Les substàncies sòlides són aquelles que són capaces de formar cossos i tenen volum. Es diferencien dels líquids i gasos per la seva forma. Els sòlids conserven la forma del cos a causa del fet que les seves partícules no es poden moure lliurement. Es diferencien en la seva densitat, plasticitat, conductivitat elèctrica i color. També tenen altres propietats. Així, per exemple, la majoria d'aquestes substàncies es fonen durant l'escalfament, adquirint un estat líquid d'agregació. Alguns d'ells, quan s'escalfen, es converteixen immediatament en un gas (sublim). Però també n'hi ha que es descomponen en altres substàncies.
Tipus de sòlids
Tots els sòlids es divideixen en dos grups.
- Amorf, en què les partícules individuals es disposen aleatòriament. En altres paraules: no tenen una estructura clara (definida). Aquests sòlids són capaços de fondre dins d'un interval de temperatura especificat. Els més habituals són el vidre i la resina.
- Cristalins, que, al seu torn, es divideixen en 4 tipus: atòmic, molecular, iònic, metàl·lic. En ells, les partícules es troben només segons un determinat patró, és a dir, als nodes de la xarxa cristal·lina. La seva geometria en diferents substàncies pot variar molt.
Les substàncies sòlides cristal·lines prevalen sobre les amorfes en el seu nombre.
Tipus de sòlids cristal·lins
En estat sòlid, gairebé totes les substàncies tenen una estructura cristal·lina. Es diferencien en la seva estructura. Les gelosies cristal·lines als seus nodes contenen diverses partícules i elements químics. És d'acord amb ells que van obtenir els seus noms. Cada tipus té propietats específiques:
- A la xarxa cristal·lina atòmica, les partícules d'un sòlid estan unides per un enllaç covalent. Destaca per la seva durabilitat. A causa d'això, aquestes substàncies tenen un alt punt de fusió i ebullició. Aquest tipus inclou quars i diamants.
- A la xarxa de cristalls moleculars, l'enllaç entre les partícules es distingeix per la seva debilitat. Les substàncies d'aquest tipus es caracteritzen per la facilitat d'ebullició i fusió. Són volàtils, per la qual cosa tenen una certa olor. Aquests sòlids inclouen el gel i el sucre. Els moviments de molècules en sòlids d'aquest tipus es distingeixen per la seva activitat.
- A la xarxa cristal·lina iònica dels nodes, les partícules corresponents s' alternen, carregades positivament inegatiu. Es mantenen units per atracció electrostàtica. Aquest tipus de gelosia existeix en àlcalis, sals, òxids bàsics. Moltes substàncies d'aquest tipus són fàcilment solubles en aigua. A causa de l'enllaç força fort entre els ions, són refractaris. Gairebé tots són inodors, ja que es caracteritzen per la no-volatilitat. Les substàncies amb una xarxa iònica no poden conduir el corrent elèctric, ja que no contenen electrons lliures. Un exemple típic de sòlid iònic és la sal de taula. Una xarxa cristal·lina així la fa trencadissa. Això es deu al fet que qualsevol canvi pot provocar l'aparició de forces de repulsió d'ions.
- A la xarxa cristal·lina metàl·lica dels nodes només hi ha ions químics carregats positivament. Entre ells hi ha electrons lliures pels quals passa perfectament l'energia tèrmica i elèctrica. És per això que tots els metalls es distingeixen per una característica com la conductivitat.
Conceptes generals d'un cos rígid
Els sòlids i les substàncies són pràcticament el mateix. Aquests termes fan referència a un dels 4 estats d'agregació. Els sòlids tenen una forma estable i la naturalesa del moviment tèrmic dels àtoms. A més, aquests últims fan petites oscil·lacions prop de les posicions d'equilibri. La branca de la ciència que s'ocupa de l'estudi de la composició i l'estructura interna s'anomena física de l'estat sòlid. Hi ha altres àrees importants de coneixement que tracten amb aquestes substàncies. El canvi de forma sota influències i moviments externs s'anomena mecànica d'un cos deformable.
