Pevné látky: Vlastnosti, struktura, hustota a příklady

Pevné látky jsou látky, které jsou schopné tvořit těla a mají objem. Z kapalin a plynů se liší v jejich formě. Pevná tělesa si zachovávají tvar těla vzhledem k tomu, že se jejich částice nemohou volně pohybovat. Jejich hustota, plasticita, elektrická vodivost a barva se liší. Mají také další vlastnosti. Například většina z těchto látek se během ohřevu taví a získá stav kapalného agregátu. Některé z nich se po zahřátí okamžitě změní na plyn (vznešené). Existují ale i ty, které se rozkládají na jiné látky.

Typy pevných látek

Všechny pevné látky jsou rozděleny do dvou skupin.

1. Amorfní, v níž jsou jednotlivé částice chaoticky umístěny. Jinými slovy: nemají jasnou (definitivní) strukturu. Tyto pevné látky se mohou rozpouštět v určitém stanoveném teplotním rozmezí. Nejběžnějším z nich lze připsat sklo a pryskyřici.
2. Krystalický, který je rozdělen do čtyř typů: atomová, molekulární, iontová, kovová. V nich jsou částice umístěny pouze podle určitého schématu, konkrétně u uzlů krystalové mřížky. Jeho geometrie v různých látkách se může značně lišit.

Pevná krystalická látka převládá nad amorfním číslem.

Druhy krystalických pevných látek

V tuhém stavu mají téměř všechny látky krystalickou strukturu. Jejich struktura se liší. Krystalické mřížky v jejich uzlech obsahují různé částice a chemické prvky. Bylo v souladu s nimi, že dostali jména. Každý typ má své charakteristické vlastnosti:

• V atomové krystalové mřížce jsou částice pevných látek vázány kovalentní vazbou. To se vyznačuje svou silou. Z tohoto důvodu se tyto látky vyznačují vysokou hodnotou teplota tání a vaření. Křemen a diamant jsou tohoto typu.
• V molekulové krystalové mřížce se vazba mezi částicemi vyznačuje její slabostí. Látky tohoto typu jsou charakterizovány snadným varením a tavením. Oni se liší v volatilitě, kvůli které mají určitý zápach. Taková pevné tělesa zahrnují led, cukr. Pohyby molekul v tuhých látkách tohoto typu se liší svou aktivitou.
• V iontová krystalová mřížka u uzlů se střídají odpovídající částice, nabíjejí se pozitivně a negativně. Jsou drženy elektrostatickou přitažlivostí. Tento typ mřížky existuje v zásadách, solích, základní oxidy. Mnoho látek tohoto typu je snadno rozpustných ve vodě. Vzhledem k poměrně silnému spojení mezi ionty jsou žáruvzdorné. Prakticky všechny jsou bez zápachu, protože jsou charakterizovány nestálostí. Ion-mřížkové látky nejsou schopny provést elektrický proud, protože neobsahují volné elektrony. Typickým příkladem iontové pevné látky je chlorid sodný. Taková krystalová mřížka je křehká. To je způsobeno skutečností, že jakýkoli jeho posun může vést k vzniku iontově odpudivých sil.
• V kovové krystalové mřížce jsou v uzlech, které jsou kladně nabité, přítomny pouze ionty chemických látek. Mezi nimi jsou volné elektrony, kterými tepelná a elektrická energie perfektně procházejí. To je důvod, proč se všechny kovy liší v takovém rysu jako vodivost.

Obecné pojetí pevné látky

Pevné tělesa a látky jsou prakticky totéž. Tyto pojmy jsou jedním ze 4 souhrnných stavů. Pevné tělesa mají stabilní tvar a charakter tepelného pohybu atomů. A ty druhé způsobují malá fluktuace vedle rovnovážných pozic. Sekce vědy se zabývá studiem složení a vnitřní struktury se nazývá fyzika pevných látek. Existují další důležité oblasti znalostí, které se týkají těchto látek. Změna tvaru při vnějších vlivech a pohybech se nazývá mechanika deformovaného těla.

