ТВЪРДО СЪСТОЯНИЕ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СВОЙСТВА, ВИДОВЕ, ПРИМЕРИ - НАУКА - 2025

В твърдо състояние е един от основните начини, по които са важни агрегати за създаване на кондензирани или твърди тела. Цялата земна кора, изоставяща моретата и океаните, е пъстър конгломерат от твърди частици. Примери за предмети в твърдо състояние са книга, камък или пясък.

Ние можем да взаимодействаме с твърди вещества благодарение на отблъскването на нашите електрони с тези на техните атоми или молекули. За разлика от течности и газове, стига те да не са силно токсични, ръцете ни не могат да преминат през тях, а по-скоро да ги раздробят или абсорбират.

Дървената статуя на този кон е изработена от силно сплотени естествени полимери. Източник: Pxhere.

Обикновено твърдите вещества са много по-лесни за работа или съхраняване, отколкото течност или газ. Освен ако частиците му не са фино разделени, вятърният ток няма да го носи в други посоки; те са фиксирани в пространството, определено от междумолекулните взаимодействия на техните атоми, йони или молекули.

Твърда концепция

Твърдото вещество е състояние на материята, в което има твърд обем и форма; частиците, които образуват материали или предмети в твърдо състояние, са фиксирани на едно място, те не са лесно сгъваеми.

Това състояние на материята е най-разнообразно и богато по отношение на химията и физиката. Имаме йонни, метални, атомни, молекулярни и ковалентни твърди части, всяко със своя структурна единица; тоест със собствени кристали. Когато начинът им на агрегиране не им позволява да установят подредени вътрешни структури, те стават аморфни и сложни.

Проучването на твърдото състояние се сближава в проектирането и синтеза на нови материали. Например дървото, естествено твърдо вещество, се използва и като декоративен материал и за строителството на къщи.

Други твърди материали позволяват производството на автомобили, самолети, кораби, космически кораби, ядрени реактори, спортни стоки, батерии, катализатори и много други предмети или продукти.

Общи характеристики на твърдите вещества

Пружина и дърво, компоненти на шублера, пример за твърдо тяло

Основните характеристики на твърдите вещества са:

-Определят маса, обем и форми. Един газ, например, няма край или начало, тъй като те зависят от контейнера, който го съхранява.

-Те са много плътни. Твърдите вещества са по-плътни от течностите и газовете; въпреки че има няколко изключения от правилото, особено при сравняване на течности и твърди вещества.

-Разстоянията, които отделят частиците му, са кратки. Това означава, че те са станали много сплотени или уплътнени в съответния си обем.

-Междумолекулните взаимодействия са много силни, в противен случай те не биха съществували като такива и биха се стопили или сублимирали в земни условия.

Разлики между частиците на твърдо вещество, течност и газ

-Мобилността на твърдите вещества обикновено е доста ограничена, не само от материална гледна точка, но и молекулярно. Неговите частици са затворени във фиксирано положение, където могат само да вибрират, но не и да се движат или да се въртят (на теория).

Имоти

Точки на топене

Всички твърди вещества, освен ако не се разлагат в процеса и независимо от това дали са добри проводници на топлина, могат да преминат в течно състояние при определена температура: тяхната точка на топене. Когато тази температура бъде достигната, частиците й най-накрая успяват да текат и да избягат от фиксираните си позиции.

Тази точка на топене ще зависи от естеството на твърдото вещество, неговите взаимодействия, моларната маса и енергията на кристалната решетка. По правило йонните твърди частици и ковалентните мрежи (като диамант и силициев диоксид) имат тенденция да имат най-високи температури на топене; докато молекулните твърди частици, най-ниските.

Следното изображение показва как леден куб (твърдо състояние) се превръща в течно състояние:

Стехиометрия

Голяма част от твърдите вещества са молекулярни, тъй като те са съединения, чиито междумолекулни взаимодействия им позволяват да се слеят по такъв начин. Много други обаче са йонни или частично йонни, така че техните единици не са молекули, а клетки: набор от атоми или йони, подредени по подреден начин.

