Pevné látky jsou takové, které jsou schopny tvořit tělesa a mají objem. Od kapalin a plynů se liší svým tvarem. Pevné látky si zachovávají tvar těla díky tomu, že se jejich částice nemohou volně pohybovat. Liší se svou hustotou, plasticitou, elektrickou vodivostí a barvou. Mají i jiné vlastnosti. Takže například většina těchto látek taje během zahřívání a získává kapalný stav agregace. Některé z nich se po zahřátí okamžitě změní na plyn (sublimaci). Existují ale i takové, které se rozkládají na jiné látky.
Typy pevných látek
Všechny pevné látky jsou rozděleny do dvou skupin.
- Amorfní, ve kterém jsou jednotlivé částice uspořádány náhodně. Jinými slovy: nemají jasnou (definovanou) strukturu. Tyto pevné látky jsou schopné tání ve specifikovaném teplotním rozsahu. Mezi nejběžnější z nich patří sklo a pryskyřice.
- Krystalické, které se zase dělí na 4 typy: atomové, molekulární, iontové, kovové. V nich jsou částice umístěny pouze podle určitého vzoru, konkrétně v uzlech krystalové mřížky. Jeho geometrie v různých látkách se může značně lišit.
Pevné krystalické látky svým počtem převažují nad amorfními.
Typy krystalických pevných látek
V pevném stavu mají téměř všechny látky krystalickou strukturu. Liší se svou strukturou. Krystalové mřížky ve svých uzlech obsahují různé částice a chemické prvky. V souladu s nimi dostali svá jména. Každý typ má pro něj specifické vlastnosti:
- V atomové krystalové mřížce jsou částice pevné látky vázány kovalentní vazbou. Vyniká svou odolností. Díky tomu mají takové látky vysoký bod tání a varu. Tento typ zahrnuje křemen a diamant.
- V molekulární krystalové mřížce se vazba mezi částicemi vyznačuje svou slabostí. Látky tohoto typu se vyznačují snadným varem a tavením. Jsou těkavé, díky čemuž mají určitý zápach. Tyto pevné látky zahrnují led a cukr. Pohyby molekul v pevných látkách tohoto typu se vyznačují svou aktivitou.
- V mřížce iontových krystalů v uzlech se odpovídající částice střídají, nabíjejí se kladně azáporný. Jsou drženy pohromadě elektrostatickou přitažlivostí. Tento typ mřížky existuje v alkáliích, solích, bazických oxidech. Mnoho látek tohoto typu je snadno rozpustných ve vodě. Díky poměrně silné vazbě mezi ionty jsou žáruvzdorné. Téměř všechny jsou bez zápachu, protože se vyznačují netěkavostí. Látky s iontovou mřížkou nejsou schopny vést elektrický proud, protože neobsahují volné elektrony. Typickým příkladem iontové pevné látky je kuchyňská sůl. Taková krystalová mřížka jej činí křehkým. To je způsobeno skutečností, že jakýkoli posun v něm může vést ke vzniku sil odpuzování iontů.
- V kovové krystalové mřížce v uzlech jsou pouze kladně nabité chemické ionty. Mezi nimi jsou volné elektrony, kterými dokonale prochází tepelná a elektrická energie. Proto se všechny kovy vyznačují takovou vlastností, jako je vodivost.
Obecné pojmy tuhého tělesa
Pevné látky a látky jsou prakticky totéž. Tyto termíny označují jeden ze 4 stavů agregace. Pevné látky mají stabilní tvar a povahu tepelného pohybu atomů. Navíc tyto dělají malé oscilace v blízkosti rovnovážných poloh. Vědní obor zabývající se studiem složení a vnitřní struktury se nazývá fyzika pevných látek. Existují další důležité oblasti znalostí zabývající se takovými látkami. Změna tvaru pod vnějšími vlivy a pohybem se nazývá mechanika deformovatelného tělesa.
Vzhledem k různým vlastnostem pevných látek našly uplatnění v různých technických zařízeních vytvořených člověkem. Nejčastěji bylo jejich použití založeno na takových vlastnostech, jako je tvrdost, objem, hmotnost, elasticita, plasticita, křehkost. Moderní věda umožňuje použití jiných kvalit pevných látek, které lze nalézt pouze v laboratoři.
