Kietosios medžiagos yra tos, kurios gali formuoti kūnus ir turėti tūrį. Nuo skysčių ir dujų jie skiriasi savo forma. Kietosios medžiagos išlaiko kūno formą dėl to, kad jų dalelės negali laisvai judėti. Jie skiriasi savo tankiu, plastiškumu, elektriniu laidumu ir spalva. Jie turi ir kitų savybių. Taigi, pavyzdžiui, dauguma šių medžiagų ištirpsta kaitinant, įgaudamos skystą agregacijos būseną. Dalis jų kaitinant iškart virsta dujomis (sublimate). Tačiau yra ir tokių, kurios skyla į kitas medžiagas.
Kietųjų kūnų tipai
Visos kietosios medžiagos yra suskirstytos į dvi grupes.
- Amorfinė, kurioje atskiros dalelės išsidėsčiusios atsitiktinai. Kitaip tariant: jie neturi aiškios (apibrėžtos) struktūros. Šios kietosios medžiagos gali ištirpti tam tikrame temperatūros diapazone. Dažniausi iš jų yra stiklas ir derva.
- Kristaliniai, kurie savo ruožtu skirstomi į 4 tipus: atominį, molekulinį, joninį, metalinį. Juose dalelės išsidėsto tik pagal tam tikrą modelį, būtent kristalinės gardelės mazguose. Jo geometrija įvairiose medžiagose gali labai skirtis.
Kietos kristalinės medžiagos savo skaičiumi vyrauja prieš amorfines.
Kristalinių kietųjų medžiagų rūšys
Kietoje būsenoje beveik visos medžiagos turi kristalinę struktūrą. Jie skiriasi savo struktūra. Jų mazguose esančiose kristalinėse gardelėse yra įvairių dalelių ir cheminių elementų. Pagal juos jie gavo savo vardus. Kiekvienas tipas turi jam būdingų savybių:
- Atominėje kristalinėje gardelėje kietosios medžiagos dalelės yra surištos kovalentiniu ryšiu. Jis išsiskiria savo patvarumu. Dėl šios priežasties tokios medžiagos turi aukštą lydymosi ir virimo temperatūrą. Šis tipas apima kvarcą ir deimantą.
- Molekulinėje kristalinėje gardelėje ryšys tarp dalelių išsiskiria savo silpnumu. Šio tipo medžiagoms būdingas lengvas virimas ir lydymasis. Jie yra lakūs, dėl to turi tam tikrą kvapą. Šios kietosios medžiagos apima ledą ir cukrų. Molekulių judėjimas tokio tipo kietosiose medžiagose išsiskiria jų aktyvumu.
- Jonų kristalų gardelėje prie mazgų atitinkamos dalelės pakaitomis, teigiamai įkrautos irneigiamas. Juos kartu laiko elektrostatinė trauka. Šio tipo gardelės yra šarmuose, druskose, baziniuose oksiduose. Daugelis šio tipo medžiagų lengvai tirpsta vandenyje. Dėl gana stipraus ryšio tarp jonų jie yra atsparūs ugniai. Beveik visi jie yra bekvapiai, nes jiems būdingas nepastovumas. Medžiagos, turinčios joninę gardelę, negali praleisti elektros srovės, nes jose nėra laisvųjų elektronų. Tipiškas joninės kietosios medžiagos pavyzdys yra valgomoji druska. Tokia krištolinė gardelė daro ją trapią. Taip yra dėl to, kad bet koks jo poslinkis gali sukelti jonų atstūmimo jėgų atsiradimą.
- Metalinėje kristalinėje gardelėje ties mazgais yra tik teigiamo krūvio cheminiai jonai. Tarp jų yra laisvieji elektronai, per kuriuos puikiai praeina šiluminė ir elektros energija. Štai kodėl bet kokie metalai išsiskiria tokia savybe kaip laidumas.
Bendrosios standaus korpuso sąvokos
Kietosios medžiagos ir medžiagos yra praktiškai tas pats dalykas. Šie terminai reiškia vieną iš 4 agregavimo būsenų. Kietosios medžiagos turi stabilią formą ir atomų šiluminio judėjimo pobūdį. Be to, pastarieji daro nedidelius svyravimus šalia pusiausvyros padėčių. Mokslo šaka, tirianti kompoziciją ir vidinę sandarą, vadinama kietojo kūno fizika. Yra ir kitų svarbių žinių apie tokias medžiagas sritis. Formos pokytis veikiant išoriniam poveikiui ir judėjimui vadinamas deformuojamo kūno mechanika.
