Vaste stoffen zijn stoffen die lichamen kunnen vormen en volume hebben. Ze verschillen van vloeistoffen en gassen in hun vorm. Vaste stoffen behouden de vorm van het lichaam omdat hun deeltjes niet vrij kunnen bewegen. Ze verschillen in hun dichtheid, plasticiteit, elektrische geleidbaarheid en kleur. Ze hebben ook andere eigenschappen. Dus de meeste van deze stoffen smelten bijvoorbeeld tijdens verwarming, waardoor een vloeibare aggregatietoestand ontstaat. Sommigen van hen veranderen bij verhitting onmiddellijk in een gas (sublimeren). Maar er zijn er ook die ontleden in andere stoffen.
Soorten vaste stoffen
Alle vaste stoffen zijn verdeeld in twee groepen.
- Amorf, waarin individuele deeltjes willekeurig zijn gerangschikt. Met andere woorden: ze hebben geen duidelijke (afgebakende) structuur. Deze vaste stoffen kunnen smelten binnen een bepaald temperatuurbereik. De meest voorkomende hiervan zijn glas en hars.
- Kristallijn, die op hun beurt zijn onderverdeeld in 4 soorten: atomair, moleculair, ionisch, metallisch. Daarin bevinden de deeltjes zich alleen volgens een bepaald patroon, namelijk op de knooppunten van het kristalrooster. De geometrie ervan in verschillende stoffen kan sterk variëren.
Vaste kristallijne stoffen prevaleren in hun aantal over amorfe stoffen.
Soorten kristallijne vaste stoffen
In de vaste toestand hebben bijna alle stoffen een kristallijne structuur. Ze verschillen in hun structuur. Kristalroosters in hun knooppunten bevatten verschillende deeltjes en chemische elementen. Het is in overeenstemming met hen dat ze hun namen hebben gekregen. Elk type heeft specifieke eigenschappen:
- In het atomaire kristalrooster zijn deeltjes van een vaste stof gebonden door een covalente binding. Het onderscheidt zich door zijn duurzaamheid. Hierdoor hebben dergelijke stoffen een hoog smelt- en kookpunt. Dit type omvat kwarts en diamant.
- In het moleculaire kristalrooster onderscheidt de binding tussen deeltjes zich door zijn zwakte. Stoffen van dit type worden gekenmerkt door het gemak van koken en smelten. Ze zijn vluchtig, waardoor ze een bepaalde geur hebben. Deze vaste stoffen omvatten ijs en suiker. De bewegingen van moleculen in vaste stoffen van dit type onderscheiden zich door hun activiteit.
- In het ionische kristalrooster op de knopen wisselen de corresponderende deeltjes elkaar af, positief geladen ennegatief. Ze worden bij elkaar gehouden door elektrostatische aantrekking. Dit type rooster bestaat in alkaliën, zouten, basische oxiden. Veel van dit soort stoffen zijn goed oplosbaar in water. Door de vrij sterke binding tussen de ionen zijn ze vuurvast. Bijna allemaal zijn ze geurloos, omdat ze worden gekenmerkt door niet-vluchtigheid. Stoffen met een ionenrooster kunnen geen elektrische stroom geleiden, omdat ze geen vrije elektronen bevatten. Een typisch voorbeeld van een ionische vaste stof is keukenzout. Zo'n kristalrooster maakt het broos. Dit is te wijten aan het feit dat elke verschuiving daarin kan leiden tot het ontstaan van ionenafstotende krachten.
- In het metalen kristalrooster op de knopen zijn er alleen positief geladen chemische ionen. Daartussen bevinden zich vrije elektronen waar thermische en elektrische energie perfect doorheen gaan. Dat is de reden waarom alle metalen worden onderscheiden door een eigenschap als geleidbaarheid.
Algemene concepten van een star lichaam
Vaste stoffen en stoffen zijn praktisch hetzelfde. Deze termen verwijzen naar een van de 4 aggregatiestaten. Vaste stoffen hebben een stabiele vorm en de aard van de thermische beweging van atomen. Bovendien maken deze laatste kleine oscillaties nabij de evenwichtsposities. De tak van de wetenschap die zich bezighoudt met de studie van samenstelling en interne structuur wordt vastestoffysica genoemd. Er zijn nog andere belangrijke kennisgebieden die met dergelijke stoffen te maken hebben. De vormverandering onder invloeden van buitenaf en beweging wordt de mechanica van een vervormbaar lichaam genoemd.
Vanwege de verschillende eigenschappen van vaste stoffen hebben ze toepassing gevonden in verschillende technische apparaten die door de mens zijn gemaakt. Meestal was hun gebruik gebaseerd op eigenschappen als hardheid, volume, massa, elasticiteit, plasticiteit, breekbaarheid. De moderne wetenschap maakt het gebruik van andere kwaliteiten van vaste stoffen mogelijk die alleen in het laboratorium te vinden zijn.