Co jsou krystaly
Krystaly jsou pevná tělesa s částicemi uspořádanými v určitém pořadí. Každá chemická látka má svou vlastní strukturu. Jeho atomy tvoří trojrozměrné periodické uspořádání zvané krystalová mřížka. Pevné látky mají různé strukturální symetrie. Krystalický stav pevné látky je považován za stabilní, protože má minimální množství potenciální energie.
Naprostá většina pevných materiálů (přírodních) se skládá z obrovského množství náhodně orientovaných jednotlivých zrn (krystalitů). Takové látky se nazývají polykrystalické. Patří mezi ně technické slitiny a kovy, stejně jako mnoho hornin. Monokrystalický označuje jednotlivé přírodní nebo syntetické krystaly.
Nejčastěji takové pevné látky vznikají ze stavu kapalné fáze, kterou představuje tavenina nebo roztok. Někdy jsou získávány z plynného skupenství. Tento proces se nazývá krystalizace. Díky vědeckému a technologickému pokroku získal postup pěstování (syntézy) různých látek průmyslové měřítko. Většina krystalů má přirozený tvar v podobě pravidelnéhomnohostěny. Jejich velikosti jsou velmi odlišné. Takže přírodní křemen (horský křišťál) může vážit až stovky kilogramů a diamanty až několik gramů.
V amorfních pevných látkách atomy neustále oscilují kolem náhodně umístěných bodů. Zachovávají si určitý řád na krátké vzdálenosti, ale řád na dlouhé vzdálenosti neexistuje. To je způsobeno tím, že jejich molekuly jsou umístěny ve vzdálenosti, kterou lze srovnat s jejich velikostí. Nejběžnějším příkladem takové pevné látky v našem životě je sklovitý stav. Amorfní látky jsou často považovány za kapalinu s nekonečně vysokou viskozitou. Doba jejich krystalizace je někdy tak dlouhá, že se vůbec neobjeví.
Výše uvedené vlastnosti těchto látek je činí jedinečnými. Amorfní pevné látky jsou považovány za nestabilní, protože se mohou časem stát krystalickými.
Molekuly a atomy, které tvoří pevnou látku, jsou zabaleny ve vysoké hustotě. Prakticky si zachovávají svou vzájemnou polohu vůči ostatním částicím a jsou drženy pohromadě díky mezimolekulární interakci. Vzdálenost mezi molekulami pevné látky v různých směrech se nazývá mřížkový parametr. Struktura hmoty a její symetrie určují mnoho vlastností, jako je elektronový pás, štěpení a optika. Když je na pevnou látku aplikována dostatečně velká síla, mohou být tyto vlastnosti v té či oné míře narušeny. V tomto případě je pevné těleso vystaveno trvalé deformaci.
Atomy pevných látek provádějí oscilační pohyby, které určují jejich držení tepelné energie. Protože jsou zanedbatelné, lze je pozorovat pouze v laboratorních podmínkách. Molekulární struktura pevné látky výrazně ovlivňuje její vlastnosti.
Studium pevných látek
Vlastnosti, vlastnosti těchto látek, jejich vlastnosti a pohyb částic studují různé podsekce fyziky pevných látek.
Pro studium se používají: radiospektroskopie, strukturní analýza pomocí rentgenového záření a další metody. Takto se studují mechanické, fyzikální a tepelné vlastnosti pevných látek. Tvrdost, odolnost proti zatížení, pevnost v tahu, fázové přeměny studuje materiálová věda. To do značné míry odráží fyziku pevných látek. Existuje ještě jedna důležitá moderní věda. Studium existujících a syntéza nových látek se provádí pomocí chemie pevných látek.
