Ang solid substance ay ang mga nagagawang bumuo ng mga katawan at may volume. Naiiba sila sa mga likido at gas sa kanilang hugis. Ang mga solido ay nagpapanatili ng hugis ng katawan dahil sa ang katunayan na ang kanilang mga particle ay hindi malayang gumagalaw. Nag-iiba sila sa kanilang density, plasticity, electrical conductivity at kulay. Mayroon din silang iba pang mga pag-aari. Kaya, halimbawa, ang karamihan sa mga sangkap na ito ay natutunaw sa panahon ng pag-init, nakakakuha ng isang likidong estado ng pagsasama-sama. Ang ilan sa kanila, kapag pinainit, agad na nagiging gas (sublimate). Ngunit mayroon ding mga nabubulok sa iba pang mga sangkap.
Mga uri ng solid
Lahat ng solid ay nahahati sa dalawang pangkat.
- Amorphous, kung saan ang mga indibidwal na particle ay random na nakaayos. Sa madaling salita: wala silang malinaw (natukoy) na istraktura. Ang mga solidong ito ay may kakayahang matunaw sa loob ng isang tinukoy na hanay ng temperatura. Kabilang sa pinakakaraniwan sa mga ito ang salamin at dagta.
- Crystalline, na, naman, ay nahahati sa 4 na uri: atomic, molecular, ionic, metallic. Sa kanila, ang mga particle ay matatagpuan lamang ayon sa isang tiyak na pattern, ibig sabihin, sa mga node ng kristal na sala-sala. Ang geometry nito sa iba't ibang substance ay maaaring mag-iba nang malaki.
Nangibabaw ang mga solidong mala-kristal na substance kaysa sa mga amorphous sa kanilang bilang.
Mga uri ng mala-kristal na solid
Sa solid state, halos lahat ng substance ay may crystalline structure. Magkaiba sila sa kanilang istraktura. Ang mga kristal na sala-sala sa kanilang mga node ay naglalaman ng iba't ibang mga particle at elemento ng kemikal. Alinsunod sa kanila na nakuha nila ang kanilang mga pangalan. Ang bawat uri ay may mga katangiang partikular dito:
- Sa atomic crystal na sala-sala, ang mga particle ng isang solid ay nakagapos ng isang covalent bond. Namumukod-tangi ito sa tibay nito. Dahil dito, ang mga naturang sangkap ay may mataas na punto ng pagkatunaw at kumukulo. Kasama sa ganitong uri ang quartz at brilyante.
- Sa molecular crystal lattice, ang bono sa pagitan ng mga particle ay nakikilala sa pamamagitan ng kahinaan nito. Ang mga sangkap ng ganitong uri ay nailalarawan sa kadalian ng pagkulo at pagkatunaw. Ang mga ito ay pabagu-bago, dahil sa kung saan mayroon silang isang tiyak na amoy. Kasama sa mga solidong ito ang yelo at asukal. Ang mga paggalaw ng mga molekula sa mga solido ng ganitong uri ay nakikilala sa pamamagitan ng kanilang aktibidad.
- Sa ionic crystal na sala-sala sa mga node, ang kaukulang mga particle ay nagpapalit-palit, positibong nakakarga atnegatibo. Pinagsasama sila ng electrostatic attraction. Ang ganitong uri ng sala-sala ay umiiral sa alkalis, s alts, basic oxides. Maraming mga sangkap ng ganitong uri ay madaling natutunaw sa tubig. Dahil sa medyo malakas na bono sa pagitan ng mga ions, sila ay matigas ang ulo. Halos lahat ng mga ito ay walang amoy, dahil ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng non-volatility. Ang mga sangkap na may ionic na sala-sala ay hindi makakapagsagawa ng electric current, dahil wala silang mga libreng electron. Ang isang tipikal na halimbawa ng isang ionic solid ay table s alt. Ang gayong kristal na sala-sala ay ginagawa itong malutong. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang anumang pagbabago dito ay maaaring humantong sa paglitaw ng mga puwersa ng ion repulsion.
- Sa metal na kristal na sala-sala sa mga node ay mayroon lamang positibong mga chemical ions. Sa pagitan ng mga ito ay may mga libreng electron kung saan ang thermal at electrical energy ay perpektong dumadaan. Iyon ang dahilan kung bakit ang anumang mga metal ay nakikilala sa pamamagitan ng tampok na tulad ng conductivity.
