ČVRSTO STANJE: KARAKTERISTIKE, SVOJSTVA, VRSTE, PRIMJERI - ZNANOST

Čvrstog stanja je jedan od glavnih načina na koji znače agregata za stvaranje kondenzirane ili čvrstih tijela. Čitava zemaljska kora, koja ostavlja more i oceane, raznolik je konglomerat krutih čestica. Primjeri predmeta u čvrstom stanju su knjiga, kamen ili zrnca pijeska.

Možemo komunicirati s krutinama zahvaljujući odbojnosti naših elektrona s onima njihovih atoma ili molekula. Za razliku od tekućina i plinova, sve dok nisu jako toksični, naše ruke ne mogu proći kroz njih, već ih drobiti ili apsorbirati.

Drveni kip ovog konja izrađen je od čvrsto kohezivnih prirodnih polimera. Izvor: Pxhere.

Čvrsti dijelovi su općenito mnogo lakši za rukovanje ili skladištenje nego tekućina ili plin. Ako se njegove čestice fino ne razdvoje, struja vjetra neće je prenositi u drugim smjerovima; oni se fiksiraju u prostoru definiranom intermolekularnim interakcijama njihovih atoma, iona ili molekula.

Čvrsta koncepcija

Čvrsta tvar je stanje materije u kojoj postoji kruti volumen i oblik; čestice koje tvore materijale ili predmete u čvrstom stanju učvršćene su na jednom mjestu, nisu lako stisljive.

Ovo stanje materije je najrazličitije i najbogatije u pogledu kemije i fizike. Imamo ionske, metalne, atomske, molekularne i kovalentne krute tvari, a svaka ima svoju strukturnu jedinicu; odnosno sa vlastitim kristalima. Kad im način agregiranja ne dopušta uspostavljanje urednih unutarnjih struktura, postaju amorfne i zamršene.

Studija čvrstog stanja konvergira se u dizajnu i sintezi novih materijala. Na primjer, drvo, prirodna kruta tvar, također se koristi kao ukrasni materijal i za izgradnju kuća.

Ostali čvrsti materijali omogućavaju izradu automobila, aviona, brodova, svemirskih brodova, nuklearnih reaktora, sportske robe, baterija, katalizatora i mnogih drugih predmeta ili proizvoda.

Opće karakteristike krutih tvari

Opruga i drvo, dijelovi čeljusti, primjer čvrste građe

Glavne karakteristike krutih čestica su:

- Definirali su masu, volumen i oblike. Na primjer, plin nema kraja ni početka, jer oni ovise o spremniku koji ga skladišti.

-Oni su vrlo gusti. Čvrste tvari su gušće od tekućina i plinova; iako postoji nekoliko izuzetaka od pravila, posebno kada se uspoređuju tekućine i krute tvari.

-Udaljenosti koje razdvajaju njegove čestice su kratke. To znači da su postali jako kohezivni ili zbijeni u svom volumenu.

- Njegove intermolekularne interakcije vrlo su jake, inače ne bi postojale kao takve i rastopile bi se ili sublimirale u zemaljskim uvjetima.

Razlike između čestica krute tvari, tekućine i plina

- Mobilnost krutih tvari obično je prilično ograničena, ne samo s materijalnog stanovišta, već i molekularno. Njegove čestice su zatvorene u fiksnom položaju, gdje mogu samo vibrirati, ali se ne kretati ili rotirati (u teoriji).

Svojstva

Tališta

Sve čvrste tvari, osim ako se ne razgrade u procesu i bez obzira jesu li dobri provodnici topline, mogu preći u tekuće stanje na određenoj temperaturi: njihovu talištu. Kad se dostigne ta temperatura, njezine čestice napokon uspijevaju teći i pobjeći iz svojih fiksnih položaja.

Ta talište ovisit će o prirodi krute tvari, njezinim interakcijama, molarnoj masi i kristalnoj energiji rešetke. Kao opće pravilo, ionske krute tvari i kovalentne mreže (poput dijamanta i silicijevog dioksida) imaju najviše tališta; dok su molekularne čvrste tvari najniže.

Sljedeća slika prikazuje kako se ledena kocka (čvrsto stanje) pretvara u tekuće stanje:

stehiometrija

Velik dio krutih tvari je molekulski, budući da su to spojevi čija međumolekularna međudjelovanja omogućuju im da se koaliraju na takav način. Međutim, mnogi su drugi ionski ili djelomično ionski, pa njihove jedinice nisu molekule, već stanice: skup atoma ili iona koji su pravilno organizirani.

