Kiinteät aineet: ominaisuudet, rakenne, tiheys ja esimerkkejä

2024 Kirjoittaja: Angel Austin | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 05:25

Kiinteät aineet ovat aineita, jotka pystyvät muodostamaan kappaleita ja joilla on tilavuutta. Ne eroavat muodoltaan nesteistä ja kaasuista. Kiinteät aineet säilyttävät kehon muodon, koska niiden hiukkaset eivät voi liikkua vapaasti. Ne eroavat tiheydestä, plastisuudesta, sähkönjohtavuudesta ja väristä. Niillä on myös muita ominaisuuksia. Joten esimerkiksi useimmat näistä aineista sulavat kuumennettaessa ja saavat nestemäisen aggregaatiotilan. Jotkut niistä muuttuvat kuumennettaessa välittömästi kaasuksi (sublimaatti). Mutta on myös sellaisia, jotka hajoavat muiksi aineiksi.

Kiintoainetyypit

Kaikki kiinteät aineet on jaettu kahteen ryhmään.

Amorfinen, jossa yksittäiset hiukkaset on järjestetty satunnaisesti. Toisin sanoen: niillä ei ole selkeää (määriteltyä) rakennetta. Nämä kiinteät aineet pystyvät sulamaan tietyllä lämpötila-alueella. Yleisimpiä näistä ovat lasi ja hartsi.
Kiteiset, jotka puolestaan jaetaan 4 tyyppiin: atomi, molekyyli, ioni, metalli. Niissä hiukkaset sijaitsevat vain tietyn mallin mukaan, nimittäin kidehilan solmuissa. Sen geometria eri aineissa voi vaihdella suuresti.

Kiinteät kiteiset aineet hallitsevat määrältään amorfisia.

Kiteisten kiintoaineiden tyypit

Kiinteässä tilassa melkein kaikilla aineilla on kiderakenne. Ne eroavat rakenteeltaan. Solmuissaan olevat kristallihilat sisältävät erilaisia hiukkasia ja kemiallisia alkuaineita. Niiden mukaan he ovat saaneet nimensä. Jokaisella tyypillä on sille ominaisia ominaisuuksia:

Atomikidehilassa kiinteän aineen hiukkaset ovat sitoutuneet kovalenttisella sidoksella. Se erottuu kestävyydestään. Tästä johtuen tällaisilla aineilla on korkea sulamis- ja kiehumispiste. Tähän tyyppiin kuuluvat kvartsi ja timantti.
Molekyylikidehilassa hiukkasten välinen sidos erottuu sen heikkoudesta. Tämän tyyppisille aineille on ominaista helppo kiehuminen ja sulaminen. Ne ovat haihtuvia, minkä vuoksi niillä on tietty haju. Näitä kiinteitä aineita ovat jää ja sokeri. Molekyylien liikkeet tämän tyyppisissä kiinteissä aineissa eroavat aktiivisuudestaan.
Solmujen ionikidehilassa vastaavat hiukkaset vuorottelevat positiivisesti varautuneena janegatiivinen. Sähköstaattinen vetovoima pitää niitä yhdessä. Tämän tyyppinen hila esiintyy alkaleissa, suoloissa, emäksisissa oksideissa. Monet tämän tyyppiset aineet liukenevat helposti veteen. Ionien välisen melko vahvan sidoksen vuoksi ne ovat tulenkestäviä. Lähes kaikki ne ovat hajuttomia, koska niille on ominaista haihtumattomuus. Aineet, joissa on ionihila, eivät pysty johtamaan sähkövirtaa, koska ne eivät sisällä vapaita elektroneja. Tyypillinen esimerkki ionisesta kiinteästä aineesta on ruokasuola. Tällainen kidehila tekee siitä hauraan. Tämä johtuu siitä, että mikä tahansa muutos siinä voi johtaa ionien hylkimisvoimien syntymiseen.
Metallikidehilassa solmukohdissa on vain positiivisesti varautuneita kemiallisia ioneja. Niiden välissä on vapaita elektroneja, joiden läpi lämpö- ja sähköenergia kulkee täydellisesti. Siksi kaikki metallit erottuvat sellaisella ominaisuudella kuin johtavuus.