Wat zijn kristallen
Kristalen zijn vaste lichamen met deeltjes die in een bepaalde volgorde zijn gerangschikt. Elke chemische stof heeft zijn eigen structuur. De atomen vormen een driedimensionaal periodiek arrangement dat het kristalrooster wordt genoemd. Vaste stoffen hebben verschillende structurele symmetrieën. De kristallijne toestand van een vaste stof wordt als stabiel beschouwd omdat deze een minimale hoeveelheid potentiële energie heeft.
De overgrote meerderheid van vaste materialen (natuurlijk) bestaat uit een groot aantal willekeurig georiënteerde individuele korrels (kristallieten). Dergelijke stoffen worden polykristallijn genoemd. Deze omvatten technische legeringen en metalen, evenals veel gesteenten. Monokristallijn verwijst naar enkele natuurlijke of synthetische kristallen.
Meestal worden dergelijke vaste stoffen gevormd uit de toestand van de vloeibare fase, weergegeven door een smelt of oplossing. Soms worden ze verkregen uit de gasvormige toestand. Dit proces wordt kristallisatie genoemd. Dankzij wetenschappelijke en technologische vooruitgang heeft de procedure voor het kweken (synthese) van verschillende stoffen een industriële schaal gekregen. De meeste kristallen hebben een natuurlijke vorm in de vorm van regelmatigveelvlakken. Hun maten zijn heel verschillend. Dus natuurlijk kwarts (bergkristal) kan tot honderden kilo's wegen, en diamanten - tot enkele grammen.
In amorfe vaste stoffen zijn atomen constant in oscillatie rond willekeurig geplaatste punten. Ze behouden een bepaalde kortetermijnvolgorde, maar er is geen langetermijnvolgorde. Dit komt door het feit dat hun moleculen zich op een afstand bevinden die kan worden vergeleken met hun grootte. Het meest voorkomende voorbeeld van zo'n vaste stof in ons leven is de glazige staat. Amorfe stoffen worden vaak beschouwd als een vloeistof met een oneindig hoge viscositeit. De tijd van hun kristallisatie is soms zo lang dat het helemaal niet verschijnt.
Het zijn de bovenstaande eigenschappen van deze stoffen die ze uniek maken. Amorfe vaste stoffen worden als onstabiel beschouwd omdat ze na verloop van tijd kristallijn kunnen worden.
De moleculen en atomen waaruit een vaste stof bestaat, zijn verpakt met een hoge dichtheid. Ze behouden praktisch hun onderlinge positie ten opzichte van andere deeltjes en worden bij elkaar gehouden door intermoleculaire interactie. De afstand tussen de moleculen van een vaste stof in verschillende richtingen wordt de roosterparameter genoemd. De structuur van materie en haar symmetrie bepalen veel eigenschappen, zoals de elektronenband, splitsing en optica. Wanneer een voldoende grote kracht op een vaste stof wordt uitgeoefend, kunnen deze eigenschappen tot op zekere hoogte worden geschonden. In dit geval is het vaste lichaam onderhevig aan blijvende vervorming.
Atomen van vaste stoffen maken oscillerende bewegingen, die hun bezit van thermische energie bepalen. Omdat ze verwaarloosbaar zijn, kunnen ze alleen onder laboratoriumomstandigheden worden waargenomen. De moleculaire structuur van een vaste stof heeft grote invloed op de eigenschappen ervan.
Studie van vaste stoffen
Kenmerken, eigenschappen van deze stoffen, hun eigenschappen en de beweging van deeltjes worden bestudeerd door verschillende subsecties van de vastestoffysica.
Voor de studie worden gebruikt: radiospectroscopie, structurele analyse met behulp van röntgenstralen en andere methoden. Zo worden de mechanische, fysische en thermische eigenschappen van vaste stoffen bestudeerd. Hardheid, belastingsweerstand, treksterkte, fasetransformaties worden bestudeerd door materiaalkunde. Het weerspiegelt grotendeels de vastestoffysica. Er is nog een andere belangrijke moderne wetenschap. De studie van bestaande en de synthese van nieuwe stoffen wordt uitgevoerd door vastestofchemie.
Kenmerken van vaste stoffen
De aard van de beweging van de buitenste elektronen van de atomen van een vaste stof bepa alt veel van zijn eigenschappen, bijvoorbeeld elektrisch. Er zijn 5 klassen van dergelijke organen. Ze worden ingesteld afhankelijk van het type atoombinding:
- Ionisch, waarvan het belangrijkste kenmerk de kracht van elektrostatische aantrekking is. Zijn kenmerken: reflectie en absorptie van licht in het infraroodgebied. Bij lage temperaturen wordt de ionische binding gekenmerkt door een lage elektrische geleidbaarheid. Een voorbeeld van zo'n stof is het natriumzout van zoutzuur (NaCl).
