Pevné látky sú tie, ktoré sú schopné vytvárať telá a majú objem. Od kvapalín a plynov sa líšia svojim tvarom. Pevné látky si zachovávajú tvar tela, pretože ich častice sa nemôžu voľne pohybovať. Líšia sa hustotou, plasticitou, elektrickou vodivosťou a farbou. Majú aj iné vlastnosti. Napríklad väčšina týchto látok sa počas zahrievania topí a získava tekutý stav agregácie. Niektoré z nich sa po zahriatí okamžite premenia na plyn (sublimáciu). Sú však aj také, ktoré sa rozkladajú na iné látky.
Typy pevných látok
Všetky pevné látky sú rozdelené do dvoch skupín.
- Amorfný, v ktorom sú jednotlivé častice usporiadané náhodne. Inými slovami: nemajú jasnú (definovanú) štruktúru. Tieto pevné látky sa môžu topiť v špecifikovanom teplotnom rozsahu. Medzi najbežnejšie z nich patrí sklo a živica.
- Kryštalické, ktoré sa zase delia na 4 typy: atómové, molekulárne, iónové, kovové. V nich sú častice umiestnené iba podľa určitého vzoru, konkrétne v uzloch kryštálovej mriežky. Jeho geometria v rôznych látkach sa môže značne líšiť.
Pevné kryštalické látky vo svojom počte prevažujú nad amorfnými.
Typy kryštalických pevných látok
V tuhom stave majú takmer všetky látky kryštalickú štruktúru. Líšia sa svojou štruktúrou. Kryštálové mriežky vo svojich uzloch obsahujú rôzne častice a chemické prvky. V súlade s nimi dostali svoje mená. Každý typ má špecifické vlastnosti:
- V atómovej kryštálovej mriežke sú častice pevnej látky viazané kovalentnou väzbou. Vyniká svojou odolnosťou. Vďaka tomu majú takéto látky vysokú teplotu topenia a varu. Tento typ zahŕňa kremeň a diamant.
- V molekulárnej kryštálovej mriežke sa väzba medzi časticami vyznačuje slabosťou. Látky tohto typu sa vyznačujú ľahkosťou varu a topenia. Sú prchavé, vďaka čomu majú určitý zápach. Tieto pevné látky zahŕňajú ľad a cukor. Pohyby molekúl v pevných látkach tohto typu sa vyznačujú svojou aktivitou.
- V mriežke iónových kryštálov v uzloch sa zodpovedajúce častice striedajú, nabíjajú sa kladne anegatívne. Drží ich pohromade elektrostatická príťažlivosť. Tento typ mriežky existuje v zásadách, soliach, zásaditých oxidoch. Mnohé látky tohto typu sú ľahko rozpustné vo vode. Vďaka pomerne silnej väzbe medzi iónmi sú žiaruvzdorné. Takmer všetky sú bez zápachu, pretože sa vyznačujú neprchavosťou. Látky s iónovou mriežkou nie sú schopné viesť elektrický prúd, pretože neobsahujú voľné elektróny. Typickým príkladom iónovej pevnej látky je kuchynská soľ. Takáto kryštálová mriežka ho robí krehkým. Dôvodom je skutočnosť, že akýkoľvek posun v ňom môže viesť k vzniku síl odpudzovania iónov.
- V kovovej kryštálovej mriežke v uzloch sú iba kladne nabité chemické ióny. Medzi nimi sú voľné elektróny, ktorými dokonale prechádza tepelná a elektrická energia. Preto sa všetky kovy vyznačujú takou vlastnosťou, ako je vodivosť.
Všeobecné pojmy tuhého telesa
Pevné látky a látky sú prakticky to isté. Tieto výrazy označujú jeden zo 4 stavov agregácie. Pevné látky majú stabilný tvar a charakter tepelného pohybu atómov. Okrem toho tieto vytvárajú malé oscilácie v blízkosti rovnovážnych polôh. Vedný odbor zaoberajúci sa štúdiom zloženia a vnútornej stavby sa nazýva fyzika pevných látok. Existujú ďalšie dôležité oblasti vedomostí, ktoré sa zaoberajú takýmito látkami. Zmena tvaru pod vonkajšími vplyvmi a pohybom sa nazýva mechanika deformovateľného telesa.
Vďaka rôznym vlastnostiam pevných látok našli uplatnenie v rôznych technických zariadeniach vytvorených človekom. Najčastejšie bolo ich použitie založené na takých vlastnostiach ako tvrdosť, objem, hmotnosť, elasticita, plasticita, krehkosť. Moderná veda umožňuje použitie iných vlastností pevných látok, ktoré možno nájsť iba v laboratóriu.