Yleiset käsitteet jäykästä rungosta

Kiinteät aineet ja aineet ovat käytännössä sama asia. Nämä termit viittaavat yhteen neljästä aggregaatiotilasta. Kiinteillä aineilla on vakaa muoto ja atomien lämpöliikkeen luonne. Lisäksi jälkimmäiset tekevät pieniä värähtelyjä lähellä tasapainoasentoja. Koostumusta ja sisäistä rakennetta tutkivaa tieteenalaa kutsutaan solid-state-fysiikaksi. On olemassa muita tärkeitä tietoalueita, jotka koskevat tällaisia aineita. Ulkoisten vaikutusten ja liikkeen aiheuttamaa muodonmuutosta kutsutaan muotoaan muuttavan kappaleen mekaniikaksi.

Kiinteiden aineiden erilaisten ominaisuuksien ansiosta niille on löydetty käyttöä erilaisissa ihmisen luomissa teknisissä laitteissa. Useimmiten niiden käyttö perustui sellaisiin ominaisuuksiin kuin kovuus, tilavuus, massa, elastisuus, plastisuus, hauraus. Nykyaikainen tiede sallii muiden kiinteiden aineiden käytön, joita voidaan löytää vain laboratoriossa.

Mitä ovat kiteet

Kiteet ovat kiinteitä kappaleita, joiden hiukkaset on järjestetty tiettyyn järjestykseen. Jokaisella kemiallisella aineella on oma rakenne. Sen atomit muodostavat kolmiulotteisesti jaksollisen järjestelyn, jota kutsutaan kidehilaksi. Kiinteillä aineilla on erilaisia rakenteellisia symmetrioita. Kiinteän aineen kiteistä tilaa pidetään stabiilina, koska sillä on minimimäärä potentiaalienergiaa.

V altaosa kiinteistä materiaaleista (luonnollisista) koostuu v altavasta määrästä satunnaisesti suuntautuneita yksittäisiä rakeita (kiteitä). Tällaisia aineita kutsutaan monikiteisiksi. Näitä ovat tekniset seokset ja metallit sekä monet kivet. Yksikiteinen viittaa yksittäisiin luonnollisiin tai synteettisiin kiteisiin.

Useimmiten tällaiset kiinteät aineet muodostuvat nestefaasin tilasta, jota edustaa sula tai liuos. Joskus ne saadaan kaasumaisesta tilasta. Tätä prosessia kutsutaan kiteytykseksi. Tieteellisen ja teknisen kehityksen ansiosta eri aineiden kasvatusmenetelmä (synteesi) on saavuttanut teollisen mittakaavan. Useimmilla kiteillä on luonnollinen muoto säännöllisen muodossamonitahoinen. Niiden koot ovat hyvin erilaisia. Luonnonkvartsi (vuorikristalli) voi siis painaa jopa satoja kilogrammoja ja timantit jopa useita grammoja.

Amorfisissa kiinteissä aineissa atomit ovat jatkuvassa värähtelyssä satunnaisesti sijoitettujen pisteiden ympärillä. Ne säilyttävät tietyn lyhyen kantaman järjestyksen, mutta pitkän kantaman järjestystä ei ole. Tämä johtuu siitä, että niiden molekyylit sijaitsevat etäisyydellä, jota voidaan verrata niiden kokoon. Yleisin esimerkki tällaisesta kiinteästä aineesta elämässämme on lasimainen tila. Amorfisia aineita pidetään usein nesteenä, jolla on äärettömän korkea viskositeetti. Niiden kiteytymisaika on joskus niin pitkä, ettei sitä näy ollenkaan.

Näiden aineiden edellä mainitut ominaisuudet tekevät niistä ainutlaatuisia. Amorfisia kiinteitä aineita pidetään epästabiileina, koska ne voivat muuttua kiteisiksi ajan myötä.