A causa de les diferents propietats dels sòlids, han trobat aplicació en diversos dispositius tècnics creats per l'home. Molt sovint, el seu ús es basava en propietats com la duresa, el volum, la massa, l'elasticitat, la plasticitat i la fragilitat. La ciència moderna permet l'ús d' altres qualitats de sòlids que només es poden trobar al laboratori.
Què són els cristalls
Els cristalls són cossos sòlids amb partícules disposades en un ordre determinat. Cada substància química té la seva pròpia estructura. Els seus àtoms formen una disposició periòdica tridimensional anomenada xarxa cristal·lina. Els sòlids tenen diferents simetries estructurals. L'estat cristal·lí d'un sòlid es considera estable perquè té una quantitat mínima d'energia potencial.
La gran majoria dels materials sòlids (naturals) consisteixen en un gran nombre de grans individuals orientats aleatòriament (cristal·lits). Aquestes substàncies s'anomenen policristalines. Aquests inclouen aliatges tècnics i metalls, així com moltes roques. Monocristal·lí fa referència a cristalls naturals o sintètics individuals.
Molt sovint, aquests sòlids es formen a partir de l'estat de la fase líquida, representada per una fusió o solució. De vegades s'obtenen a partir de l'estat gasós. Aquest procés s'anomena cristal·lització. Gràcies al progrés científic i tecnològic, el procediment de cultiu (síntesi) de diverses substàncies ha guanyat una escala industrial. La majoria dels cristalls tenen una forma natural en forma de regularpoliedres. Les seves mides són molt diferents. Per tant, el quars natural (cristall de roca) pot pesar fins a centenars de quilos i els diamants, fins a diversos grams.
En els sòlids amorfs, els àtoms estan en constant oscil·lació al voltant de punts situats aleatòriament. Retenen un cert ordre a curt abast, però no hi ha cap ordre a llarg abast. Això es deu al fet que les seves molècules es troben a una distància que es pot comparar amb la seva mida. L'exemple més comú d'aquest sòlid a la nostra vida és l'estat de vidre. Les substàncies amorfes es consideren sovint com un líquid amb una viscositat infinitament alta. El temps de la seva cristal·lització és de vegades tan llarg que no apareix en absolut.
Són les propietats anteriors d'aquestes substàncies les que les fan úniques. Els sòlids amorfs es consideren inestables perquè poden tornar-se cristal·lins amb el temps.
Les molècules i els àtoms que formen un sòlid estan empaquetats a una alta densitat. Pràcticament conserven la seva posició mútua en relació amb altres partícules i es mantenen juntes a causa de la interacció intermolecular. La distància entre les molècules d'un sòlid en diferents direccions s'anomena paràmetre de gelosia. L'estructura de la matèria i la seva simetria determinen moltes propietats, com ara la banda d'electrons, l'escissió i l'òptica. Quan s'aplica una força prou gran a un sòlid, aquestes qualitats es poden violar en un grau o un altre. En aquest cas, el cos sòlid està subjecte a una deformació permanent.
Els àtoms dels sòlids fan moviments oscil·latoris, que determinen la seva possessió d'energia tèrmica. Com que són insignificants, només es poden observar en condicions de laboratori. L'estructura molecular d'un sòlid afecta molt les seves propietats.
Estudi de sòlids
Les característiques, propietats d'aquestes substàncies, les seves qualitats i el moviment de les partícules s'estudien en diverses subseccions de la física de l'estat sòlid.
Per a l'estudi s'utilitzen: radioespectroscòpia, anàlisi estructural mitjançant raigs X i altres mètodes. Així s'estudien les propietats mecàniques, físiques i tèrmiques dels sòlids. La duresa, la resistència a la càrrega, la resistència a la tracció i les transformacions de fase són estudiades per la ciència dels materials. Es fa ressò en gran mesura de la física de l'estat sòlid. Hi ha una altra ciència moderna important. L'estudi de substàncies existents i la síntesi de noves substàncies es realitza mitjançant la química de l'estat sòlid.
