Vaste stowwe is dié wat in staat is om liggame te vorm en volume het. Hulle verskil van vloeistowwe en gasse in hul vorm. Vaste stowwe behou die vorm van die liggaam as gevolg van die feit dat hul deeltjies nie vrylik kan beweeg nie. Hulle verskil in hul digtheid, plastisiteit, elektriese geleidingsvermoë en kleur. Hulle het ook ander eienskappe. So, byvoorbeeld, smelt die meeste van hierdie stowwe tydens verhitting, en verkry 'n vloeibare toestand van aggregasie. Sommige van hulle, wanneer dit verhit word, verander dadelik in 'n gas (sublimeer). Maar daar is ook dié wat in ander stowwe ontbind.
tipes vaste stowwe
Alle vaste stowwe word in twee groepe verdeel.
- Amorf, waarin individuele deeltjies ewekansig gerangskik is. Met ander woorde: hulle het nie 'n duidelike (gedefinieerde) struktuur nie. Hierdie vaste stowwe is in staat om binne 'n bepaalde temperatuurreeks te smelt. Die algemeenste hiervan sluit glas en hars in.
- Kristallyn, wat op sy beurt in 4 tipes verdeel word: atoom, molekulêr, ionies, metaalagtig. In hulle is die deeltjies slegs volgens 'n sekere patroon geleë, naamlik by die nodusse van die kristalrooster. Sy geometrie in verskillende stowwe kan baie verskil.
Vaste kristallyne stowwe seëvier bo amorfe stowwe in hul getal.
Tipes kristallyne vastestowwe
In die vaste toestand het byna alle stowwe 'n kristallyne struktuur. Hulle verskil in hul struktuur. Kristalroosters in hul nodusse bevat verskeie deeltjies en chemiese elemente. Dit is in ooreenstemming met hulle dat hulle hul name gekry het. Elke tipe het eienskappe spesifiek daarvoor:
- In die atoomkristalrooster word deeltjies van 'n vaste stof deur 'n kovalente binding gebind. Dit staan uit vir sy duursaamheid. As gevolg hiervan het sulke stowwe 'n hoë smelt- en kookpunt. Hierdie tipe sluit kwarts en diamant in.
- In die molekulêre kristalrooster word die binding tussen deeltjies deur sy swakheid onderskei. Stowwe van hierdie tipe word gekenmerk deur gemak van kook en smelt. Hulle is vlugtig, waardeur hulle 'n sekere reuk het. Hierdie vaste stowwe sluit ys en suiker in. Die bewegings van molekules in vaste stowwe van hierdie tipe word deur hul aktiwiteit onderskei.
- In die ioniese kristalrooster by die nodusse wissel die ooreenstemmende deeltjies af, positief gelaai ennegatief. Hulle word bymekaar gehou deur elektrostatiese aantrekking. Hierdie tipe rooster bestaan in alkalië, soute, basiese oksiede. Baie stowwe van hierdie tipe is maklik oplosbaar in water. As gevolg van die redelik sterk binding tussen die ione is hulle vuurvast. Byna almal van hulle is reukloos, aangesien hulle gekenmerk word deur nie-vlugtigheid. Stowwe met 'n ioniese rooster is nie in staat om elektriese stroom te gelei nie, aangesien hulle nie vrye elektrone bevat nie. 'n Tipiese voorbeeld van 'n ioniese vaste stof is tafelsout. So 'n kristalrooster maak dit bros. Dit is te wyte aan die feit dat enige verskuiwing daarin kan lei tot die ontstaan van ioonafstotingskragte.
- In die metaalkristalrooster by die nodusse is daar net positief gelaaide chemiese ione. Tussen hulle is daar vrye elektrone waardeur termiese en elektriese energie perfek beweeg. Dit is hoekom enige metale deur so 'n kenmerk soos geleidingsvermoë onderskei word.
Algemene konsepte van 'n rigiede liggaam
Vastestowwe en stowwe is feitlik dieselfde ding. Hierdie terme verwys na een van die 4 toestande van samevoeging. Vaste stowwe het 'n stabiele vorm en die aard van die termiese beweging van atome. Boonop maak laasgenoemde klein ossillasies naby die ewewigsposisies. Die tak van die wetenskap wat handel oor die studie van samestelling en interne struktuur word vastestoffisika genoem. Daar is ander belangrike kennisareas wat met sulke stowwe handel. Die verandering in vorm onder eksterne invloede en beweging word die meganika van 'n vervormbare liggaam genoem.
