Цвёрдыя рэчывы: ўласцівасці, будынак, шчыльнасць і прыклады

Цвёрдымі называюць такія рэчывы, якія здольныя ўтвараць цела і маюць аб'ём. Ад вадкасцяў і газаў яны адрозніваюцца сваёй формай. Цвёрдыя рэчывы захоўваюць форму цела дзякуючы таму, што іх часціцы не здольныя свабодна перамяшчацца. Яны адрозніваюцца па сваёй шчыльнасці, пластычнасці, электраправоднасці і колеру. Таксама ў іх ёсць і іншыя ўласцівасці. Так, напрыклад, большасць дадзеных рэчываў плавяцца падчас награвання, набываючы вадкае агрэгатны стан. Некаторыя з іх пры падагрэве адразу ж ператвараюцца ў газ (узганяць). Але ёсць яшчэ і тыя, якія раскладаюцца на іншыя рэчывы.

Віды цвёрдых рэчываў

Усе цвёрдыя рэчывы падзяляюцца на дзве групы.

1. Аморфныя, у якіх асобныя часціцы размяшчаюцца хаатычна. Іншымі словамі: у іх няма выразнай (пэўнай) структуры. Гэтыя цвёрдыя рэчывы здольныя плавіцца ў нейкім ўстаноўленым прамежку тэмператур. Да самых распаўсюджаным з іх можна аднесці шкло і смалу.
2. Крышталічныя, якія, у сваю чаргу, падзяляюцца на 4 тыпу: атамныя, малекулярныя, іённыя, металічныя. У іх часціцы размяшчаюцца толькі па пэўнай схеме, а менавіта ў вузлах крышталічнай рашоткі. Яе геаметрыя ў розных рэчывах можа моцна адрознівацца.

Цвёрдыя крышталічныя рэчывы пераважаюць над аморфным па сваёй колькасці.

Тыпы крышталічных цвёрдых рэчываў

У цвёрдым стане практычна ўсе рэчывы маюць крышталічную структуру. Яны адрозніваюцца сваім будынкам. Крышталічныя рашоткі ў сваіх вузлах ўтрымліваюць розныя часціцы і хімічныя элементы. Менавіта ў адпаведнасці з імі яны і атрымалі свае назвы. У кожнага тыпу маюцца характэрныя для яго ўласцівасці:

• У атамнай крышталічнай рашотцы часціцы цвёрдага рэчыва звязаны кавалентнай сувяззю. Яна адрозніваецца сваёй трываласцю. Дзякуючы гэтаму такія рэчывы адрозніваюцца высокай тэмпературай плаўлення і кіпення. Да гэтага тыпу адносяцца кварц і алмаз.
• У малекулярнай крышталічнай рашотцы сувязь паміж часціцамі адрозніваецца сваёй слабасцю. Рэчывы такога тыпу характарызуюцца лёгкасцю закіпання і плаўлення. Яны адрозніваюцца лятучасцю, дзякуючы якой маюць пэўны пах. Да такіх цвёрдым целам ставяцца лёд, цукар. Руху малекул у цвёрдых рэчывах гэтага тыпу адрозніваюцца сваёй актыўнасцю.
• У іённай крышталічнай рашотцы ў вузлах чаргуюцца адпаведныя часціцы, зараджаныя станоўча і адмоўна. Яны ўтрымліваюцца электрастатычным прыцягненнем. Дадзены тып рашоткі існуе ў шчолачах, солях, асноўных аксідаў. Шматлікія рэчывы гэтага віду лёгка раствараюцца ў вадзе. Дзякуючы досыць трывалай сувязі паміж іёнамі яны тугаплаўкія. Практычна ўсе яны не маюць паху, паколькі для іх характэрна нелетучесть. Рэчывы з іённай кратамі няздольныя праводзіць электрычны ток, паколькі ў іх складзе няма свабодных электронаў. Тыповы прыклад іённага цвёрдага рэчыва - павараная соль. Такая крышталічная рашотка надае ёй далікатнасць. Гэта звязана з тым, што любы яе зрух можа прывесці да ўзнікнення сіл адштурхвання іёнаў.
• У металічнай крышталічнай рашотцы ў вузлах прысутнічаюць толькі іёны хімічных рэчываў, зараджаныя станоўча. Паміж імі ёсць вольныя электроны, праз якія выдатна праходзіць цеплавая і электрычная энергія. Менавіта таму любыя металы адрозніваюцца такой асаблівасцю, як праводнасць.

