A szilárd anyagok azok, amelyek képesek testet alkotni és térfogatuk van. Alakjukban különböznek a folyadékoktól és gázoktól. A szilárd anyagok megtartják a test alakját, mivel részecskéik nem tudnak szabadon mozogni. Sűrűségükben, plaszticitásukban, elektromos vezetőképességükben és színükben különböznek egymástól. Más tulajdonságokkal is rendelkeznek. Így például ezeknek az anyagoknak a többsége hevítés közben megolvad, és folyékony halmazállapotú aggregációt kap. Némelyikük hevítéskor azonnal gázzá (szublimáttá) alakul. De vannak olyanok is, amelyek más anyagokra bomlanak.
Szilárd testek típusai
Minden szilárd anyag két csoportra van osztva.
- Amorf, amelyben az egyes részecskék véletlenszerűen vannak elrendezve. Más szóval: nincs világos (definiált) szerkezetük. Ezek a szilárd anyagok meghatározott hőmérsékleti tartományon belül képesek megolvadni. Ezek közül a leggyakoribb az üveg és a gyanta.
- Kristályos, amelyek viszont 4 típusra oszthatók: atomi, molekuláris, ionos, fémes. Bennük a részecskék csak egy bizonyos minta szerint helyezkednek el, nevezetesen a kristályrács csomópontjain. Geometriája a különböző anyagokban nagyon eltérő lehet.
A szilárd kristályos anyagok számukat tekintve felülkerekednek az amorf anyagokkal szemben.
A kristályos szilárd anyagok típusai
Szilárd állapotban szinte minden anyag kristályos szerkezetű. Felépítésükben különböznek egymástól. A csomópontjaikban található kristályrácsok különféle részecskéket és kémiai elemeket tartalmaznak. Velük összhangban kapták a nevüket. Mindegyik típusnak saját tulajdonságai vannak:
- Az atomi kristályrácsban a szilárd test részecskéi kovalens kötéssel vannak megkötve. Tartósságával tűnik ki. Emiatt az ilyen anyagok magas olvadásponttal és forrásponttal rendelkeznek. Ez a típus magában foglalja a kvarcot és a gyémántot.
- A molekuláris kristályrácsban a részecskék közötti kötést gyengesége jellemzi. Az ilyen típusú anyagokat a könnyű forrás és olvadás jellemzi. Illékonyak, ezért van egy bizonyos szaguk. Ezek a szilárd anyagok közé tartozik a jég és a cukor. Az ilyen típusú szilárd anyagokban a molekulák mozgását aktivitásuk különbözteti meg.
- Az ionos kristályrácsban a csomópontoknál a megfelelő részecskék váltakoznak, pozitív töltésűek ésnegatív. Elektrosztatikus vonzás tartja össze őket. Ez a fajta rács létezik lúgokban, sókban, bázikus oxidokban. Sok ilyen típusú anyag könnyen oldódik vízben. Az ionok közötti meglehetősen erős kötés miatt tűzállóak. Szinte mindegyik szagtalan, mivel nem illékonyság jellemzi őket. Az ionrácsos anyagok nem képesek elektromos áramot vezetni, mivel nem tartalmaznak szabad elektronokat. Az ionos szilárd anyag tipikus példája az asztali só. Egy ilyen kristályrács törékennyé teszi. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy minden eltolódása iontaszító erők kialakulásához vezethet.
- A fémkristályrácsban a csomópontoknál csak pozitív töltésű kémiai ionok vannak. Közöttük szabad elektronok vannak, amelyeken a hő- és elektromos energia tökéletesen áthalad. Ezért minden fém megkülönböztethető olyan tulajdonsággal, mint a vezetőképesség.
A merev test általános fogalmai
A szilárd anyagok és az anyagok gyakorlatilag ugyanazok. Ezek a kifejezések a 4 összesítési állapot egyikére utalnak. A szilárd anyagok stabil alakkal és az atomok hőmozgásának természetével rendelkeznek. Sőt, az utóbbiak kis oszcillációkat okoznak az egyensúlyi helyzetek közelében. Az összetétel és a belső szerkezet vizsgálatával foglalkozó tudományágat szilárdtestfizikának nevezzük. Vannak más fontos ismeretek is az ilyen anyagokkal kapcsolatban. A külső hatások és mozgás hatására bekövetkező alakváltozást a deformálható test mechanikájának nevezzük.
A szilárd anyagok eltérő tulajdonságainak köszönhetően alkalmazásra találtak különféle ember által létrehozott technikai eszközökben. Leggyakrabban olyan tulajdonságokon alapultak, mint a keménység, térfogat, tömeg, rugalmasság, plaszticitás, törékenység. A modern tudomány lehetővé teszi más minőségű szilárd anyagok használatát, amelyek csak laboratóriumban találhatók meg.
