ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СВОЙСТВА, ТИПЫ, ПРИМЕРЫ - НАУКА

Твердотельный является одним из основных способов , в которых важны агрегаты для создания конденсированных или твердых тел. Вся земная кора, не считая морей и океанов, представляет собой пестрый конгломерат твердых тел. Примеры объектов в твердом состоянии: книга, камень или песчинки.

Мы можем взаимодействовать с твердыми телами благодаря отталкиванию наших электронов электронами их атомов или молекул. В отличие от жидкостей и газов, пока они не очень токсичны, наши руки не могут проходить сквозь них, а скорее крошатся или поглощают их.

Деревянная статуя этой лошади изготовлена из прочных природных полимеров. Источник: Pxhere.

Твердые вещества, как правило, намного легче обрабатывать или хранить, чем жидкость или газ. Если его частицы не будут мелко разделены, ветровой поток не разнесет их в других направлениях; они закреплены в пространстве, определяемом межмолекулярными взаимодействиями их атомов, ионов или молекул.

Прочная концепция

Твердое тело - это состояние вещества, в котором есть твердый объем и форма; частицы, которые образуют материалы или объекты в твердом состоянии, закреплены в одном месте, они нелегко сжимаются.

Это состояние материи наиболее разнообразно и богато с точки зрения химии и физики. У нас есть ионные, металлические, атомные, молекулярные и ковалентные твердые тела, каждое со своей структурной единицей; то есть со своими кристаллами. Когда их способ агрегирования не позволяет им создать упорядоченные внутренние структуры, они становятся аморфными и сложными.

Изучение твердого тела сводится к разработке и синтезу новых материалов. Например, дерево - натуральное твердое вещество - также использовалось в качестве декоративного материала и для строительства домов.

Другие твердые материалы позволяют производить автомобили, самолеты, корабли, космические корабли, ядерные реакторы, спортивные товары, аккумуляторы, катализаторы и многие другие объекты или продукты.

Общие характеристики твердых тел

Пружина и дерево, компоненты суппорта, пример твердого

Основные характеристики твердых тел:

-Они имеют определенную массу, объем и формы. У газа, например, нет конца или начала, поскольку они зависят от контейнера, в котором он хранится.

-Они очень плотные. Твердые тела имеют тенденцию быть более плотными, чем жидкости и газы; хотя из этого правила есть несколько исключений, особенно при сравнении жидкостей и твердых тел.

-Расстояния, разделяющие его частицы, короткие. Это означает, что они стали очень связными или уплотненными в своем соответствующем объеме.

-Его межмолекулярные взаимодействия очень сильны, иначе они не существовали бы как таковые и расплавились бы или сублимировались в земных условиях.

Различия между частицами твердого тела, жидкости и газа

-Подвижность твердых тел обычно весьма ограничена не только с материальной точки зрения, но и с молекулярной. Его частицы удерживаются в фиксированном положении, где они могут только вибрировать, но не двигаться или вращаться (теоретически).

свойства

Точки плавления

Все твердые вещества, если они не разлагаются в процессе и независимо от того, являются ли они хорошими проводниками тепла, могут переходить в жидкое состояние при определенной температуре: их точке плавления. Когда достигается эта температура, его частицам, наконец, удается течь и выходить из своих фиксированных положений.

Эта температура плавления будет зависеть от природы твердого вещества, его взаимодействий, молярной массы и энергии кристаллической решетки. Как правило, ионные твердые вещества и ковалентные сети (такие как алмаз и диоксид кремния) имеют самые высокие температуры плавления; в то время как молекулярные твердые тела самые низкие.

На следующем изображении показано, как кубик льда (твердое состояние) превращается в жидкое состояние:

стехиометрии

Большая часть твердых веществ является молекулярной, поскольку они представляют собой соединения, межмолекулярные взаимодействия которых позволяют им таким образом объединяться. Однако многие другие являются ионными или частично ионными, поэтому их единицами являются не молекулы, а клетки: набор атомов или ионов, расположенных упорядоченным образом.