Ovdje se formule takvih krutih tvari moraju uvažavati neutralnost naboja, što ukazuje na njihov sastav i stehiometrijske odnose. Na primjer, kruti čija hipotetski formule je ₂ B ₄ O ₂ pokazuje da ima isti broj ugljikovih A što je O (2: 2), a ona ima dvostruko veći broj atoma B (2: 4).

Imajte na umu da su pretplatnici formule A ₂ B ₄ O ₂ cijeli brojevi, što pokazuje da je stehiometrijsko kruto tlo. Sastav mnogih krutih tvari opisan je ovim formulama. Naboji za A, B i O moraju iznositi nulu, jer bi u suprotnom postojao pozitivan ili negativan naboj.

Za krute tvari posebno je korisno znati kako interpretirati njihove formule jer su općenito sastavi tekućina i plinova jednostavniji.

nedostaci

Strukture krutih tvari nisu savršene; predstavljaju nesavršenosti ili nedostatke, koliko god kristalni bili. To nije slučaj s tekućinama, niti sa plinovima. Ne postoje regije tekuće vode za koje se može unaprijed reći da su "dislocirane" od svoje okoline.

Za takve su oštećenja odgovorne za to da su krute tvari krute i krhke, pokazuju svojstva kao što su piroelektričnost i piezoelektričnost ili prestaju imati definirane sastave; to jest, oni su nestehiometrijska kruta tvar (npr. A _0,4 B _1,3 O _0,5).

Reaktivnost

Čvrste tvari su obično manje reaktivne od tekućina i plinova; ali ne zbog kemijskih uzroka, već činjenice da njihove strukture sprečavaju reaktante da napadaju čestice unutar njih, reagirajući prvo s onima na njihovoj površini. Stoga su reakcije u kojima sudjeluju krute tvari sporije; osim ako se ne usitne.

Kad se krutina nalazi u obliku praha, njezine manje čestice imaju veće područje ili površinu za reakciju. Zbog toga se sitne krute tvari često označavaju kao potencijalno opasni reagensi, jer se mogu brzo zapaliti ili snažno reagirati u kontaktu s drugim tvarima ili spojevima.

Često se krutina otopi u reakcijskom mediju da se homogenizira sustav i provede sinteza s većim prinosom.

fizička

Uz iznimku tališta i oštećenja, ono što je već rečeno više odgovara kemijskim svojstvima krutih tvari nego njihovim fizičkim svojstvima. Fizika materijala duboko je usmjerena na to kako svjetlost, zvuk, elektroni i toplina djeluju u interakciji s krutinama, bilo da su kristalne, amorfne, molekularne itd.

Tu se javlja ono što je poznato kao plastična, elastična, kruta, neprozirna, prozirna, supravodljiva, fotoelektrična, mikroporozna, feromagnetska, izolacijska ili poluvodička kruta tvar.

Na primjer, u kemiji su zanimljivi materijali koji ne apsorbiraju ultraljubičasto zračenje ili vidljivu svjetlost, jer se koriste za izradu mjernih ćelija za UV-Vis spektrofotometre. Isto se događa s infracrvenim zračenjem, kada želite karakterizirati spoj dobivanjem njegovog IR spektra ili proučavati tijek reakcije.

Proučavanje i manipuliranje svim fizikalnim svojstvima krutih tvari zahtijeva ogromnu posvećenost, kao i njihovu sintezu i oblikovanje, odabirom „komada“ anorganske, biološke, organske ili organometalne konstrukcije za nove materijale.

Vrste i primjeri

Kako je kemijski nekoliko vrsta krutih tvari, za svaki će se primjer posebno navesti reprezentativni primjeri.

Kristalne krute tvari

S jedne strane postoje kristalne krute tvari. Ti su elementi karakteristični, jer su molekule koje ih sačinjavaju konfigurirane na isti način, što se ponavlja kao uzorak u cijelom kristalu. Svaki se obrazac naziva jedinična ćelija.

Kristalne krute tvari su također karakterizirane definiranim talištem; To znači da, s obzirom na ujednačenost rasporeda njegovih molekula, postoji jednaka udaljenost između svake jedinične stanice, što omogućava da se cijela struktura neprestano transformira pod istom temperaturom.

