Substâncias sólidas são aquelas capazes de formar corpos e ter volume. Eles diferem de líquidos e gases em sua forma. Os sólidos mantêm a forma do corpo devido ao fato de suas partículas não serem capazes de se mover livremente. Eles diferem em sua densidade, plasticidade, condutividade elétrica e cor. Eles também têm outras propriedades. Assim, por exemplo, a maioria dessas substâncias derrete durante o aquecimento, adquirindo um estado líquido de agregação. Alguns deles, quando aquecidos, imediatamente se transformam em gás (sublimado). Mas também há aqueles que se decompõem em outras substâncias.
Tipos de sólidos
Todos os sólidos são divididos em dois grupos.
- Amorphous, em que as partículas individuais são dispostas aleatoriamente. Em outras palavras: eles não têm uma estrutura clara (definida). Esses sólidos são capazes de fundir dentro de uma faixa de temperatura especificada. Os mais comuns incluem vidro e resina.
- Cristalinos, que, por sua vez, são divididos em 4 tipos: atômico, molecular, iônico, metálico. Neles, as partículas estão localizadas apenas de acordo com um determinado padrão, a saber, nos nós da rede cristalina. Sua geometria em diferentes substâncias pode variar muito.
Substâncias cristalinas sólidas prevalecem sobre as amorfas em seu número.
Tipos de sólidos cristalinos
No estado sólido, quase todas as substâncias têm uma estrutura cristalina. Eles diferem em sua estrutura. As redes cristalinas em seus nós contêm várias partículas e elementos químicos. É de acordo com eles que eles receberam seus nomes. Cada tipo tem propriedades específicas para ele:
- Na rede cristalina atômica, as partículas de um sólido são ligadas por uma ligação covalente. Destaca-se pela sua durabilidade. Devido a isso, tais substâncias têm um alto ponto de fusão e ebulição. Este tipo inclui quartzo e diamante.
- Na rede cristalina molecular, a ligação entre as partículas se distingue por sua fraqueza. As substâncias deste tipo são caracterizadas pela facilidade de ebulição e fusão. Eles são voláteis, devido ao qual eles têm um certo cheiro. Esses sólidos incluem gelo e açúcar. Os movimentos de moléculas em sólidos desse tipo são diferenciados por sua atividade.
- Na rede cristalina iônica nos nós, as partículas correspondentes se alternam, carregadas positivamente enegativo. Eles são mantidos juntos por atração eletrostática. Este tipo de rede existe em álcalis, sais, óxidos básicos. Muitas substâncias deste tipo são facilmente solúveis em água. Devido à ligação bastante forte entre os íons, eles são refratários. Quase todos eles são inodoros, pois são caracterizados pela não volatilidade. Substâncias com uma rede iônica são incapazes de conduzir corrente elétrica, pois não contêm elétrons livres. Um exemplo típico de um sólido iônico é o sal de mesa. Tal rede cristalina a torna quebradiça. Isso se deve ao fato de que qualquer mudança nele pode levar ao surgimento de forças de repulsão de íons.
- Na rede cristalina do metal nos nós existem apenas íons químicos carregados positivamente. Entre eles existem elétrons livres através dos quais a energia térmica e elétrica passa perfeitamente. É por isso que quaisquer metais são distinguidos por uma característica como condutividade.
Conceitos gerais de um corpo rígido
Sólidos e substâncias são praticamente a mesma coisa. Esses termos referem-se a um dos 4 estados de agregação. Os sólidos têm uma forma estável e a natureza do movimento térmico dos átomos. Além disso, estes últimos fazem pequenas oscilações perto das posições de equilíbrio. O ramo da ciência que lida com o estudo da composição e estrutura interna é chamado de física do estado sólido. Existem outras áreas importantes do conhecimento que tratam dessas substâncias. A mudança de forma sob influências externas e movimento é chamada de mecânica de um corpo deformável.