Dėl skirtingų kietųjų medžiagų savybių jie buvo pritaikyti įvairiuose žmogaus sukurtuose techniniuose įrenginiuose. Dažniausiai jų naudojimas buvo grindžiamas tokiomis savybėmis kaip kietumas, tūris, masė, elastingumas, plastiškumas, trapumas. Šiuolaikinis mokslas leidžia naudoti kitų savybių kietąsias medžiagas, kurias galima rasti tik laboratorijoje.
Kas yra kristalai
Kristalai yra kieti kūnai, kurių dalelės yra išdėstytos tam tikra tvarka. Kiekviena cheminė medžiaga turi savo struktūrą. Jo atomai sudaro trimatį periodinį išsidėstymą, vadinamą kristaline gardele. Kietosios medžiagos turi skirtingą struktūrinę simetriją. Kietosios medžiagos kristalinė būsena laikoma stabilia, nes ji turi minimalų potencialios energijos kiekį.
Didžiąją daugumą kietųjų medžiagų (natūralių) sudaro daugybė atsitiktinai orientuotų atskirų grūdelių (kristalitų). Tokios medžiagos vadinamos polikristalinėmis. Tai apima techninius lydinius ir metalus, taip pat daugybę uolienų. Monokristalinis reiškia pavienius natūralius arba sintetinius kristalus.
Dažniausiai tokios kietosios medžiagos susidaro iš skystosios fazės būsenos, vaizduojamos lydalo arba tirpalo pavidalu. Kartais jie gaunami iš dujinės būsenos. Šis procesas vadinamas kristalizacija. Dėl mokslo ir technologijų pažangos įvairių medžiagų auginimo (sintezės) procedūra įgavo pramoninį mastą. Dauguma kristalų turi natūralią įprastos formos formądaugiakampis. Jų dydžiai labai skirtingi. Taigi natūralus kvarcas (kalnų krištolas) gali sverti iki šimtų kilogramų, o deimantai – iki kelių gramų.
Amorfinėse kietosiose medžiagose atomai nuolat svyruoja aplink atsitiktinai išdėstytus taškus. Jie išlaiko tam tikrą trumpojo nuotolio tvarką, bet tolimosios tvarkos nėra. Taip yra dėl to, kad jų molekulės yra tokiu atstumu, kurį galima palyginti su jų dydžiu. Dažniausias tokios kietos medžiagos pavyzdys mūsų gyvenime yra stiklinė būsena. Amorfinės medžiagos dažnai laikomos be galo didelio klampumo skysčiu. Jų kristalizacijos laikas kartais būna toks ilgas, kad jis visai nepasirodo.
Būtent pirmiau nurodytos šių medžiagų savybės daro jas unikalias. Amorfinės kietosios medžiagos laikomos nestabiliomis, nes laikui bėgant gali tapti kristalinės.
Molekulių ir atomų, sudarančių kietą medžiagą, tankis yra didelis. Jie praktiškai išlaiko savo tarpusavio padėtį kitų dalelių atžvilgiu ir yra laikomi kartu dėl tarpmolekulinės sąveikos. Atstumas tarp kietosios medžiagos molekulių skirtingomis kryptimis vadinamas gardelės parametru. Medžiagos struktūra ir jos simetrija lemia daugybę savybių, tokių kaip elektronų juosta, skilimas ir optika. Kai kietą medžiagą veikia pakankamai didelė jėga, šios savybės gali būti vienokiu ar kitokiu laipsniu pažeistos. Tokiu atveju kietasis kūnas gali nuolat deformuotis.
Kietųjų kūnų atomai atlieka svyruojančius judesius, kurie lemia jų turimą šiluminę energiją. Kadangi jie yra nereikšmingi, juos galima stebėti tik laboratorinėmis sąlygomis. Kietosios medžiagos molekulinė struktūra labai paveikia jos savybes.
Kietųjų kūnų tyrimas
Šių medžiagų ypatybės, savybės, jų savybės ir dalelių judėjimas nagrinėjami įvairiuose kietojo kūno fizikos poskyriuose.
Tyrimui naudojami: radiospektroskopija, struktūrinė analizė naudojant rentgeno spindulius ir kiti metodai. Taip tiriamos kietųjų medžiagų mechaninės, fizinės ir šiluminės savybės. Medžiagotyros tiria kietumą, atsparumą apkrovai, atsparumą tempimui, fazių transformacijas. Tai iš esmės pakartoja kietojo kūno fiziką. Yra dar vienas svarbus šiuolaikinis mokslas. Esamų medžiagų tyrimas ir naujų medžiagų sintezė atliekami kietojo kūno chemijos metodu.
