Katı maddeler cisim oluşturabilen ve hacmi olan maddelerdir. Şekilleri ile sıvı ve gazlardan farklıdırlar. Katılar, parçacıklarının serbestçe hareket edememesi nedeniyle vücudun şeklini korur. Yoğunlukları, plastisiteleri, elektriksel iletkenlikleri ve renkleri bakımından farklılık gösterirler. Ayrıca başka özellikleri de var. Bu nedenle, örneğin, bu maddelerin çoğu ısıtma sırasında erir ve sıvı bir kümelenme durumu elde eder. Bazıları ısıtıldığında hemen gaza dönüşür (süblimleşir). Ama başka maddelere ayrışanlar da var.
Katı türleri
Tüm katılar iki gruba ayrılır.
- Amorf, içinde tek tek parçacıkların rastgele düzenlendiği. Başka bir deyişle: net (tanımlanmış) bir yapıları yoktur. Bu katılar, belirli bir sıcaklık aralığında erime yeteneğine sahiptir. Bunlardan en yaygın olanları cam ve reçinedir.
- Sırasıyla 4 türe ayrılan kristal: atomik, moleküler, iyonik, metalik. İçlerinde parçacıklar sadece belirli bir desene göre, yani kristal kafesin düğümlerinde bulunur. Farklı maddelerdeki geometrisi büyük ölçüde değişebilir.
Katı kristalli maddeler sayıca amorf maddelere üstün gelir.
Kristal katıların türleri
Katı halde hemen hemen tüm maddeler kristal bir yapıya sahiptir. Yapılarında farklılık gösterirler. Düğümlerindeki kristal kafesler, çeşitli parçacıklar ve kimyasal elementler içerir. İsimlerini almaları onlara göredir. Her türün kendine özgü özellikleri vardır:
- Atomik kristal kafeste, bir katının parçacıkları bir kovalent bağla bağlanır. Dayanıklılığı ile dikkat çekiyor. Bu nedenle, bu tür maddeler yüksek bir erime ve kaynama noktasına sahiptir. Bu tip kuvars ve elmas içerir.
- Moleküler kristal kafeste, parçacıklar arasındaki bağ, zayıflığı ile ayırt edilir. Bu tip maddeler, kaynama ve erime kolaylığı ile karakterize edilir. Belirli bir kokuya sahip oldukları için uçucudurlar. Bu katı maddeler arasında buz ve şeker bulunur. Bu tür katılardaki moleküllerin hareketleri, etkinlikleriyle ayırt edilir.
- Düğümlerdeki iyonik kristal kafeste, karşılık gelen parçacıklar dönüşümlü, pozitif yüklü veolumsuz. Elektrostatik çekim ile bir arada tutulurlar. Bu tip kafes alkalilerde, tuzlarda, bazik oksitlerde bulunur. Bu türden birçok madde suda kolayca çözünür. İyonlar arasındaki oldukça güçlü bağ nedeniyle refrakterdirler. Hemen hemen hepsi kokusuzdur, çünkü uçucu olmamaları ile karakterize edilirler. İyonik kafesli maddeler, serbest elektron içermedikleri için elektrik akımını iletemezler. İyonik bir katının tipik bir örneği sofra tuzudur. Böyle bir kristal kafes onu kırılgan yapar. Bunun nedeni, herhangi bir kaymanın iyon itme kuvvetlerinin ortaya çıkmasına neden olabilmesidir.
- Düğümlerdeki metal kristal kafeste yalnızca pozitif yüklü kimyasal iyonlar vardır. Aralarında termal ve elektrik enerjisinin mükemmel bir şekilde geçtiği serbest elektronlar vardır. Bu nedenle, herhangi bir metal iletkenlik gibi bir özellik ile ayırt edilir.
Katı bir cismin genel kavramları
Katılar ve maddeler pratikte aynı şeydir. Bu terimler, 4 toplama durumundan birine atıfta bulunur. Katılar kararlı bir şekle ve atomların termal hareketinin doğasına sahiptir. Ayrıca, ikincisi denge konumlarının yakınında küçük salınımlar yapar. Kompozisyon ve iç yapı ile ilgilenen bilim dalına katı hal fiziği denir. Bu tür maddelerle ilgili başka önemli bilgi alanları da vardır. Dış etkiler ve hareket altında şekil değişikliğine deforme olabilen bir cismin mekaniği denir.
Katıların farklı özelliklerinden dolayı, insan tarafından yaratılan çeşitli teknik cihazlarda uygulama bulmuşlardır. Çoğu zaman, kullanımları sertlik, hacim, kütle, elastikiyet, plastisite, kırılganlık gibi özelliklere dayanıyordu. Modern bilim, katıların yalnızca laboratuvarda bulunabilen diğer niteliklerinin kullanılmasına izin verir.