Именно тук формулите на такива твърди частици трябва да спазват неутралността на зарядите, като посочват техния състав и стехиометрични отношения. Например, твърдата чиито хипотетичен формула А е ₂ В ₄ O ₂ показва, че има същия брой атоми А като вода (2: 2), докато тя е два пъти броя на атомите Б (2: 4).

Обърнете внимание, че абонатите с формула A ₂ B ₄ O ₂ са цели числа, което показва, че това е стехиометрично твърдо вещество. Съставът на много твърди вещества е описан от тези формули. Таксите за A, B и O трябва да достигнат до нула, защото в противен случай би имало положителен или отрицателен заряд.

За твърдите вещества е особено полезно да знаете как да интерпретирате техните формули, тъй като обикновено съставите от течности и газове са по-прости.

Дефекти

Структурите на твърдите частици не са перфектни; те представляват несъвършенства или дефекти, колкото и да са кристални. Това не е така с течностите, нито с газовете. Няма региони с течна вода, за които може да се каже предварително, че са „дислоцирани“ от заобикалящата ги среда.

Такива дефекти са отговорни за твърдите и крехки вещества, показващи свойства като пироелектричност и пиезоелектричност, или престават да имат определени състави; тоест те са нестехиометрични твърди вещества (напр. A _0.4 B _1.3 O _0.5).

реактивност

Твърдите вещества обикновено са по-малко реактивни от течностите и газовете; но не поради химически причини, а от факта, че техните структури пречат на реагентите да атакуват частиците вътре в тях, реагирайки първо с тези на повърхността им. Следователно, реакциите, включващи твърди вещества, са по-бавни; освен ако не са прахообразно.

Когато твърдото вещество е под формата на прах, неговите по-малки частици имат по-голяма площ или повърхност за реакция. Ето защо фините твърди частици често са етикетирани като потенциално опасни реагенти, тъй като те могат да се запалят бързо или да реагират енергично при контакт с други вещества или съединения.

Често пъти твърдите вещества се разтварят в реакционна среда за хомогенизиране на системата и извършване на синтез с по-висок добив.

физически

С изключение на точката на топене и дефектите, казаното дотук съответства повече на химичните свойства на твърдите вещества, отколкото на техните физични свойства. Физиката на материалите е дълбоко фокусирана върху това как светлината, звукът, електроните и топлината взаимодействат с твърдите вещества, независимо дали те са кристални, аморфни, молекулни и т.н.

Тук се появяват онова, което е известно като пластмасови, еластични, твърди, непрозрачни, прозрачни, свръхпроводящи, фотоелектрични, микропорести, феромагнитни, изолационни или полупроводникови твърди частици.

В химията например интерес представляват материали, които не поглъщат ултравиолетово лъчение или видима светлина, тъй като те се използват за направата на измервателни клетки за UV-Vis спектрофотометри. Същото се случва с инфрачервеното лъчение, когато искате да характеризирате съединение чрез получаване на неговия инфрачервен спектър или да изучавате хода на реакцията.

Проучването и манипулирането на всички физични свойства на твърдите вещества изисква огромна отдаденост, както и техния синтез и проектиране, избиране на „парчета“ от неорганична, биологична, органична или органичнометална конструкция за нови материали.

Видове и примери

Тъй като има няколко типа твърди вещества химически, представителните примери ще бъдат споменати отделно за всеки.

Кристални твърди вещества

От една страна има кристални твърди частици. Тези елементи се характеризират, тъй като молекулите, които ги съставят, са конфигурирани по същия начин, което се повтаря като модел в целия кристал. Всеки модел се нарича единична клетка.

Кристалните твърди вещества също се характеризират с определена точка на топене; Това означава, че като се има предвид еднаквостта на разположението на неговите молекули, има еднакво разстояние между всяка единична клетка, което позволява на цялата структура да се трансформира постоянно при една и съща температура.

Примери за кристални твърди вещества могат да бъдат сол и захар.

