FÉLVEZETŐ: JELLEMZŐK, TULAJDONSÁGOK, TÍPUSOK, PÉLDÁK - TUDOMÁNY - 2026

A szilárd állapot az egyik fő módja annak, hogy az anyag aggregálódjon, hogy kondenzált vagy szilárd testeket hozzon létre. Az egész földkéreg, kivéve a tengereket és az óceánokat, szilárd anyagok konglomerátuma. Szilárd állapotban lévő tárgyak például a könyv, egy kő vagy homok szemcsék.

A szilárd anyagokkal kölcsönhatásba léphetünk elektronjaink atomjaik vagy molekuláik megtámadásának köszönhetően. A folyadékokkal és a gázokkal ellentétben, amíg nem súlyosan mérgezőek, kezünk nem mehet át rajta, hanem morzsolódik vagy felszívja őket.

A ló fa szobra erősen kohéziós természetes polimerekből készül. Forrás: Pxhere.

A szilárd anyagokat általában sokkal könnyebben kezelni vagy tárolni, mint egy folyadékot vagy gázt. Hacsak a részecskék nem finoman oszlanak meg, a széláram más irányokba nem vezet; rögzülnek az atomok, ionok vagy molekulák intermolekuláris kölcsönhatása által meghatározott térben.

Szilárd koncepció

A szilárd anyag olyan állapotban van, amelyben merev térfogat és alak van; a szilárd állapotban anyagokat vagy tárgyakat képező részecskék egy helyre vannak rögzítve, nem könnyű összenyomódni.

Ez az anyagállapot a legváltozatosabb és gazdagabb a kémia és a fizika szempontjából. Ionos, fém, atomi, molekuláris és kovalens szilárd anyagok vannak, mindegyiknek megvan a saját szerkezeti egysége; vagyis a saját kristályaival. Amikor az aggregáció módja nem teszi lehetővé rendszeres belső struktúrák kialakítását, amorf és bonyolultvá válnak.

A szilárdtest vizsgálata konvergál az új anyagok tervezésében és szintézisében. Például a természetes szilárd faanyagot díszítő anyagként és házak építéséhez is felhasználták.

Más szilárd anyagok lehetővé teszik autók, repülőgépek, hajók, űrhajók, nukleáris reaktorok, sportcikkek, akkumulátorok, katalizátorok és sok más tárgy vagy termék gyártását.

A szilárd anyagok általános jellemzői

Rugó és fa, féknyereg alkatrészei, szilárd anyag példája

A szilárd anyagok fő jellemzői a következők:

- Meghatározták a tömeget, a térfogatot és az alakot. Például egy gáznak nincs vége vagy eleje, mivel ezek a tartálytól függnek, amely azt tárolja.

- Nagyon sűrűek. A szilárd anyagok általában sűrűbbek, mint a folyadékok és a gázok; bár vannak néhány kivétel a szabály alól, különösen a folyadékok és a szilárd anyagok összehasonlításakor.

-A részecskéit elválasztó távolságok rövidek. Ez azt jelenti, hogy térfogatukban nagyon kohéziósvá vagy tömörítetté váltak.

- Az intermolekuláris interakciók nagyon erősek, különben nem léteznek ilyenek, és szárazföldi körülmények között megolvadnak vagy szublimálódnak.

A szilárd, a folyadék és a gáz részecskék közötti különbségek

-A szilárd anyagok mobilitása általában meglehetősen korlátozott, nemcsak anyagi szempontból, hanem molekuláris szempontból is. Részecskéi rögzített helyzetben vannak, ahol csak rezeghetnek, de nem mozoghatnak vagy foroghatnak (elméletben).

Tulajdonságok

Olvadáspontok

Minden szilárd anyag, hacsak nem bomlik le a folyamatban, és függetlenül attól, hogy jó hővezetők-e vagy sem, egy bizonyos hőmérsékleten folyékony állapotba kerülhet: olvadáspontja. Amikor elérte ezt a hőmérsékletet, részecskéi végre képesek áramolni és menekülni rögzített helyzetükből.

Ez az olvadáspont a szilárd anyag természetétől, kölcsönhatásaitól, a móltömegtől és a kristályrács energiájától függ. Általános szabály, hogy az ionos szilárd anyagok és a kovalens hálózatok (például a gyémánt és a szilícium-dioxid) olvadáspontja általában a legmagasabb; míg a molekuláris szilárd anyagok a legalacsonyabbak.

Az alábbi kép azt mutatja, hogy egy jégkocka (szilárd állapotú) folyékony állapotúvá válik:

sztöchiometria

A szilárd anyagok nagy része molekuláris, mivel ezek olyan vegyületek, amelyeknek molekuláris kölcsönhatása lehetővé teszi számukra ilyen összeillesztést. Számos más is ionos vagy részlegesen ionos, tehát egységük nem molekulák, hanem sejtek: atomok vagy ionok sorozata, amelyek szabályos módon vannak elrendezve.