Vzhledem k různým vlastnostem tuhých látek nalezli uplatnění v různých technických zařízeních vytvořených člověkem. Nejčastěji byly jejich vlastnosti založeny na takových vlastnostech, jako je tvrdost, objem, hmotnost, pružnost, plasticita a křehkost. Moderní věda umožňuje použití jiných vlastností pevných látek, které lze detekovat výhradně v laboratoři.

Co jsou to krystaly?

Krystaly jsou pevné látky s částicemi uspořádanými v určitém pořadí. Každému chemická látka odpovídá jeho struktuře. Jeho atomy tvoří trojrozměrné periodické pokládání, které se nazývá krystalová mřížka. Pevné látky mají odlišnou strukturu symetrie. Krystalický stav pevných látek je považován za stabilní, protože má minimální množství potenciální energie.

Převážná většina pevných materiálů (přírodní) se skládá z obrovského množství náhodně orientovaných jednotlivých zrn (krystalitů). Takové látky se nazývají polykrystalické. Ty zahrnují technické slitiny a kovy, stejně jako mnoho hornin. Jednoduché krystaly se nazývají jednotlivé přírodní nebo syntetické krystaly.

Nejčastěji se takovéto pevné látky vytvářejí ze stavu kapalné fáze představované taveninou nebo roztokem. Někdy jsou získávány z plynného stavu. Tento proces se nazývá krystalizace. Díky vědeckému a technickému pokroku byl proces rozrůstání (syntetizování) různých látek průmyslem. Většina krystalů má přirozenou podobu ve formě pravidelná polyhedra. Jejich rozměry jsou velmi odlišné. Takže přírodní křemen (skalní křišťál) může vážit až stovky kilogramů a diamanty až do několika gramů.

V amorfních pevných látkách jsou atomy v konstantní kmitání kolem chaoticky umístěných bodů. Zachovávají určitou objednávku krátkého dosahu, ale není k dispozici objednávka na dlouhé vzdálenosti. To je způsobeno skutečností, že jejich molekuly jsou umístěny ve vzdálenosti, která může být porovnána s jejich velikostí. Nejběžnějším příkladem takového tělesa v našem životě je skleněný stav. Amorfní látky často považován za tekutinu s nekonečně vysokou viskozitou. Doba jejich krystalizace je někdy tak velká, že se vůbec nezdá.

Vyšší vlastnosti těchto látek činí z nich unikátní. Amorfní pevné látky jsou považovány za nestabilní, protože mohou nakonec přejít do krystalického stavu.

Molekuly a atomy, které tvoří tuhý materiál, jsou naplněny vysokou hustotou. Prakticky si zachovávají svou vzájemnou polohu vzhledem k jiným částicím a jsou drženy společně intermolekulární interakcí. Vzdálenost mezi molekulami tuhé látky v různých směrech se nazývá parametr krystalové mřížky. Struktura látky a její symetrie určují různé vlastnosti, jako je elektronická zóna, štěpení a optika. Při vystavení tvrdé látce dostatečně vysoké pevnosti mohou být tyto vlastnosti do určité míry narušeny. V tomto případě je těleso vystaveno trvalé deformaci.

Atomy pevných látek provádějí vibrační pohyby, které jsou způsobeny jejich vlastnictvím tepelné energie. Jelikož jsou zanedbatelné, lze je pozorovat pouze za laboratorních podmínek. Molekulární struktura tuhá hmota značně ovlivňuje jeho vlastnosti.

Studium pevných látek

Charakteristiky, vlastnosti těchto látek, jejich kvalita a pohyb částic jsou studovány v různých podkapitolách fyziky pevných látek.

Použitá studie: rádiová spektroskopie, strukturní analýza za použití rentgenových paprsků a další metody. Takže studujeme mechanické, fyzikální a tepelné vlastnosti pevných látek. Tvrdost, odolnost vůči zatížení, maximální pevnost, fázové přeměny, studium materiálových věd. To velmi rezonuje s fyzikou pevných látek. Existuje další důležitá moderní věda. Vyšetřování stávajících a syntetizovaných nových látek se provádí chemikáliemi v pevné fázi.

