Trdne snovi so tiste, ki lahko tvorijo telesa in imajo prostornino. Od tekočin in plinov se razlikujejo po svoji obliki. Trdne snovi ohranijo obliko telesa zaradi dejstva, da se njihovi delci ne morejo prosto gibati. Razlikujejo se po gostoti, plastičnosti, električni prevodnosti in barvi. Imajo tudi druge lastnosti. Tako se na primer večina teh snovi med segrevanjem topi in pridobi tekoče agregacijsko stanje. Nekateri od njih se ob segrevanju takoj spremenijo v plin (sublimat). Obstajajo pa tudi takšne, ki se razgradijo v druge snovi.
Vrste trdnih snovi
Vse trdne snovi so razdeljene v dve skupini.
- Amorfna, v kateri so posamezni delci razporejeni naključno. Z drugimi besedami: nimajo jasne (definirane) strukture. Te trdne snovi se lahko talijo v določenem temperaturnem območju. Najpogostejša med njimi sta steklo in smola.
- Kristalni, ki pa so razdeljeni na 4 vrste: atomski, molekularni, ionski, kovinski. V njih se delci nahajajo le po določenem vzorcu, in sicer na vozliščih kristalne mreže. Njegova geometrija v različnih snoveh se lahko zelo razlikuje.
Trdne kristalinične snovi po svojem številu prevladujejo nad amorfnimi.
Vrste kristaliničnih trdnih snovi
V trdnem stanju imajo skoraj vse snovi kristalno strukturo. Razlikujejo se po svoji strukturi. Kristalne rešetke v svojih vozliščih vsebujejo različne delce in kemične elemente. V skladu z njimi so dobili svoja imena. Vsaka vrsta ima posebne lastnosti:
- V atomski kristalni mreži so delci trdne snovi vezani s kovalentno vezjo. Izstopa po svoji vzdržljivosti. Zaradi tega imajo takšne snovi visoko tališče in vrelišče. Ta vrsta vključuje kremen in diamant.
- V molekularni kristalni mreži se vez med delci odlikuje po šibkosti. Za snovi te vrste je značilno enostavno vrenje in taljenje. So hlapni, zaradi česar imajo določen vonj. Te trdne snovi vključujejo led in sladkor. Premike molekul v trdnih snoveh te vrste odlikuje njihova aktivnost.
- V ionski kristalni mreži na vozliščih se ustrezni delci izmenjujejo, pozitivno nabiti innegativno. Skupaj jih drži elektrostatična privlačnost. Ta vrsta rešetke obstaja v alkalijah, soli, bazičnih oksidih. Mnoge snovi te vrste so zlahka topne v vodi. Zaradi dokaj močne vezi med ioni so ognjevzdržni. Skoraj vsi so brez vonja, saj jih odlikuje nehlapnost. Snovi z ionsko mrežo ne morejo prevajati električnega toka, saj ne vsebujejo prostih elektronov. Tipičen primer ionske trdne snovi je kuhinjska sol. Takšna kristalna mreža jo naredi krhko. To je posledica dejstva, da lahko vsak premik v njem povzroči nastanek ionskih odbojnih sil.
- V kovinski kristalni mreži na vozliščih so samo pozitivno nabiti kemični ioni. Med njimi so prosti elektroni, skozi katere odlično prehajata toplotna in električna energija. Zato vse kovine odlikuje takšna lastnost, kot je prevodnost.
Splošni koncepti togega telesa
Trdne snovi in snovi so praktično ista stvar. Ti izrazi se nanašajo na eno od 4 agregacijskih stanj. Trdne snovi imajo stabilno obliko in naravo toplotnega gibanja atomov. Poleg tega slednji naredijo majhna nihanja v bližini ravnotežnih položajev. Veja znanosti, ki se ukvarja s preučevanjem sestave in notranje strukture, se imenuje fizika trdnega stanja. Obstajajo še druga pomembna področja znanja, ki se ukvarjajo s takšnimi snovmi. Sprememba oblike pod zunanjimi vplivi in gibanjem se imenuje mehanika deformabilnega telesa.