Агульныя паняцці аб цвёрдым целе

Цвёрдыя цела і рэчывы - гэта практычна адно і тое ж. Гэтымі тэрмінамі называюць адно з 4 агрэгатных станаў. Цвёрдыя целы маюць стабільную форму і характар цеплавога руху атамаў. Прычым апошнія здзяйсняюць малыя ваганні побач з палажэннямі раўнавагі. Раздзел навукі, які займаецца вывучэннем складу і ўнутранай структуры, называюць фізікай цвёрдага цела. Існуюць і іншыя важныя вобласці ведаў, якія займаюцца такімі рэчывамі. Змена формы пры знешніх уздзеяннях і руху называюць механікай дэфармаванага цела.

Дзякуючы розным уласцівасцях цвёрдых рэчываў яны знайшлі прымяненне ў розных тэхнічных прыстасаваннях, створаных чалавекам. Часцей за ўсё ў аснове іх ужывання ляжалі такія ўласцівасці, як цвёрдасць, аб'ём, маса, пругкасць, пластычнасць, далікатнасць. Сучасная навука дазваляе выкарыстоўваць і іншыя якасці цвёрдых рэчываў, якія можна выявіць выключна ў лабараторных умовах.

Што такое крышталі

Крышталі - гэта цвёрдыя цела з размешчанымі ў вызначаным парадку часціцамі. Кожнаму хімічным рэчыву адпавядае свая структура. Яго атамы ўтвараюць трохмерна-перыядычную кладку, званую крышталічнай кратамі. Цвёрдыя рэчывы валодаюць рознай сіметрыяй структуры. Крышталічнае стан цвёрдага цела лічыцца устойлівым, паколькі мае мінімальная колькасць патэнцыйнай энергіі.

Пераважная большасць цвёрдых матэрыялаў (прыродных) складаецца з вялікай колькасці бязладна арыентаваных асобных зерня (кристаллитов). Такія рэчывы называюць полікрышталічнага. Да іх адносяць тэхнічныя сплавы і металы, а таксама мноства горных парод. Монакрышталічнага называюць адзінкавыя прыродныя або сінтэтычныя крышталі.

Часцей за ўсё такія цвёрдыя целы ўтвараюцца са стану вадкай фазы, прадстаўленага расплавам або растворам. Часам іх атрымліваюць і з газападобнага стану. Гэты працэс называюць крышталізацыяй. Дзякуючы навукова-тэхнічным прагрэсе працэдура вырошчвання (сінтэзу) розных рэчываў атрымала прамысловы маштаб. Большасць крышталяў мае натуральную форму ў выглядзе правільных шматкантовікаў. Іх памеры бываюць самымі рознымі. Так, прыродны кварц (горны крышталь) можа важыць да сотняў кілаграмаў, а алмазы - да некалькіх грам.

У аморфных цвёрдых целах атамы знаходзяцца ў пастаянным ваганні вакол хаатычна якія знаходзяцца кропак. У іх захоўваецца пэўны блізкае парадак, але адсутнічае далёкі. Гэта абумоўлена тым, што іх малекулы размешчаны на адлегласці, якое можна параўнаць з іх памерам. Найбольш часта сустракаюцца ў нашым жыцці прыкладам такога цвёрдага рэчыва з'яўляецца стеклообразное стан. Аморфныя рэчывы часта разглядаюцца як вадкасць з бясконца вялікі глейкасцю. Час іх крышталізацыі часам такая вялікая, што і зусім не праяўляецца.

Менавіта вышэйпералічаныя ўласцівасці дадзеных рэчываў робяць іх унікальнымі. Аморфныя цвёрдыя целы лічацца нестабільнымі, паколькі з часам могуць перайсці ў крышталічнае стан.