Itt kell az ilyen szilárd anyagok képletének tiszteletben tartania a töltések semlegességét, jelezve összetételüket és sztöchiometrikus összefüggéseiket. Például, a szilárd amelynek hipotetikus formula egy ₂ B ₄ O ₂ azt jelzi, hogy ez ugyanaz a száma A atomok, mint O (2: 2), míg kétszer száma B atomok (2: 4).

Vegye figyelembe, hogy az A ₂ B ₄ O ₂ képletű alindexek egész számok, ami azt mutatja, hogy sztöchiometrikus szilárd anyag. Sok szilárd anyag összetételét ezek a képletek írják le. Az A, B és O töltéseknek nullának kell lenniük, mivel egyébként pozitív vagy negatív töltés lenne.

A szilárd anyagok esetében különösen hasznos tudni, hogyan kell értelmezni a képleteket, mivel általában a folyadékok és a gázok összetétele egyszerűbb.

hibák

A szilárd anyagok szerkezete nem tökéletes; hiányosságokat vagy hibákat mutatnak, bármennyire is kristályosak. Ez nem érvényes a folyadékokra és a gázokra. Nincsenek folyékony víz olyan régiók, amelyekről előre el lehet mondani, hogy "kiszorulnak" a környezetükből.

Az ilyen hibák felelősek azért, hogy a szilárd anyagok kemények és törékenyek legyenek, olyan tulajdonságokkal rendelkezzenek, mint például a piroelektromos és piezoelektromos tulajdonságok, vagy megszűnnek a meghatározott összetételű anyagok; vagyis nem sztöchiometrikus szilárd anyagok (például A _0,4 B _1,3 O _0,5).

Reakcióképesség

A szilárd anyagok általában kevésbé reagálnak, mint a folyadékok és a gázok; de nem kémiai okok miatt, hanem annak a ténynek köszönhetően, hogy szerkezeteik megakadályozzák, hogy a reagensek megtámadják a bennük lévő részecskéket, és először a felületükön reagálnak. Ezért a szilárd anyagokat érintő reakciók általában lassabbak; kivéve ha őrlik.

Amikor a szilárd anyag por formájában van, akkor annak kisebb részecskéi nagyobb felülettel vagy felülettel reagálnak. Ez az oka annak, hogy a finom szilárd anyagokat gyakran potenciálisan veszélyes reagensekként jelölik, mivel ezek gyorsan meggyulladhatnak, vagy más anyagokkal vagy vegyületekkel érintkezve erősen reagálhatnak.

Gyakran előfordul, hogy a szilárd anyagokat egy reakcióközegben oldják, hogy homogenizálják a rendszert és magasabb hozamú szintézist végezzenek.

Fizikai

Az olvadáspont és a hibák kivételével az eddig elmondottak inkább a szilárd anyagok kémiai tulajdonságainak felelnek meg, mint azok fizikai tulajdonságainak. Az anyagok fizikája arra összpontosít, hogy a fény, a hang, az elektronok és a hő kölcsönhatásba lépnek-e szilárd anyagokkal, legyenek azok kristályos, amorf, molekuláris stb.

Itt érkezik be az úgynevezett műanyag, elasztikus, merev, átlátszatlan, átlátszó, szupravezető, fotoelektromos, mikroporózus, ferromágneses, szigetelő vagy félvezető szilárd anyag.

A kémiában például az ultraibolya sugárzást vagy a látható fényt nem abszorbeáló anyagok érdeklődnek, mivel ezeket UV-Vis spektrofotométerek mérési celláinak előállításához használják. Ugyanez történik az infravörös sugárzással, amikor egy vegyületet az IR spektrumának megszerzésével kívánnak jellemezni, vagy a reakció előrehaladását tanulmányozni.

A szilárd anyagok összes fizikai tulajdonságának tanulmányozása és manipulálása óriási elkötelezettséget, valamint szintézisüket és megtervezést igényel, új anyagokra szervetlen, biológiai, szerves vagy fémmetallikus szerkezetű darabokat választva.

Típusok és példák

Mivel kémiailag többféle szilárd anyag van, a reprezentatív példákat külön-külön említjük meg.

Kristályos szilárd anyagok

Egyrészt vannak kristályos szilárd anyagok. Ezeket az elemeket az jellemzi, hogy az azokat alkotó molekulák ugyanúgy vannak konfigurálva, amelyet mintázatként megismételnek az egész kristályban. Minden mintát egységcellának hívnak.