Kiinteän aineen muodostavat molekyylit ja atomit ovat pakattu suureen tiheyteen. Ne säilyttävät käytännössä keskinäisen asemansa suhteessa muihin hiukkasiin ja pysyvät yhdessä molekyylien välisen vuorovaikutuksen vuoksi. Kiinteän aineen molekyylien välistä etäisyyttä eri suuntiin kutsutaan hilaparametriksi. Aineen rakenne ja sen symmetria määräävät monia ominaisuuksia, kuten elektronikaistan, pilkkoutumisen ja optiikan. Kun kiinteään aineeseen kohdistetaan riittävän suuri voima, nämä ominaisuudet voivat rikkoutua tavalla tai toisella. Tässä tapauksessa kiinteä kappale altistuu pysyvälle muodonmuutokselle.

Kiinteiden aineiden atomit tekevät värähteleviä liikkeitä, jotka määräävät niiden hallussa olevan lämpöenergian. Koska ne ovat merkityksettömiä, niitä voidaan havaita vain laboratorio-olosuhteissa. Kiinteän aineen molekyylirakenne vaikuttaa suuresti sen ominaisuuksiin.

Kiintoaineiden tutkimus

Näiden aineiden ominaisuuksia, ominaisuuksia, niiden ominaisuuksia ja hiukkasten liikkumista tutkitaan eri puolijohdefysiikan alaluvuissa.

Tutkimuksessa käytetään: radiospektroskopiaa, rakenneanalyysiä röntgensäteitä käyttäen ja muita menetelmiä. Näin tutkitaan kiinteiden aineiden mekaanisia, fysikaalisia ja termisiä ominaisuuksia. Materiaalitiede tutkii kovuutta, kuormituskestävyyttä, vetolujuutta, faasimuutoksia. Se toistaa suurelta osin kiinteän olomuodon fysiikkaa. On toinenkin tärkeä moderni tiede. Olemassa olevien aineiden tutkimus ja uusien synteesi suoritetaan kiinteän olomuodon kemian avulla.

Kiinteän aineen ominaisuudet

Kiinteän aineen atomien ulkoelektronien liikkeen luonne määrää monet sen ominaisuudet, esimerkiksi sähköiset. Tällaisia elimiä on 5 luokkaa. Ne asetetaan atomisidoksen tyypin mukaan:

Ioni, jonka pääominaisuus on sähköstaattinen vetovoima. Sen ominaisuudet: valon heijastus ja absorptio infrapuna-alueella. Alhaisissa lämpötiloissa ionisidokselle on ominaista alhainen sähkönjohtavuus. Esimerkki tällaisesta aineesta on kloorivetyhapon natriumsuola (NaCl).
kovalenttinen,suorittaa elektronipari, joka kuuluu molemmille atomeille. Tällainen sidos on jaettu: yksi (yksinkertainen), kaksois- ja kolminkertainen. Nämä nimet osoittavat elektroniparien läsnäolon (1, 2, 3). Kaksois- ja kolmoissidoksia kutsutaan monisidoksiksi. Tässä ryhmässä on toinen jako. Joten, riippuen elektronitiheyden jakautumisesta, erotetaan polaariset ja ei-polaariset sidokset. Ensimmäinen muodostuu eri atomeista, ja toinen on sama. Tällainen kiinteä aine, joista esimerkkejä ovat timantti (C) ja pii (Si), erottuu tiheydestä. Kovimmat kiteet kuuluvat nimenomaan kovalenttiseen sidokseen.
Metallista, muodostuu yhdistämällä atomien valenssielektroneja. Tämän seurauksena syntyy yhteinen elektronipilvi, joka siirtyy sähköjännitteen vaikutuksesta. Metallisidos muodostuu, kun sitoutuneet atomit ovat suuria. Ne pystyvät luovuttamaan elektroneja. Monissa metalleissa ja monimutkaisissa yhdisteissä tämä sidos muodostaa kiinteän aineen tilan. Esimerkkejä: natrium, barium, alumiini, kupari, kulta. Ei-metallisista yhdisteistä voidaan mainita seuraavat: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu_{5 Zn 8}. Aineet, joissa on metallisidos (metallit), ovat fysikaalisista ominaisuuksiltaan erilaisia. Ne voivat olla nestemäisiä (Hg), pehmeitä (Na, K), erittäin kovia (W, Nb).
Molekulaarinen, muodostuu kiteistä, jotka muodostuvat aineen yksittäisistä molekyyleistä. Sille on ominaista aukot molekyylien välillä, joiden elektronitiheys on nolla. Voimat, jotka sitovat atomeja tällaisissa kiteissä, ovat merkittäviä. Molekyylit houkuttelevattoisiinsa vain heikon molekyylien välisen vetovoiman avulla. Siksi niiden väliset sidokset tuhoutuvat helposti kuumennettaessa. Atomien välisiä sidoksia on paljon vaikeampi katkaista. Molekyylisidos on jaettu orientaatioon, dispersioon ja induktiiviseen. Esimerkki tällaisesta aineesta on kiinteä metaani.
Vety, joka esiintyy molekyylin tai sen osan positiivisesti polarisoituneiden atomien ja toisen molekyylin tai muun osan pienimmän negatiivisesti polarisoituneen hiukkasen välissä. Näihin sidoksiin kuuluu jäätä.