As gevolg van die verskillende eienskappe van vaste stowwe, het hulle toepassing gevind in verskeie tegniese toestelle wat deur die mens geskep is. Dikwels was hul gebruik gebaseer op eienskappe soos hardheid, volume, massa, elastisiteit, plastisiteit, broosheid. Moderne wetenskap laat die gebruik toe van ander eienskappe van vaste stowwe wat slegs in die laboratorium gevind kan word.
Wat is kristalle
Kristalle is soliede liggame met deeltjies wat in 'n sekere volgorde gerangskik is. Elke chemiese stof het sy eie struktuur. Sy atome vorm 'n driedimensionele periodieke rangskikking wat die kristalrooster genoem word. Vaste stowwe het verskillende strukturele simmetrieë. Die kristallyne toestand van 'n vaste stof word as stabiel beskou omdat dit 'n minimum hoeveelheid potensiële energie het.
Die oorgrote meerderheid vaste materiale (natuurlik) bestaan uit 'n groot aantal willekeurig georiënteerde individuele korrels (kristalliete). Sulke stowwe word polikristallyne genoem. Dit sluit in tegniese legerings en metale, asook baie gesteentes. Monokristallyn verwys na enkele natuurlike of sintetiese kristalle.
Dikwels word sulke vaste stowwe gevorm uit die toestand van die vloeistoffase, voorgestel deur 'n smelt of oplossing. Soms word hulle verkry uit die gasvormige toestand. Hierdie proses word kristallisasie genoem. Danksy wetenskaplike en tegnologiese vooruitgang het die prosedure vir die groei (sintese) van verskeie stowwe 'n industriële skaal gekry. Die meeste kristalle het 'n natuurlike vorm in die vorm van gereeldeveelvlakke. Hulle groottes verskil baie. Dus, natuurlike kwarts (rotskristal) kan tot honderde kilogram weeg, en diamante - tot etlike gram.
In amorfe vaste stowwe is atome in konstante ossillasie rondom ewekansig geleë punte. Hulle behou 'n sekere kortafstandorde, maar daar is geen langafstandorde nie. Dit is te wyte aan die feit dat hul molekules op 'n afstand geleë is wat met hul grootte vergelyk kan word. Die mees algemene voorbeeld van so 'n vaste stof in ons lewe is die glasagtige toestand. Amorfe stowwe word dikwels beskou as 'n vloeistof met 'n oneindig hoë viskositeit. Die tyd van hul kristallisasie is soms so lank dat dit glad nie verskyn nie.
Dit is die bogenoemde eienskappe van hierdie stowwe wat hulle uniek maak. Amorfe vaste stowwe word as onstabiel beskou omdat hulle mettertyd kristallyn kan word.
Die molekules en atome waaruit 'n vaste stof bestaan, is teen 'n hoë digtheid gepak. Hulle behou feitlik hul onderlinge posisie relatief tot ander deeltjies en word bymekaar gehou as gevolg van intermolekulêre interaksie. Die afstand tussen die molekules van 'n vaste stof in verskillende rigtings word die roosterparameter genoem. Die struktuur van materie en sy simmetrie bepaal baie eienskappe, soos die elektronband, splitsing en optika. Wanneer 'n voldoende groot krag op 'n vaste stof toegepas word, kan hierdie eienskappe in een of ander mate geskend word. In hierdie geval is die soliede liggaam onderhewig aan permanente vervorming.
Atome van vaste stowwe maak ossillerende bewegings, wat hul besit van termiese energie bepaal. Aangesien hulle weglaatbaar is, kan hulle slegs onder laboratoriumtoestande waargeneem word. Die molekulêre struktuur van 'n vaste stof beïnvloed sy eienskappe grootliks.
Bestudering van vaste stowwe
Kenmerke, eienskappe van hierdie stowwe, hul eienskappe en die beweging van deeltjies word deur verskeie onderafdelings van vastestoffisika bestudeer.
Vir die studie word gebruik: radiospektroskopie, strukturele analise met behulp van x-strale en ander metodes. Dit is hoe die meganiese, fisiese en termiese eienskappe van vaste stowwe bestudeer word. Hardheid, lasweerstand, treksterkte, fasetransformasies word deur materiaalwetenskap bestudeer. Dit eggo grootliks vaste toestand fisika. Daar is nog 'n belangrike moderne wetenskap. Die studie van bestaande en die sintese van nuwe stowwe word deur vastestofchemie uitgevoer.
