Тверді речовини: властивості, будова, щільність і приклади

Твердими називають такі речовини, які здатні утворювати тіла і мають об'єм. Від рідин і газів вони відрізняються своєю формою. Тверді речовини зберігають форму тіла завдяки тому, що їх частинки не здатні вільно переміщатися. Вони відрізняються за своєю щільності, пластичності, електропровідності і кольором. Також у них є й інші властивості. Так, наприклад, більшість даних речовин плавляться під час нагрівання, набуваючи рідке агрегатний стан. Деякі з них при підігріві відразу ж перетворюються на газ (возгоняются). Але є ще й ті, які розкладаються на інші речовини.

Види твердих речовин

Всі тверді речовини поділяють на дві групи.

1. Аморфні, в яких окремі частинки розташовуються хаотично. Іншими словами: в них немає чіткої (певної) структури. Ці тверді речовини здатні плавитися в якомусь установленому проміжку температур. До найпоширеніших з них можна віднести скло і смолу.
2. Кристалічні, які, в свою чергу, поділяються на 4 типи: атомні, молекулярні, іонні, металеві. У них частинки розташовуються тільки за певною схемою, а саме у вузлах кристалічної решітки. Її геометрія в різних речовинах може сильно відрізнятися.

Тверді кристалічні речовини переважають над аморфними за своєю чисельністю.

Типи кристалічних твердих речовин

У твердому стані практично всі речовини мають кристалічну структуру. Вони відрізняються своєю будовою. Кристалічні решітки у своїх вузлах містять різні частинки і хімічні елементи. Саме відповідно до них вони і отримали свої назви. У кожного типу є характерні для нього властивості:

• В атомної кристалічній решітці частинки твердої речовини пов'язані ковалентним зв'язком. Вона відрізняється своєю міцністю. Завдяки цьому такі речовини відрізняються високою температурою плавлення і кипіння. До цього типу належать кварц і алмаз.
• У молекулярній кристалічній решітці зв'язок між частинками відрізняється своєю слабкістю. Речовини такого типу характеризуються легкістю закипання і плавлення. Вони відрізняються летючість, завдяки якій мають певний запах. До таких твердих тіл відносяться лід, цукор. Руху молекул у твердих речовинах цього типу відрізняються своєю активністю.
• В іонної кристалічній решітці у вузлах чергуються відповідні частки, заряджені позитивно і негативно. Вони утримуються електростатичним притяганням. Даний тип решітки існує в лугах, солях, основних оксидах. Багато речовин цього виду легко розчиняються у воді. Завдяки досить міцного зв'язку між іонами вони тугоплавки. Практично всі вони не мають запаху, оскільки для них характерна нелетучесть. Речовини з іонною решіткою нездатні проводити електричний струм, оскільки в їх складі немає вільних електронів. Типовий приклад іонного твердої речовини - кухонна сіль. Така кристалічна решітка надає їй крихкість. Це пов'язано з тим, що будь-який її зрушення може призвести до виникнення сил відштовхування іонів.
• У металевій кристалічній решітці у вузлах присутні тільки іони хімічних речовин, заряджені позитивно. Між ними є вільні електрони, через які відмінно проходить теплова та електрична енергія. Саме тому будь-які метали відрізняються такою особливістю, як провідність.

Загальні поняття про твердому тілі

Тверді тіла і речовини - це практично одне і те ж. Цими термінами називають одне з 4 агрегатних станів. Тверді тіла мають стабільну форму і характер теплового руху атомів. Причому останні здійснюють малі коливання поряд з положеннями рівноваги. Розділ науки, що займається вивченням складу і внутрішньої структури, називають фізикою твердого тіла. Існують і інші важливі галузі знань, що займаються такими речовинами. Зміна форми при зовнішніх впливах та рух називають механікою тіла, що деформується.

Завдяки різним властивостям твердих речовин вони знайшли застосування в різних технічних пристроях, створених людиною. Найчастіше в основі їх вживання лежали такі властивості, як твердість, обсяг, маса, пружність, пластичність, крихкість. Сучасна наука дозволяє використовувати й інші якості твердих речовин, які можна виявити виключно в лабораторних умовах.

Що таке кристали

Кристали - це тверді тіла з розташованими в певному порядку частинками. Кожному хімічній речовині відповідає своя структура. Його атоми утворюють трехмерно-періодичну укладку, звану кристалічною решіткою. Тверді речовини володіють різною симетрією структури. Кристалічний стан твердого тіла вважається стійким, оскільки має мінімальну кількість потенційної енергії.

Переважна більшість твердих матеріалів (природних) складається з величезного числа безладно орієнтованих окремих зерен (кристалітів). Такі речовини називають полікристалічний. До них відносять технічні сплави і метали, а також безліч гірських порід. Монокристалічними називають поодинокі природні або синтетичні кристали.

Найчастіше такі тверді тіла утворюються зі стану рідкої фази, представленого розплавом або розчином. Іноді їх отримують і з газоподібного стану. Цей процес називають кристалізацією. Завдяки науково-технічному прогресу процедура вирощування (синтезу) різних речовин отримала промисловий масштаб. Більшість кристалів має природну форму у вигляді правильних багатогранників. Їх розміри бувають самими різними. Так, природний кварц (гірський кришталь) може важити до сотень кілограмів, а алмази - до декількох грам.