Vlastnosti pevných látek
Povaha pohybu vnějších elektronů atomů pevné látky určuje mnoho jejích vlastností, například elektrických. Existuje 5 tříd takových těles. Jsou nastaveny v závislosti na typu atomové vazby:
- Iontové, jehož hlavní charakteristikou je síla elektrostatické přitažlivosti. Jeho vlastnosti: odraz a absorpce světla v infračervené oblasti. Při nízkých teplotách se iontová vazba vyznačuje nízkou elektrickou vodivostí. Příkladem takové látky je sodná sůl kyseliny chlorovodíkové (NaCl).
- Kovalentní,provádí elektronový pár, který patří oběma atomům. Taková vazba se dělí na: jednoduchou (jednoduchou), dvojitou a trojnou. Tyto názvy označují přítomnost párů elektronů (1, 2, 3). Dvojné a trojné vazby se nazývají vícenásobné vazby. Existuje další rozdělení této skupiny. Takže v závislosti na rozložení elektronové hustoty se rozlišují polární a nepolární vazby. První je tvořen různými atomy a druhý je stejný. Takový pevný stav hmoty, jehož příklady jsou diamant (C) a křemík (Si), se vyznačuje svou hustotou. Nejtvrdší krystaly patří konkrétně ke kovalentní vazbě.
- Kovový, vznikl spojením valenčních elektronů atomů. V důsledku toho se objeví běžný elektronový mrak, který je přemístěn vlivem elektrického napětí. Kovová vazba se vytvoří, když jsou vázané atomy velké. Jsou schopny darovat elektrony. V mnoha kovech a komplexních sloučeninách tvoří tato vazba pevné skupenství hmoty. Příklady: sodík, baryum, hliník, měď, zlato. Z nekovových sloučenin lze zaznamenat následující: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Látky s kovovou vazbou (kovy) jsou různorodé svými fyzikálními vlastnostmi. Mohou být kapalné (Hg), měkké (Na, K), velmi tvrdé (W, Nb).
- Molekulární, vznikající v krystalech, které jsou tvořeny jednotlivými molekulami látky. Vyznačuje se mezerami mezi molekulami s nulovou elektronovou hustotou. Síly, které vážou atomy v takových krystalech, jsou významné. Molekuly jsou přitahoványk sobě navzájem pouze slabou mezimolekulární přitažlivostí. Proto se při zahřátí snadno ničí vazby mezi nimi. Vazby mezi atomy je mnohem obtížnější rozbít. Molekulární vazby se dělí na orientační, disperzní a indukční. Příkladem takové látky je pevný metan.
- Vodík, který se vyskytuje mezi kladně polarizovanými atomy molekuly nebo její části a nejmenší záporně polarizovanou částicí jiné molekuly nebo jiné části. Tyto dluhopisy zahrnují led.
Vlastnosti pevných látek
Co dnes víme? Vědci dlouho studovali vlastnosti pevného skupenství hmoty. Při vystavení teplotě se také mění. Přechod takového tělesa v kapalinu se nazývá tání. Přeměna pevné látky na plynné skupenství se nazývá sublimace. Když se teplota sníží, dojde ke krystalizaci pevné látky. Některé látky pod vlivem chladu přecházejí do amorfní fáze. Vědci tento proces nazývají vitrifikací.
Během fázových přechodů se vnitřní struktura pevných látek mění. Největší řád získává s klesající teplotou. Při atmosférickém tlaku a teplotě T > 0 K tuhnou všechny v přírodě existující látky. Pouze helium, které ke krystalizaci vyžaduje tlak 24 atm, je výjimkou z tohoto pravidla.
Pevné skupenství hmoty jí dává různé fyzikální vlastnosti. Charakterizují specifické chování tělespod vlivem určitých polí a sil. Tyto vlastnosti jsou rozděleny do skupin. Existují 3 způsoby expozice, odpovídající 3 druhům energie (mechanická, tepelná, elektromagnetická). Podle toho existují 3 skupiny fyzikálních vlastností pevných látek:
- Mechanické vlastnosti spojené se stresem a deformací těl. Podle těchto kritérií se pevné látky dělí na elastické, reologické, pevnostní a technologické. V klidu si takové těleso zachovává svůj tvar, ale působením vnější síly se může měnit. Jeho deformace přitom může být plastická (původní forma se nevrací), elastická (vrací se do původní podoby) nebo destruktivní (při dosažení určitého prahu dochází k rozpadu / lomu). Odezva na působící sílu je popsána moduly pružnosti. Pevné tělo odolává nejen stlačení, natažení, ale i posunům, kroucení a ohýbání. Pevnost pevného tělesa je jeho vlastností odolávat ničení.