Devido às diferentes propriedades dos sólidos, eles encontraram aplicação em vários dispositivos técnicos criados pelo homem. Na maioria das vezes, seu uso foi baseado em propriedades como dureza, volume, massa, elasticidade, plasticidade, fragilidade. A ciência moderna permite o uso de outras qualidades de sólidos que só podem ser encontradas em laboratório.
O que são cristais
Cristais são corpos sólidos com partículas dispostas em uma determinada ordem. Cada substância química tem sua própria estrutura. Seus átomos formam um arranjo periódico tridimensional chamado de rede cristalina. Os sólidos têm diferentes simetrias estruturais. O estado cristalino de um sólido é considerado estável porque possui uma quantidade mínima de energia potencial.
A grande maioria dos materiais sólidos (naturais) consiste em um grande número de grãos individuais orientados aleatoriamente (cristalitos). Tais substâncias são chamadas policristalinas. Estes incluem ligas técnicas e metais, bem como muitas rochas. Monocristalino refere-se a cristais únicos naturais ou sintéticos.
Na maioria das vezes, tais sólidos são formados a partir do estado da fase líquida, representada por uma fusão ou solução. Às vezes, eles são obtidos do estado gasoso. Este processo é chamado de cristalização. Graças ao progresso científico e tecnológico, o processo de cultivo (síntese) de várias substâncias ganhou escala industrial. A maioria dos cristais tem uma forma natural na forma de cristais regularespoliedros. Seus tamanhos são muito diferentes. Assim, o quartzo natural (cristal de rocha) pode pesar até centenas de quilos e os diamantes - até vários gramas.
Em sólidos amorfos, os átomos estão em constante oscilação em torno de pontos localizados aleatoriamente. Eles mantêm uma certa ordem de curto alcance, mas não há ordem de longo alcance. Isso se deve ao fato de suas moléculas estarem localizadas a uma distância que pode ser comparada com seu tamanho. O exemplo mais comum de tal sólido em nossa vida é o estado vítreo. Substâncias amorfas são frequentemente consideradas como um líquido com uma viscosidade infinitamente alta. O tempo de sua cristalização às vezes é tão longo que nem aparece.
São as propriedades acima dessas substâncias que as tornam únicas. Sólidos amorfos são considerados instáveis porque podem se tornar cristalinos com o tempo.
As moléculas e átomos que compõem um sólido são empacotados em alta densidade. Eles praticamente mantêm sua posição mútua em relação a outras partículas e são mantidos juntos devido à interação intermolecular. A distância entre as moléculas de um sólido em diferentes direções é chamada de parâmetro de rede. A estrutura da matéria e sua simetria determinam muitas propriedades, como a banda de elétrons, clivagem e óptica. Quando uma força suficientemente grande é aplicada a um sólido, essas qualidades podem ser violadas em um grau ou outro. Neste caso, o corpo sólido está sujeito a deformação permanente.
Átomos de sólidos fazem movimentos oscilatórios, que determinam sua posse de energia térmica. Por serem desprezíveis, só podem ser observados em condições de laboratório. A estrutura molecular de um sólido afeta muito suas propriedades.
Estudo dos sólidos
Características, propriedades dessas substâncias, suas qualidades e o movimento das partículas são estudados por várias subseções da física do estado sólido.
Para o estudo são utilizados: radioespectroscopia, análise estrutural por raios X e outros métodos. É assim que se estudam as propriedades mecânicas, físicas e térmicas dos sólidos. Dureza, resistência à carga, resistência à tração, transformações de fase são estudadas pela ciência dos materiais. Em grande parte ecoa a física do estado sólido. Há outra ciência moderna importante. O estudo das substâncias existentes e a síntese de novas substâncias são realizadas pela química do estado sólido.
Características dos sólidos
A natureza do movimento dos elétrons externos dos átomos de um sólido determina muitas de suas propriedades, por exemplo, elétricas. Existem 5 classes de tais corpos. Eles são definidos dependendo do tipo de ligação atômica:
- Ionic, cuja principal característica é a força de atração eletrostática. Suas características: reflexão e absorção da luz na região do infravermelho. Em baixas temperaturas, a ligação iônica é caracterizada por baixa condutividade elétrica. Um exemplo de tal substância é o sal de sódio do ácido clorídrico (NaCl).