Именно здесь формулы таких твердых тел должны учитывать нейтральность зарядов, указывая их состав и стехиометрические отношения. Например, твердое тело, гипотетическая формула которого A ₂ B ₄ O _2, указывает на то, что оно имеет такое же количество атомов A, что и O (2: 2), в то время как оно имеет вдвое больше атомов B (2: 4).

Обратите внимание, что нижние индексы в формуле A ₂ B ₄ O ₂ являются целыми числами, что показывает, что это стехиометрическое твердое тело. Эти формулы описывают состав многих твердых веществ. Сумма зарядов на A, B и O должна равняться нулю, потому что в противном случае будет положительный или отрицательный заряд.

Для твердых тел особенно полезно знать, как интерпретировать их формулы, поскольку, как правило, состав жидкостей и газов проще.

дефекты

Структура твердых тел несовершенна; они представляют собой несовершенства или дефекты, какими бы кристаллическими они ни были. Это не относится ни к жидкостям, ни к газам. Нет областей с жидкой водой, которые можно было бы заранее сказать, что они «смещены» из своего окружения.

Такие дефекты являются причиной того, что твердые и хрупкие твердые тела проявляют такие свойства, как пироэлектричество и пьезоэлектричество, или перестают иметь определенный состав; то есть они представляют собой нестехиометрические твердые вещества (например, A _0,4 B _1,3 O _0,5 ).

Реактивность

Твердые вещества обычно менее реактивны, чем жидкости и газы; но не из-за химических причин, а из-за того факта, что их структуры не позволяют реагентам атаковать частицы внутри них, вступая в реакцию в первую очередь с частицами на их поверхности. Следовательно, реакции с участием твердых веществ имеют тенденцию протекать медленнее; если они не измельчены.

Когда твердое вещество находится в форме порошка, его более мелкие частицы имеют большую площадь или поверхность для реакции. Вот почему мелкие твердые частицы часто называют потенциально опасными реагентами, поскольку они могут быстро воспламеняться или активно реагировать при контакте с другими веществами или соединениями.

Часто твердые вещества растворяют в реакционной среде для гомогенизации системы и проведения синтеза с более высоким выходом.

физический

За исключением температуры плавления и дефектов, сказанное до сих пор больше соответствует химическим свойствам твердых тел, чем их физическим свойствам. Физика материалов глубоко сосредоточена на том, как свет, звук, электроны и тепло взаимодействуют с твердыми телами, являются ли они кристаллическими, аморфными, молекулярными и т. Д.

Именно здесь вступают в силу так называемые пластиковые, эластичные, жесткие, непрозрачные, прозрачные, сверхпроводящие, фотоэлектрические, микропористые, ферромагнитные, изолирующие или полупроводниковые твердые тела.

В химии, например, интерес представляют материалы, не поглощающие ультрафиолетовое излучение или видимый свет, так как они используются для изготовления измерительных ячеек для спектрофотометров УФ-видимого диапазона. То же самое происходит с инфракрасным излучением, когда вы хотите охарактеризовать соединение, получив его ИК-спектр, или изучить ход реакции.

Изучение всех физических свойств твердых тел и манипулирование ими требует огромной самоотдачи, а также их синтеза и проектирования, выбирая «куски» неорганической, биологической, органической или металлоорганической конструкции для новых материалов.

Виды и примеры

Поскольку химически существует несколько типов твердых веществ, репрезентативные примеры будут указаны отдельно для каждого из них.

Кристаллические твердые тела

С одной стороны, это твердые кристаллические вещества. Эти элементы характеризуются тем, что молекулы, из которых они состоят, имеют одинаковую конфигурацию, которая повторяется в виде узора по всему кристаллу. Каждый паттерн называется элементарной ячейкой.

Кристаллические твердые вещества также характеризуются определенной температурой плавления; Это означает, что, учитывая однородность расположения его молекул, существует одинаковое расстояние между каждой элементарной ячейкой, что позволяет всей структуре постоянно трансформироваться при одной и той же температуре.