Малекулы і атамы, з якіх складаецца цвёрдае рэчыва, спакаваныя з вялікай шчыльнасцю. Яны практычна захоўваюць сваё взаимоположение адносна іншых часціц і трымаюцца разам дзякуючы межмолекулярных ўзаемадзеяння. Адлегласць паміж малекуламі цвёрдага рэчыва ў розных напрамках называюць параметрам крышталічнай рашоткі. Структура рэчывы і яе сіметрычнасць вызначаюць мноства уласцівасцяў, такіх як электронная зона, спайность і оптыка. Пры ўздзеянні на цвёрдае рэчыва досыць вялікі сілы гэтыя якасці могуць быць у той ці іншай ступені парушаныя. Пры гэтым цвёрдае цела паддаецца рэшткавым дэфармацыі.

Атамы цвёрдых тэл здзяйсняюць вагальныя руху, якімі абумоўлена ўладанне імі цеплавой энергіяй. Паколькі яны нікчэмна малыя, іх можна назіраць толькі пры лабараторных умовах. Малекулярнае будынак цвёрдага рэчыва шмат у чым уплывае на яго ўласцівасці.

Вывучэнне цвёрдых рэчываў

Асаблівасці, ўласцівасці дадзеных рэчываў, іх якасці і рух часціц вывучаюцца рознымі падраздзел фізікі цвёрдага цела.

Для даследавання выкарыстоўваюцца: радиоспектроскопия, структурны аналіз пры дапамозе рэнтгену і іншыя метады. Так вывучаюцца механічныя, фізічныя і цеплавыя ўласцівасці цвёрдых рэчываў. Цвёрдасць, супраціў нагрузак, мяжа трываласці, фазавыя ператварэння вывучае матэрыялазнаўства. Яно ў значнай ступені пераклікаецца з фізікай цвёрдых тэл. Існуе і іншая важная сучасная навука. Даследаванне існуючых і сінтэзавання новых рэчываў праводзяцца хіміяй цвёрдага стану.

Асаблівасці цвёрдых рэчываў

Характар руху знешніх электронаў атамаў цвёрдага рэчыва вызначае многія яго ўласцівасці, напрыклад, электрычныя. Існуе 5 класаў такіх тэл. Яны ўстаноўлены ў залежнасці ад тыпу сувязі атамаў:

• Іённая, асноўнай характарыстыкай якой з'яўляецца сіла электрастатычнага прыцягнення. Яе асаблівасці: адлюстраванне і паглынанне святла ў інфрачырвонай вобласці. Пры малой тэмпературы іённая сувязь адрозніваецца малой электропроводностью. Прыкладам такога рэчыва з'яўляецца натрыевая соль салянай кіслаты (NaCl).
• Кавалентная, якая ажыццяўляецца за кошт электроннай пары, якая належыць абодвум атама. Такая сувязь падзяляецца на: адзінарную (простую), падвойную і патройную. Гэтыя назвы кажуць аб наяўнасці пар электронаў (1, 2, 3). Двайныя і патройныя сувязі называюць кратнымі. Існуе яшчэ адно дзяленне гэтай групы. Так, у залежнасці ад размеркавання электроннай шчыльнасці вылучаюць палярную і непалярныя сувязь. Першая утворыцца рознымі атамамі, а другая - аднолькавымі. Такое цвёрдае стан рэчыва, прыклады якога - алмаз (З) і крэмній (Si), адрозніваецца сваёй шчыльнасцю. Самыя цвёрдыя крышталі ставяцца менавіта да кавалентнай сувязі.
• Металічная, якая ўтвараецца шляхам аб'яднання валентных электронаў атамаў. У выніку чаго ўзнікае агульнае электроннае воблака, якое ссоўваецца пад уздзеяннем электрычнага напружання. Металічная сувязь утвараецца тады, калі связываемые атамы вялікія. Менавіта яны здольныя аддаваць электроны. У многіх металаў і складаных злучэнняў дадзенай сувяззю утворыцца цвёрдае стан рэчыва. Прыклады: натрый, барый, алюміній, медзь, золата. З неметалічных злучэнняў можна адзначыць наступныя: AlCr _2, Ca ₂ Cu, Cu ₅ Zn _8. Рэчывы з металічнай сувяззю (металы) разнастайныя па фізічных уласцівасцях. Яны могуць быць вадкімі (Hg), мяккімі (Na, K), вельмі цвёрдымі (W, Nb).
• Малекулярная, якая ўзнікае ў крышталях, якія ўтвараюцца асобнымі малекуламі рэчывы. Яе характарызуюць прамежкі паміж малекуламі з нулявой электроннай шчыльнасцю. Сілы, якія злучаюць атамы ў такіх крышталях, значныя. Пры гэтым малекулы прыцягваюцца адзін да аднаго толькі слабым межмолекулярных прыцягненнем. Менавіта таму сувязі паміж імі лёгка руйнуюцца пры награванні. Злучэння паміж атамамі руйнуюцца нашмат складаней. Малекулярная сувязь падзяляецца на арыентацыйнай, дысперсійную і індукцыйную. Прыкладам такога рэчыва з'яўляецца цвёрды метан.
• Вадародная, якая ўзнікае паміж станоўча палярызаванымі атамамі малекулы або яе часткі і адмоўна палярызаванае найменшай часціцай іншай малекулы небудзь іншай часткі. Да такіх сувязях можна аднесці лёд.