- Covalente,realizada por um par de elétrons que pertence a ambos os átomos. Tal ligação é dividida em: simples (simples), dupla e tripla. Esses nomes indicam a presença de pares de elétrons (1, 2, 3). As ligações duplas e triplas são chamadas de ligações múltiplas. Há outra divisão deste grupo. Assim, dependendo da distribuição da densidade eletrônica, as ligações polares e não polares são distinguidas. O primeiro é formado por átomos diferentes, e o segundo é o mesmo. Tal estado sólido da matéria, exemplos dos quais são diamante (C) e silício (Si), distingue-se por sua densidade. Os cristais mais duros pertencem especificamente à ligação covalente.
- Metálico, formado pela combinação dos elétrons de valência dos átomos. Como resultado, aparece uma nuvem de elétrons comum, que é deslocada sob a influência da tensão elétrica. Uma ligação metálica é formada quando os átomos ligados são grandes. Eles são capazes de doar elétrons. Em muitos metais e compostos complexos, essa ligação forma um estado sólido da matéria. Exemplos: sódio, bário, alumínio, cobre, ouro. Dos compostos não metálicos, pode-se notar o seguinte: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. As substâncias com uma ligação metálica (metais) são diversas em suas propriedades físicas. Podem ser líquidos (Hg), macios (Na, K), muito duros (W, Nb).
- Molecular, surgindo em cristais, que são formados por moléculas individuais de uma substância. É caracterizada por lacunas entre moléculas com densidade eletrônica zero. As forças que ligam os átomos em tais cristais são significativas. As moléculas são atraídasentre si apenas por fraca atração intermolecular. É por isso que as ligações entre eles são facilmente destruídas quando aquecidas. As ligações entre os átomos são muito mais difíceis de quebrar. A ligação molecular é subdividida em orientacional, de dispersão e indutiva. Um exemplo de tal substância é o metano sólido.
- Hidrogênio, que ocorre entre os átomos polarizados positivamente de uma molécula ou sua parte e a menor partícula polarizada negativamente de outra molécula ou outra parte. Esses títulos incluem gelo.
Propriedades dos sólidos
O que sabemos hoje? Os cientistas há muito estudam as propriedades do estado sólido da matéria. Quando exposto à temperatura, também muda. A transição de tal corpo para um líquido é chamada de fusão. A transformação de um sólido em um estado gasoso é chamada de sublimação. Quando a temperatura é reduzida, ocorre a cristalização do sólido. Algumas substâncias sob a influência do frio passam para a fase amorfa. Os cientistas chamam esse processo de vitrificação.
Durante as transições de fase, a estrutura interna dos sólidos muda. Adquire a maior ordem com a diminuição da temperatura. À pressão atmosférica e temperatura T > 0 K, quaisquer substâncias que existam na natureza solidificam. Apenas o hélio, que requer uma pressão de 24 atm para cristalizar, é uma exceção a esta regra.
O estado sólido da matéria lhe confere várias propriedades físicas. Eles caracterizam o comportamento específico dos corpossob a influência de certos campos e forças. Essas propriedades são divididas em grupos. Existem 3 formas de exposição, correspondendo a 3 tipos de energia (mecânica, térmica, eletromagnética). Assim, existem 3 grupos de propriedades físicas dos sólidos:
- Propriedades mecânicas associadas à tensão e deformação dos corpos. De acordo com esses critérios, os sólidos são divididos em elásticos, reológicos, de resistência e tecnológicos. Em repouso, esse corpo mantém sua forma, mas pode mudar sob a ação de uma força externa. Ao mesmo tempo, sua deformação pode ser plástica (a forma inicial não retorna), elástica (retorna à sua forma original) ou destrutiva (quando um determinado limiar é atingido, ocorre a deterioração/fratura). A resposta à força aplicada é descrita pelos módulos de elasticidade. Um corpo sólido resiste não apenas à compressão, alongamento, mas também a deslocamentos, torção e flexão. A força de um corpo sólido é sua propriedade de resistir à destruição.