Kietųjų kūnų savybės
Kietos medžiagos atomų išorinių elektronų judėjimo pobūdis lemia daugelį jos savybių, pavyzdžiui, elektrines. Yra 5 tokių kūnų klasės. Jie nustatomi atsižvelgiant į atominės jungties tipą:
- Joninė, kurios pagrindinė charakteristika yra elektrostatinės traukos jėga. Jo ypatybės: šviesos atspindys ir sugertis infraraudonųjų spindulių srityje. Esant žemai temperatūrai, joninė jungtis pasižymi mažu elektros laidumu. Tokios medžiagos pavyzdys yra druskos rūgšties (NaCl) natrio druska.
- Kovalentinis,atlieka elektronų pora, kuri priklauso abiem atomams. Toks ryšys skirstomas į: viengubą (paprastą), dvigubą ir trigubą. Šie pavadinimai rodo elektronų porų buvimą (1, 2, 3). Dvigubos ir trigubos jungtys vadinamos daugybinėmis jungtimis. Yra dar vienas šios grupės padalinys. Taigi, priklausomai nuo elektronų tankio pasiskirstymo, išskiriami poliniai ir nepoliniai ryšiai. Pirmąjį sudaro skirtingi atomai, o antrasis yra tas pats. Tokia kieta medžiaga, kurios pavyzdžiai yra deimantas (C) ir silicis (Si), išsiskiria savo tankiu. Kiečiausi kristalai priklauso kovalentiniam ryšiui.
- Metalinis, susidaręs sujungus atomų valentinius elektronus. Dėl to atsiranda bendras elektronų debesis, kuris išstumiamas veikiant elektros įtampai. Metalinis ryšys susidaro, kai surišti atomai yra dideli. Jie gali paaukoti elektronus. Daugelyje metalų ir sudėtingų junginių ši jungtis sudaro kietą medžiagos būseną. Pavyzdžiai: natris, baris, aliuminis, varis, auksas. Iš nemetalinių junginių galima pastebėti: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Medžiagos, turinčios metalinį ryšį (metalai), skiriasi savo fizinėmis savybėmis. Jie gali būti skysti (Hg), minkšti (Na, K), labai kieti (W, Nb).
- Molekulinė, atsirandanti kristaluose, kuriuos sudaro atskiros medžiagos molekulės. Jam būdingi tarpai tarp molekulių, kurių elektronų tankis nulinis. Jėgos, jungiančios atomus tokiuose kristaluose, yra reikšmingos. Molekulės pritraukiamosvienas kitam tik silpna tarpmolekuline trauka. Štai kodėl ryšiai tarp jų lengvai sunaikinami kaitinant. Ryšiai tarp atomų yra daug sunkiau nutraukiami. Molekulinis ryšys skirstomas į orientacinį, dispersinį ir indukcinį. Tokios medžiagos pavyzdys yra kietas metanas.
- Vandenilis, atsirandantis tarp teigiamai poliarizuotų molekulės ar jos dalies atomų ir kitos molekulės ar kitos dalies mažiausios neigiamai poliarizuotos dalelės. Šios jungtys apima ledą.
Kietųjų kūnų savybės
Ką žinome šiandien? Mokslininkai jau seniai tyrinėjo kietosios medžiagos savybes. Veikiant temperatūrai, ji taip pat pasikeičia. Tokio kūno perėjimas į skystį vadinamas tirpimu. Kietosios medžiagos pavertimas dujine yra vadinamas sublimacija. Kai temperatūra nukrenta, įvyksta kietos medžiagos kristalizacija. Kai kurios medžiagos, veikiamos šalčio, pereina į amorfinę fazę. Mokslininkai šį procesą vadina stiklinimu.
Fazinių perėjimų metu kinta vidinė kietųjų kūnų struktūra. Didžiausią tvarką įgyja mažėjant temperatūrai. Esant atmosferos slėgiui ir temperatūrai T > 0 K, visos gamtoje esančios medžiagos kietėja. Tik helis, kuriam kristalizuotis reikalingas 24 atm slėgis, yra šios taisyklės išimtis.
Kieta medžiaga suteikia jai įvairių fizinių savybių. Jie apibūdina specifinį kūnų elgesįtam tikrų laukų ir jėgų įtakoje. Šios savybės skirstomos į grupes. Yra 3 poveikio būdai, atitinkantys 3 energijos rūšis (mechaninė, šiluminė, elektromagnetinė). Atitinkamai, yra 3 kietųjų medžiagų fizinių savybių grupės:
- Mechaninės savybės, susijusios su kūno įtempimu ir įtempimu. Pagal šiuos kriterijus kietosios medžiagos skirstomos į elastines, reologines, stipriąsias ir technologines. Ramybės būsenoje toks kūnas išlaiko savo formą, tačiau veikiamas išorinės jėgos gali pasikeisti. Tuo pačiu metu jo deformacija gali būti plastinė (pradinė forma negrįžta), elastinga (grįžta į pradinę formą) arba destrukcinė (pasiekus tam tikrą slenkstį, įvyksta irimas / lūžimas). Reakciją į veikiančią jėgą apibūdina tamprumo moduliai. Tvirtas kūnas atsparus ne tik gniuždymui, tempimui, bet ir poslinkiams, sukimui ir lenkimui. Tvirto kūno stiprumas yra jo savybė atsispirti sunaikinimui.