Čo sú kryštály
Kryštály sú pevné telesá s časticami usporiadanými v určitom poradí. Každá chemická látka má svoju vlastnú štruktúru. Jeho atómy tvoria trojrozmerné periodické usporiadanie nazývané kryštálová mriežka. Pevné látky majú rôzne štruktúrne symetrie. Kryštalický stav tuhej látky sa považuje za stabilný, pretože má minimálne množstvo potenciálnej energie.
Prevažná väčšina pevných materiálov (prírodných) pozostáva z obrovského množstva náhodne orientovaných jednotlivých zŕn (kryštalitov). Takéto látky sa nazývajú polykryštalické. Patria sem technické zliatiny a kovy, ako aj mnohé horniny. Monokryštalický označuje jednotlivé prírodné alebo syntetické kryštály.
Najčastejšie takéto pevné látky vznikajú zo stavu kvapalnej fázy, ktorú predstavuje tavenina alebo roztok. Niekedy sa získavajú z plynného skupenstva. Tento proces sa nazýva kryštalizácia. Vďaka vedeckému a technologickému pokroku sa postup pestovania (syntézy) rôznych látok dostal do priemyselného rozsahu. Väčšina kryštálov má prirodzený tvar vo forme pravidelnéhomnohosten. Ich veľkosti sú veľmi odlišné. Takže prírodný kremeň (horský krištáľ) môže vážiť až stovky kilogramov a diamanty až niekoľko gramov.
V amorfných pevných látkach atómy neustále oscilujú okolo náhodne umiestnených bodov. Zachovávajú si určité poradie na krátke vzdialenosti, ale poradie na veľké vzdialenosti neexistuje. Je to spôsobené tým, že ich molekuly sú umiestnené vo vzdialenosti, ktorú možno porovnať s ich veľkosťou. Najbežnejším príkladom takejto pevnej látky v našom živote je sklovitý stav. Amorfné látky sa často považujú za kvapaliny s nekonečne vysokou viskozitou. Čas ich kryštalizácie je niekedy taký dlhý, že sa vôbec neprejaví.
Práve vyššie uvedené vlastnosti týchto látok ich robia jedinečnými. Amorfné pevné látky sa považujú za nestabilné, pretože sa môžu časom stať kryštalickými.
Molekuly a atómy, ktoré tvoria pevnú látku, sú balené vo vysokej hustote. Prakticky si zachovávajú svoju vzájomnú polohu voči iným časticiam a sú držané pohromade vďaka medzimolekulovej interakcii. Vzdialenosť medzi molekulami tuhej látky v rôznych smeroch sa nazýva mriežkový parameter. Štruktúra hmoty a jej symetria určujú mnohé vlastnosti, ako je elektrónový pás, štiepenie a optika. Keď na pevnú látku pôsobí dostatočne veľká sila, tieto vlastnosti môžu byť v tej či onej miere porušené. V tomto prípade je pevné teleso vystavené trvalej deformácii.
Atómy pevných látok vykonávajú oscilačné pohyby, ktoré určujú ich vlastníctvo tepelnej energie. Keďže sú zanedbateľné, možno ich pozorovať iba v laboratórnych podmienkach. Molekulárna štruktúra pevnej látky výrazne ovplyvňuje jej vlastnosti.
Štúdium pevných látok
Vlastnosti, vlastnosti týchto látok, ich vlastnosti a pohyb častíc študujú rôzne podsekcie fyziky pevných látok.
Na štúdium sa používajú: rádiospektroskopia, štrukturálna analýza pomocou röntgenových lúčov a iné metódy. Takto sa študujú mechanické, fyzikálne a tepelné vlastnosti pevných látok. Tvrdosť, odolnosť voči zaťaženiu, pevnosť v ťahu, fázové premeny študuje materiálová veda. Do veľkej miery to odráža fyziku pevných látok. Existuje ďalšia dôležitá moderná veda. Štúdium existujúcich a syntéza nových látok sa uskutočňuje pomocou chémie v tuhom stave.
Vlastnosti pevných látok
Povaha pohybu vonkajších elektrónov atómov tuhej látky určuje mnohé jej vlastnosti, napríklad elektrické. Existuje 5 tried takýchto orgánov. Sú nastavené v závislosti od typu atómovej väzby:
- Iónové, ktorých hlavnou charakteristikou je sila elektrostatickej príťažlivosti. Jeho vlastnosti: odraz a absorpcia svetla v infračervenej oblasti. Pri nízkych teplotách sa iónová väzba vyznačuje nízkou elektrickou vodivosťou. Príkladom takejto látky je sodná soľ kyseliny chlorovodíkovej (NaCl).