Примерами кристаллических твердых веществ могут быть соль и сахар.

Аморфные твердые вещества

Аморфные твердые тела характеризуются тем, что конформация их молекул не соответствует образцу, а изменяется по всей поверхности.

Поскольку такой картины нет, температура плавления аморфных твердых тел не определена, в отличие от кристаллических, что означает, что они плавятся постепенно и при разных температурах.

Примерами аморфных твердых тел могут быть стекло и большинство пластиков.

Ионика

Ионные твердые тела характеризуются наличием катионов и анионов, которые взаимодействуют друг с другом посредством электростатического притяжения (ионной связи). Когда ионы малы, образующиеся структуры обычно всегда кристаллические (с учетом их дефектов). Среди некоторых ионных твердых веществ мы имеем:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^- ), хлорид натрия

-MgO (Mg ²⁺ O ^2- ), оксид магния

-CaCO ₃ (Ca ²⁺ CO ₃^2- ), карбонат кальция

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄^2- ), сульфат меди

-KF (K ⁺ F ^- ), фторид калия

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

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2- ), сульфид цинка

-Fe (C ₆ H ₅ COO) ₃ , бензоат железа

металлический

Как следует из названия, это твердые тела, в которых атомы металлов взаимодействуют через металлическую связь:

-Серебряный

-Золото

-Свинец

-Латунь

-Bronze

-Белое золото

-Pewter

-Steels

-Duralumin

Обратите внимание, что сплавы, конечно, также считаются металлическими твердыми телами.

атомное

Металлические твердые тела также являются атомными, поскольку теоретически между металлическими атомами (ММ) нет ковалентных связей. Однако благородные газы, по сути, считаются атомными частицами, поскольку среди них преобладают только лондонские дисперсионные силы.

Таким образом, хотя кристаллизованные благородные газы не являются твердыми веществами для широкого применения (и их трудно получить), они являются примерами твердых частиц с атомами; то есть: гелий, неон, аргон, криптон и т. д., твердые вещества.

Молекулярно-полимерный

Молекулы могут взаимодействовать посредством сил Ван-дер-Уоллса, где их молекулярные массы, дипольные моменты, водородные связи, структуры и геометрия играют важную роль. Чем сильнее такие взаимодействия, тем больше вероятность, что они будут в твердой форме.

С другой стороны, те же рассуждения применимы к полимерам, которые из-за их высоких средних молекулярных масс почти всегда являются твердыми веществами, а некоторые из них являются аморфными; поскольку его полимерным элементам трудно аккуратно расположить себя для создания кристаллов.

Таким образом, мы имеем среди некоторых молекулярных и полимерных твердых веществ следующие:

-Сухой лед

-Sugar

-Iodine

-Бензойная кислота

ацетамид

-Ромбическая сера

-Пальмитиновая кислота

-Fullerenos

-Соответствие

-Кофеин

нафталин

-Дерево и бумага

-Silk

-Teflon

-Polyethylene

-Kevlar

-Bakelite

-Поливинил хлорид

-Polystyrene

-Polypropylene

-белками

-Плитка шоколада

Ковалентные сети

Наконец, у нас есть ковалентные сети между самыми твердыми и высокоплавкими твердыми телами. Вот несколько примеров:

-Graphite

-Diamond

-quartz

-Карбид кремния

-Нитрид бора

-Фосфид алюминия

-Арсенид галлия

Ссылки

Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
Wikipedia. (2019). Химия твердого тела. Получено с: en.wikipedia.org
Elsevier BV (2019). Химия твердого тела. ScienceDirect. Получено с: sciencedirect.com
Доктор Майкл Луфасо. (SF). Конспект лекций по химии твердого тела. Получено с: unf.edu
askIITians. (2019). Общие характеристики твердого тела. Получено с: askiitians.com
Дэвид Вуд. (2019). Как атомы и молекулы образуют твердые тела: узоры и кристаллы. Учиться. Получено с: study.com

ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СВОЙСТВА, ТИПЫ, ПРИМЕРЫ - НАУКА - 2026