В аморфних твердих тілах атоми знаходяться в постійному коливанні навколо хаотично знаходяться точок. У них зберігається певний ближній порядок, але відсутній дальній. Це обумовлено тим, що їх молекули розташовані на відстані, яке можна порівняти з їх розміром. Найбільш часто зустрічається в нашому житті прикладом такого твердого речовини є склоподібного стану. Аморфні речовини часто розглядаються як рідина з нескінченно великою в'язкістю. Час їх кристалізації іноді таке велике, що й зовсім не проявляється.

Саме перераховані вище властивості даних речовин роблять їх унікальними. Аморфні тверді тіла вважаються нестабільними, оскільки з часом можуть перейти в кристалічний стан.

Молекули й атоми, з яких складається тверда речовина, упаковані з великою щільністю. Вони практично зберігають своє взаимоположение щодо інших часток і тримаються разом завдяки міжмолекулярної взаємодії. Відстань між молекулами твердої речовини в різних напрямках іменують параметром кристалічної решітки. Структура речовини і її симетричність визначають безліч властивостей, таких як електронна зона, спайність і оптика. При впливі на тверду речовину досить великої сили ці якості можуть бути в тій чи іншій мірі порушені. При цьому тверде тіло піддається залишкової деформації.

Атоми твердих тіл здійснюють коливальні рухи, якими обумовлено володіння ними тепловою енергією. Оскільки вони мізерно малі, їх можна спостерігати тільки при лабораторних умовах. Молекулярну будову твердої речовини в чому впливає на його властивості.

Вивчення твердих речовин

Особливості, властивості даних речовин, їх якості та рух частинок вивчаються різними підрозділами фізики твердого тіла.

Для дослідження використовуються: радіоспектроскопія, структурний аналіз за допомогою рентгена та інші методи. Так вивчаються механічні, фізичні та теплові властивості твердих речовин. Твердість, опір навантаженням, межа міцності, фазові перетворення вивчає матеріалознавство. Воно значною мірою перегукується з фізикою твердих тіл. Існує й інша важлива сучасна наука. Дослідження існуючих і синтезування нових речовин проводяться хімією твердого стану.

Особливості твердих речовин

Характер руху зовнішніх електронів атомів твердого речовини визначає багато його властивості, наприклад, електричні. Існує 5 класів таких тел. Вони встановлені в залежності від типу зв'язку атомів:

• Іонна, основною характеристикою якої є сила електростатичного притягання. Її особливості: відображення і поглинання світла в інфрачервоній області. При малій температурі іонна зв'язок відрізняється малою електропровідністю. Прикладом такої речовини є натрієва сіль соляної кислоти (NaCl).
• Ковалентна, що здійснюється за рахунок електронної пари, яка належить обом атомам. Такий зв'язок поділяється на: одинарну (просту), подвійну і потрійну. Ці назви говорять про наявність пар електронів (1, 2, 3). Подвійні і потрійні зв'язки називають кратними. Існує ще один поділ цієї групи. Так, залежно від розподілу електронної щільності виділяють полярну і неполярну зв'язок. Перша утворюється різними атомами, а друга - однаковими. Таке тверде стан речовини, приклади якого - алмаз (С) і кремній (Si), відрізняється своєю щільністю. Найтвердіші кристали відносяться саме до ковалентного зв'язку.
• Металева, що утворюється шляхом об'єднання валентних електронів атомів. В результаті чого виникає загальне електронне хмара, яка зміщується під впливом електричної напруги. Металева зв'язок утворюється тоді, коли зв'язуються атоми великі. Саме вони здатні віддавати електрони. У багатьох металів і складних з'єднань даної зв'язком утворюється твердий стан речовини. Приклади: натрій, барій, алюміній, мідь, золото. З неметалічних сполук можна відзначити наступні: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu₅Zn₈. Речовини з металевою зв'язком (метали) різноманітні за фізичним властивостям. Вони можуть бути рідкими (Hg), м'якими (Na, K), дуже твердими (W, Nb).
• Молекулярна, що виникає в кристалах, які утворюються окремими молекулами речовини. Її характеризують проміжки між молекулами з нульовою електронної щільністю. Сили, що зв'язують атоми в таких кристалах, значні. При цьому молекули притягуються один до одного тільки слабким міжмолекулярним притяганням. Саме тому зв'язки між ними легко руйнуються при нагріванні. З'єднання між атомами руйнуються набагато складніше. Молекулярна зв'язок підрозділяється на орієнтаційну, дисперсионную і індукційну. Прикладом такої речовини є твердий метан.
• Воднева, яка виникає між позитивно поляризованими атомами молекули або її частини і негативно поляризованої найменшою часткою іншій молекули якої іншої частини. До таких зв'язків можна віднести лід.