- Kovalentná,vykonávaná elektrónovým párom, ktorý patrí obom atómom. Takáto väzba sa delí na: jednoduchú (jednoduchú), dvojitú a trojitú. Tieto názvy označujú prítomnosť párov elektrónov (1, 2, 3). Dvojité a trojité väzby sa nazývajú viacnásobné väzby. Existuje ďalšie rozdelenie tejto skupiny. Takže v závislosti od rozloženia hustoty elektrónov sa rozlišujú polárne a nepolárne väzby. Prvý je tvorený rôznymi atómami a druhý je rovnaký. Takýto pevný stav hmoty, ktorého príkladmi sú diamant (C) a kremík (Si), sa vyznačuje svojou hustotou. Najtvrdšie kryštály patria špecificky ku kovalentnej väzbe.
- Kovový, vytvorený spojením valenčných elektrónov atómov. V dôsledku toho sa objaví bežný elektrónový oblak, ktorý sa pod vplyvom elektrického napätia vytlačí. Kovová väzba sa vytvorí, keď sú viazané atómy veľké. Sú schopné darovať elektróny. V mnohých kovoch a komplexných zlúčeninách tvorí táto väzba pevné skupenstvo hmoty. Príklady: sodík, bárium, hliník, meď, zlato. Z nekovových zlúčenín možno zaznamenať nasledovné: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Látky s kovovou väzbou (kovy) sú rôznorodé vo svojich fyzikálnych vlastnostiach. Môžu byť tekuté (Hg), mäkké (Na, K), veľmi tvrdé (W, Nb).
- Molekulový, vznikajúci v kryštáloch, ktoré sú tvorené jednotlivými molekulami látky. Vyznačuje sa medzerami medzi molekulami s nulovou elektrónovou hustotou. Sily, ktoré viažu atómy v takýchto kryštáloch, sú významné. Molekuly sa priťahujúk sebe len slabou medzimolekulovou príťažlivosťou. Preto sa pri zahrievaní ľahko zničia väzby medzi nimi. Väzby medzi atómami sa lámu oveľa ťažšie. Molekulové väzby sa delia na orientačné, disperzné a indukčné. Príkladom takejto látky je tuhý metán.
- Vodík, ktorý sa vyskytuje medzi pozitívne polarizovanými atómami molekuly alebo jej časti a najmenšou negatívne polarizovanou časticou inej molekuly alebo inej časti. Tieto väzby zahŕňajú ľad.
Vlastnosti pevných látok
Čo dnes vieme? Vedci dlho skúmali vlastnosti pevného skupenstva hmoty. Pri vystavení teplote sa tiež mení. Prechod takéhoto telesa na kvapalinu sa nazýva topenie. Premena tuhej látky na plynné skupenstvo sa nazýva sublimácia. Keď sa teplota zníži, dôjde ku kryštalizácii tuhej látky. Niektoré látky vplyvom chladu prechádzajú do amorfnej fázy. Vedci tento proces nazývajú vitrifikáciou.
Počas fázových prechodov sa vnútorná štruktúra pevných látok mení. Najväčšie poradie nadobúda s klesajúcou teplotou. Pri atmosférickom tlaku a teplote T > 0 K tuhnú všetky látky, ktoré sa vyskytujú v prírode. Výnimkou z tohto pravidla je iba hélium, ktoré na kryštalizáciu vyžaduje tlak 24 atm.
Pevné skupenstvo hmoty jej dáva rôzne fyzikálne vlastnosti. Charakterizujú špecifické správanie tielvplyvom určitých polí a síl. Tieto vlastnosti sú rozdelené do skupín. Existujú 3 spôsoby expozície, zodpovedajúce 3 druhom energie (mechanická, tepelná, elektromagnetická). Podľa toho existujú 3 skupiny fyzikálnych vlastností pevných látok:
- Mechanické vlastnosti spojené so stresom a napätím tiel. Podľa týchto kritérií sa pevné látky delia na elastické, reologické, pevnostné a technologické. V pokoji si takéto teleso zachováva svoj tvar, ale pôsobením vonkajšej sily sa môže meniť. Zároveň môže byť jeho deformácia plastická (pôvodná forma sa nevracia), elastická (vracia sa do pôvodnej formy) alebo deštruktívna (pri dosiahnutí určitého prahu dochádza k rozpadu / lomu). Odozva na aplikovanú silu je opísaná modulmi pružnosti. Pevné telo odoláva nielen stláčaniu, naťahovaniu, ale aj posunom, krúteniu a ohýbaniu. Pevnosť pevného tela je jeho vlastnosťou odolávať zničeniu.
