sådanne stoffer kaldes polykrystallinske. Disse omfatter tekniske legeringer og metaller samt mange sten. Monokrystallinsk refererer til enkelte naturlige eller syntetiske krystaller.
Oftest dannes sådanne faste stoffer ud fra tilstanden af væskefasen, repræsenteret ved en smelte eller opløsning. Nogle gange er de opnået fra den gasformige tilstand. Denne proces kaldes krystallisation. Takket være videnskabelige og teknologiske fremskridt har proceduren for dyrkning (syntese) af forskellige stoffer fået en industriel skala. De fleste krystaller har en naturlig form i form af regelmæssigepolyedre. Deres størrelser er meget forskellige. Så naturlig kvarts (bjergkrystal) kan veje op til hundredvis af kilo, og diamanter - op til flere gram.
I amorfe faste stoffer er atomer i konstant oscillation omkring tilfældigt placerede punkter. De bevarer en vis kortrækkende rækkefølge, men der er ingen lang rækkefølge. Det skyldes, at deres molekyler er placeret i en afstand, der kan sammenlignes med deres størrelse. Det mest almindelige eksempel på et sådant fast stof i vores liv er den glasagtige tilstand. Amorfe stoffer betragtes ofte som en væske med en uendelig høj viskositet. Tiden for deres krystallisering er nogle gange så lang, at den slet ikke vises.
Det er ovenstående egenskaber ved disse stoffer, der gør dem unikke. Amorfe faste stoffer betragtes som ustabile, fordi de kan blive krystallinske over tid.
Molekylerne og atomerne, der udgør et fast stof, er pakket med høj densitet. De bevarer praktisk t alt deres indbyrdes position i forhold til andre partikler og holdes sammen på grund af intermolekylær interaktion. Afstanden mellem et fast stofs molekyler i forskellige retninger kaldes gitterparameteren. Stoffets struktur og dets symmetri bestemmer mange egenskaber, såsom elektronbåndet, sp altning og optik. Når en tilstrækkelig stor kraft påføres et fast stof, kan disse kvaliteter blive krænket i en eller anden grad. I dette tilfælde er det faste legeme udsat for permanent deformation.
Atomer af faste stoffer laver oscillerende bevægelser, som bestemmer deres besiddelse af termisk energi. Da de er ubetydelige, kan de kun observeres under laboratorieforhold. Et fast stofs molekylære struktur påvirker i høj grad dets egenskaber.
Undersøgelse af faste stoffer
Funktioner, egenskaber ved disse stoffer, deres kvaliteter og partiklernes bevægelse studeres af forskellige underafsnit af faststoffysikken.
Til undersøgelsen bruges: radiospektroskopi, strukturel analyse ved hjælp af røntgenstråler og andre metoder. Sådan studeres faste stoffers mekaniske, fysiske og termiske egenskaber. Hårdhed, belastningsmodstand, trækstyrke, fasetransformationer studeres af materialevidenskab. Det afspejler stort set faststoffysik. Der er en anden vigtig moderne videnskab. Studiet af eksisterende og syntesen af nye stoffer udføres ved faststofkemi.
Features of solids
Karten af bevægelsen af de ydre elektroner i et fast stofs atomer bestemmer mange af dets egenskaber, f.eks. elektriske. Der er 5 klasser af sådanne kroppe. De indstilles afhængigt af typen af atombinding:
- Ionisk, hvis hovedkarakteristik er den elektrostatiske tiltrækningskraft. Dens funktioner: refleksion og absorption af lys i det infrarøde område. Ved lave temperaturer er ionbindingen karakteriseret ved lav elektrisk ledningsevne. Et eksempel på et sådant stof er natriums altet af s altsyre (NaCl).
