STAN STAŁY: CHARAKTERYSTYKA, WŁAŚCIWOŚCI, RODZAJE, PRZYKŁADY - NAUKA - 2025

Stan stały jest jednym z głównych sposobów agregacji materii, tworząc ciała skondensowane lub stałe. Cała skorupa ziemska, pomijając morza i oceany, jest pstrokatym konglomeratem ciał stałych. Przykładami obiektów w stanie stałym są książka, kamień lub ziarenka piasku.

Możemy wchodzić w interakcje z ciałami stałymi dzięki odpychaniu naszych elektronów z ich atomami lub cząsteczkami. W przeciwieństwie do cieczy i gazów, o ile nie są one silnie toksyczne, nasze ręce nie mogą przez nie przejść, a raczej je kruszyć lub wchłaniać.

Drewniana statua tego konia wykonana jest z silnie spoistych, naturalnych polimerów. Źródło: Pxhere.

Ciała stałe są na ogół znacznie łatwiejsze w obróbce lub przechowywaniu niż ciecz lub gaz. Dopóki jego cząstki nie zostaną drobno podzielone, prąd wiatru nie przeniesie go w inne kierunki; są osadzone w przestrzeni określonej przez międzycząsteczkowe interakcje ich atomów, jonów lub cząsteczek.

Solidna koncepcja

Ciało stałe jest stanem materii, w którym występuje sztywna objętość i kształt; cząstki tworzące materiały lub przedmioty w stanie stałym są unieruchomione w jednym miejscu, nie są łatwo ściśliwe.

Ten stan skupienia jest najbardziej zróżnicowany i bogaty pod względem chemicznym i fizycznym. Mamy jonowe, metaliczne, atomowe, molekularne i kowalencyjne ciała stałe, z których każda ma własną jednostkę strukturalną; to znaczy z własnymi kryształami. Kiedy ich sposób agregacji nie pozwala im na ustanowienie uporządkowanych struktur wewnętrznych, stają się amorficzne i zawiłe.

Badanie stanu stałego jest zbieżne w projektowaniu i syntezie nowych materiałów. Na przykład drewno, naturalne ciało stałe, zostało również wykorzystane jako materiał ozdobny i do budowy domów.

Inne materiały stałe pozwalają na produkcję samochodów, samolotów, statków, statków kosmicznych, reaktorów jądrowych, artykułów sportowych, baterii, katalizatorów i wielu innych przedmiotów lub produktów.

Ogólna charakterystyka ciał stałych

Sprężyna i drewno, elementy zacisku, przykład bryły

Główne cechy ciał stałych to:

-Mają zdefiniowaną masę, objętość i kształty. Na przykład gaz nie ma końca ani początku, ponieważ zależą one od pojemnika, w którym jest przechowywany.

-Są bardzo gęste. Ciała stałe wydają się być gęstsze niż ciecze i gazy; chociaż jest kilka wyjątków od reguły, zwłaszcza przy porównywaniu cieczy i ciał stałych.

- Odległości, które oddzielają jego cząstki są krótkie. Oznacza to, że stały się one bardzo spójne lub zwarte w odpowiedniej objętości.

-Jego intermolekularne interakcje są bardzo silne, w przeciwnym razie nie istniałyby jako takie i topiłyby się lub sublimowały w warunkach ziemskich.

Różnice między cząsteczkami ciała stałego, cieczy i gazu

-Mobilność ciał stałych jest zwykle dość ograniczona, nie tylko z materialnego punktu widzenia, ale także molekularnie. Jego cząsteczki są zamknięte w stałej pozycji, w której mogą tylko wibrować, ale nie mogą się poruszać ani obracać (w teorii).

Nieruchomości

Temperatury topnienia

Wszystkie ciała stałe, o ile nie ulegną rozkładowi w procesie i niezależnie od tego, czy są dobrymi przewodnikami ciepła, czy też nie, mogą przejść w stan ciekły w określonej temperaturze: ich temperaturze topnienia. Kiedy ta temperatura zostanie osiągnięta, jego cząstki w końcu zdołają przepłynąć i uciec ze swoich ustalonych pozycji.

Ta temperatura topnienia będzie zależeć od natury ciała stałego, jego interakcji, masy molowej i energii sieci krystalicznej. Zasadniczo jonowe ciała stałe i sieci kowalencyjne (takie jak diament i dwutlenek krzemu) mają zwykle najwyższe temperatury topnienia; podczas gdy cząsteczki stałe najniższe.

Poniższy obraz pokazuje, jak kostka lodu (stan stały) zmienia się w stan ciekły:

Stechiometria

Wiele ciał stałych ma charakter molekularny, ponieważ są to związki, których interakcje międzycząsteczkowe umożliwiają im łączenie się w taki sposób. Jednak wiele innych jest jonowych lub częściowo jonowych, więc ich jednostkami nie są cząsteczki, ale komórki: zestaw atomów lub jonów ułożonych w uporządkowany sposób.