- Tepelné, projevující se při vystavení tepelným polím. Jednou z nejdůležitějších vlastností je bod tání, při kterém těleso přechází do kapalného stavu. Je pozorován v krystalických pevných látkách. Amorfní tělesa mají latentní teplo tání, protože k jejich přechodu do kapalného stavu s rostoucí teplotou dochází postupně. Při dosažení určitého tepla ztrácí amorfní těleso svou pružnost a získává plasticitu. Tento stav znamená, že dosáhl teploty skelného přechodu. Při zahřátí dochází k deformaci pevné látky. A většinou se rozšíří. Kvantitativně totostát se vyznačuje určitým koeficientem. Tělesná teplota ovlivňuje mechanické vlastnosti, jako je tekutost, tažnost, tvrdost a pevnost.
- Elektromagnetické, spojené s dopadem toků mikročástic a elektromagnetických vln vysoké tuhosti na pevnou látku. Podmíněně se na ně vztahují také vlastnosti záření.
Struktura zóny
Pevné látky jsou také klasifikovány podle tzv. pásmové struktury. Takže mezi nimi rozlišují:
- Vodiče, vyznačující se tím, že se jejich vodivostní a valenční pásma překrývají. V tomto případě se mezi nimi mohou elektrony pohybovat a přijímat sebemenší energii. Všechny kovy jsou vodiče. Když je na takové těleso aplikován potenciálový rozdíl, vzniká elektrický proud (díky volnému pohybu elektronů mezi body s nejnižším a nejvyšším potenciálem).
- Dielektrika, jejichž zóny se nepřekrývají. Interval mezi nimi přesahuje 4 eV. K vedení elektronů z valence do vodivostního pásma je potřeba hodně energie. Díky těmto vlastnostem dielektrika prakticky nevedou proud.
- Polovodiče charakterizované absencí vodivostních a valenčních pásem. Interval mezi nimi je menší než 4 eV. K přenosu elektronů z valence do vodivého pásma je potřeba méně energie než u dielektrik. Čisté (nedopované a nativní) polovodiče neprocházejí dobře proudem.
Pohyby molekul v pevných látkách určují jejich elektromagnetické vlastnosti.
Jinévlastnosti
Pevná tělesa se také dělí podle jejich magnetických vlastností. Existují tři skupiny:
- Diamagnety, jejichž vlastnosti málo závisí na teplotě nebo stavu agregace.
- Paramagnety vyplývající z orientace vodivostních elektronů a magnetických momentů atomů. Podle Curieho zákona jejich náchylnost klesá úměrně s teplotou. Takže při 300 K je to 10-5.
- Tělesa s uspořádanou magnetickou strukturou, s řádem atomů na velké vzdálenosti. V uzlech jejich mřížky se periodicky nacházejí částice s magnetickými momenty. Takové pevné látky a látky se často používají v různých oblastech lidské činnosti.
Nejtvrdší látky v přírodě
Co to je? Hustota pevných látek do značné míry určuje jejich tvrdost. V posledních letech vědci objevili několik materiálů, které tvrdí, že jsou „nejodolnějším tělem“. Nejtvrdší látkou je fullerit (krystal s molekulami fullerenu), který je asi 1,5x tvrdší než diamant. Bohužel je momentálně k dispozici pouze ve velmi malém množství.
Nejtvrdší látkou, která může být v budoucnu v průmyslu použita, je dnes lonsdaleit (šestihranný diamant). Je o 58 % tvrdší než diamant. Lonsdaleit je alotropní modifikace uhlíku. Jeho krystalová mřížka je velmi podobná diamantu. Lonsdaleitová buňka obsahuje 4 atomy, zatímco diamant obsahuje 8. Z široce používaných krystalů dnes zůstává diamant nejtvrdším.