- Kovalent,udføres af et elektronpar, der hører til begge atomer. En sådan binding er opdelt i: enkelt (simpel), dobbelt og tredobbelt. Disse navne angiver tilstedeværelsen af elektronpar (1, 2, 3). Dobbelt- og tredobbeltbindinger kaldes multiple bindinger. Der er en anden opdeling af denne gruppe. Så afhængigt af fordelingen af elektrontæthed skelnes polære og ikke-polære bindinger. Den første er dannet af forskellige atomer, og den anden er den samme. En sådan fast stoftilstand, som eksempler på er diamant (C) og silicium (Si), er kendetegnet ved dens tæthed. De hårdeste krystaller tilhører specifikt den kovalente binding.
- Metallisk, dannet ved at kombinere atomers valenselektroner. Som følge heraf opstår en almindelig elektronsky, som forskydes under påvirkning af elektrisk spænding. En metallisk binding dannes, når de bundne atomer er store. De er i stand til at donere elektroner. I mange metaller og komplekse forbindelser danner denne binding en fast stoftilstand. Eksempler: natrium, barium, aluminium, kobber, guld. Af de ikke-metalliske forbindelser kan følgende bemærkes: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Stoffer med en metallisk binding (metaller) er forskellige i deres fysiske egenskaber. De kan være flydende (Hg), bløde (Na, K), meget hårde (W, Nb).
- Molekylær, opstået i krystaller, som er dannet af individuelle molekyler af et stof. Det er karakteriseret ved huller mellem molekyler med nul elektrondensitet. De kræfter, der binder atomer i sådanne krystaller, er betydelige. Molekylerne tiltrækkestil hinanden kun ved svag intermolekylær tiltrækning. Det er grunden til, at bindingerne mellem dem let ødelægges, når de opvarmes. Bindingerne mellem atomer er meget sværere at bryde. Molekylær binding er opdelt i orienterende, dispersion og induktiv. Et eksempel på et sådant stof er fast metan.
- Hydrogen, som forekommer mellem de positivt polariserede atomer i et molekyle eller dets del og den mindste negativt polariserede partikel af et andet molekyle eller en anden del. Disse obligationer inkluderer is.
egenskaber for faste stoffer
Hvad ved vi i dag? Forskere har længe undersøgt egenskaberne af stoffets faste tilstand. Når den udsættes for temperatur, ændres den også. Overgangen af et sådant legeme til en væske kaldes smeltning. Omdannelsen af et fast stof til en gasformig tilstand kaldes sublimering. Når temperaturen sænkes, sker krystallisationen af det faste stof. Nogle stoffer under påvirkning af kulde går over i den amorfe fase. Forskere kalder denne proces for forglasning.
Under faseovergange ændres den indre struktur af faste stoffer. Den opnår den største orden med faldende temperatur. Ved atmosfærisk tryk og temperatur T > 0 K størkner alle stoffer, der findes i naturen. Kun helium, som kræver et tryk på 24 atm for at krystallisere, er en undtagelse fra denne regel.
Materiets faste tilstand giver det forskellige fysiske egenskaber. De karakteriserer kroppens specifikke adfærdunder indflydelse af visse felter og kræfter. Disse ejendomme er opdelt i grupper. Der er 3 eksponeringsmåder, svarende til 3 energityper (mekanisk, termisk, elektromagnetisk). Følgelig er der 3 grupper af fysiske egenskaber for faste stoffer:
- Mekaniske egenskaber forbundet med stress og belastning af kroppen. Ifølge disse kriterier opdeles faste stoffer i elastisk, rheologisk, styrke og teknologisk. I hvile bevarer en sådan krop sin form, men den kan ændre sig under påvirkning af en ekstern kraft. Samtidig kan dens deformation være plastisk (den oprindelige form vender ikke tilbage), elastisk (vender tilbage til sin oprindelige form) eller destruktiv (når en vis tærskel er nået, opstår der henfald/brud). Reaktionen på den påførte kraft er beskrevet af elasticitetsmodulerne. En solid krop modstår ikke kun kompression, strækning, men også skift, vridning og bøjning. Styrken ved et solidt legeme er dets egenskab til at modstå ødelæggelse.
