Fasta ämnen är de som kan bilda kroppar och har volym. De skiljer sig från vätskor och gaser i sin form. Fasta ämnen behåller kroppens form på grund av att deras partiklar inte kan röra sig fritt. De skiljer sig åt i sin densitet, plasticitet, elektrisk ledningsförmåga och färg. De har även andra egenskaper. Så till exempel smälter de flesta av dessa ämnen under uppvärmning och får ett flytande aggregationstillstånd. Vissa av dem, när de värms upp, omedelbart förvandlas till en gas (sublimera). Men det finns också de som bryts ner till andra ämnen.
Typer av fasta ämnen
Alla fasta ämnen är indelade i två grupper.
- Amorf, där enskilda partiklar är ordnade slumpmässigt. Med andra ord: de har ingen tydlig (definierad) struktur. Dessa fasta ämnen kan smälta inom ett specificerat temperaturintervall. De vanligaste av dessa inkluderar glas och harts.
- Kristallin, som i sin tur är indelad i 4 typer: atomär, molekylär, jonisk, metallisk. I dem är partiklarna endast placerade enligt ett visst mönster, nämligen vid noderna i kristallgittret. Dess geometri i olika ämnen kan variera mycket.
Fast kristallina ämnen råder över amorfa i sitt antal.
Typer av kristallina fasta ämnen
I fast tillstånd har nästan alla ämnen en kristallin struktur. De skiljer sig åt i sin struktur. Kristallgitter i deras noder innehåller olika partiklar och kemiska element. Det är i enlighet med dem som de fått sina namn. Varje typ har egenskaper som är specifika för sig:
- I det atomära kristallgittret är partiklar av ett fast ämne bundna av en kovalent bindning. Den sticker ut för sin hållbarhet. På grund av detta har sådana ämnen en hög smält- och kokpunkt. Denna typ inkluderar kvarts och diamant.
- I det molekylära kristallgittret kännetecknas bindningen mellan partiklar av sin svaghet. Ämnen av denna typ kännetecknas av lätthet att koka och smälta. De är flyktiga, på grund av vilket de har en viss lukt. Dessa fasta ämnen inkluderar is och socker. Molekylernas rörelser i fasta ämnen av denna typ kännetecknas av deras aktivitet.
- I jonkristallgittret vid noderna alternerar motsvarande partiklar, laddade positivt ochnegativ. De hålls samman av elektrostatisk attraktion. Denna typ av gitter finns i alkalier, s alter, basiska oxider. Många ämnen av denna typ är lättlösliga i vatten. På grund av den ganska starka bindningen mellan jonerna är de eldfasta. Nästan alla av dem är luktfria, eftersom de kännetecknas av icke-flyktighet. Ämnen med jongitter kan inte leda elektrisk ström, eftersom de inte innehåller fria elektroner. Ett typiskt exempel på ett joniskt fast ämne är bordss alt. Ett sådant kristallgitter gör det sprött. Detta beror på det faktum att varje förändring i den kan leda till uppkomsten av jonavstötningskrafter.
- I metallkristallgittret vid noderna finns endast positivt laddade kemiska joner. Mellan dem finns fria elektroner genom vilka termisk och elektrisk energi passerar perfekt. Det är därför alla metaller kännetecknas av en sådan egenskap som konduktivitet.
Allmänna begrepp om en stel kropp
Fastämnen och ämnen är praktiskt taget samma sak. Dessa termer hänvisar till ett av de 4 aggregationstillstånden. Fasta ämnen har en stabil form och karaktären hos atomernas termiska rörelse. Dessutom gör de senare små svängningar nära jämviktspositionerna. Den vetenskapsgren som sysslar med studiet av sammansättning och inre struktur kallas fasta tillståndets fysik. Det finns andra viktiga kunskapsområden som handlar om sådana ämnen. Förändringen i form under yttre påverkan och rörelse kallas mekaniken hos en deformerbar kropp.