Mga pangkalahatang konsepto ng matibay na katawan
Ang mga solid at substance ay halos magkaparehong bagay. Ang mga terminong ito ay tumutukoy sa isa sa 4 na estado ng pagsasama-sama. Ang mga solid ay may matatag na hugis at ang likas na katangian ng thermal motion ng mga atomo. Bukod dito, ang huli ay gumagawa ng maliliit na oscillations malapit sa mga posisyon ng equilibrium. Ang sangay ng agham na tumatalakay sa pag-aaral ng komposisyon at panloob na istruktura ay tinatawag na solid state physics. Mayroong iba pang mahahalagang lugar ng kaalaman na tumatalakay sa mga naturang sangkap. Ang pagbabago sa hugis sa ilalim ng panlabas na impluwensya at paggalaw ay tinatawag na mekanika ng isang deformable na katawan.
Dahil sa iba't ibang katangian ng solids, nakahanap sila ng aplikasyon sa iba't ibang teknikal na kagamitang nilikha ng tao. Kadalasan, ang kanilang paggamit ay batay sa mga katangian tulad ng katigasan, dami, masa, pagkalastiko, pagkalastiko, pagkasira. Pinapayagan ng modernong agham ang paggamit ng iba pang mga katangian ng mga solido na makikita lamang sa laboratoryo.
Ano ang mga kristal
Ang mga kristal ay mga solidong katawan na may mga particle na nakaayos sa isang tiyak na pagkakasunud-sunod. Ang bawat kemikal na sangkap ay may sariling istraktura. Ang mga atomo nito ay bumubuo ng isang three-dimensionally periodic arrangement na tinatawag na crystal lattice. Ang mga solid ay may iba't ibang structural symmetry. Ang mala-kristal na estado ng isang solid ay itinuturing na matatag dahil mayroon itong pinakamababang halaga ng potensyal na enerhiya.
Ang karamihan sa mga solid na materyales (natural) ay binubuo ng malaking bilang ng mga indibidwal na butil na random na nakatuon (mga crystallite). Ang mga naturang sangkap ay tinatawag na polycrystalline. Kabilang dito ang mga teknikal na haluang metal at metal, pati na rin ang maraming bato. Ang monocrystalline ay tumutukoy sa mga solong natural o synthetic na kristal.
Kadalasan, ang mga solidong ito ay nabubuo mula sa estado ng liquid phase, na kinakatawan ng isang natutunaw o solusyon. Minsan sila ay nakuha mula sa gas na estado. Ang prosesong ito ay tinatawag na crystallization. Salamat sa pang-agham at teknolohikal na pag-unlad, ang pamamaraan para sa paglaki (synthesis) ng iba't ibang mga sangkap ay nakakuha ng isang pang-industriya na sukat. Karamihan sa mga kristal ay may natural na hugis sa anyo ng regularpolyhedra. Ang kanilang mga sukat ay ibang-iba. Kaya, ang natural na quartz (rock crystal) ay maaaring tumimbang ng hanggang daan-daang kilo, at mga diamante - hanggang ilang gramo.
Sa mga amorphous na solid, ang mga atom ay nasa patuloy na oscillation sa paligid ng mga random na matatagpuang mga punto. Pinapanatili nila ang isang partikular na short-range na order, ngunit walang long-range na order. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang kanilang mga molekula ay matatagpuan sa isang distansya na maaaring ihambing sa kanilang laki. Ang pinakakaraniwang halimbawa ng naturang solid sa ating buhay ay ang malasalamin na estado. Ang mga amorphous na sangkap ay madalas na itinuturing bilang isang likido na may walang katapusang mataas na lagkit. Ang oras ng kanilang pagkikristal ay minsan napakatagal na hindi ito lumilitaw.
Ang mga katangian sa itaas ng mga sangkap na ito ang nagpapangyari sa kanila na kakaiba. Ang mga amorphous solid ay itinuturing na hindi matatag dahil maaari silang maging mala-kristal sa paglipas ng panahon.