Kiinteän aineen ominaisuudet

Mitä tiedämme tänään? Tiedemiehet ovat pitkään tutkineet kiinteän aineen ominaisuuksia. Altistuessaan lämpötilalle se myös muuttuu. Tällaisen kappaleen siirtymistä nesteeksi kutsutaan sulamiseksi. Kiinteän aineen muuttumista kaasumaiseen tilaan kutsutaan sublimaatioksi. Kun lämpötilaa lasketaan, tapahtuu kiinteän aineen kiteytyminen. Jotkut kylmän vaikutuksen alaiset aineet siirtyvät amorfiseen faasiin. Tutkijat kutsuvat tätä prosessia lasitukseksi.

Faasimuutosten aikana kiinteiden aineiden sisäinen rakenne muuttuu. Se saa suurimman järjestyksen lämpötilan laskeessa. Ilmanpaineessa ja lämpötilassa T > 0 K kaikki luonnossa esiintyvät aineet jähmettyvät. Ainoastaan helium, jonka kiteytymiseen tarvitaan 24 atm:n paine, on poikkeus tästä säännöstä.

Aineen kiinteä tila antaa sille erilaisia fysikaalisia ominaisuuksia. Ne kuvaavat kehon erityistä käyttäytymistätiettyjen kenttien ja voimien vaikutuksesta. Nämä ominaisuudet on jaettu ryhmiin. On olemassa 3 altistustapaa, jotka vastaavat kolmea energiatyyppiä (mekaaninen, lämpö, sähkömagneettinen). Tämän mukaisesti kiinteiden aineiden fysikaalisia ominaisuuksia on kolme ryhmää:

Mekaaniset ominaisuudet, jotka liittyvät kehon rasitukseen ja rasitukseen. Näiden kriteerien mukaan kiinteät aineet jaetaan elastisiin, reologisiin, lujuuteen ja teknologisiin. Lepotilassa tällainen ruumis säilyttää muotonsa, mutta se voi muuttua ulkoisen voiman vaikutuksesta. Samaan aikaan sen muodonmuutos voi olla plastinen (alkumuoto ei palaa), elastinen (palaa alkuperäiseen muotoonsa) tai tuhoava (kun tietty kynnys saavutetaan, tapahtuu hajoamista / murtumaa). Reaktiota kohdistettuun voimaan kuvataan kimmomoduulilla. Kiinteä runko ei kestä vain puristusta, venytystä, vaan myös siirtymiä, vääntöä ja taipumista. Kiinteän kappaleen vahvuus on sen ominaisuus vastustaa tuhoa.
Lämpö, joka ilmenee altistuessaan lämpökentille. Yksi tärkeimmistä ominaisuuksista on sulamispiste, jossa keho siirtyy nestemäiseen tilaan. Se havaitaan kiteisissä kiinteissä aineissa. Amorfisilla kappaleilla on piilevä sulamislämpö, koska niiden siirtyminen nestemäiseen tilaan lämpötilan noustessa tapahtuu vähitellen. Saavuttuaan tietyn lämmön amorfinen kappale menettää kimmoisuutensa ja saa plastisuuden. Tämä tila tarkoittaa, että se on saavuttanut lasittumislämpötilan. Kuumennettaessa kiinteän aineen muodonmuutos tapahtuu. Ja suurimman osan ajasta se laajenee. Määrällisesti tämäv altiolle on ominaista tietty kerroin. Kehon lämpötila vaikuttaa mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten juoksevuuteen, sitkeyteen, kovuuteen ja lujuuteen.
Sähkömagneettinen, liittyy mikrohiukkasten virtausten ja erittäin jäykkien sähkömagneettisten a altojen vaikutukseen kiinteään aineeseen. Säteilyominaisuuksiin viitataan myös ehdollisesti.