På grund av de olika egenskaperna hos fasta ämnen har de funnit tillämpning i olika tekniska anordningar skapade av människan. Oftast baserades deras användning på sådana egenskaper som hårdhet, volym, massa, elasticitet, plasticitet, skörhet. Modern vetenskap tillåter användning av andra egenskaper hos fasta ämnen som bara kan hittas i laboratoriet.
Vad är kristaller
Kristaller är fasta kroppar med partiklar ordnade i en viss ordning. Varje kemiskt ämne har sin egen struktur. Dess atomer bildar ett tredimensionellt periodiskt arrangemang som kallas kristallgittret. Fasta ämnen har olika strukturella symmetrier. Det kristallina tillståndet hos ett fast ämne anses vara stabilt eftersom det har en minimal mängd potentiell energi.
De allra flesta fasta material (naturliga) består av ett stort antal slumpmässigt orienterade individuella korn (kristalliter). Sådana ämnen kallas polykristallina. Dessa inkluderar tekniska legeringar och metaller, samt många bergarter. Monokristallina avser enstaka naturliga eller syntetiska kristaller.
Oftast bildas sådana fasta ämnen från tillståndet i vätskefasen, representerat av en smälta eller lösning. Ibland erhålls de från det gasformiga tillståndet. Denna process kallas kristallisering. Tack vare vetenskapliga och tekniska framsteg har förfarandet för odling (syntes) av olika ämnen fått en industriell skala. De flesta kristaller har en naturlig form i form av vanligapolyedra. Deras storlekar är väldigt olika. Så naturlig kvarts (bergkristall) kan väga upp till hundratals kilogram, och diamanter - upp till flera gram.
I amorfa fasta ämnen är atomer i konstant oscillation runt slumpmässigt placerade punkter. De behåller en viss ordning på kort räckvidd, men det finns ingen ordning på lång räckvidd. Detta beror på att deras molekyler ligger på ett avstånd som kan jämföras med deras storlek. Det vanligaste exemplet på en sådan fast substans i vårt liv är det glasartade tillståndet. Amorfa ämnen betraktas ofta som en vätska med en oändligt hög viskositet. Tiden för deras kristallisering är ibland så lång att den inte syns alls.
Det är ovanstående egenskaper hos dessa ämnen som gör dem unika. Amorfa fasta ämnen anses vara instabila eftersom de kan bli kristallina med tiden.
Molekylerna och atomerna som utgör ett fast ämne är packade med hög densitet. De behåller praktiskt taget sin inbördes position i förhållande till andra partiklar och hålls samman på grund av intermolekylär interaktion. Avståndet mellan ett fast ämnes molekyler i olika riktningar kallas gitterparametern. Materiens struktur och dess symmetri bestämmer många egenskaper, såsom elektronbandet, klyvning och optik. När en tillräckligt stor kraft appliceras på ett fast ämne kan dessa egenskaper kränkas i en eller annan grad. I det här fallet utsätts den fasta kroppen för permanent deformation.
Atomer av fasta ämnen gör oscillerande rörelser, vilket bestämmer deras innehav av termisk energi. Eftersom de är försumbara kan de endast observeras under laboratorieförhållanden. Molekylstrukturen hos ett fast ämne påverkar i hög grad dess egenskaper.
Studier av fasta ämnen
Dessa ämnens egenskaper, egenskaper, deras egenskaper och partiklars rörelse studeras av olika undersektioner av fasta tillståndets fysik.
För studien används: radiospektroskopi, strukturanalys med röntgen och andra metoder. Så studeras fasta ämnens mekaniska, fysikaliska och termiska egenskaper. Hårdhet, belastningsbeständighet, draghållfasthet, fasomvandlingar studeras av materialvetenskap. Det ekar till stor del fast tillståndets fysik. Det finns en annan viktig modern vetenskap. Studiet av befintliga och syntesen av nya ämnen utförs av fasta tillståndskemi.
Features of solids
Karten av rörelsen av de yttre elektronerna i atomerna i ett fast ämne bestämmer många av dess egenskaper, till exempel elektriska. Det finns 5 klasser av sådana kroppar. De ställs in beroende på typen av atombindning:
- Jonisk, vars huvudsakliga egenskap är kraften hos elektrostatisk attraktion. Dess egenskaper: reflektion och absorption av ljus i det infraröda området. Vid låga temperaturer kännetecknas jonbindningen av låg elektrisk ledningsförmåga. Ett exempel på ett sådant ämne är natriums altet av s altsyra (NaCl).