Kristal nedir
Kristaller, belirli bir düzende düzenlenmiş parçacıklara sahip katı cisimlerdir. Her kimyasal maddenin kendi yapısı vardır. Atomları, kristal kafes adı verilen üç boyutlu periyodik bir düzenleme oluşturur. Katıların farklı yapısal simetrileri vardır. Bir katının kristal hali, minimum miktarda potansiyel enerjiye sahip olduğu için kararlı olarak kabul edilir.
Katı malzemelerin (doğal) büyük çoğunluğu, çok sayıda rastgele yönlendirilmiş tek tek taneciklerden (kristaller) oluşur. Bu tür maddelere polikristal denir. Bunlara teknik alaşımlar ve metaller ile birçok kaya dahildir. Monokristal, tek doğal veya sentetik kristalleri ifade eder.
Çoğu zaman, bu tür katılar, bir eriyik veya çözelti ile temsil edilen sıvı fazın durumundan oluşur. Bazen gaz halinden elde edilirler. Bu işleme kristalizasyon denir. Bilimsel ve teknolojik ilerleme sayesinde, çeşitli maddelerin yetiştirilmesi (sentezi) prosedürü endüstriyel bir ölçek kazanmıştır. Çoğu kristal, düzenli formda doğal bir şekle sahiptir.çokyüzlü. Boyutları çok farklı. Bu nedenle, doğal kuvars (kaya kristali) yüzlerce kilograma kadar ve elmaslar - birkaç grama kadar ağırlığa sahip olabilir.
Amorf katılarda, atomlar rastgele yerleştirilmiş noktalar etrafında sürekli salınım halindedir. Belli bir kısa menzilli düzeni korurlar, ancak uzun menzilli bir düzen yoktur. Bunun nedeni, moleküllerinin boyutlarıyla karşılaştırılabilecek bir mesafede bulunmasıdır. Böyle bir katının hayatımızdaki en yaygın örneği camsı halidir. Amorf maddeler genellikle sonsuz yüksek viskoziteye sahip bir sıvı olarak kabul edilir. Kristalleşme süreleri bazen o kadar uzundur ki hiç görünmezler.
Onları benzersiz kılan bu maddelerin yukarıdaki özellikleridir. Amorf katılar kararsız olarak kabul edilirler çünkü zamanla kristalleşebilirler.
Katıyı oluşturan moleküller ve atomlar yüksek yoğunlukta paketlenir. Pratik olarak diğer parçacıklara göre karşılıklı konumlarını korurlar ve moleküller arası etkileşim nedeniyle bir arada tutulurlar. Farklı yönlerde bir katının molekülleri arasındaki mesafeye kafes parametresi denir. Maddenin yapısı ve simetrisi elektron bandı, bölünme ve optik gibi birçok özelliği belirler. Bir katıya yeterince büyük bir kuvvet uygulandığında, bu nitelikler bir dereceye kadar ihlal edilebilir. Bu durumda katı gövde kalıcı deformasyona uğrar.
Katı atomları, termal enerjiye sahip olduklarını belirleyen salınım hareketleri yapar. İhmal edilebilir oldukları için ancak laboratuvar koşullarında gözlemlenebilirler. Bir katının moleküler yapısı, özelliklerini büyük ölçüde etkiler.
Katıların incelenmesi
Bu maddelerin özellikleri, özellikleri, nitelikleri ve parçacıkların hareketi katı hal fiziğinin çeşitli alt bölümlerinde incelenir.
Çalışma için kullanılanlar: radyospektroskopi, röntgen kullanarak yapısal analiz ve diğer yöntemler. Katıların mekanik, fiziksel ve termal özellikleri bu şekilde incelenir. Sertlik, yük direnci, çekme mukavemeti, faz dönüşümleri malzeme bilimi ile incelenir. Büyük ölçüde katı hal fiziğini yansıtır. Bir başka önemli modern bilim daha var. Mevcut maddelerin incelenmesi ve yeni maddelerin sentezi katı hal kimyası ile gerçekleştirilir.
Katıların özellikleri
Bir katının atomlarının dış elektronlarının hareketinin doğası, onun özelliklerinin çoğunu belirler, örneğin elektrik. Bu tür organların 5 sınıfı vardır. Atomik bağın türüne göre ayarlanırlar:
- İyonik, ana özelliği elektrostatik çekim kuvvetidir. Özellikleri: kızılötesi bölgede ışığın yansıması ve emilmesi. Düşük sıcaklıklarda iyonik bağ, düşük elektrik iletkenliği ile karakterize edilir. Böyle bir maddenin bir örneği, hidroklorik asidin (NaCl) sodyum tuzudur.