Mik azok a kristályok
A kristályok szilárd testek, amelyek részecskéi bizonyos sorrendben vannak elrendezve. Minden kémiai anyagnak saját szerkezete van. Atomjai háromdimenziós periodikus elrendezést alkotnak, amelyet kristályrácsnak neveznek. A szilárd anyagok szerkezeti szimmetriája eltérő. A szilárd anyag kristályos állapota stabilnak tekinthető, mivel minimális potenciális energiával rendelkezik.
A szilárd anyagok (természetes) túlnyomó többsége nagyszámú véletlenszerűen orientált egyedi szemcsékből (kristályok) áll. Az ilyen anyagokat polikristályosnak nevezik. Ide tartoznak a műszaki ötvözetek és fémek, valamint számos kőzet. A monokristályos természetes vagy szintetikus kristályokra utal.
Az ilyen szilárd anyagok leggyakrabban a folyékony fázis állapotából képződnek, amelyet olvadék vagy oldat képvisel. Néha gázhalmazállapotból nyerik. Ezt a folyamatot kristályosodásnak nevezik. A tudományos és technológiai fejlődésnek köszönhetően a különféle anyagok termesztésének (szintézisének) eljárása ipari méreteket öltött. A legtöbb kristály természetes alakú, szabályos formábanpoliéder. A méretük nagyon eltérő. Tehát a természetes kvarc (kőzetkristály) akár több száz kilogrammot is nyomhat, a gyémántok pedig akár több grammot is.
Amorf szilárd anyagokban az atomok állandó oszcillációban vannak a véletlenszerűen elhelyezkedő pontok körül. Megtartanak egy bizonyos rövid távú sorrendet, de nincs hosszú távú sorrend. Ez annak köszönhető, hogy molekuláik méretükhöz mérhető távolságra helyezkednek el. Az ilyen szilárd anyag leggyakoribb példája életünkben az üveges állapot. Az amorf anyagokat gyakran végtelenül magas viszkozitású folyadéknak tekintik. Kristályosodásuk ideje néha olyan hosszú, hogy egyáltalán nem tűnik fel.
Ezen anyagok fenti tulajdonságai teszik egyedivé őket. Az amorf szilárd anyagok instabilnak tekinthetők, mert idővel kristályosodhatnak.
A szilárd anyagot alkotó molekulák és atomok nagy sűrűségűek. Gyakorlatilag megtartják kölcsönös helyzetüket más részecskékkel szemben, és az intermolekuláris kölcsönhatás miatt tartják össze. A szilárd anyag különböző irányú molekulái közötti távolságot rácsparaméternek nevezzük. Az anyag szerkezete és szimmetriája számos tulajdonságot meghatároz, például az elektronsávot, a hasítást és az optikát. Ha kellően nagy erőt fejtenek ki egy szilárd anyagra, ezek a tulajdonságok ilyen vagy olyan mértékben sérülhetnek. Ebben az esetben a szilárd test maradandó alakváltozásnak van kitéve.
A szilárd testek atomjai oszcilláló mozgásokat végeznek, amelyek meghatározzák a hőenergia birtoklását. Mivel elhanyagolhatóak, csak laboratóriumi körülmények között figyelhetők meg. A szilárd anyag molekulaszerkezete nagymértékben befolyásolja tulajdonságait.
Szilárd testek tanulmányozása
Ezen anyagok jellemzőit, tulajdonságait, tulajdonságaikat és a részecskék mozgását a szilárdtestfizika különböző alfejezetei tanulmányozzák.
A vizsgálathoz a következőket használják: radiospektroszkópia, szerkezeti elemzés röntgensugárzással és egyéb módszerek. Így vizsgálják a szilárd anyagok mechanikai, fizikai és termikus tulajdonságait. A keménységet, a terhelésállóságot, a szakítószilárdságot, a fázisátalakításokat az anyagtudomány vizsgálja. Nagyrészt a szilárdtestfizikát visszhangozza. Van egy másik fontos modern tudomány is. A meglévő anyagok tanulmányozását és az új anyagok szintézisét szilárdtest-kémia végzi.
Szilárd testek jellemzői
A szilárd test atomjai külső elektronjainak mozgásának természete számos tulajdonságát meghatározza, például elektromos. Az ilyen testeknek 5 osztálya van. Az atomi kötés típusától függően vannak beállítva:
- Ionos, melynek fő jellemzője az elektrosztatikus vonzás ereje. Jellemzői: a fény visszaverődése és elnyelése az infravörös tartományban. Alacsony hőmérsékleten az ionos kötést alacsony elektromos vezetőképesség jellemzi. Ilyen anyag például a sósav nátriumsója (NaCl).