- Covalent,utförs av ett elektronpar som tillhör båda atomerna. En sådan bindning är uppdelad i: enkel (enkel), dubbel och trippel. Dessa namn indikerar närvaron av elektronpar (1, 2, 3). Dubbel- och trippelbindningar kallas multipelbindningar. Det finns en annan uppdelning av denna grupp. Så, beroende på fördelningen av elektrondensitet, särskiljs polära och opolära bindningar. Den första bildas av olika atomer och den andra är densamma. Ett sådant fast tillstånd av materia, exempel på vilka är diamant (C) och kisel (Si), kännetecknas av sin densitet. De hårdaste kristallerna tillhör specifikt den kovalenta bindningen.
- Metallisk, bildad genom att kombinera atomers valenselektroner. Som ett resultat uppstår ett vanligt elektronmoln, som förskjuts under påverkan av elektrisk spänning. En metallisk bindning bildas när de bundna atomerna är stora. De är kapabla att donera elektroner. I många metaller och komplexa föreningar bildar denna bindning ett fast tillstånd av materia. Exempel: natrium, barium, aluminium, koppar, guld. Av de icke-metalliska föreningarna kan följande noteras: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Ämnen med en metallisk bindning (metaller) är olika i sina fysikaliska egenskaper. De kan vara flytande (Hg), mjuka (Na, K), mycket hårda (W, Nb).
- Molekylär, uppstår i kristaller, som bildas av enskilda molekyler av ett ämne. Det kännetecknas av luckor mellan molekyler med noll elektrondensitet. De krafter som binder atomer i sådana kristaller är betydande. Molekylerna attraherastill varandra endast genom svag intermolekylär attraktion. Det är därför bindningarna mellan dem lätt förstörs vid upphettning. Bindningarna mellan atomer är mycket svårare att bryta. Molekylär bindning är uppdelad i orienterande, dispersion och induktiv. Ett exempel på ett sådant ämne är fast metan.
- Väte, som förekommer mellan de positivt polariserade atomerna i en molekyl eller dess del och den minsta negativt polariserade partikeln i en annan molekyl eller annan del. Dessa bindningar inkluderar is.
fasta ämnens egenskaper
Vad vet vi idag? Forskare har länge studerat egenskaperna hos materiens fasta tillstånd. När den utsätts för temperatur förändras den också. Övergången av en sådan kropp till en vätska kallas smältning. Omvandlingen av ett fast ämne till ett gasformigt tillstånd kallas sublimering. När temperaturen sänks sker kristallisation av det fasta ämnet. Vissa ämnen under påverkan av kyla passerar in i den amorfa fasen. Forskare kallar denna process vitrifiering.
Under fasövergångar förändras den inre strukturen hos fasta ämnen. Den får den största ordningen med sjunkande temperatur. Vid atmosfärstryck och temperatur T > 0 K stelnar alla ämnen som finns i naturen. Endast helium, som kräver ett tryck på 24 atm för att kristallisera, är ett undantag från denna regel.
Materiens fasta tillstånd ger den olika fysikaliska egenskaper. De karakteriserar kropparnas specifika beteendeunder påverkan av vissa fält och krafter. Dessa fastigheter är indelade i grupper. Det finns 3 exponeringssätt, motsvarande 3 typer av energi (mekanisk, termisk, elektromagnetisk). Följaktligen finns det tre grupper av fysikaliska egenskaper hos fasta ämnen:
- Mekaniska egenskaper förknippade med stress och belastning av kroppar. Enligt dessa kriterier delas fasta ämnen in i elastisk, reologisk, styrka och teknologisk. I vila behåller en sådan kropp sin form, men den kan förändras under inverkan av en yttre kraft. Samtidigt kan dess deformation vara plastisk (den initiala formen återgår inte), elastisk (återgår till sin ursprungliga form) eller destruktiv (när en viss tröskel nås uppstår sönderfall/brott). Svaret på den applicerade kraften beskrivs av elasticitetsmodulerna. En solid kropp motstår inte bara kompression, sträckning, utan också förskjutningar, vridning och böjning. Styrkan hos en solid kropp är dess egenskap att stå emot förstörelse.