Vlastnosti pevných látek

Povaha pohybu vnějších elektronů pevných atomů určuje mnoho vlastností, například elektrické vlastnosti. Existuje 5 tříd těchto těles. Jsou založeny v závislosti na typu vazby atomů:

• Ionic, jehož hlavní charakteristikou je síla elektrostatické přitažlivosti. Jeho vlastnosti: odraz a absorpce světla v infračervené oblasti. Při nízkých teplotách je iontová vazba charakterizována nízkou elektrickou vodivostí. Příkladem takové látky je sodná sůl kyseliny chlorovodíkové (NaCl).
• Covalent, prováděný kvůli elektronovému páru, který patří k oběma atomům. Tento vztah je rozdělen na: jednoduché, dvojité a trojité. Tyto názvy indikují přítomnost elektronových párů (1, 2, 3). Dvojité a trojité vazby se nazývají více. Ještě jedna divize této skupiny. Takže v závislosti na distribuci hustoty elektronů je izolována polární a nepolární vazba. První je tvořena různými atomy a druhá je stejná. Takový pevný stav, jehož příklady jsou diamant (C) a křemík (Si), se vyznačuje svou hustotou. Nejtěžší krystaly patří do kovalentní vazby.
• Kov, tvořený kombinací valenčních elektronů atomů. Výsledkem je obyčejný elektronický mrak, který se posune pod vlivem elektrického napětí. Když jsou vázané atomy velké, vytváří se kovová vazba. Jsou to ti, kteří dokážou rozdávat elektrony. U mnoha kovů a komplexních sloučenin vzniká pevný stav hmoty. Příklady: sodík, baryum, hliník, měď, zlato. Z nekovových sloučenin lze uvést následující: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu₅Zn_8.. Látky s kovovou vazbou (kovy) jsou různé ve fyzikálních vlastnostech. Mohou být tekuté (Hg), měkké (Na, K), velmi tvrdé (W, Nb).
• Molekulární, vznikající v krystalech, které jsou tvořeny oddělenými molekulami hmoty. Je charakterizován mezery mezi molekulami s nulovou elektronovou hustotou. V těchto krystalech jsou významné vazebné atomy. V tomto případě jsou molekuly navzájem přitahovány jen slabým intermolekulárním přitažlivostí. To je důvod, proč je spojení mezi nimi lehce zničeno při zahřátí. Spojení mezi atomy je mnohem komplikovanější. Molekulární vazba je rozdělena na orientaci, disperzi a indukci. Příkladem takové látky je pevný metan.
• Vodík, který vzniká mezi kladně polarizovanými atomy molekuly nebo její části a negativně polarizovanou nejmenší částičkou jiné molekuly nebo jiné části. Mezi tyto odkazy patří led.

Vlastnosti pevných látek

Co víme dnes? Vědci dlouho zkoumají vlastnosti pevného stavu hmoty. Když je ovlivněna teplota, změní se také. Přechod takového těla na kapalinu se nazývá fúze. Transformace pevné látky do plynného stavu se nazývá sublimace. Při poklesu teploty dochází k tuhnutí. Některé látky pod vlivem studeného proniknou do amorfní fáze. Tento proces se nazývá vitrifikace vědci.

V případě fázových přechodů se mění vnitřní struktura pevných látek. Nejvyšší uspořádání, které získává při snížení teploty. Při atmosférickém tlaku a teplotě T> 0 K dochází ke ztuhnutí všech existujících látek v přírodě. Pouze hélium, jehož krystalizace vyžaduje tlak 24 atm, představuje výjimku z tohoto pravidla.

Pevný stav látky mu dává různé fyzikální vlastnosti. Charakterizují specifické chování těl pod vlivem určitých polí a sil. Tyto vlastnosti jsou rozděleny do skupin. Existují 3 režimy expozice, které odpovídají 3 typům energie (mechanické, tepelné, elektromagnetické). Proto existují 3 skupiny fyzikálních vlastností pevných látek:

• Mechanické vlastnosti spojené se stresem a deformací těles. Podle těchto kritérií jsou pevné látky rozděleny do elastických, reologických, silových a technologických. V klidu si takové tělo zachovává svůj tvar, ale může se změnit pod vlivem vnější síly. V tomto případě může být z plastické deformace (počáteční pohled nevrací), elastické (se vrací do původního tvaru) nebo destruktivní (při určité prahové se rozkládá / přerušení). Odpověď na aplikovanou sílu je popsána pomocí pružných modulů. Pevné tělo odolává nejen kompresi, tahání, ale také posunům, kroucení a ohýbání. Pevnost pevného těla se nazývá jeho vlastností, aby odolala ničení.
• Termální, projevující se při vystavení tepelným polím. Jednou z nejdůležitějších vlastností je teplota tání, při které se tělo dostává do kapalného stavu. Je známá pro krystalické pevné látky. Amorfní tělesa mají latentní teplo fúze, protože jejich přechod do kapalného stavu se zvyšující se teplotou se postupně vyskytuje. Po dosažení určitého tepla ztrácí amorfní tělo pružnost a získává plasticitu. Tento stav znamená, že dosáhne teploty skelného přechodu. Po zahřátí dochází k deformaci pevné látky. A to se často rozšiřuje. Kvantitativně je tento stav charakterizován určitým koeficientem. Teplota těla ovlivňuje takové mechanické vlastnosti, jako je tekutost, tvárnost, tvrdost a síla.
• Elektromagnetické, spojené s dopadem na toky pevných látek mikročástice a elektromagnetických vln velké tuhosti. Pro ně jsou zvažovány i radiační vlastnosti.

Struktura zón

Pevné látky jsou klasifikovány takzvanou strukturou pásma. Takže mezi nimi se vyznačují:

• Vodiče, které se liší tím, že se jejich vedení a valenční pásy překrývají. V tomto případě se elektrony mohou pohybovat mezi nimi a dostávají nejmenší energii. Vodiče zahrnují všechny kovy. Když se na takové těleso uplatní potenciální rozdíl, vytvoří se elektrický proud (díky volnému pohybu elektronů mezi body s nejmenším a největším potenciálem).
• Dielektrika, jejichž zóny se nepřekrývají. Interval mezi nimi přesahuje 4 eV. Přenášení elektronů z valence do vodivé zóny vyžaduje velké množství energie. Vzhledem k těmto vlastnostem dielektrik prakticky nedochází k proudění.
• Polovodiče charakterizované nepřítomností vodivých a valenčních pásem. Interval mezi nimi je menší než 4 eV. Pro přenos elektronů z valenčního pásma do vodivé zóny potřebujeme energii menší než u dielektrik. Čisté (neopjaté a vnitřní) polovodiče špatně procházejí proudem.

Pohyby molekul v tuhých látkách způsobují jejich elektromagnetické vlastnosti.

Další vlastnosti

Pevné látky jsou také rozděleny podle jejich magnetických vlastností. Existují tři skupiny:

• Diamanty, jejichž vlastnosti se velmi liší od teploty nebo stavu agregace.
• Paramagnetika, která jsou důsledkem orientace vodivých elektronů a magnetických momentů atomů. Podle zákona Curie se jejich náchylnost snižuje v poměru k teplotě. Tak při 300 K je 10^-5.
• Tělesa s uspořádanou magnetickou strukturou, která má řadu atomů dlouhého dosahu. U uzlů jejich mříže jsou periodicky umístěny částice s magnetickými momenty. Takové pevné látky a látky se často používají v různých sférách lidské činnosti.

Nejtěžší látky v přírodě

Co jsou to? Hustota pevných látek velmi určuje jejich tvrdost. V posledních letech objevili vědci několik materiálů, které tvrdí, že jsou "nejvíce trvajícím tělem". Nejtěžší látkou je fullerit (krystal s molekulami fullerenu), který je asi 1,5 krát tvrdší než diamant. Bohužel je stále k dispozici pouze ve velmi malých množstvích.

Dosud nejsilnější látka, která může být později používána v průmyslu, je lonsdaleite (šestihranný diamant). Je o 58% těžší než diamant. Lonsdale je alotropická modifikace uhlíku. Křišťálová mřížka je velmi podobná diamantové mřížce. Buňka Lonsdaleit obsahuje 4 atomy a diamant - 8. Z běžně používaných krystalů je dnes nejtvrdší diamant.