Ang mga molekula at atomo na bumubuo sa isang solid ay nakaimpake sa mataas na density. Halos napapanatili nila ang kanilang magkaparehong posisyon na may kaugnayan sa iba pang mga particle at pinagsasama-sama dahil sa intermolecular na interaksyon. Ang distansya sa pagitan ng mga molecule ng isang solid sa iba't ibang direksyon ay tinatawag na lattice parameter. Tinutukoy ng istruktura ng matter at ang symmetry nito ang maraming katangian, gaya ng electron band, cleavage, at optika. Kapag ang isang sapat na malaking puwersa ay inilapat sa isang solid, ang mga katangiang ito ay maaaring lumabag sa isang antas o iba pa. Sa kasong ito, ang solid body ay napapailalim sa permanenteng deformation.
Ang mga atom ng solid ay gumagawa ng oscillatory motions, na tumutukoy sa kanilang pagkakaroon ng thermal energy. Dahil ang mga ito ay bale-wala, maaari lamang silang maobserbahan sa ilalim ng mga kondisyon ng laboratoryo. Ang molecular structure ng solid ay lubos na nakakaapekto sa mga katangian nito.
Pag-aaral ng solids
Ang mga tampok, katangian ng mga sangkap na ito, ang kanilang mga katangian at ang paggalaw ng mga particle ay pinag-aaralan ng iba't ibang subsection ng solid state physics.
Para sa pag-aaral ay ginagamit ang: radiospectroscopy, structural analysis gamit ang x-ray at iba pang pamamaraan. Ito ay kung paano pinag-aaralan ang mekanikal, pisikal at thermal na katangian ng mga solido. Ang katigasan, paglaban sa pag-load, lakas ng makunat, mga pagbabago sa phase ay pinag-aralan ng agham ng mga materyales. Ito ay higit na umaalingawngaw sa solid state physics. May isa pang mahalagang modernong agham. Ang pag-aaral ng umiiral at ang synthesis ng mga bagong substance ay isinasagawa sa pamamagitan ng solid state chemistry.
Mga tampok ng solids
Ang likas na katangian ng paggalaw ng mga panlabas na electron ng mga atomo ng isang solid ay tumutukoy sa marami sa mga katangian nito, halimbawa, elektrikal. Mayroong 5 klase ng naturang mga katawan. Nakatakda ang mga ito depende sa uri ng atomic bond:
- Ionic, ang pangunahing katangian nito ay ang puwersa ng electrostatic attraction. Mga tampok nito: pagmuni-muni at pagsipsip ng liwanag sa infrared na rehiyon. Sa mababang temperatura, ang ionic bond ay nailalarawan sa pamamagitan ng mababang electrical conductivity. Ang isang halimbawa ng naturang substance ay ang sodium s alt ng hydrochloric acid (NaCl).
- Covalent,na isinasagawa ng isang pares ng elektron na kabilang sa parehong mga atomo. Ang nasabing bono ay nahahati sa: single (simple), double at triple. Ang mga pangalang ito ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng mga pares ng mga electron (1, 2, 3). Ang double at triple bond ay tinatawag na multiple bonds. May isa pang dibisyon ng grupong ito. Kaya, depende sa pamamahagi ng density ng elektron, ang mga polar at non-polar na bono ay nakikilala. Ang una ay nabuo ng iba't ibang mga atomo, at ang pangalawa ay pareho. Ang ganitong solidong estado ng bagay, ang mga halimbawa nito ay brilyante (C) at silikon (Si), ay nakikilala sa pamamagitan ng density nito. Ang pinakamatigas na kristal ay partikular na nabibilang sa covalent bond.
- Metallic, na nabuo sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga valence electron ng mga atom. Bilang resulta, lumilitaw ang isang karaniwang ulap ng elektron, na inilipat sa ilalim ng impluwensya ng boltahe ng kuryente. Ang isang metal na bono ay nabuo kapag ang mga nakagapos na mga atomo ay malaki. May kakayahan silang mag-donate ng mga electron. Sa maraming mga metal at kumplikadong mga compound, ang bono na ito ay bumubuo ng isang solidong estado ng bagay. Mga halimbawa: sodium, barium, aluminyo, tanso, ginto. Sa mga non-metallic compound, ang mga sumusunod ay mapapansin: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Ang mga sangkap na may metal na bono (mga metal) ay magkakaiba sa kanilang mga pisikal na katangian. Maaari silang maging likido (Hg), malambot (Na, K), napakatigas (W, Nb).