To tutaj formuły takich ciał muszą uwzględniać neutralność ładunków, wskazując ich skład i zależności stechiometryczne. Na przykład ciało stałe, którego hipotetyczny wzór to A ₂ B ₄ O _2, wskazuje, że ma taką samą liczbę atomów A jak O (2: 2), podczas gdy ma dwukrotnie większą liczbę atomów B (2: 4).

Zauważ, że indeksy dolne wzoru A ₂ B ₄ O ₂ są liczbami całkowitymi, co pokazuje, że jest to ciało stałe o charakterze stechiometrycznym. Te wzory opisują skład wielu ciał stałych. Ładunki na A, B i O muszą sumować się do zera, ponieważ w przeciwnym razie wystąpiłby ładunek dodatni lub ujemny.

W przypadku ciał stałych szczególnie przydatna jest umiejętność interpretacji ich wzorów, ponieważ na ogół skład cieczy i gazów jest prostszy.

Wady

Struktury brył nie są doskonałe; wykazują niedoskonałości lub wady, niezależnie od tego, jak mogą być krystaliczne. Nie dotyczy to cieczy ani gazów. Nie ma obszarów wody w stanie ciekłym, o których można z góry powiedzieć, że są „przemieszczone” z otoczenia.

Takie wady są odpowiedzialne za to, że ciała stałe są twarde i kruche, wykazując takie właściwości, jak piroelektryczność i piezoelektryczność, lub przestają mieć określony skład; to znaczy są niestechiometrycznymi ciałami stałymi (np. A _0,4 B _1,3 O _0,5 ).

Reaktywność

Ciała stałe są zwykle mniej reaktywne niż ciecze i gazy; ale nie z przyczyn chemicznych, ale z faktu, że ich struktura uniemożliwia reagentom atakowanie cząstek znajdujących się w ich wnętrzu, reagując najpierw z tymi na ich powierzchni. Dlatego reakcje z udziałem ciał stałych są zwykle wolniejsze; chyba że zostaną sproszkowane.

Gdy ciało stałe ma postać proszku, jego mniejsze cząstki mają większą powierzchnię lub większą powierzchnię do reakcji. Z tego powodu drobne ciała stałe są często oznaczane jako potencjalnie niebezpieczne odczynniki, ponieważ mogą zapalać się szybko lub gwałtownie reagować w kontakcie z innymi substancjami lub związkami.

Często ciała stałe są rozpuszczane w środowisku reakcyjnym w celu ujednorodnienia układu i przeprowadzenia syntezy z wyższą wydajnością.

Fizyczny

Z wyjątkiem temperatury topnienia i defektów, to, co powiedziano dotychczas, bardziej odpowiada właściwościom chemicznym ciał stałych niż ich właściwościom fizycznym. Fizyka materiałów jest głęboko skupiona na tym, jak światło, dźwięk, elektrony i ciepło oddziałują z ciałami stałymi, niezależnie od tego, czy są one krystaliczne, amorficzne, molekularne itp.

Tutaj pojawia się coś, co jest znane jako plastyczne, elastyczne, sztywne, nieprzezroczyste, przezroczyste, nadprzewodzące, fotoelektryczne, mikroporowate, ferromagnetyczne, izolujące lub półprzewodnikowe.

Na przykład w chemii interesujące są materiały, które nie pochłaniają promieniowania ultrafioletowego lub światła widzialnego, ponieważ są one używane do wykonywania ogniw pomiarowych do spektrofotometrów UV-Vis. To samo dzieje się z promieniowaniem podczerwonym, gdy chcesz scharakteryzować związek poprzez uzyskanie jego widma IR lub zbadać przebieg reakcji.

Badanie i manipulowanie wszystkimi właściwościami fizycznymi ciał stałych wymaga ogromnego poświęcenia, a także ich syntezy i projektowania, doboru „kawałków” konstrukcji nieorganicznej, biologicznej, organicznej lub metaloorganicznej do nowych materiałów.

Rodzaje i przykłady

Ponieważ pod względem chemicznym istnieje kilka typów ciał stałych, dla każdego z nich zostaną wymienione reprezentatywne przykłady.

Krystaliczne ciała stałe

Z jednej strony istnieją krystaliczne ciała stałe. Elementy te charakteryzują się tym, że tworzące je cząsteczki są skonfigurowane w ten sam sposób, co jest powtarzane jako wzór w całym krysztale. Każdy wzór nazywany jest komórką elementarną.