- Covalent,uitgevoerd door een elektronenpaar dat tot beide atomen behoort. Zo'n binding is onderverdeeld in: enkel (eenvoudig), dubbel en drievoudig. Deze namen duiden op de aanwezigheid van elektronenparen (1, 2, 3). Dubbele en driedubbele bindingen worden meervoudige bindingen genoemd. Er is nog een andere indeling van deze groep. Dus, afhankelijk van de verdeling van elektronendichtheid, worden polaire en niet-polaire bindingen onderscheiden. De eerste wordt gevormd door verschillende atomen en de tweede is hetzelfde. Zo'n vaste stof, waarvan diamant (C) en silicium (Si) voorbeelden zijn, onderscheidt zich door zijn dichtheid. De hardste kristallen behoren specifiek tot de covalente binding.
- Metaal, gevormd door de valentie-elektronen van atomen te combineren. Hierdoor ontstaat een gemeenschappelijke elektronenwolk, die onder invloed van elektrische spanning wordt verplaatst. Een metaalbinding wordt gevormd wanneer de gebonden atomen groot zijn. Ze zijn in staat elektronen af te staan. In veel metalen en complexe verbindingen vormt deze binding een vaste toestand van materie. Voorbeelden: natrium, barium, aluminium, koper, goud. Van de niet-metaalverbindingen kan het volgende worden opgemerkt: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Stoffen met een metallische binding (metalen) zijn divers in hun fysieke eigenschappen. Ze kunnen vloeibaar (Hg), zacht (Na, K), heel hard (W, Nb) zijn.
- Moleculair, ontstaan in kristallen, die worden gevormd door individuele moleculen van een stof. Het wordt gekenmerkt door openingen tussen moleculen met een elektronendichtheid van nul. De krachten die atomen in dergelijke kristallen binden zijn aanzienlijk. De moleculen worden aangetrokkenalleen door een zwakke intermoleculaire aantrekking tot elkaar. Dat is de reden waarom de banden tussen hen gemakkelijk worden vernietigd bij verhitting. De bindingen tussen atomen zijn veel moeilijker te verbreken. Moleculaire binding is onderverdeeld in oriënterend, dispersie en inductief. Een voorbeeld van zo'n stof is vast methaan.
- Waterstof, dat voorkomt tussen de positief gepolariseerde atomen van een molecuul of een deel daarvan en het kleinste negatief gepolariseerde deeltje van een ander molecuul of een ander deel. Deze bindingen omvatten ijs.
Eigenschappen van vaste stoffen
Wat weten we vandaag? Wetenschappers hebben lang de eigenschappen van de vaste toestand van materie bestudeerd. Bij blootstelling aan temperatuur verandert het ook. De overgang van zo'n lichaam in een vloeistof wordt smelten genoemd. De transformatie van een vaste stof naar een gasvormige toestand wordt sublimatie genoemd. Wanneer de temperatuur wordt verlaagd, vindt de kristallisatie van de vaste stof plaats. Sommige stoffen gaan onder invloed van koude over in de amorfe fase. Wetenschappers noemen dit proces vitrificatie.
Tijdens faseovergangen verandert de interne structuur van vaste stoffen. Het verkrijgt de grootste orde met afnemende temperatuur. Bij atmosferische druk en temperatuur T > 0 K stollen alle stoffen die in de natuur voorkomen. Alleen helium, dat een druk van 24 atm nodig heeft om te kristalliseren, vormt een uitzondering op deze regel.
De vaste toestand van materie geeft het verschillende fysieke eigenschappen. Ze kenmerken het specifieke gedrag van lichamenonder invloed van bepaalde velden en krachten. Deze woningen zijn onderverdeeld in groepen. Er zijn 3 manieren van blootstelling, overeenkomend met 3 soorten energie (mechanisch, thermisch, elektromagnetisch). Dienovereenkomstig zijn er 3 groepen fysische eigenschappen van vaste stoffen:
- Mechanische eigenschappen geassocieerd met stress en belasting van lichamen. Volgens deze criteria worden vaste stoffen onderverdeeld in elastisch, reologisch, sterkte en technologisch. In rust behoudt zo'n lichaam zijn vorm, maar het kan veranderen onder invloed van een externe kracht. Tegelijkertijd kan de vervorming plastisch zijn (de oorspronkelijke vorm keert niet terug), elastisch (keert terug naar de oorspronkelijke vorm) of destructief (wanneer een bepaalde drempel wordt bereikt, treedt verval / breuk op). De reactie op de uitgeoefende kracht wordt beschreven door de elasticiteitsmoduli. Een solide lichaam is niet alleen bestand tegen compressie, rekken, maar ook tegen verschuivingen, torsie en buiging. De kracht van een vast lichaam is zijn eigenschap om vernietiging te weerstaan.