Kenmerke van vaste stowwe
Die aard van die beweging van die buitenste elektrone van die atome van 'n vaste stof bepaal baie van sy eienskappe, byvoorbeeld elektries. Daar is 5 klasse van sulke liggame. Hulle word gestel na gelang van die tipe atoombinding:
- Ionies, waarvan die hoofkenmerk die krag van elektrostatiese aantrekking is. Sy kenmerke: refleksie en absorpsie van lig in die infrarooi gebied. By lae temperature word die ioniese binding gekenmerk deur lae elektriese geleidingsvermoë. 'n Voorbeeld van so 'n stof is die natriumsout van soutsuur (NaCl).
- Kovalent,uitgevoer deur 'n elektronpaar wat aan beide atome behoort. So 'n binding word verdeel in: enkel (eenvoudig), dubbel en drievoudig. Hierdie name dui op die teenwoordigheid van pare elektrone (1, 2, 3). Dubbel- en drievoudige bindings word meervoudige bindings genoem. Daar is 'n ander afdeling van hierdie groep. Dus, afhangende van die verspreiding van elektrondigtheid, word polêre en nie-polêre bindings onderskei. Die eerste word deur verskillende atome gevorm, en die tweede is dieselfde. So 'n vaste toestand van materie, waarvan voorbeelde diamant (C) en silikon (Si) is, word deur sy digtheid onderskei. Die hardste kristalle behoort spesifiek aan die kovalente binding.
- Metaal, gevorm deur die valenselektrone van atome te kombineer. As gevolg hiervan verskyn 'n algemene elektronwolk wat onder die invloed van elektriese spanning verplaas word. 'n Metaalbinding word gevorm wanneer die gebonde atome groot is. Hulle is in staat om elektrone te skenk. In baie metale en komplekse verbindings vorm hierdie binding 'n vaste toestand van materie. Voorbeelde: natrium, barium, aluminium, koper, goud. Van die nie-metaalverbindings kan die volgende opgemerk word: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Stowwe met 'n metaalbinding (metale) is uiteenlopend in hul fisiese eienskappe. Hulle kan vloeibaar (Hg), sag (Na, K), baie hard (W, Nb) wees.
- Molekulêr, wat in kristalle ontstaan, wat deur individuele molekules van 'n stof gevorm word. Dit word gekenmerk deur gapings tussen molekules met geen elektrondigtheid. Die kragte wat atome in sulke kristalle bind, is betekenisvol. Die molekules word aangetrekna mekaar slegs deur swak intermolekulêre aantrekkingskrag. Daarom word die bindings tussen hulle maklik vernietig wanneer dit verhit word. Die bindings tussen atome is baie moeiliker om te breek. Molekulêre binding word onderverdeel in oriëntasie, dispersie en induktief. 'n Voorbeeld van so 'n stof is vaste metaan.
- Waterstof, wat voorkom tussen die positief gepolariseerde atome van 'n molekule of sy deel en die kleinste negatief gepolariseerde deeltjie van 'n ander molekule of ander deel. Hierdie bindings sluit ys in.
Eienskappe van vaste stowwe
Wat weet ons vandag? Wetenskaplikes het lank reeds die eienskappe van die vaste toestand van materie bestudeer. Wanneer dit aan temperatuur blootgestel word, verander dit ook. Die oorgang van so 'n liggaam in 'n vloeistof word smelt genoem. Die transformasie van 'n vaste stof in 'n gasvormige toestand word sublimasie genoem. Wanneer die temperatuur verlaag word, vind die kristallisasie van die vaste stof plaas. Sommige stowwe onder die invloed van koue gaan oor in die amorfe fase. Wetenskaplikes noem hierdie proses vitrifikasie.
Tydens fase-oorgange verander die interne struktuur van vaste stowwe. Dit verkry die grootste orde met dalende temperatuur. By atmosferiese druk en temperatuur T > 0 K stol enige stowwe wat in die natuur bestaan. Slegs helium, wat 'n druk van 24 atm vereis om te kristalliseer, is 'n uitsondering op hierdie reël.
Die vaste toestand van materie gee dit verskeie fisiese eienskappe. Hulle kenmerk die spesifieke gedrag van liggameonder die invloed van sekere velde en kragte. Hierdie eiendomme word in groepe verdeel. Daar is 3 maniere van blootstelling, wat ooreenstem met 3 tipes energie (meganies, termies, elektromagneties). Gevolglik is daar 3 groepe fisiese eienskappe van vaste stowwe:
- Meganiese eienskappe wat verband hou met stres en spanning van liggame. Volgens hierdie kriteria word vaste stowwe in elasties, reologies, sterkte en tegnologies verdeel. In rus behou so 'n liggaam sy vorm, maar dit kan verander onder die werking van 'n eksterne krag. Terselfdertyd kan die vervorming daarvan plasties wees (die aanvanklike vorm keer nie terug nie), elasties (keer terug na sy oorspronklike vorm) of vernietigend (wanneer 'n sekere drempel bereik word, vind verval / breuk plaas). Die reaksie op die toegepaste krag word beskryf deur die elastisiteitsmoduli. 'n Soliede liggaam weerstaan nie net kompressie, strek nie, maar ook verskuiwings, torsie en buiging. Die sterkte van 'n soliede liggaam is sy eienskap om vernietiging te weerstaan.