- Kovalent,her iki atoma da ait olan bir elektron çifti tarafından gerçekleştirilir. Böyle bir bağ ayrılır: tek (basit), çift ve üçlü. Bu isimler elektron çiftlerinin (1, 2, 3) varlığını gösterir. İkili ve üçlü bağlara çoklu bağlar denir. Bu grubun başka bir bölümü var. Böylece elektron yoğunluğunun dağılımına bağlı olarak polar ve polar olmayan bağlar ayırt edilir. Birincisi farklı atomlardan oluşur ve ikincisi aynıdır. Örnekleri elmas (C) ve silikon (Si) olan böyle bir katı hali, yoğunluğu ile ayırt edilir. En sert kristaller özellikle kovalent bağa aittir.
- Metalik, atomların değerlik elektronlarının birleştirilmesiyle oluşur. Sonuç olarak, elektrik voltajının etkisi altında yer değiştiren ortak bir elektron bulutu ortaya çıkar. Bağlanmış atomlar büyük olduğunda metalik bir bağ oluşur. Elektron verme yeteneğine sahiptirler. Birçok metalde ve kompleks bileşiklerde bu bağ maddenin katı halini oluşturur. Örnekler: sodyum, baryum, alüminyum, bakır, altın. Metalik olmayan bileşiklerden aşağıdakiler not edilebilir: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Metalik bağı olan maddeler (metaller) fiziksel özelliklerinde çeşitlilik gösterir. Sıvı (Hg), yumuşak (Na, K), çok sert (W, Nb) olabilirler.
- Moleküler, bir maddenin tek tek molekülleri tarafından oluşturulan kristallerde ortaya çıkar. Sıfır elektron yoğunluğuna sahip moleküller arasındaki boşluklarla karakterizedir. Bu tür kristallerdeki atomları bağlayan kuvvetler önemlidir. Moleküller çekilirbirbirlerine sadece zayıf moleküller arası çekim ile. Bu nedenle, ısıtıldığında aralarındaki bağlar kolayca yok edilir. Atomlar arasındaki bağların kırılması çok daha zordur. Moleküler bağlanma, oryantasyonel, dispersiyon ve endüktif olarak alt bölümlere ayrılır. Böyle bir maddenin bir örneği katı metandır.
- Hidrojen, bir molekülün veya parçasının pozitif polarize atomları ile başka bir molekülün veya başka bir parçanın negatif polarize en küçük parçacığı arasında oluşur. Bu bağlara buz dahildir.
Katıların özellikleri
Bugün ne biliyoruz? Bilim adamları uzun zamandır maddenin katı halinin özelliklerini incelediler. Sıcaklığa maruz kaldığında da değişir. Böyle bir cismin sıvı hale geçişine erime denir. Bir katının gaz haline dönüşmesine süblimleşme denir. Sıcaklık düşürüldüğünde, katının kristalleşmesi meydana gelir. Soğuğun etkisi altındaki bazı maddeler amorf faza geçer. Bilim adamları bu işleme vitrifikasyon diyorlar.
Faz geçişleri sırasında katıların iç yapısı değişir. Azalan sıcaklıkla en büyük mertebeyi alır. Atmosfer basıncında ve T > 0 K sıcaklığında, doğada bulunan herhangi bir madde katılaşır. Sadece kristalleşmesi için 24 atm basınç gerektiren helyum bu kuralın bir istisnasıdır.
Maddenin katı hali ona çeşitli fiziksel özellikler kazandırır. Bedenlerin belirli davranışlarını karakterize ederler.belirli alanların ve kuvvetlerin etkisi altında. Bu özellikler gruplara ayrılmıştır. 3 tür enerjiye (mekanik, termal, elektromanyetik) karşılık gelen 3 maruz kalma yolu vardır. Buna göre katıların 3 grup fiziksel özelliği vardır:
- Vücutların gerilmesi ve gerilmesi ile ilişkili mekanik özellikler. Bu kriterlere göre katılar elastik, reolojik, mukavemet ve teknolojik olarak ayrılır. Dinlenme halindeyken, böyle bir cisim şeklini korur, ancak bir dış kuvvetin etkisi altında değişebilir. Aynı zamanda deformasyonu plastik (ilk form geri dönmez), elastik (orijinal formuna döner) veya yıkıcı (belirli bir eşiğe ulaşıldığında çürüme / kırılma meydana gelir) olabilir. Uygulanan kuvvete tepki, elastisite modülü ile tanımlanır. Katı bir gövde yalnızca sıkıştırmaya, gerilmeye değil, aynı zamanda kaymalara, burulmaya ve bükülmeye de karşı dayanıklıdır. Sağlam bir cismin gücü, yıkıma direnme özelliğidir.