- Thermisch, manifesteert zich bij blootstelling aan thermische velden. Een van de belangrijkste eigenschappen is het smeltpunt waarbij het lichaam in vloeibare toestand komt. Het wordt waargenomen in kristallijne vaste stoffen. Amorfe lichamen hebben een latente smeltwarmte, omdat hun overgang naar een vloeibare toestand bij toenemende temperatuur geleidelijk plaatsvindt. Bij het bereiken van een bepaalde warmte verliest het amorfe lichaam zijn elasticiteit en krijgt het plasticiteit. Deze toestand betekent dat het de glasovergangstemperatuur heeft bereikt. Bij verhitting treedt de vervorming van de vaste stof op. En meestal breidt het zich uit. Kwantitatief ditde staat wordt gekenmerkt door een bepaalde coëfficiënt. Lichaamstemperatuur beïnvloedt mechanische eigenschappen zoals vloeibaarheid, vervormbaarheid, hardheid en sterkte.
- Elektromagnetisch, geassocieerd met de impact op een vaste stof van stromen van microdeeltjes en elektromagnetische golven met een hoge stijfheid. Stralingseigenschappen worden er ook voorwaardelijk naar verwezen.
Zonestructuur
Vaste stoffen worden ook geclassificeerd volgens de zogenaamde bandstructuur. Dus onder hen onderscheiden ze:
- Geleiders, gekenmerkt doordat hun geleidings- en valentiebanden elkaar overlappen. In dit geval kunnen elektronen ertussen bewegen en de minste energie ontvangen. Alle metalen zijn geleiders. Wanneer een potentiaalverschil op zo'n lichaam wordt aangelegd, ontstaat er een elektrische stroom (door de vrije beweging van elektronen tussen punten met de laagste en hoogste potentiaal).
- Diëlektrica waarvan de zones elkaar niet overlappen. Het interval tussen hen is groter dan 4 eV. Er is veel energie nodig om elektronen van de valentie naar de geleidingsband te geleiden. Door deze eigenschappen geleiden diëlektrica praktisch geen stroom.
- Halfgeleiders gekenmerkt door de afwezigheid van geleidings- en valentiebanden. Het interval tussen hen is minder dan 4 eV. Om elektronen van de valentie naar de geleidingsband over te brengen, is minder energie nodig dan voor diëlektrica. Pure (ongedopte en native) halfgeleiders laten de stroom niet goed door.
De bewegingen van moleculen in vaste stoffen bepalen hun elektromagnetische eigenschappen.
Overigeigenschappen
Vaste lichamen worden ook onderverdeeld op basis van hun magnetische eigenschappen. Er zijn drie groepen:
- Diamagneten waarvan de eigenschappen weinig afhangen van de temperatuur of de aggregatietoestand.
- Paramagneten die het resultaat zijn van de oriëntatie van geleidingselektronen en magnetische momenten van atomen. Volgens de wet van Curie neemt hun gevoeligheid af in verhouding tot de temperatuur. Dus bij 300 K is het 10-5.
- Lichamen met een geordende magnetische structuur, met een langeafstandsvolgorde van atomen. Op de knooppunten van hun rooster bevinden zich periodiek deeltjes met magnetische momenten. Dergelijke vaste stoffen en stoffen worden vaak gebruikt op verschillende gebieden van menselijke activiteit.
De hardste stoffen in de natuur
Wat zijn dat? De dichtheid van vaste stoffen bepa alt grotendeels hun hardheid. In de afgelopen jaren hebben wetenschappers verschillende materialen ontdekt die beweren het 'meest duurzame lichaam' te zijn. De hardste stof is fulleriet (een kristal met fullereenmoleculen), dat ongeveer 1,5 keer harder is dan diamant. Helaas is het momenteel alleen beschikbaar in extreem kleine hoeveelheden.
Vandaag de dag is lonsdaleite (zeshoekige diamant) de hardste stof die in de toekomst in de industrie kan worden gebruikt. Het is 58% harder dan diamant. Lonsdaleite is een allotrope modificatie van koolstof. Het kristalrooster lijkt erg op diamant. Een lonsdaleite-cel bevat 4 atomen, terwijl een diamant er 8 bevat. Van de veelgebruikte kristallen blijft diamant tegenwoordig de moeilijkste.