Primjeri kristalnih krutih tvari mogu biti sol i šećer.

Amorfne krute tvari

Amorfne čvrste tvari karakteriziraju činjenica da konformacija njihovih molekula ne reagira na obrazac, već varira na cijeloj površini.

Budući da ne postoji takav obrazac, talište amorfnih krutih tvari nije definirano, za razliku od kristalnih, što znači da se topi postupno i pod različitim temperaturama.

Primjeri amorfnih krutih tvari mogu biti staklo i većina plastike.

Ionics

Ionska kruta tvar karakterizira postojanje kationa i aniona koji međusobno djeluju elektrostatskom privlačnošću (ionsko vezivanje). Kad su ioni mali, rezultirajuće strukture obično su uvijek kristalne (uzimajući u obzir njihove nedostatke). Među nekim ionskim čvrstim tvarima imamo:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^-), natrijev klorid

-MgO (Mg ²⁺ O ^2-), magnezijev oksid

-CaCO ₃ (Ca ²⁺ CO ₃ ^2-), kalcij karbonat

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ^2-), bakar sulfat

-KF (K ⁺ F ^-), kalijev fluorid

-NH ₄ Cl (NH ₄ ⁺ Cl ^-), amonijev klorid

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2-), cink sulfid

-Fe (C ₆ H ₅ COO) ₃, željezo benzoata

Metalik

Kao što im ime govori, to su krute tvari s metalnim atomima koji međusobno djeluju kroz metalnu vezu:

-Srebro

-Zlato

-Voditi

-Brass

-Bronze

-Bijelo zlato

-Kositar

-Steels

-Duraluminijum

Imajte na umu da se slitine također računaju i kao metalne krute tvari.

atomski

Metalne čvrste tvari su također atomske, jer u teoriji ne postoje kovalentne veze između metalnih atoma (MM). Međutim, plemeniti plinovi u biti se računaju kao atomske vrste jer među njima prevladavaju samo londonske disperzivne sile.

Stoga, iako nisu krute tvari za primjenu (i teško ih je dobiti), kristalizirani plemeniti plinovi primjeri su atomske krute tvari; tj.: helij, neon, argon, kripton itd., krute tvari.

Molekularni i polimerni

Molekule mogu komunicirati kroz Van der Walls sile, gdje njihove molekularne mase, dipolni momenti, vodikove veze, strukture i geometrije igraju važnu ulogu. Što su jače takve interakcije, to je vjerojatnije da će biti u čvrstom obliku.

S druge strane, isto se obrazloženje odnosi i na polimere, koji su zbog visoke prosječne molekularne mase gotovo uvijek krute tvari, a nekoliko njih je amorfno; budući da se njegove polimerne jedinice teško uredno stvaraju u obliku kristala.

Dakle, imamo neke molekularne i polimerne čvrste tvari:

-Suhi led

-Šećer

-Jod

-Benzojeva kiselina

-acetamida

-Rombični sumpor

-Palmitinska kiselina

-Fullerenos

Uskladite

-Kofein

naftalen

-Druga i papir

-Svila

-Teflon

-Polietilen

-Kevlar

-Bakelite

-Polivinil klorid

-Polistiren

-Polypropylene

-Proteins

- Čokoladica

Kovalentne mreže

Konačno, imamo kovalentne mreže između najtvrđih i najtalijih krutih tvari. Neki su primjeri:

-Grafit

-Dijamant

-Kvarcni

-Silicijev karbid

-Borov nitrid

-Aluminijev fosfid

-Galijev arsenid

Reference

Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
Whitten, Davis, Peck i Stanley. (2008). Kemija (8. izd.). CENGAGE Učenje.
Wikipedia. (2019). Kemija u čvrstom stanju. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
Elsevier BV (2019). Čvrsta stanja kemije. ScienceDirect. Oporavilo od: sciencedirect.com
Dr. Michael Lufaso. (SF). Bilješke o predavanju iz kemije o čvrstom stanju. Oporavak od: une.edu
askIITians. (2019). Opće karakteristike čvrstog stanja. Oporavilo od: askiitians.com
David Wood. (2019). Kako atomi i molekule tvore krute tvari: uzorci i kristali. Studija. Oporavilo od: study.com

ČVRSTO STANJE: KARAKTERISTIKE, SVOJSTVA, VRSTE, PRIMJERI - ZNANOST - 2026