- Termisk, manifesteras när den utsätts för termiska fält. En av de viktigaste egenskaperna är smältpunkten vid vilken kroppen övergår i flytande tillstånd. Det observeras i kristallina fasta ämnen. Amorfa kroppar har ett latent smältvärme, eftersom deras övergång till ett flytande tillstånd med ökande temperatur sker gradvis. När den når en viss värme förlorar den amorfa kroppen sin elasticitet och får plasticitet. Detta tillstånd betyder att den har nått glasövergångstemperaturen. Vid upphettning uppstår deformationen av det fasta ämnet. Och för det mesta expanderar det. Kvantitativt dettastaten kännetecknas av en viss koefficient. Kroppstemperaturen påverkar mekaniska egenskaper som flytbarhet, duktilitet, hårdhet och styrka.
- Elektromagnetisk, förknippad med påverkan på en fast substans av flöden av mikropartiklar och elektromagnetiska vågor med hög styvhet. Strålningsegenskaper hänvisas också till dem villkorligt.
Zonstruktur
Fastämnen klassificeras också enligt den så kallade bandstrukturen. Så bland dem skiljer de:
- Ledare, kännetecknade av att deras lednings- och valensband överlappar varandra. I det här fallet kan elektroner röra sig mellan dem och ta emot den minsta energin. Alla metaller är ledare. När en potentialskillnad appliceras på en sådan kropp bildas en elektrisk ström (på grund av elektronernas fria rörelse mellan punkter med lägst och högsta potential).
- Dielektrik vars zoner inte överlappar varandra. Intervallet mellan dem överstiger 4 eV. Det behövs mycket energi för att leda elektroner från valensen till ledningsbandet. På grund av dessa egenskaper leder dielektrikum praktiskt taget inte ström.
- Halvledare kännetecknas av frånvaron av lednings- och valensband. Intervallet mellan dem är mindre än 4 eV. För att överföra elektroner från valensen till ledningsbandet behövs mindre energi än för dielektrikum. Rena (odopade och ursprungliga) halvledare klarar inte strömmen bra.
Molekylernas rörelser i fasta ämnen bestämmer deras elektromagnetiska egenskaper.
Annatfastigheter
Fasta kroppar är också uppdelade enligt deras magnetiska egenskaper. Det finns tre grupper:
- Diamagneter, vars egenskaper beror lite på temperatur eller aggregationstillstånd.
- Paramagneter som härrör från orienteringen av ledningselektroner och magnetiska moment hos atomer. Enligt Curies lag minskar deras känslighet i proportion till temperaturen. Så vid 300 K är det 10-5.
- Kroppen med en ordnad magnetisk struktur, med en lång räckvidd av atomer. Vid noderna i deras gitter är partiklar med magnetiska moment periodiskt lokaliserade. Sådana fasta ämnen och ämnen används ofta inom olika områden av mänsklig verksamhet.
De hårdaste ämnena i naturen
Vad är det? Densiteten av fasta ämnen bestämmer till stor del deras hårdhet. Under de senaste åren har forskare upptäckt flera material som påstår sig vara den "mest hållbara kroppen". Det hårdaste ämnet är fullerit (en kristall med fullerenmolekyler), som är cirka 1,5 gånger hårdare än diamant. Tyvärr är den för närvarande endast tillgänglig i extremt små mängder.
Idag är det hårdaste ämnet som kan komma att användas i framtiden inom industrin lonsdaleite (hexagonal diamant). Det är 58% hårdare än diamant. Lonsdaleite är en allotrop modifiering av kol. Dess kristallgitter är mycket likt diamant. En lonsdaleitecell innehåller 4 atomer, medan en diamant innehåller 8. Av de mycket använda kristallerna är diamant fortfarande den hårdaste idag.