- Tepelné, prejavujúce sa pri vystavení tepelným poliam. Jednou z najdôležitejších vlastností je teplota topenia, pri ktorej teleso prechádza do tekutého stavu. Pozoruje sa v kryštalických tuhých látkach. Amorfné telesá majú latentné teplo topenia, pretože ich prechod do kvapalného stavu so zvyšujúcou sa teplotou nastáva postupne. Pri dosiahnutí určitého tepla stráca amorfné teleso svoju elasticitu a nadobúda plasticitu. Tento stav znamená, že dosiahol teplotu skleného prechodu. Pri zahrievaní dochádza k deformácii pevnej látky. A väčšinou sa rozširuje. Kvantitatívne totoštát charakterizuje určitý koeficient. Telesná teplota ovplyvňuje mechanické vlastnosti, ako je tekutosť, ťažnosť, tvrdosť a pevnosť.
- Elektromagnetické, spojené s dopadom tokov mikročastíc a elektromagnetických vĺn s vysokou tuhosťou na pevnú látku. Podmienečne sa na ne vzťahujú aj radiačné vlastnosti.
Štruktúra zóny
Pevné látky sa tiež klasifikujú podľa takzvanej pásovej štruktúry. Takže medzi nimi rozlišujú:
- Vodiče, vyznačujúce sa tým, že ich vodivé a valenčné pásma sa prekrývajú. V tomto prípade sa medzi nimi môžu pohybovať elektróny a prijímať najmenšiu energiu. Všetky kovy sú vodiče. Keď sa na takéto teleso aplikuje rozdiel potenciálov, vytvorí sa elektrický prúd (v dôsledku voľného pohybu elektrónov medzi bodmi s najnižším a najvyšším potenciálom).
- Dielektrika, ktorých zóny sa neprekrývajú. Interval medzi nimi presahuje 4 eV. Na vedenie elektrónov z valencie do vodivého pásma je potrebné veľké množstvo energie. Vďaka týmto vlastnostiam dielektrika prakticky nevedú prúd.
- Polovodiče charakterizované absenciou vodivých a valenčných pásiem. Interval medzi nimi je menší ako 4 eV. Na prenos elektrónov z valencie do vodivého pásma je potrebné menej energie ako na dielektrikum. Čisté (nedopované a natívne) polovodiče neprechádzajú dobre prúdom.
Pohyb molekúl v pevných látkach určuje ich elektromagnetické vlastnosti.
Inévlastnosti
Pevné telesá sú tiež rozdelené podľa ich magnetických vlastností. Existujú tri skupiny:
- Diamagnety, ktorých vlastnosti závisia len málo od teploty alebo stavu agregácie.
- Paramagnety vyplývajúce z orientácie vodivých elektrónov a magnetických momentov atómov. Podľa Curieho zákona ich náchylnosť klesá úmerne s teplotou. Takže pri 300 K je to 10-5.
- Telesá s usporiadanou magnetickou štruktúrou s usporiadaním atómov na veľké vzdialenosti. V uzloch ich mriežky sa periodicky nachádzajú častice s magnetickými momentmi. Takéto pevné látky a látky sa často používajú v rôznych oblastiach ľudskej činnosti.
Najtvrdšie látky v prírode
Čo to je? Hustota pevných látok do značnej miery určuje ich tvrdosť. V posledných rokoch vedci objavili niekoľko materiálov, ktoré tvrdia, že sú „najodolnejším telom“. Najtvrdšou látkou je fullerit (kryštál s molekulami fullerénu), ktorý je asi 1,5-krát tvrdší ako diamant. Žiaľ, momentálne je dostupný len vo veľmi malom množstve.
V súčasnosti je najtvrdšou látkou, ktorá sa môže v budúcnosti v priemysle použiť, lonsdaleit (šesťhranný diamant). Je o 58% tvrdší ako diamant. Lonsdaleit je alotropná modifikácia uhlíka. Jeho krištáľová mriežka je veľmi podobná diamantu. Bunka lonsdaleitu obsahuje 4 atómy, zatiaľ čo diamant obsahuje 8. Zo široko používaných kryštálov dnes diamant zostáva najtvrdším.