- Kovalens,mindkét atomhoz tartozó elektronpár hajtja végre. Az ilyen kötés a következőkre oszlik: egyszeres (egyszerű), kettős és hármas. Ezek az elnevezések elektronpárok jelenlétét jelzik (1, 2, 3). A kettős és hármas kötéseket többszörös kötéseknek nevezzük. Ennek a csoportnak van egy másik részlege is. Tehát az elektronsűrűség eloszlásától függően poláris és nem poláris kötéseket különböztetünk meg. Az elsőt különböző atomok alkotják, a másodikat pedig ugyanaz. Az ilyen szilárd halmazállapotú anyagok, amelyekre példa a gyémánt (C) és a szilícium (Si), a sűrűségével különböztethetők meg. A legkeményebb kristályok kifejezetten a kovalens kötéshez tartoznak.
- Fém, az atomok vegyértékelektronjainak kombinálásával jön létre. Ennek eredményeként megjelenik egy közös elektronfelhő, amely az elektromos feszültség hatására elmozdul. Fémkötés akkor jön létre, ha a kötött atomok nagyok. Képesek elektronokat adni. Sok fémben és összetett vegyületben ez a kötés szilárd halmazállapotot képez. Példák: nátrium, bárium, alumínium, réz, arany. A nemfémes vegyületek közül a következők figyelhetők meg: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. A fémes kötéssel rendelkező anyagok (fémek) fizikai tulajdonságaikban változatosak. Lehetnek folyékonyak (Hg), lágyak (Na, K), nagyon kemények (W, Nb).
- Molekuláris, kristályokban keletkezik, amelyeket egy anyag egyedi molekulái alkotnak. A nulla elektronsűrűségű molekulák közötti hézagok jellemzik. Az ilyen kristályokban lévő atomokat megkötő erők jelentősek. A molekulák vonzzákegymáshoz csak gyenge intermolekuláris vonzással. Ezért a köztük lévő kötések hevítés hatására könnyen tönkremennek. Az atomok közötti kötéseket sokkal nehezebb megszakítani. A molekuláris kötés orientációs, diszperziós és induktív kötésekre osztható. Ilyen anyag például a szilárd metán.
- Hidrogén, amely egy molekula vagy egy része pozitívan polarizált atomjai és egy másik molekula vagy más rész legkisebb negatívan polarizált részecskéje között fordul elő. Ezek a kötések tartalmazzák a jeget.
Szilárd testek tulajdonságai
Mit tudunk ma? A tudósok régóta tanulmányozták a szilárd halmazállapotú anyagok tulajdonságait. Hőmérséklet hatására az is megváltozik. Az ilyen test folyadékká való átalakulását olvadásnak nevezzük. A szilárd anyag gáz halmazállapotúvá történő átalakulását szublimációnak nevezzük. Amikor a hőmérsékletet csökkentjük, a szilárd anyag kristályosodik. Egyes anyagok a hideg hatására amorf fázisba kerülnek. A tudósok ezt a folyamatot üvegesedésnek nevezik.
A fázisátalakulások során a szilárd testek belső szerkezete megváltozik. Csökkenő hőmérséklettel szerzi a legnagyobb rendet. T > 0 K légköri nyomáson és hőmérsékleten a természetben előforduló anyagok megszilárdulnak. Ez alól csak a hélium kivétel, amelynek kristályosodásához 24 atm nyomás szükséges.
Az anyag szilárd halmazállapota különféle fizikai tulajdonságokat ad neki. A testek sajátos viselkedését jellemzikbizonyos mezők és erők hatása alatt. Ezeket a tulajdonságokat csoportokra osztják. Az expozíciónak 3 módja van, amelyek 3 energiatípusnak felelnek meg (mechanikus, termikus, elektromágneses). Ennek megfelelően a szilárd anyagok fizikai tulajdonságainak 3 csoportja van:
- A testek igénybevételével és feszültségével kapcsolatos mechanikai tulajdonságok. E kritériumok szerint a szilárd anyagokat rugalmas, reológiai, szilárdsági és technológiai csoportokra osztják. Nyugalomban egy ilyen test megtartja alakját, de külső erő hatására megváltozhat. Ugyanakkor deformációja lehet plasztikus (a kezdeti forma nem tér vissza), rugalmas (visszatér eredeti formájába) vagy destruktív (egy bizonyos küszöb elérésekor bomlás / törés következik be). Az alkalmazott erőre adott választ a rugalmassági modulusok írják le. A szilárd test nem csak a nyomásnak, nyújtásnak, hanem az elmozdulásoknak, csavarodásnak és hajlításnak is ellenáll. A szilárd test ereje az a tulajdonsága, hogy ellenáll a pusztulásnak.