Característiques dels sòlids
La naturalesa del moviment dels electrons exteriors dels àtoms d'un sòlid determina moltes de les seves propietats, per exemple, elèctriques. Hi ha 5 classes d'aquests cossos. S'estableixen en funció del tipus d'enllaç atòmic:
- Iònic, la característica principal del qual és la força d'atracció electrostàtica. Les seves característiques: reflexió i absorció de la llum a la regió infraroja. A baixes temperatures, l'enllaç iònic es caracteritza per una baixa conductivitat elèctrica. Un exemple d'aquesta substància és la sal sòdica de l'àcid clorhídric (NaCl).
- Covalent,realitzada per un parell d'electrons que pertany als dos àtoms. Aquest enllaç es divideix en: simple (simple), doble i triple. Aquests noms indiquen la presència de parells d'electrons (1, 2, 3). Els enllaços dobles i triples s'anomenen enllaços múltiples. Hi ha una altra divisió d'aquest grup. Així, segons la distribució de la densitat electrònica, es distingeixen enllaços polars i no polars. El primer està format per àtoms diferents, i el segon és el mateix. Aquest estat sòlid de la matèria, exemples dels quals són el diamant (C) i el silici (Si), es distingeix per la seva densitat. Els cristalls més durs pertanyen específicament a l'enllaç covalent.
- Metàl·lic, format per la combinació dels electrons de valència dels àtoms. Com a resultat, apareix un núvol d'electrons comú, que es desplaça sota la influència de la tensió elèctrica. Un enllaç metàl·lic es forma quan els àtoms units són grans. Són capaços de donar electrons. En molts metalls i compostos complexos, aquest enllaç forma un estat sòlid de la matèria. Exemples: sodi, bari, alumini, coure, or. Dels compostos no metàl·lics, es poden assenyalar els següents: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Les substàncies amb un enllaç metàl·lic (metalls) són diverses en les seves propietats físiques. Poden ser líquids (Hg), tous (Na, K), molt durs (W, Nb).
- Molecular, que sorgeix en cristalls, que estan formats per molècules individuals d'una substància. Es caracteritza per espais entre molècules amb densitat electrònica zero. Les forces que uneixen els àtoms en aquests cristalls són importants. Les molècules són atretesentre ells només per una feble atracció intermolecular. És per això que els enllaços entre ells es destrueixen fàcilment quan s'escalfen. Els enllaços entre àtoms són molt més difícils de trencar. L'enllaç molecular es subdivideix en orientacional, de dispersió i inductiu. Un exemple d'aquesta substància és el metà sòlid.
- Hidrogen, que es produeix entre els àtoms polaritzats positivament d'una molècula o la seva part i la partícula més petita polaritzada negativament d'una altra molècula o d'una altra part. Aquests enllaços inclouen gel.
Propietats dels sòlids
Què sabem avui? Els científics han estudiat durant molt de temps les propietats de l'estat sòlid de la matèria. Quan s'exposa a la temperatura, també canvia. La transició d'aquest cos a un líquid s'anomena fusió. La transformació d'un sòlid en estat gasós s'anomena sublimació. Quan la temperatura baixa, es produeix la cristal·lització del sòlid. Algunes substàncies sota la influència del fred passen a la fase amorfa. Els científics anomenen aquest procés vitrificació.
Durant les transicions de fase, l'estructura interna dels sòlids canvia. Adquireix el major ordre amb la disminució de la temperatura. A pressió atmosfèrica i temperatura T > 0 K, totes les substàncies que existeixen a la natura es solidifiquen. Només l'heli, que requereix una pressió de 24 atm per cristal·litzar, és una excepció a aquesta regla.
L'estat sòlid de la matèria li confereix diverses propietats físiques. Caracteritzen el comportament específic dels cossossota la influència de determinats camps i forces. Aquestes propietats es divideixen en grups. Hi ha 3 vies d'exposició, corresponents a 3 tipus d'energia (mecànica, tèrmica, electromagnètica). En conseqüència, hi ha 3 grups de propietats físiques dels sòlids:
- Propietats mecàniques associades a l'estrès i la tensió dels cossos. Segons aquests criteris, els sòlids es divideixen en elàstics, reològics, de resistència i tecnològics. En repòs, aquest cos conserva la seva forma, però pot canviar sota l'acció d'una força externa. Al mateix temps, la seva deformació pot ser plàstica (la forma inicial no torna), elàstica (torna a la seva forma original) o destructiva (quan s'arriba a un determinat llindar, es produeix la decadència/fractura). La resposta a la força aplicada es descriu pels mòduls d'elasticitat. Un cos sòlid resisteix no només la compressió, l'estirament, sinó també els desplaçaments, la torsió i la flexió. La força d'un cos sòlid és la seva propietat de resistir la destrucció.