- Šiluminis, pasireiškiantis veikiant šiluminiams laukams. Viena iš svarbiausių savybių yra lydymosi temperatūra, kurioje kūnas pereina į skystą būseną. Jis stebimas kristalinėse kietosiose medžiagose. Amorfiniai kūnai turi latentinę sintezės šilumą, nes jų perėjimas į skystą būseną didėjant temperatūrai vyksta palaipsniui. Pasiekęs tam tikrą karštį, amorfinis kūnas praranda savo elastingumą ir įgauna plastiškumo. Ši būsena reiškia, kad ji pasiekė stiklėjimo temperatūrą. Kaitinant, kietoji medžiaga deformuojasi. Ir dažniausiai jis plečiasi. Kiekybiškai taivalstybei būdingas tam tikras koeficientas. Kūno temperatūra turi įtakos mechaninėms savybėms, tokioms kaip sklandumas, plastiškumas, kietumas ir stiprumas.
- Elektromagnetinis, susijęs su mikrodalelių srautų ir didelio standumo elektromagnetinių bangų poveikiu kietajai medžiagai. Spinduliavimo savybės taip pat sąlyginai nurodomos.
Zonos struktūra
Kietos medžiagos taip pat klasifikuojamos pagal vadinamąją juostos struktūrą. Taigi tarp jų jie išskiria:
- Laidininkai, pasižymintys tuo, kad jų laidumo ir valentingumo juostos persidengia. Tokiu atveju elektronai gali judėti tarp jų, gaudami menkiausią energiją. Visi metalai yra laidininkai. Kai tokiam kūnui taikomas potencialų skirtumas, susidaro elektros srovė (dėl laisvo elektronų judėjimo tarp mažiausią ir didžiausią potencialą turinčių taškų).
- Dielektrikai, kurių zonos nesutampa. Intervalas tarp jų viršija 4 eV. Norint nuvesti elektronus iš valentinio į laidumo juostą, reikia daug energijos. Dėl šių savybių dielektrikai praktiškai nelaidžia srovės.
- Puslaidininkiai, kuriems būdingas laidumo ir valentingumo juostų nebuvimas. Intervalas tarp jų yra mažesnis nei 4 eV. Norint perkelti elektronus iš valentinio į laidumo juostą, reikia mažiau energijos nei dielektrikams. Gryni (nepritvirtinti ir vietiniai) puslaidininkiai blogai praleidžia srovę.
Molekulių judėjimas kietose medžiagose lemia jų elektromagnetines savybes.
Kitasavybės
Kietieji kūnai taip pat skirstomi pagal jų magnetines savybes. Yra trys grupės:
- Diamagnetai, kurių savybės mažai priklauso nuo temperatūros ar agregacijos būsenos.
- Paramagnetai, atsirandantys dėl laidumo elektronų orientacijos ir atomų magnetinių momentų. Pagal Curie dėsnį jų jautrumas mažėja proporcingai temperatūrai. Taigi, esant 300 K, jis yra 10-5.
- Kūnai su tvarkinga magnetine struktūra ir ilgo nuotolio atomų tvarka. Jų gardelės mazguose periodiškai išsidėsto dalelės su magnetiniais momentais. Tokios kietosios medžiagos ir medžiagos dažnai naudojamos įvairiose žmogaus veiklos srityse.
Kiečiausios medžiagos gamtoje
Kas jie? Kietųjų medžiagų tankis daugiausia lemia jų kietumą. Pastaraisiais metais mokslininkai atrado keletą medžiagų, kurios pretenduoja į „patvariausią kūną“. Kiečiausia medžiaga yra fulleritas (kristalas su fullereno molekulėmis), kuris yra apie 1,5 karto kietesnis už deimantą. Deja, šiuo metu jo galima įsigyti tik labai mažais kiekiais.
Šiandien kiečiausia medžiaga, kuri ateityje gali būti naudojama pramonėje, yra lonsdaleitas (šešiakampis deimantas). Jis yra 58% kietesnis už deimantą. Lonsdaleitas yra alotropinė anglies modifikacija. Jo kristalinė gardelė labai panaši į deimantą. Lonsdaleito ląstelėje yra 4 atomai, o deimante – 8. Iš plačiai naudojamų kristalų deimantas šiandien išlieka kiečiausias.