A kristályos szilárd anyagokat az is jellemzi, hogy meghatározott olvadáspontjuk van; Ez azt jelenti, hogy tekintettel a molekulák elrendezésének egységességére, az egységcellák között azonos távolság van, amely lehetővé teszi a teljes szerkezet állandó változását azonos hőmérsékleten.

A kristályos szilárd anyagokra példa lehet a só és a cukor.

Amorf szilárd anyagok

Az amorf szilárd anyagokat az jellemzi, hogy molekuláik konformációja nem reagál a mintára, hanem az egész felületen változik.

Mivel ilyen minta nem létezik, az amorf szilárd anyagok olvadáspontja nincs meghatározva, ellentétben a kristályosokkal, ami azt jelenti, hogy fokozatosan olvad és különböző hőmérsékleteken.

Az amorf szilárd anyagokra példa lehet az üveg és a legtöbb műanyag.

Ionics

Az ionos szilárd anyagokat kationok és anionok jellemzik, amelyek elektrosztatikus vonzerővel (ionos kötés) kölcsönhatásba lépnek egymással. Ha az ionok kicsik, a kapott szerkezetek általában mindig kristályosak (figyelembe véve a hibáikat). Néhány ionos szilárd anyag között:

-NaCI (Na ⁺ Cl ^-), nátrium-klorid

-MgO (Mg ²⁺ O ^2-), magnézium-oxid

-CaCO ₃ (Ca ²⁺ CO ₃ ^2-), kalcium-karbonát

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ^2-), réz-szulfát

-KF (K ⁺ F ^-), kálium-fluorid

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

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2-), cink-szulfid

-Fe (C ₆ H ₅ COO) ₃, vas-benzoát

Fémes

Amint a nevük jelzi, szilárd anyagok, amelyek fémes atomokkal kölcsönhatásba lépnek a fémkötésen keresztül:

-Ezüst

-Arany

-Vezet

-Sárgaréz

-Bronz

-Fehér arany

-Ónötvözet

-Steels

-Dúralumínium

Vegye figyelembe, hogy az ötvözetek természetesen fém szilárd anyagnak is számítanak.

Atom

A fém szilárd anyagok szintén atomi, mivel elméletileg nincs kovalens kötés a fém atomok között (MM). A nemesgázok azonban lényegében atomi fajnak számítanak, mivel köztük csak a londoni diszpergáló erők dominálnak.

Ezért, noha a kristályos nemesgázok nem nagy felhasználású szilárd anyagok (és nehezen előállíthatók), ezek például az atomszilárd anyagok; azaz: hélium, neon, argon, kripton stb., szilárd anyagok.

Molekuláris és polimer

A molekulák kölcsönhatásba léphetnek a Van der Walls erőin keresztül, ahol a molekulatömegük, a dipólmomentumok, a hidrogénkötések, a szerkezetek és a geometriák fontos szerepet játszanak. Minél erősebb az ilyen interakció, annál valószínűbb, hogy szilárd formában vannak.

Ugyanakkor ugyanez az érvelés vonatkozik a polimerekre, amelyek nagy átlagos molekulatömegük miatt szinte mindig szilárd anyagok, és közülük több amorf; mivel a polimer egységek nehezen tudják megfelelően elrendezni a kristályokat.

Így néhány molekuláris és polimer szilárd anyaggal rendelkezik a következők:

-Szárazjég

-Cukor

-Jód

-Benzoesav

-acetamid

-Rombikus kén

-Palmitinsav

-Fullerenos

-Mérkőzés

-Koffein

-Naftalin

-Fa és papír

-Selyem

-Teflon

-Polyethylene

-Kevlar

-Bakelite

-Polivinil-klorid

-Polisztirol

-Polypropylene

proteinek, -Csokoládé szelet

Kovalens hálózatok

Végül megvan a kovalens hálózata a legkeményebb és legmagasabb olvadású szilárd anyagok között. Néhány példa a következőkre:

-Grafit

-Gyémánt

-Kvarc

Szilícium-karbid

-Boron-nitrid

-Alumínium-foszfid

-Gallium-arzenid

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck és Stanley. (2008). Kémia (8. kiadás). CENGAGE Tanulás.
3. Wikipedia. (2019). Szilárdtest kémia. Helyreállítva: en.wikipedia.org
4. Elsevier BV (2019). Szilárdtest kémia. ScienceDirect. Helyreállítva: sciencedirect.com
5. Dr. Michael Lufaso. (Sf). Szilárdtest kémia előadások. Helyreállítva: unf.edu
6. askIITians. (2019). A szilárdtest általános jellemzői. Helyreállítva: askiitians.com
7. David Wood. (2019). Hogyan képezik az atomok és molekulák szilárd anyagokat: minták és kristályok. Tanulmány. Helyreállítva: study.com