- Molecular, na lumalabas sa mga kristal, na nabubuo ng mga indibidwal na molekula ng isang substance. Ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga gaps sa pagitan ng mga molekula na may zero electron density. Ang mga puwersa na nagbubuklod sa mga atomo sa gayong mga kristal ay makabuluhan. Ang mga molekula ay naaakitsa isa't isa lamang sa pamamagitan ng mahinang intermolecular attraction. Iyon ang dahilan kung bakit ang mga bono sa pagitan ng mga ito ay madaling masira kapag pinainit. Ang mga bono sa pagitan ng mga atom ay mas mahirap masira. Ang molecular bonding ay nahahati sa orientational, dispersion at inductive. Ang isang halimbawa ng naturang substance ay solid methane.
- Hydrogen, na nangyayari sa pagitan ng mga positibong polarized na atom ng isang molekula o bahagi nito at ang pinakamaliit na negatibong polarized na particle ng isa pang molekula o ibang bahagi. Kasama sa mga bond na ito ang yelo.
Mga katangian ng mga solid
Ano ang alam natin ngayon? Matagal nang pinag-aralan ng mga siyentipiko ang mga katangian ng solidong estado ng bagay. Kapag nalantad sa temperatura, nagbabago rin ito. Ang paglipat ng naturang katawan sa isang likido ay tinatawag na pagtunaw. Ang pagbabago ng isang solid sa isang gas na estado ay tinatawag na sublimation. Kapag ang temperatura ay binabaan, ang pagkikristal ng solid ay nangyayari. Ang ilang mga sangkap sa ilalim ng impluwensya ng malamig ay pumasa sa amorphous phase. Tinatawag ng mga siyentipiko ang prosesong ito na vitrification.
Sa mga phase transition, nagbabago ang panloob na istraktura ng mga solid. Nakukuha nito ang pinakamalaking pagkakasunud-sunod na may pagbaba ng temperatura. Sa presyon at temperatura ng atmospera T > 0 K, ang anumang mga sangkap na umiiral sa kalikasan ay nagpapatigas. Tanging ang helium, na nangangailangan ng pressure na 24 atm para mag-kristal, ang eksepsiyon sa panuntunang ito.
Ang solid state ng matter ay nagbibigay dito ng iba't ibang pisikal na katangian. Nailalarawan nila ang tiyak na pag-uugali ng mga katawansa ilalim ng impluwensya ng ilang mga larangan at pwersa. Ang mga katangiang ito ay nahahati sa mga pangkat. Mayroong 3 paraan ng pagkakalantad, na tumutugma sa 3 uri ng enerhiya (mechanical, thermal, electromagnetic). Alinsunod dito, mayroong 3 pangkat ng mga pisikal na katangian ng solids:
- Mga katangiang mekanikal na nauugnay sa stress at strain ng katawan. Ayon sa mga pamantayang ito, ang mga solid ay nahahati sa nababanat, rheolohiko, lakas at teknolohikal. Sa pamamahinga, ang naturang katawan ay nagpapanatili ng hugis nito, ngunit maaari itong magbago sa ilalim ng pagkilos ng isang panlabas na puwersa. Kasabay nito, ang pagpapapangit nito ay maaaring maging plastik (ang paunang anyo ay hindi bumalik), nababanat (bumalik sa orihinal nitong anyo) o mapanirang (kapag naabot ang isang tiyak na threshold, ang pagkabulok / pagkabali ay nangyayari). Ang tugon sa inilapat na puwersa ay inilarawan ng moduli ng pagkalastiko. Ang isang solidong katawan ay lumalaban hindi lamang sa compression, stretching, kundi pati na rin sa mga shift, torsion at baluktot. Ang lakas ng isang solidong katawan ay ang pag-aari nito upang labanan ang pagkasira.
- Thermal, ipinapakita kapag na-expose sa mga thermal field. Ang isa sa mga pinakamahalagang katangian ay ang punto ng pagkatunaw kung saan ang katawan ay pumasa sa isang likidong estado. Ito ay sinusunod sa mga mala-kristal na solido. Ang mga amorphous na katawan ay may nakatagong init ng pagsasanib, dahil ang kanilang paglipat sa isang likidong estado na may pagtaas ng temperatura ay nangyayari nang unti-unti. Sa pag-abot sa isang tiyak na init, ang amorphous na katawan ay nawawala ang pagkalastiko nito at nakakakuha ng plasticity. Ang estado na ito ay nangangahulugan na naabot nito ang temperatura ng paglipat ng salamin. Kapag pinainit, nangyayari ang pagpapapangit ng solid. At kadalasan ay lumalawak ito. Sa dami nitoang estado ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na koepisyent. Naaapektuhan ng temperatura ng katawan ang mga mekanikal na katangian gaya ng pagkalikido, ductility, tigas at lakas.
