Твердое тело является одним из трех основных состояний материи, наряду с жидкостью и газом. Материя - это вещество вселенной, атомы, молекулы и ионы, которые составляют все физические вещества. В твердом теле, эти частицы плотно упакованы вместе и не могут свободно перемещаться внутри вещества. Молекулярное движение для частиц в твердом теле ограничено очень малыми колебаниями атомов вокруг их фиксированных положений; поэтому твердые тела имеют фиксированную форму, которую трудно изменить. Твердые тела также имеют определенный объем, то есть они сохраняют свой размер независимо от того, как вы пытаетесь их изменить.
Твердые вещества делятся на две основные категории: кристаллические твердые вещества и аморфные твердые вещества, основанные на том, как расположены частицы.
Кристаллические твердые вещества
Кристаллические твердые вещества или кристаллы рассматриваются как настоящие твердые тела. Минералы представляют собой кристаллические твердые вещества. Обычная поваренная соль является одним из примеров такого твердого вещества. В кристаллических твердых телах атомы, ионы или молекулы расположены упорядоченно и симметрично во всем кристалле. Самая маленькая повторяющаяся структура твердого тела называется элементарной ячейкой, которая похожа на кирпич в стене. Элементарные ячейки объединяются в сеть, называемую кристаллической решеткой. Существует 14 типов решеток, называемых решетками Браве (названных в честь Августа Браве, французского физика 19-го века), и они классифицируются на семь кристаллических систем, основанных на расположении атомов - кубическую, гексагональную, тетрагональную, ромбоэдрическую, орторомбическую, моноклинную и триклинную.
Кроме регулярного расположения частиц, твердые тела обладают несколькими другими характерными свойствами. Они, как правило, вообще несжимаемы, а это означает то, что их нельзя сжать в более мелкую форму. Из-за повторяющейся геометрической структуры кристалла, все связи между частицами имеют равную силу. Это значит, что кристаллическое твердое тело будет иметь определенную точку плавления, поскольку применение тепла одновременно разрушит все связи.
Кристаллические твердые вещества также проявляют анизотропию. Это означает, что такие свойства, как показатель преломления (сколько света изгибается при прохождении вещества), проводимость (насколько хорошо он проводит электричество) и прочность на растяжение (сила, необходимая для его разрыва), будут варьироваться в зависимости от направления, от которого была применена сила. Кристаллические твердые вещества также проявляют свойство расщепления - при разрыве части будут иметь выровненную поверхность или прямые края.
Типы кристаллических твердых веществ
Существует четыре типа кристаллических твердых тел: ионные твердые тела, молекулярные твердые тела, сетевые ковалентные твердые тела и металлические твердые тела.
Ионные твердые тела
Ионные соединения образуют кристаллы, которые состоят из противоположно заряженных ионов - положительно заряженного катиона и отрицательно заряженного аниона. Из-за сильного притяжения между противоположными зарядами требуется много энергии для преодоления ионных связей. Это означает, что ионные соединения имеют очень высокую температуру плавления, часто между 300 и 1000 градусов по Цельсию.
Хотя сами кристаллы являются твердыми, хрупкими и непроводящими, большинство ионных соединений можно растворить в воде, образуя раствор свободных ионов, который будет проводить электричество. Они могут быть простыми двойными солями, такими как хлорид натрия NaCl или поваренная соль, где один атом металлического элемента - натрия, связан с одним атомом неметаллического элемента - хлора. Они также могут состоять из многоатомных ионов, таких как нитрат аммония NH4NO3. Многоатомные ионы представляют собой группы атомов, которые разделяют электроны - это называется ковалентная связь, они функционируют в соединении, как если бы они составляли один заряженный ион.
Молекулярные твердые вещества
Молекулярные твердые вещества состоят из ковалентно связанных молекул, притягиваемых друг к другу электростатическими силами - это называется Силы Ван-дер-Ваальса. Поскольку ковалентная связь предполагает совместное использование электронов, а не прямой перенос этих частиц, общие электроны могут проводить больше времени в электронном облаке более крупного атома, вызывая слабую или смещающуюся полярность. Это электростатическое притяжение между двумя полюсами - диполями, значительно слабее, чем ионное или ковалентное связывание, поэтому молекулярные твердые тела, как правило, мягче, чем ионные кристаллы, и имеют более низкие точки плавления - многие из них будут плавиться при температуре менее 100°C. Большинство молекулярных твердых веществ неполярны. Эти неполярные молекулярные твердые вещества не будут растворяться в воде, но будут растворяться в неполярном растворителе, таком как бензол и октан. Полярные молекулярные твердые вещества, такие как сахар, легко растворяются в воде. Молекулярные твердые тела являются непроводящими.
Примеры молекулярных твердых веществ - лед, сахар, галогены, такие как твердый хлор Cl2, соединения, состоящие из галогена и водорода, такие как хлористый водород HCl. Фуллерены также являются молекулярными твердыми веществами.
Ковалентные твердые вещества
В сплошной структуре твердого тела нет отдельных молекул. Атомы ковалентно связаны в непрерывной сети, что в свою очередь приводит к кристаллической структуре. Каждый атом ковалентно связан со всеми окружающими атомами. Ковалентные твердые тела обладают свойствами, аналогичными свойствам ионных твердых тел. Они очень твердые с чрезвычайно высокими температурами плавления, обычно выше 1000 градусов по Цельсию. В отличии от ионных соединений, они не растворяются в воде и не проводят электричество.
Примеры ковалентные твердых веществ - алмазы, аметисты и рубины.
Металлические твердые вещества
Металлы представляют собой непрозрачные, блестящие твердые вещества, которые являются пластичными. Они мягкие и могут быть сформированы или спрессованы в тонкие листы, или даже втянуты в провода. Валентные электроны не передаются и не распределяются, поскольку находятся в ионной и ковалентной связи. Электронные облака соседних атомов перекрываются, так что электроны становятся делокализованными. Электроны перемещаются с относительной свободой от одного атома к другому по всему кристаллу.
Металл можно описать как решетку положительных катионов в "море" отрицательных электронов. Эта подвижность электронов означает, что металлы обладают высокой проводимостью тепла и электричества. Металлы, как правило, имеют высокие точки плавления, хотя заметными исключениями являются ртуть, температура плавления которой составляет минус 38,8 градуса по Цельсию, и фосфор с температурой плавления 44 градуса по Цельсию.
Сплав представляет собой твердую смесь металлического элемента с другим веществом. Хотя чистые металлы могут быть чрезмерно податливыми и тяжелыми, сплавы являются более используемыми. Бронза - сплав меди и олова, а сталь - сплав железа, углерода и других добавок.
Аморфные твердые вещества
В аморфных твердых телах ("твердые тела без формы") частицы не имеют повторяющейся структуры решетки. Примерами аморфных твердых веществ являются стекло, резина, гели и большинство пластмасс. Аморфное твердое вещество не имеет определенной температуры плавления. Оно плавится постепенно в определенном диапазоне температур, потому что связи не разрываются все сразу. Аморфное твердое вещество расплавится в мягкое, податливое состояние (свечной воск или расплавленное стекло), прежде чем полностью превратиться в жидкость.
Аморфные твердые тела не имеют характерной симметрии, поэтому они не имеют ровных плоскостей при разрезании - края могут быть изогнуты. Они называются изотропными, поскольку такие свойства, как показатель преломления, проводимость и прочность на растяжение, равны независимо от направления, в котором применяется сила.
👍 👍 👍