- Termies, manifesteer wanneer dit aan termiese velde blootgestel word. Een van die belangrikste eienskappe is die smeltpunt waarby die liggaam in 'n vloeibare toestand oorgaan. Dit word waargeneem in kristallyne vaste stowwe. Amorfe liggame het 'n latente hitte van samesmelting, aangesien hul oorgang na 'n vloeibare toestand met toenemende temperatuur geleidelik plaasvind. Wanneer 'n sekere hitte bereik word, verloor die amorfe liggaam sy elastisiteit en verkry plastisiteit. Hierdie toestand beteken dat dit die glasoorgangstemperatuur bereik het. Wanneer dit verhit word, vind die vervorming van die vaste stof plaas. En die meeste van die tyd brei dit uit. Kwantitatief ditdie staat word gekenmerk deur 'n sekere koëffisiënt. Liggaamstemperatuur beïnvloed meganiese eienskappe soos vloeibaarheid, rekbaarheid, hardheid en sterkte.
- Elektromagneties, geassosieer met die impak op 'n soliede stof van vloei van mikropartikels en elektromagnetiese golwe van hoë styfheid. Bestralingseienskappe word ook voorwaardelik daarna verwys.
Sonestruktuur
Vastestowwe word ook geklassifiseer volgens die sogenaamde bandstruktuur. So onder hulle onderskei hulle:
- Geleiers, gekenmerk deurdat hul geleiding en valensbande oorvleuel. In hierdie geval kan elektrone tussen hulle beweeg en die geringste energie ontvang. Alle metale is geleiers. Wanneer 'n potensiaalverskil op so 'n liggaam toegepas word, word 'n elektriese stroom gevorm (as gevolg van die vrye beweging van elektrone tussen punte met die laagste en hoogste potensiaal).
- Diëlektrika wie se sones nie oorvleuel nie. Die interval tussen hulle oorskry 4 eV. Baie energie is nodig om elektrone van die valensie na die geleidingsband te gelei. As gevolg van hierdie eienskappe gelei diëlektrika feitlik nie stroom nie.
- Halfgeleiers gekenmerk deur die afwesigheid van geleiding en valensiebande. Die interval tussen hulle is minder as 4 eV. Om elektrone van die valensie na die geleidingsband oor te dra, is minder energie nodig as vir diëlektrika. Suiwer (ongedoteerde en inheemse) halfgeleiers slaag nie goed deur stroom nie.
Die bewegings van molekules in vaste stowwe bepaal hul elektromagnetiese eienskappe.
Andereiendomme
Soliede liggame word ook onderverdeel volgens hul magnetiese eienskappe. Daar is drie groepe:
- Diamagnete waarvan die eienskappe min afhang van temperatuur of toestand van aggregasie.
- Paramagnete wat voortspruit uit die oriëntasie van geleidingselektrone en magnetiese momente van atome. Volgens Curie se wet neem hul vatbaarheid af in verhouding tot temperatuur. Dus, by 300 K is dit 10-5.
- Liggame met 'n geordende magnetiese struktuur, met 'n langafstand-orde van atome. By die nodusse van hul rooster word deeltjies met magnetiese momente periodiek geleë. Sulke vaste stowwe en stowwe word dikwels in verskeie velde van menslike aktiwiteite gebruik.
Die hardste stowwe in die natuur
Wat is dit? Die digtheid van vaste stowwe bepaal grootliks hul hardheid. In onlangse jare het wetenskaplikes verskeie materiale ontdek wat daarop aanspraak maak dat dit die "duursaamste liggaam" is. Die hardste stof is fulleriet ('n kristal met fullereenmolekules), wat ongeveer 1,5 keer harder as diamant is. Ongelukkig is dit tans net in uiters klein hoeveelhede beskikbaar.
Vandag is die hardste stof wat in die toekoms in die industrie gebruik kan word, lonsdaleiet (seshoekige diamant). Dit is 58% harder as diamant. Lonsdaleiet is 'n allotropiese modifikasie van koolstof. Sy kristalrooster is baie soortgelyk aan diamant. 'n Lonsdaleietsel bevat 4 atome, terwyl 'n diamant 8 bevat. Van die kristalle wat wyd gebruik word, bly diamant vandag die hardste.