Ўласцівасці цвёрдых рэчываў

Што нам вядома на сённяшні дзень? Навукоўцы даўно вывучаюць ўласцівасці цвёрдага стану рэчыва. Пры ўздзеянні на яго тэмператур змяняецца і яно. Пераход такога цела ў вадкасць называюць плаўленнем. Трансфармацыя цвёрдага рэчыва ў газападобнае стан завецца сублімацыі. Пры паніжэнні тэмпературы адбываецца крышталізацыя цвёрдага цела. Некаторыя рэчывы пад дзеяннем холаду пераходзяць у аморфную фазу. Гэты працэс навукоўцы называюць стеклованием.

Пры фазавых пераходах змяняецца ўнутраная структура цвёрдых тэл. Найбольшую ўпарадкаванасць яна набывае пры паніжэнні тэмпературы. Пры атмасферным ціску і тэмпературы Т> 0 Да любыя рэчывы, якія існуюць у прыродзе, дубянеюць. Толькі гелій, для крышталізацыі якога трэба ціск у 24 атм, складае выключэнне з гэтага правіла.

Цвёрдае стан рэчыва надае яму розныя фізічныя ўласцівасці. Яны характарызуюць спецыфічнае паводзіны тэл пад уздзеяннем пэўных палёў і сіл. Гэтыя ўласцівасці падпадзяляюць на групы. Вылучаюць 3 спосабу ўздзеяння, адпаведныя 3 відах энергіі (механічнай, тэрмічнай, электрамагнітнай). Адпаведна ім існуе 3 групы фізічных уласцівасцяў цвёрдых рэчываў:

• Механічныя ўласцівасці, звязаныя з напругай і дэфармацыяй тэл. Па гэтых крытэрах цвёрдыя рэчывы дзеляць на пругкія, реологіческіх, трывальныя і тэхналагічныя. У спакоі такое цела захоўвае сваю форму, але яно можа змяняцца пад дзеяннем вонкавай сілы. Пры гэтым яго дэфармацыя можа быць пластычнай (пачатковы выгляд не вяртаецца), пругкай (вяртаецца ў першапачатковую форму) або разбуральнай (пры дасягненні пэўнага парога адбываецца распад / разлом). Водгук на прыкладзенае высілак апісваюць модулямі пругкасці. Цвёрдае цела супраціўляецца не толькі сціску, расцяжэння, але і зрухаў, скрут і паваротам. Трываласцю цвёрдага цела называюць яго ўласцівасць супраціўляцца разбурэння.
• Тэрмічныя, якія праяўляюцца пры ўздзеянні цеплавых палёў. Адно з самых важных уласцівасцяў - тэмпература плаўлення, пры якой цела пераходзіць у вадкі стан. Яно адзначаецца ў крышталічных цвёрдых рэчываў. Аморфныя целы валодаюць схаванай цеплынёй плаўлення, паколькі іх пераход у вадкае стан пры павышэнні тэмпературы адбываецца паступова. Па дасягненні вызначанай цеплыні аморфнае цела губляе пругкасць і набывае пластычнасць. Гэты стан азначае дасягненне ім тэмпературы стеклования. Пры награванні адбываецца дэфармацыя цвёрдага цела. Прычым яно часцей за ўсё пашыраецца. Колькасна гэты стан характарызуецца пэўным каэфіцыентам. Тэмпература цела ўплывае на такія механічныя характарыстыкі, як цякучасць, пластычнасць, цвёрдасць і трываласць.
• Электрамагнітныя, звязаныя з уздзеяннем на цвёрдае рэчыва патокаў мікрачасцін і электрамагнітных хваляў вялікай калянасці. Да іх ўмоўна адносяць і радыяцыйныя ўласцівасці.