Zaradi različnih lastnosti trdnih snovi so našli uporabo v različnih tehničnih napravah, ki jih je ustvaril človek. Najpogosteje je njihova uporaba temeljila na lastnostih, kot so trdota, prostornina, masa, elastičnost, plastičnost, krhkost. Sodobna znanost dovoljuje uporabo drugih lastnosti trdnih snovi, ki jih je mogoče najti le v laboratoriju.
Kaj so kristali
Kristali so trdna telesa z delci, razporejenimi v določenem vrstnem redu. Vsaka kemična snov ima svojo strukturo. Njegovi atomi tvorijo tridimenzionalno periodično razporeditev, imenovano kristalna mreža. Trdne snovi imajo različne strukturne simetrije. Kristalno stanje trdne snovi velja za stabilno, ker ima minimalno količino potencialne energije.
Veliko večino trdnih materialov (naravnih) sestavlja ogromno število naključno usmerjenih posameznih zrn (kristalitov). Takšne snovi imenujemo polikristalne. Sem spadajo tehnične zlitine in kovine ter številne kamnine. Monokristalni se nanaša na posamezne naravne ali sintetične kristale.
Najpogosteje takšne trdne snovi nastanejo iz stanja tekoče faze, ki jo predstavlja talina ali raztopina. Včasih so pridobljeni iz plinastega stanja. Ta proces se imenuje kristalizacija. Zahvaljujoč znanstvenemu in tehnološkemu napredku je postopek gojenja (sinteze) različnih snovi pridobil industrijski obseg. Večina kristalov ima naravno obliko v obliki pravilnepoliedri. Njihove velikosti so zelo različne. Torej lahko naravni kremen (kamni kristal) tehta do stotine kilogramov, diamanti pa do nekaj gramov.
V amorfnih trdnih snoveh so atomi v nenehnem nihanju okoli naključno lociranih točk. Ohranijo določen vrstni red kratkega dosega, dolgega reda pa ni. To je posledica dejstva, da se njihove molekule nahajajo na razdalji, ki jo je mogoče primerjati z njihovo velikostjo. Najpogostejši primer takšne trdne snovi v našem življenju je stekleno stanje. Amorfne snovi se pogosto obravnavajo kot tekočine z neskončno visoko viskoznostjo. Čas njihove kristalizacije je včasih tako dolg, da se sploh ne pojavi.
Edinstvene so zaradi zgornjih lastnosti teh snovi. Amorfne trdne snovi veljajo za nestabilne, ker lahko sčasoma postanejo kristalne.
Molekule in atomi, ki sestavljajo trdno snov, so zapakirani z visoko gostoto. Praktično ohranjajo medsebojni položaj glede na druge delce in se zaradi medmolekularne interakcije držijo skupaj. Razdalja med molekulami trdne snovi v različnih smereh se imenuje parameter mreže. Struktura snovi in njena simetrija določata številne lastnosti, kot so elektronski pas, cepitev in optika. Ko se na trdno snov uporabi dovolj velika sila, se te lastnosti lahko v takšni ali drugačni meri kršijo. V tem primeru je trdno telo izpostavljeno trajni deformaciji.
Atomi trdnih snovi izvajajo nihajna gibanja, ki določajo njihovo posedovanje toplotne energije. Ker so zanemarljive, jih je mogoče opazovati le v laboratorijskih pogojih. Molekularna struktura trdne snovi močno vpliva na njene lastnosti.
Študija trdnih snovi
Lastnosti, lastnosti teh snovi, njihove lastnosti in gibanje delcev preučujejo različni pododdelki fizike trdnega stanja.
Za študijo se uporabljajo: radiospektroskopija, strukturna analiza z uporabo rentgenskih žarkov in druge metode. Tako se preučujejo mehanske, fizikalne in toplotne lastnosti trdnih snovi. Znanost o materialih preučuje trdoto, odpornost proti obremenitvi, natezno trdnost, fazne transformacije. V veliki meri odmeva fiziko trdnega stanja. Obstaja še ena pomembna sodobna znanost. Študije obstoječih in sintezo novih snovi izvaja kemija trdnega stanja.