- Térmico, manifestado quando exposto a campos térmicos. Uma das propriedades mais importantes é o ponto de fusão no qual o corpo passa para o estado líquido. É observado em sólidos cristalinos. Os corpos amorfos têm um calor latente de fusão, pois sua transição para o estado líquido com o aumento da temperatura ocorre gradualmente. Ao atingir um certo calor, o corpo amorfo perde sua elasticidade e adquire plasticidade. Este estado significa que atingiu a temperatura de transição vítrea. Quando aquecido, ocorre a deformação do sólido. E na maioria das vezes ele se expande. Quantitativamente issoo estado é caracterizado por um certo coeficiente. A temperatura corporal afeta propriedades mecânicas como fluidez, ductilidade, dureza e resistência.
- Eletromagnético, associado ao impacto sobre uma substância sólida de fluxos de micropartículas e ondas eletromagnéticas de alta rigidez. As propriedades de radiação também são condicionalmente referidas a elas.
Estrutura de zonas
Sólidos também são classificados de acordo com a chamada estrutura de bandas. Então, entre eles eles distinguem:
- Condutores, caracterizados por suas bandas de condução e de valência se sobreporem. Nesse caso, os elétrons podem se mover entre eles, recebendo a menor energia. Todos os metais são condutores. Quando uma diferença de potencial é aplicada a tal corpo, uma corrente elétrica é formada (devido ao livre movimento de elétrons entre os pontos de menor e maior potencial).
- Dielétricos cujas zonas não se sobrepõem. O intervalo entre eles excede 4 eV. É necessária muita energia para conduzir os elétrons da banda de valência para a banda de condução. Devido a essas propriedades, os dielétricos praticamente não conduzem corrente.
- Semicondutores caracterizados pela ausência de bandas de condução e valência. O intervalo entre eles é inferior a 4 eV. Para transferir elétrons da banda de valência para a banda de condução, é necessária menos energia do que para os dielétricos. Semicondutores puros (não dopados e nativos) não passam bem a corrente.
Os movimentos das moléculas nos sólidos determinam suas propriedades eletromagnéticas.
Outropropriedades
Os corpos sólidos também são subdivididos de acordo com suas propriedades magnéticas. Existem três grupos:
- Diamagnets, cujas propriedades dependem pouco da temperatura ou estado de agregação.
- Paraímãs resultantes da orientação dos elétrons de condução e momentos magnéticos dos átomos. De acordo com a lei de Curie, sua suscetibilidade diminui proporcionalmente à temperatura. Então, a 300 K é 10-5.
- Corpos com uma estrutura magnética ordenada, com uma ordem de átomos de longo alcance. Nos nós de sua rede, partículas com momentos magnéticos são localizadas periodicamente. Esses sólidos e substâncias são frequentemente usados em vários campos da atividade humana.
As substâncias mais duras da natureza
O que são? A densidade dos sólidos determina em grande parte sua dureza. Nos últimos anos, os cientistas descobriram vários materiais que afirmam ser o "corpo mais durável". A substância mais dura é a fulerita (um cristal com moléculas de fulereno), que é cerca de 1,5 vezes mais dura que o diamante. Infelizmente, atualmente está disponível apenas em quantidades extremamente pequenas.
Hoje, a substância mais dura que poderá ser utilizada no futuro na indústria é a lonsdaleíta (diamante hexagonal). É 58% mais duro que o diamante. Lonsdaleíta é uma modificação alotrópica do carbono. Sua estrutura cristalina é muito semelhante ao diamante. Uma célula de lonsdaleíta contém 4 átomos, enquanto um diamante contém 8. Dos cristais amplamente utilizados, o diamante continua sendo o mais duro hoje.