- Hőhatás, amely akkor nyilvánul meg, amikor termikus mezőknek van kitéve. Az egyik legfontosabb tulajdonság az olvadáspont, amelynél a test folyékony állapotba kerül. Kristályos szilárd anyagokban figyelhető meg. Az amorf testek látens olvadási hővel rendelkeznek, mivel a hőmérséklet emelkedésével fokozatosan folyékony halmazállapotba kerülnek. Egy bizonyos hő elérésekor az amorf test elveszti rugalmasságát és plaszticitást nyer. Ez az állapot azt jelenti, hogy elérte az üvegesedési hőmérsékletet. Melegítéskor a szilárd anyag deformálódik. És legtöbbször kitágul. Mennyiségileg eztaz állapotot egy bizonyos együttható jellemzi. A test hőmérséklete befolyásolja a mechanikai tulajdonságokat, például a folyékonyságot, a hajlékonyságot, a keménységet és a szilárdságot.
- Elektromágneses, amely a mikrorészecskék áramlásának és a nagy merevségű elektromágneses hullámoknak a szilárd anyagra gyakorolt hatásához kapcsolódik. A sugárzási tulajdonságokra is feltételesen hivatkozunk.
Zónastruktúra
A szilárd anyagokat az úgynevezett sávstruktúra szerint is osztályozzák. Tehát ezek között megkülönböztetik:
- Vezetők, azzal jellemezve, hogy vezetési és vegyértéksávjaik átfedik egymást. Ebben az esetben az elektronok mozoghatnak közöttük, megkapva a legkisebb energiát. Minden fém vezető. Amikor potenciálkülönbséget alkalmazunk egy ilyen testre, elektromos áram keletkezik (az elektronok szabad mozgása miatt a legalacsonyabb és legmagasabb potenciállal rendelkező pontok között).
- Dielektrikumok, amelyek zónái nem fedik át egymást. A köztük lévő intervallum meghaladja a 4 eV-ot. Sok energiára van szükség ahhoz, hogy az elektronokat a vegyértékből a vezetési sávba vezessék. Ezen tulajdonságok miatt a dielektrikumok gyakorlatilag nem vezetnek áramot.
- A vezetési és vegyértéksávok hiányával jellemezhető félvezetők. A köztük lévő intervallum kisebb, mint 4 eV. Az elektronok vegyértékből a vezetési sávba történő átviteléhez kevesebb energia szükséges, mint a dielektrikumokhoz. A tiszta (adalékolatlan és natív) félvezetők nem adják át jól az áramot.
A molekulák szilárd anyagokban történő mozgása határozza meg elektromágneses tulajdonságaikat.
Egyébtulajdonságok
A szilárd testeket mágneses tulajdonságaik szerint is felosztják. Három csoport van:
- Diamágnesek, amelyek tulajdonságai kevéssé függenek a hőmérséklettől vagy az aggregáció állapotától.
- A vezetési elektronok orientációjából és az atomok mágneses momentumaiból származó paramágnesek. Curie törvénye szerint érzékenységük a hőmérséklettel arányosan csökken. Tehát 300 K-nál 10-5.
- Rendezett mágneses szerkezetű testek, az atomok nagy hatótávolságú rendjével. Rácsuk csomópontjainál periodikusan mágneses momentumú részecskék helyezkednek el. Az ilyen szilárd anyagokat és anyagokat gyakran használják az emberi tevékenység különböző területein.
A természet legkeményebb anyagai
Mik ezek? A szilárd anyagok sűrűsége nagymértékben meghatározza keménységüket. Az elmúlt években a tudósok több olyan anyagot fedeztek fel, amelyek a "legtartósabb testnek" vallják magukat. A legkeményebb anyag a fullerit (fullerénmolekulákkal rendelkező kristály), amely körülbelül másfélszer keményebb, mint a gyémánt. Sajnos jelenleg csak rendkívül kis mennyiségben kapható.
Ma a lonsdaleite (hatszögletű gyémánt) a legkeményebb anyag, amelyet a jövőben az iparban felhasználhatnak. 58%-kal keményebb, mint a gyémánt. A lonsdaleite a szén allotróp módosulata. Kristályrácsa nagyon hasonlít a gyémánthoz. Egy lonsdaleite sejt 4 atomot tartalmaz, míg a gyémánt 8 atomot tartalmaz. A széles körben használt kristályok közül ma is a gyémánt a legkeményebb.