Аморфни твърди вещества

Аморфните твърди частици се характеризират с това, че конформацията на техните молекули не отговаря на образец, а варира по цялата повърхност.

Тъй като няма такъв модел, точката на топене на аморфните твърди частици не е дефинирана, за разлика от кристалните, което означава, че той се топи постепенно и при различни температури.

Примери за аморфни твърди вещества могат да бъдат стъкло и повечето пластмаси.

нейонни

Йонните твърди частици се характеризират с това, че имат катиони и аниони, които взаимодействат помежду си чрез електростатично привличане (йонно свързване). Когато йони са малки, получените структури обикновено винаги са кристални (като се вземат предвид техните дефекти). Сред някои йонни твърди вещества имаме:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^-), натриев хлорид

-MgO (Mg ²⁺ O ^2-), магнезиев оксид

-CaCO ₃ (Са ²⁺ CO ₃ ^2-), калциев карбонат

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ^2-), меден сулфат

-KF (K ⁺ F ^-), калиев флуорид

-NH ₄ Cl (NH ₄ ⁺ Cl ^-), амониев хлорид

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2-), цинков сулфид

-Fe (С ₆ Н ₅ COO) ₃, желязо бензоат

метален

Както показва името им, те са твърди частици, които имат метални атоми, взаимодействащи през металната връзка:

Сребърно

-Gold

-Водя

-МЕСИНГОВИ И НЕРЪЖДАЕМИ

-Bronze

-Бяло злато

-Pewter

-Steels

-Duralumin

Обърнете внимание, че сплавите също се считат за метални твърди вещества.

атомен

Металните твърди частици също са атомни, тъй като на теория няма ковалентни връзки между метални атоми (MM). Въпреки това благородните газове по същество се считат за атомни видове, тъй като сред тях преобладават само лондонски дисперсивни сили.

Следователно, въпреки че те не са твърди твърди вещества (и трудно се получават), кристализираните благородни газове са примери за атомни твърди вещества; т.е.: хелий, неон, аргон, криптон и др., твърди вещества.

Молекулярни и полимерни

Молекулите могат да взаимодействат чрез силите на Ван дер Уолс, където техните молекулни маси, диполни моменти, водородни връзки, структури и геометрия играят важна роля. Колкото по-силни са тези взаимодействия, толкова по-голяма е вероятността те да са в твърда форма.

От друга страна, същото разсъждение се отнася и за полимерите, които поради високата си средна молекулна маса почти винаги са твърди вещества, а няколко от тях са аморфни; тъй като неговите полимерни единици трудно се подреждат добре, за да създават кристали.

По този начин, имаме някои молекулни и полимерни твърди вещества следното:

-Сух лед

, захар

-Iodine

-Бензоена киселина

-ацетамид

-Ромбична сяра

-Палмитинова киселина

-Fullerenos

-Съвпада

-Caffeine

нафтален

-Дърва и хартия

-Коприна

-Teflon

-полиетилен

-Kevlar

-Bakelite

-Поливинил хлорид

-Polystyrene

-полипропилен

-Протеини

-Шоколад

Ковалентни мрежи

И накрая, имаме ковалентните мрежи между най-твърдите и най-високо стопяемите твърди частици. Някои примери са:

-Graphite

-Diamond

кварц

-Силициев карбид

-Бор нитрид

-Алуминиев фосфид

-Галиев арсенид

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия (8-мо изд.). CENGAGE Обучение.
3. Wikipedia. (2019). Твърдо състояние на химия. Възстановено от: en.wikipedia.org
4. Elsevier BV (2019). Твърдо състояние на химията. ScienceDirect. Възстановено от: sciencedirect.com
5. Д-р Майкъл Луфасо. (SF). Бележки за лекцията по твърда течност. Възстановено от: une.edu
6. askIITians. (2019). Обща характеристика на твърдото тяло. Възстановени от: askiitians.com
7. Дейвид Ууд. (2019). Как атомите и молекулите образуват твърди частици: шарки и кристали. Изследване. Възстановено от: study.com