Lastnosti trdnih snovi
Narava gibanja zunanjih elektronov atomov trdne snovi določa številne njene lastnosti, na primer električne. Obstaja 5 razredov takšnih teles. Nastavljeni so glede na vrsto atomske vezi:
- Ionski, katerega glavna značilnost je sila elektrostatične privlačnosti. Njegove značilnosti: odboj in absorpcija svetlobe v infrardečem območju. Pri nizkih temperaturah je za ionsko vez značilna nizka električna prevodnost. Primer takšne snovi je natrijeva sol klorovodikove kisline (NaCl).
- kovalentno,izvaja elektronski par, ki pripada obema atomoma. Takšna vez je razdeljena na: enojno (enostavno), dvojno in trojno. Ta imena kažejo na prisotnost parov elektronov (1, 2, 3). Dvojne in trojne vezi imenujemo večkratne vezi. Obstaja še ena delitev te skupine. Torej, odvisno od porazdelitve elektronske gostote, ločimo polarne in nepolarne vezi. Prvi je sestavljen iz različnih atomov, drugi pa je enak. Takšno trdno stanje snovi, katerega primera sta diamant (C) in silicij (Si), se odlikuje po svoji gostoti. Najtrši kristali sodijo posebej v kovalentno vez.
- Kovinski, ki nastane z združevanjem valenčnih elektronov atomov. Posledično se pojavi skupen elektronski oblak, ki se pod vplivom električne napetosti premakne. Kovinska vez nastane, ko so vezani atomi veliki. Sposobni so darovati elektrone. V mnogih kovinah in kompleksnih spojinah ta vez tvori trdno stanje snovi. Primeri: natrij, barij, aluminij, baker, zlato. Od nekovinskih spojin lahko opazimo naslednje: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Snovi s kovinsko vezjo (kovine) so po svojih fizikalnih lastnostih raznolike. Lahko so tekoči (Hg), mehki (Na, K), zelo trdi (W, Nb).
- Molekularno, ki nastane v kristalih, ki jih tvorijo posamezne molekule snovi. Zanj so značilne vrzeli med molekulami z ničelno elektronsko gostoto. Sile, ki vežejo atome v takšnih kristalih, so pomembne. Molekule se privlačijodrug proti drugemu le s šibko medmolekularno privlačnostjo. Zato se vezi med njimi pri segrevanju zlahka uničijo. Vezi med atomi je veliko težje prekiniti. Molekularna vez je razdeljena na orientacijsko, disperzijsko in induktivno. Primer takšne snovi je trdni metan.
- Vodik, ki se pojavi med pozitivno polariziranimi atomi molekule ali njenega dela in najmanjšim negativno polariziranim delcem druge molekule ali drugega dela. Te obveznice vključujejo led.
Lastnosti trdnih snovi
Kaj vemo danes? Znanstveniki že dolgo preučujejo lastnosti trdnega stanja snovi. Ko je izpostavljen temperaturi, se tudi spremeni. Prehod takega telesa v tekočino imenujemo taljenje. Preoblikovanje trdnega v plinasto stanje se imenuje sublimacija. Ko se temperatura zniža, pride do kristalizacije trdne snovi. Nekatere snovi pod vplivom mraza preidejo v amorfno fazo. Znanstveniki temu procesu pravijo vitrifikacija.
Med faznimi prehodi se spremeni notranja struktura trdnih snovi. Največji red pridobi z zniževanjem temperature. Pri atmosferskem tlaku in temperaturi T > 0 K se vse snovi, ki obstajajo v naravi, strdijo. Izjema od tega pravila je le helij, ki za kristalizacijo potrebuje tlak 24 atm.
Trdno stanje snovi ji daje različne fizikalne lastnosti. Zaznamujejo specifično vedenje telespod vplivom določenih polj in sil. Te lastnosti so razdeljene v skupine. Obstajajo 3 načini izpostavljenosti, ki ustrezajo 3 vrstam energije (mehanski, toplotni, elektromagnetni). V skladu s tem obstajajo 3 skupine fizikalnih lastnosti trdnih snovi:
- Mehanske lastnosti, povezane s stresom in obremenitvijo teles. Po teh kriterijih delimo trdne snovi na elastične, reološke, trdnostne in tehnološke. V mirovanju takšno telo ohrani svojo obliko, vendar se lahko spremeni pod delovanjem zunanje sile. Hkrati je lahko njegova deformacija plastična (začetna oblika se ne vrne), elastična (vrne se v prvotno obliko) ali destruktivna (ko je dosežen določen prag, pride do razpada / zloma). Odziv na uporabljeno silo je opisan z moduli elastičnosti. Trdno telo se upira ne le stiskanju, raztezanju, temveč tudi premikom, torziji in upogibanju. Moč trdnega telesa je njegova lastnost, da se upira uničenju.