- Electromagnetic, nauugnay sa epekto sa isang solidong substance ng mga daloy ng microparticle at electromagnetic wave na may mataas na tigas. May kondisyon ding tinutukoy ang mga katangian ng radiation sa kanila.
Struktura ng sona
Ang mga solid ay inuuri din ayon sa tinatawag na istraktura ng banda. Kaya, sa kanila ay nakikilala nila ang:
- Mga konduktor, na nailalarawan na ang kanilang pagpapadaloy at mga valence band ay nagsasapawan. Sa kasong ito, ang mga electron ay maaaring lumipat sa pagitan ng mga ito, na tumatanggap ng pinakamaliit na enerhiya. Ang lahat ng mga metal ay konduktor. Kapag may inilapat na potensyal na pagkakaiba sa naturang katawan, nabubuo ang electric current (dahil sa malayang paggalaw ng mga electron sa pagitan ng mga puntong may pinakamababa at pinakamataas na potensyal).
- Dielectrics na ang mga zone ay hindi nagsasapawan. Ang pagitan ng mga ito ay lumampas sa 4 eV. Maraming enerhiya ang kailangan upang magsagawa ng mga electron mula sa valence hanggang sa conduction band. Dahil sa mga katangiang ito, ang mga dielectric ay halos hindi nagsasagawa ng kasalukuyang.
- Semiconductor na nailalarawan sa kawalan ng conduction at valence bands. Ang pagitan ng mga ito ay mas mababa sa 4 eV. Upang ilipat ang mga electron mula sa valence patungo sa conduction band, mas kaunting enerhiya ang kailangan kaysa sa dielectrics. Ang mga purong (undoped at native) semiconductor ay hindi pumasa nang maayos sa kasalukuyang.
Ang mga paggalaw ng mga molekula sa mga solido ay tumutukoy sa kanilang mga electromagnetic na katangian.
Iba paproperty
Ang solid body ay nahahati din ayon sa kanilang magnetic properties. May tatlong pangkat:
- Diamagnets, ang mga katangian nito ay bahagyang nakadepende sa temperatura o estado ng pagsasama-sama.
- Paramagnets na nagreresulta mula sa oryentasyon ng mga conduction electron at magnetic moment ng mga atom. Ayon sa batas ni Curie, ang kanilang pagkamaramdamin ay bumababa sa proporsyon sa temperatura. Kaya, sa 300 K ito ay 10-5.
- Mga katawan na may ayos na magnetic structure, na may mahabang hanay na pagkakasunud-sunod ng mga atom. Sa mga node ng kanilang sala-sala, ang mga particle na may magnetic moment ay pana-panahong matatagpuan. Ang mga naturang solids at substance ay kadalasang ginagamit sa iba't ibang larangan ng aktibidad ng tao.
Ang pinakamahirap na sangkap sa kalikasan
Ano ang mga ito? Ang density ng mga solid ay higit na tumutukoy sa kanilang katigasan. Sa nakalipas na mga taon, natuklasan ng mga siyentipiko ang ilang mga materyales na nagsasabing ang "pinaka matibay na katawan." Ang pinakamahirap na substansiya ay fullerite (isang kristal na may mga molekulang fullerene), na humigit-kumulang 1.5 beses na mas matigas kaysa sa brilyante. Sa kasamaang palad, ito ay kasalukuyang magagamit lamang sa napakaliit na dami.
Ngayon, ang pinakamahirap na substance na maaaring magamit sa hinaharap sa industriya ay lonsdaleite (hexagonal diamond). Ito ay 58% na mas mahirap kaysa sa brilyante. Ang Lonsdaleite ay isang allotropic modification ng carbon. Ang kristal na sala-sala nito ay halos kapareho ng brilyante. Ang isang lonsdaleite cell ay naglalaman ng 4 na atom, habang ang isang brilyante ay naglalaman ng 8. Sa mga malawakang ginagamit na kristal, ang brilyante ang nananatiling pinakamatigas ngayon.