зонная структура

Цвёрдыя рэчывы класіфікуюцца і па так званай зонной структуры. Так, сярод іх адрозніваюць:

• Праваднікі, якія адрозніваюцца тым, што зоны іх праводнасці і валентнасці перакрываюцца. Пры гэтым электроны могуць перамяшчацца паміж імі, атрымліваючы найменшую энергію. Да праваднікам адносяцца ўсе металы. Пры дадатку да такога целе рознасці патэнцыялаў утворыцца электрычны ток (дзякуючы свабоднаму перамяшчэнню электронаў паміж кропкамі з найменшай і вялікім патэнцыялам).
• Дыэлектрыкі, зоны якіх не перакрываюцца. Інтэрвал паміж імі перавышае 4 эВ. Для правядзення электронаў з валентнай ў праводзімую зону неабходная вялікая энергія. Дзякуючы такім уласцівасцям дыэлектрыкі практычна не праводзяць ток.
• Паўправаднікі, якія характарызуюцца адсутнасцю зон праводнасці і валентнасці. Інтэрвал паміж імі меншай за 4 эВ. Для перакладу электронаў з валентнай ў праводзімую зону неабходная энергія меншая, чым для дыэлектрыкаў. Чыстыя (нелегіраванай і ўласныя) паўправаднікі дрэнна прапускаюць ток.

Руху малекул у цвёрдых рэчывах абумоўліваюць іх электрамагнітныя ўласцівасці.

іншыя ўласцівасці

Цвёрдыя целы падпадзяляюцца і па сваіх магнітным уласцівасцях. Ёсць тры групы:

• Диамагнетики, ўласцівасці якіх мала залежаць ад тэмпературы або агрэгатнага стану.
• Парамагнетики, якія з'яўляюцца наступствамі арыентацыі электронаў праводнасці і магнітных момантаў атамаў. Згодна з законам Кюры, іх ўспрымальнасць меншае прапарцыйна тэмпературы. Так, пры 300 Да яна складае 10 ^-5.
• Цела з ўпарадкаванай магнітнай структурай, якія валодаюць далёкім парадкам атамаў. У вузлах іх рашоткі перыядычна размяшчаюцца часціцы з магнітнымі момантамі. Такія цвёрдыя цела і рэчывы часта выкарыстоўваюцца ў розных сферах дзейнасці чалавека.

Самыя цвёрдыя рэчывы ў прыродзе

Якія ж яны? Шчыльнасць цвёрдых рэчываў шмат у чым вызначае іх цвёрдасць. За апошнія гады навукоўцы адкрылі некалькі матэрыялаў, якія прэтэндуюць на званне «найбольш трывалага цела». Самае цвёрдае рэчыва - гэта Фуллер (крышталь з малекуламі Фуллер), які прыкладна ў 1,5 разы цвярдзей дыямента. На жаль, ён пакуль даступны толькі ў вельмі малых колькасцях.

На сённяшні дзень самае цвёрдае рэчыва, якое ў далейшым, магчыма, будзе выкарыстоўвацца ў прамысловасці, - Лонсдейл (гексагональные алмаз). Ён на 58% цвярдзей брыльянта. Лонсдейл - аллотропная мадыфікацыя вугляроду. Яго крышталічная рашотка вельмі нагадвае алмазную. Вочка лонсдейлита змяшчае 4 атама, а брыльянта - 8. З шырока выкарыстоўваюцца крышталяў на сёння самым цвёрдым застаецца алмаз.