- Termični, ki se kaže ob izpostavljenosti toplotnim poljem. Ena najpomembnejših lastnosti je tališče, pri katerem telo preide v tekoče stanje. Opazimo ga v kristalnih trdnih snoveh. Amorfna telesa imajo latentno toploto fuzije, saj njihov prehod v tekoče stanje z naraščajočo temperaturo poteka postopoma. Ko doseže določeno toploto, amorfno telo izgubi elastičnost in pridobi plastičnost. To stanje pomeni, da je dosegel temperaturo stekla. Pri segrevanju pride do deformacije trdne snovi. In večino časa se širi. Kvantitativno toza stanje je značilen določen koeficient. Telesna temperatura vpliva na mehanske lastnosti, kot so fluidnost, duktilnost, trdota in trdnost.
- Elektromagnetno, povezano z vplivom na trdno snov tokov mikrodelcev in elektromagnetnih valov visoke togosti. Nanje se pogojno nanašajo tudi sevalne lastnosti.
struktura con
Trdna telesa so razvrščena tudi po tako imenovani pasovni strukturi. Torej, med njimi razlikujejo:
- Prevodniki, označeni s tem, da se njihov prevodni in valenčni pas prekrivata. V tem primeru se lahko med njimi premikajo elektroni in prejmejo najmanjšo energijo. Vse kovine so prevodniki. Ko na takšno telo nanesemo potencialno razliko, nastane električni tok (zaradi prostega gibanja elektronov med točkami z najnižjim in najvišjim potencialom).
- Dielektriki, katerih cone se ne prekrivajo. Interval med njima presega 4 eV. Za prevajanje elektronov iz valenčnega v prevodni pas je potrebno veliko energije. Zaradi teh lastnosti dielektriki praktično ne prevajajo toka.
- Polprevodniki, za katere je značilna odsotnost prevodnosti in valenčnih pasov. Interval med njima je manjši od 4 eV. Za prenos elektronov iz valence v prevodni pas je potrebna manj energije kot za dielektrike. Čisti (nedopirani in naravni) polprevodniki slabo prenašajo tok.
Premiki molekul v trdnih snoveh določajo njihove elektromagnetne lastnosti.
Drugolastnosti
Trdna telesa so razdeljena tudi glede na njihove magnetne lastnosti. Obstajajo tri skupine:
- Diamagneti, katerih lastnosti so malo odvisne od temperature ali agregacijskega stanja.
- Paramagneti, ki nastanejo zaradi orientacije prevodnih elektronov in magnetnih momentov atomov. Po Curiejevem zakonu se njihova občutljivost zmanjšuje sorazmerno s temperaturo. Torej, pri 300 K je 10-5.
- Telesa z urejeno magnetno strukturo, z vrstnim redom atomov na dolge razdalje. Na vozliščih njihove mreže se občasno nahajajo delci z magnetnimi momenti. Takšne trdne snovi in snovi se pogosto uporabljajo na različnih področjih človeške dejavnosti.
Najtrše snovi v naravi
Kaj so? Gostota trdnih snovi v veliki meri določa njihovo trdoto. V zadnjih letih so znanstveniki odkrili več materialov, ki trdijo, da so "najbolj vzdržljivo telo". Najtrša snov je fulerit (kristal z molekulami fulerena), ki je približno 1,5-krat trši od diamanta. Žal je trenutno na voljo le v izjemno majhnih količinah.
Danes je najtrša snov, ki se lahko v prihodnosti uporablja v industriji, lonsdaleite (šesterokotni diamant). Je 58 % trši od diamanta. Lonsdaleite je alotropna modifikacija ogljika. Njegova kristalna mreža je zelo podobna diamantu. Lonsdaleitna celica vsebuje 4 atome, medtem ko diamant vsebuje 8. Od široko uporabljenih kristalov je diamant še danes najtrši.