Vyöhykerakenne

Kiinteät aineet luokitellaan myös ns. nauharakenteen mukaan. Joten niiden joukossa he erottavat:

Johtimet, tunnettu siitä, että niiden johtavuus- ja valenssikaistat menevät päällekkäin. Tässä tapauksessa elektronit voivat liikkua niiden välillä vastaanottaen pienimmänkin energian. Kaikki metallit ovat johtimia. Kun tällaiseen kappaleeseen kohdistetaan potentiaaliero, muodostuu sähkövirta (johtuen elektronien vapaasta liikkeestä pienimmän ja suurimman potentiaalin pisteiden välillä).
Dielektrit, joiden vyöhykkeet eivät mene päällekkäin. Niiden välinen aika ylittää 4 eV. Elektronien johtamiseen valenssista johtavuuskaistalle tarvitaan paljon energiaa. Näistä ominaisuuksista johtuen dielektrit eivät käytännössä johda virtaa.
Puolijohteet, joille on ominaista johtavuus- ja valenssikaistojen puuttuminen. Niiden välinen aika on alle 4 eV. Elektronien siirtämiseen valenssista johtavuuskaistalle tarvitaan vähemmän energiaa kuin dielektrikoihin. Puhtaat (seostetut ja alkuperäiset) puolijohteet eivät läpäise virtaa hyvin.

Molekyylien liikkeet kiinteissä aineissa määräävät niiden sähkömagneettiset ominaisuudet.

Muukiinteistöt

Kiinteät kappaleet jaetaan myös niiden magneettisten ominaisuuksien mukaan. Ryhmää on kolme:

Diamagneetit, joiden ominaisuudet riippuvat vähän lämpötilasta tai aggregaatiotilasta.
Paramagneetit, jotka johtuvat johtumiselektronien orientaatiosta ja atomien magneettisista momenteista. Curien lain mukaan niiden herkkyys pienenee suhteessa lämpötilaan. Joten 300 K:ssa se on 10-5.
Kehot, joilla on järjestynyt magneettinen rakenne ja pitkän kantaman atomien järjestys. Niiden hilan solmukohdissa hiukkaset, joilla on magneettisia momentteja, sijaitsevat ajoittain. Tällaisia kiinteitä aineita ja aineita käytetään usein ihmisen toiminnan eri aloilla.

Luonnon kovimmat aineet

Mitä ne ovat? Kiinteiden aineiden tiheys määrää suurelta osin niiden kovuuden. Viime vuosina tutkijat ovat löytäneet useita materiaaleja, jotka väittävät olevansa "kestävin runko". Kovin aine on fulleriitti (fullereenimolekyylien kide), joka on noin 1,5 kertaa kovempaa kuin timantti. Valitettavasti sitä on tällä hetkellä saatavilla vain erittäin pieninä määrinä.

Nykyisin kovin aine, jota voidaan tulevaisuudessa käyttää teollisuudessa, on lonsdaleiitti (kuusikulmainen timantti). Se on 58 % kovempaa kuin timantti. Lonsdaleiitti on hiilen allotrooppinen muunnos. Sen kidehila on hyvin samanlainen kuin timantti. Lonsdaleiittisolussa on 4 atomia, kun taas timantissa 8. Laaj alti käytetyistä kiteistä timantti on edelleen kovin nykyään.