- Termisk, manifesteret, når det udsættes for termiske felter. En af de vigtigste egenskaber er smeltepunktet, hvor kroppen går over i en flydende tilstand. Det observeres i krystallinske faste stoffer. Amorfe legemer har en latent fusionsvarme, da deres overgang til en flydende tilstand med stigende temperatur sker gradvist. Ved at nå en vis varme mister den amorfe krop sin elasticitet og opnår plasticitet. Denne tilstand betyder, at den har nået glasovergangstemperaturen. Ved opvarmning opstår deformationen af det faste stof. Og det meste af tiden udvider det sig. Kvantitativt dettestaten er karakteriseret ved en vis koefficient. Kropstemperaturen påvirker mekaniske egenskaber såsom flydeevne, duktilitet, hårdhed og styrke.
- Elektromagnetisk, forbundet med påvirkningen af et fast stof af strømme af mikropartikler og elektromagnetiske bølger med høj stivhed. Strålingsegenskaber henvises også betinget til dem.
Zonestruktur
Faststoffer klassificeres også efter den såkaldte båndstruktur. Så blandt dem skelner de:
- Ledere, kendetegnet ved, at deres lednings- og valensbånd overlapper hinanden. I dette tilfælde kan elektroner bevæge sig mellem dem og modtage den mindste energi. Alle metaller er ledere. Når en potentialforskel påføres et sådant legeme, dannes en elektrisk strøm (på grund af elektronernes frie bevægelse mellem punkter med det laveste og højeste potentiale).
- Dielektriske stoffer, hvis zoner ikke overlapper hinanden. Intervallet mellem dem overstiger 4 eV. Der skal meget energi til for at lede elektroner fra valensen til ledningsbåndet. På grund af disse egenskaber leder dielektrika praktisk t alt ikke strøm.
- Halvledere karakteriseret ved fravær af lednings- og valensbånd. Intervallet mellem dem er mindre end 4 eV. For at overføre elektroner fra valensen til ledningsbåndet kræves der mindre energi end til dielektrikum. Rene (udopede og native) halvledere passerer ikke strømmen godt.
Molekylernes bevægelser i faste stoffer bestemmer deres elektromagnetiske egenskaber.
Andetejendomme
Fastlegemer er også underopdelt efter deres magnetiske egenskaber. Der er tre grupper:
- Diamagneter, hvis egenskaber afhænger lidt af temperatur eller aggregeringstilstand.
- Paramagneter som følge af orienteringen af ledningselektroner og atomers magnetiske momenter. Ifølge Curies lov falder deres modtagelighed i forhold til temperaturen. Så ved 300 K er det 10-5.
- Kroppene med en ordnet magnetisk struktur, med en lang række atomer. Ved noderne af deres gitter er partikler med magnetiske momenter periodisk placeret. Sådanne faste stoffer og stoffer bruges ofte inden for forskellige områder af menneskelig aktivitet.
De hårdeste stoffer i naturen
Hvad er de? Densiteten af faste stoffer bestemmer i høj grad deres hårdhed. I de senere år har forskere opdaget flere materialer, der hævder at være den "mest holdbare krop." Det hårdeste stof er fullerit (en krystal med fulleren-molekyler), som er omkring 1,5 gange hårdere end diamant. Desværre er den i øjeblikket kun tilgængelig i ekstremt små mængder.
I dag er det hårdeste stof, der kan blive brugt i fremtiden i industrien, lonsdaleite (sekskantet diamant). Det er 58% hårdere end diamant. Lonsdaleite er en allotrop modifikation af kulstof. Dens krystalgitter minder meget om diamant. En lonsdaleite-celle indeholder 4 atomer, mens en diamant indeholder 8. Af de meget brugte krystaller er diamant stadig den hårdeste i dag.