- Termal, termal alanlara maruz kaldığında kendini gösterir. En önemli özelliklerden biri, vücudun sıvı hale geçtiği erime noktasıdır. Kristal katılarda gözlenir. Amorf cisimler, artan sıcaklıkla sıvı bir duruma geçişleri kademeli olarak gerçekleştiğinden, gizli bir füzyon ısısına sahiptir. Amorf cisim belli bir sıcaklığa ulaştığında elastikiyetini kaybeder ve plastisite kazanır. Bu durum camsı geçiş sıcaklığına ulaştığı anlamına gelir. Isıtıldığında, katının deformasyonu meydana gelir. Ve çoğu zaman genişler. kantitatif olarak budurum belirli bir katsayı ile karakterize edilir. Vücut sıcaklığı akışkanlık, süneklik, sertlik ve mukavemet gibi mekanik özellikleri etkiler.
- Elektromanyetik, mikropartikül akışlarının katı bir madde üzerindeki etkisiyle ve yüksek sertlikteki elektromanyetik dalgalarla ilişkilidir. Radyasyon özelliklerine de şartlı olarak atıfta bulunulur.
Bölge yapısı
Katılar da sözde bant yapısına göre sınıflandırılır. Böylece, aralarında şunları ayırt ederler:
- İletkenler, iletkenlik ve değerlik bantlarının üst üste gelmesiyle karakterize edilir. Bu durumda elektronlar aralarında en ufak bir enerji alarak hareket edebilirler. Tüm metaller iletkendir. Böyle bir cisme potansiyel bir fark uygulandığında, bir elektrik akımı oluşur (elektronların en düşük ve en yüksek potansiyele sahip noktalar arasındaki serbest hareketinden dolayı).
- Bölgeleri örtüşmeyen dielektrikler. Aralarındaki aralık 4 eV'yi aşıyor. Elektronları değerlik bandından iletim bandına iletmek için çok fazla enerji gerekir. Bu özelliklerinden dolayı dielektrikler pratik olarak akım iletmezler.
- İletim ve değerlik bantlarının olmaması ile karakterize edilen yarı iletkenler. Aralarındaki aralık 4 eV'den azdır. Elektronları değerlik bandından iletim bandına aktarmak için dielektriklere göre daha az enerji gerekir. Saf (katkısız ve doğal) yarı iletkenler akımı iyi geçmez.
Moleküllerin katılardaki hareketleri onların elektromanyetik özelliklerini belirler.
Diğerözellikler
Katı cisimler de manyetik özelliklerine göre alt bölümlere ayrılır. Üç grup vardır:
- Özellikleri sıcaklığa veya kümelenme durumuna çok az bağlı olan Diamagnetler.
- İletken elektronların yöneliminden ve atomların manyetik momentlerinden kaynaklanan paramagnetler. Curie yasasına göre duyarlılıkları sıcaklıkla orantılı olarak azalır. Yani 300 K'da 10-5.
- Uzun menzilli atom sırasına sahip, düzenli bir manyetik yapıya sahip cisimler. Kafeslerinin düğümlerinde, periyodik olarak manyetik momentlere sahip parçacıklar bulunur. Bu tür katılar ve maddeler genellikle insan faaliyetinin çeşitli alanlarında kullanılır.
Doğadaki en sert maddeler
Onlar ne? Katıların yoğunluğu büyük ölçüde sertliklerini belirler. Son yıllarda bilim adamları, "en dayanıklı gövde" olduğunu iddia eden birkaç malzeme keşfettiler. En sert madde, elmastan yaklaşık 1,5 kat daha sert olan fullerittir (fulleren molekülleri olan bir kristal). Ne yazık ki, şu anda yalnızca çok küçük miktarlarda mevcuttur.
Bugün endüstride gelecekte kullanılabilecek en sert madde lonsdaleittir (altıgen elmas). Elmastan %58 daha serttir. Lonsdaleite, karbonun allotropik bir modifikasyonudur. Kristal kafesi elmasa çok benzer. Bir lonsdaleit hücresi 4 atom içerirken bir elmas 8 atom içerir. Yaygın olarak kullanılan kristallerden elmas bugün en sert olanıdır.