- Tèrmica, que es manifesta quan s'exposa a camps tèrmics. Una de les propietats més importants és el punt de fusió en què el cos passa a estat líquid. S'observa en sòlids cristal·lins. Els cossos amorfs tenen una calor latent de fusió, ja que la seva transició a un estat líquid amb l'augment de la temperatura es produeix gradualment. En arribar a una certa calor, el cos amorf perd la seva elasticitat i adquireix plasticitat. Aquest estat significa que ha arribat a la temperatura de transició vítrea. Quan s'escalfa, es produeix la deformació del sòlid. I la majoria de vegades s'expandeix. Quantitativament aixòl'estat es caracteritza per un determinat coeficient. La temperatura corporal afecta propietats mecàniques com ara la fluïdesa, la ductilitat, la duresa i la resistència.
- Electromagnètic, associat a l'impacte sobre una substància sòlida de fluxos de micropartícules i ones electromagnètiques d' alta rigidesa. Les propietats de la radiació també es refereixen condicionalment a elles.
Estructura de la zona
Els sòlids també es classifiquen segons l'anomenada estructura de bandes. Així, entre ells distingeixen:
- Conductors, caracteritzats perquè les seves bandes de conducció i valència se superposen. En aquest cas, els electrons es poden moure entre ells, rebent la més mínima energia. Tots els metalls són conductors. Quan s'aplica una diferència de potencial a aquest cos, es forma un corrent elèctric (a causa del lliure moviment d'electrons entre els punts amb el potencial més baix i el més alt).
- Dielèctrics les zones dels quals no es superposen. L'interval entre ells supera els 4 eV. Es necessita molta energia per conduir els electrons de la valència a la banda de conducció. A causa d'aquestes propietats, els dielèctrics pràcticament no condueixen el corrent.
- Semiconductors caracteritzats per l'absència de bandes de conducció i valència. L'interval entre ells és inferior a 4 eV. Per transferir electrons de la valència a la banda de conducció, es necessita menys energia que per als dielèctrics. Els semiconductors purs (no dopats i natius) no passen bé el corrent.
Els moviments de les molècules en sòlids determinen les seves propietats electromagnètiques.
Altrespropietats
Els cossos sòlids també es subdivideixen segons les seves propietats magnètiques. Hi ha tres grups:
- Diamants, les propietats dels quals depenen poc de la temperatura o de l'estat d'agregació.
- Paraimants resultants de l'orientació dels electrons de conducció i moments magnètics dels àtoms. Segons la llei de Curie, la seva susceptibilitat disminueix en proporció a la temperatura. Per tant, a 300 K és 10-5.
- Cossos amb una estructura magnètica ordenada, amb un ordre d'àtoms de llarg abast. Als nodes de la seva xarxa es localitzen periòdicament partícules amb moments magnètics. Aquests sòlids i substàncies s'utilitzen sovint en diversos camps de l'activitat humana.
Les substàncies més dures de la natura
Què són? La densitat dels sòlids determina en gran mesura la seva duresa. En els últims anys, els científics han descobert diversos materials que diuen ser el "cos més durador". La substància més dura és la fullerita (un cristall amb molècules de fullerè), que és aproximadament 1,5 vegades més dura que el diamant. Malauradament, actualment només està disponible en quantitats molt petites.
Avui, la substància més dura que es pot utilitzar en el futur a la indústria és la lonsdaleita (diamant hexagonal). És un 58% més dur que el diamant. La lonsdaleita és una modificació al·lotròpica del carboni. La seva xarxa cristal·lina és molt semblant al diamant. Una cèl·lula de lonsdaleita conté 4 àtoms, mentre que un diamant en conté 8. Dels cristalls àmpliament utilitzats, el diamant segueix sent el més dur avui en dia.