Властивості твердих речовин

Що нам відомо на сьогоднішній день? Вчені давно вивчають властивості твердого стану речовини. При впливі на нього температур змінюється і воно. Перехід такого тіла в рідину називають плавленням. Трансформація твердої речовини в газоподібний стан називається сублімацією. При зниженні температури відбувається кристалізація твердого тіла. Деякі речовини під дією холоду переходять в аморфну фазу. Цей процес учені називають склування.

При фазових переходах змінюється внутрішня структура твердих тіл. Найбільшу впорядкованість вона набуває при зниженні температури. При атмосферному тиску і температурі Т> 0 К будь-які речовини, що існують у природі, тверднуть. Тільки гелій, для кристалізації якого потрібно тиск в 24 атм, становить виняток з цього правила.

Твердий стан речовини надає йому різні фізичні властивості. Вони характеризують специфічну поведінку тіл під впливом певних полів і сил. Ці властивості підрозділяють на групи. Виділяють 3 способи впливу, відповідні 3 видам енергії (механічної, термічної, електромагнітної). Відповідно їм існує 3 групи фізичних властивостей твердих речовин:

• Механічні властивості, пов'язані з напругою і деформацією тіл. За цими критеріями тверді речовини ділять на пружні, реологічні, міцнісні та технологічні. У спокої таке тіло зберігає свою форму, але воно може змінюватися під дією зовнішньої сили. При цьому його деформація може бути пластичної (початковий вигляд не повертається), пружною (повертається в початкову форму) або руйнівною (при досягненні певного порогу відбувається розпад / розлом). Відгук на прикладене зусилля описують модулями пружності. Тверде тіло пручається не тільки стиску, розтягу, а й зрушень, кручення і вигин. Міцністю твердого тіла називають його властивість чинити опір руйнуванню.
• Термічні, які проявляються при впливі теплових полів. Одне з найбільш важливих властивостей - температура плавлення, при якій тіло переходить в рідкий стан. Воно відзначається у кристалічних твердих речовин. Аморфні тіла володіють прихованою теплотою плавлення, оскільки їх перехід в рідкий стан при підвищенні температури відбувається поступово. По досягненні певної теплоти аморфне тіло втрачає пружність і набуває пластичність. Цей стан означає досягнення їм температури склування. При нагріванні відбувається деформація твердого тіла. Причому воно найчастіше розширюється. Кількісно цей стан характеризується певним коефіцієнтом. Температура тіла впливає на такі механічні характеристики, як плинність, пластичність, твердість і міцність.
• Електромагнітні, пов'язані з впливом на тверду речовину потоків мікрочастинок і електромагнітних хвиль великої жорсткості. До них умовно відносять і радіаційні властивості.

Зонна структура

Тверді речовини класифікуються і за так званою зонної структурі. Так, серед них розрізняють:

• Провідники, що відрізняються тим, що зони їх провідності і валентності перекриваються. При цьому електрони можуть переміщатися між ними, отримуючи найменшу енергію. До провідникам відносяться всі метали. При додатку до такого тілу різниці потенціалів утворюється електричний струм (завдяки вільному пересуванню електронів між точками з найменшим і великим потенціалом).
• Діелектрики, зони яких не перекриваються. Інтервал між ними перевищує 4 еВ. Для проведення електронів з валентної у проведену зону необхідна велика енергія. Завдяки таким властивостям діелектрики практично не проводять струм.
• Напівпровідники, що характеризуються відсутністю зон провідності і валентності. Інтервал між ними менше 4 еВ. Для перекладу електронів з валентної у проведену зону необхідна енергія менша, ніж для діелектриків. Чисті (нелегіровані та власні) напівпровідники погано пропускають струм.

Руху молекул у твердих речовинах обумовлюють їх електромагнітні властивості.

Інші властивості

Тверді тіла поділяються і по своїх магнітних властивостях. Є три групи:

• Діамагнетик, властивості яких мало залежать від температури або агрегатного стану.
• Парамагнетики, що є наслідком орієнтації електронів провідності і магнітних моментів атомів. Відповідно до закону Кюрі, їх сприйнятливість убуває пропорційно температурі. Так, при 300 К вона становить 10^-5.
• Тіла з упорядкованою магнітною структурою, що володіють дальнім порядком атомів. У вузлах їх решітки періодично розташовуються частинки з магнітними моментами. Такі тверді тіла і речовини часто використовуються в різних сферах діяльності людини.

Самі тверді речовини в природі

Які ж вони? Щільність твердих речовин в чому визначає їх твердість. За останні роки вчені відкрили кілька матеріалів, які претендують на звання «найбільш міцного тіла». Найтвердіша речовина - це фуллерит (кристал з молекулами фулерену), який приблизно в 1,5 рази твердіше алмаза. На жаль, він поки доступний тільки у вкрай малих кількостях.

На сьогоднішній день саме тверда речовина, яка в подальшому, можливо, буде використовуватися в промисловості, - лонсдейліт (гексагональний алмаз). Він на 58% твердіше діаманта. Лонсдейліт - аллотропная модифікація вуглецю. Його кристалічна решітка дуже нагадує алмазну. Осередок лонсдейліта містить 4 атоми, а діаманта - 8. З широко використовуваних кристалів на сьогодні самим твердим залишається алмаз.