Krystaliczne ciała stałe również charakteryzują się określoną temperaturą topnienia; Oznacza to, że biorąc pod uwagę jednorodność rozmieszczenia jej cząsteczek, między każdą komórką elementarną istnieje taka sama odległość, co pozwala całej strukturze na ciągłe przekształcanie się w tej samej temperaturze.

Przykładami krystalicznych ciał stałych mogą być sól i cukier.

Amorficzne ciała stałe

Amorficzne ciała stałe charakteryzują się tym, że konformacja ich cząsteczek nie odpowiada wzorowi, ale zmienia się na całej powierzchni.

Ponieważ nie ma takiego wzoru, temperatura topnienia amorficznych ciał stałych nie jest zdefiniowana, w przeciwieństwie do krystalicznych, co oznacza, że ​​topi się stopniowo i w różnych temperaturach.

Przykładami amorficznych ciał stałych może być szkło i większość tworzyw sztucznych.

Joniki

Jonowe ciała stałe charakteryzują się tym, że zawierają kationy i aniony, które oddziałują ze sobą poprzez przyciąganie elektrostatyczne (wiązanie jonowe). Gdy jony są małe, powstałe struktury są zwykle zawsze krystaliczne (biorąc pod uwagę ich wady). Wśród niektórych jonowych ciał stałych mamy:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^- ), chlorek sodu

-MgO (Mg ²⁺ O ^2- ), tlenek magnezu

-CaCO ₃ (Ca ²⁺ CO ₃ ^2- ), węglan wapnia

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ^2- ), siarczan miedzi

-KF (K ⁺ F ^- ), fluorek potasu

-NH ₄ Cl (NH ₄ ⁺ Cl ^- ), chlorek amonu

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2- ), siarczek cynku

-Fe (C ₆ H ₅ COO) ₃ , benzoesan żelaza

Metaliczny

Jak wskazuje ich nazwa, są to ciała stałe, których atomy metalu oddziałują poprzez metaliczne wiązanie:

-Srebro

-Złoto

-Prowadzić

-Mosiądz

-Brązowy

-Białe złoto

-Stop cyny z ołowiem

-Stale

-Duraluminium

Należy pamiętać, że stopy oczywiście również liczą się jako ciała stałe metaliczne.

Atomowy

Metaliczne ciała stałe są również atomami, ponieważ teoretycznie nie ma wiązań kowalencyjnych między atomami metalu (MM). Jednak gazy szlachetne są zasadniczo zaliczane do gatunków atomowych, ponieważ dominują wśród nich tylko siły dyspersyjne Londynu.

Dlatego, chociaż nie są to ciała stałe o dużym zastosowaniu (i trudne do uzyskania), skrystalizowane gazy szlachetne są przykładami atomowych ciał stałych; tj .: hel, neon, argon, krypton itp., ciała stałe.

Molekularne i polimerowe

Cząsteczki mogą oddziaływać za pośrednictwem sił Van der Wallsa, gdzie ich masy cząsteczkowe, momenty dipolowe, wiązania wodorowe, struktury i geometrie odgrywają ważną rolę. Im silniejsze takie interakcje, tym większe prawdopodobieństwo, że będą miały stałą postać.

Z drugiej strony to samo rozumowanie odnosi się do polimerów, które ze względu na wysoką średnią masę cząsteczkową są prawie zawsze ciałami stałymi, a kilka z nich jest amorficznych; ponieważ jej jednostki polimerowe mają trudności z uporządkowaniem się w celu utworzenia kryształów.

Tak więc wśród niektórych molekularnych i polimerowych ciał stałych mamy następujące:

-Suchy lód

-Cukier

-Jod

-Kwas benzoesowy

-Acetamid

-Rombowa siarka

-Kwas palmitynowy

-Fullerenos

-Mecz

-Kofeina

-Naftalen

-Drewno i papier

-Jedwab

-Teflon

-Polietylen

-Kevlar

-Bakelite

-Chlorek winylu

-Polistyren

-Polipropylen

-Białka

-Tabliczka czekolady

Sieci kowalencyjne

Wreszcie mamy sieci kowalencyjne między najtwardszymi i najwyżej topiącymi się ciałami stałymi. Oto kilka przykładów:

-Grafit

-Diament

-Kwarc

-Węglik krzemu

-Azotek boru

-Fosforek glinu

-Arsenku galu

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8th ed.). CENGAGE Learning.
3. Wikipedia. (2019). Chemia ciała stałego. Odzyskane z: en.wikipedia.org
4. Elsevier BV (2019). Chemia ciała stałego. ScienceDirect. Odzyskany z: sciencedirect.com
5. Dr. Michael Lufaso. (sf). Uwagi do wykładów z chemii ciała stałego. Odzyskany z: unf.edu
6. pytani. (2019). Ogólna charakterystyka ciała stałego. Odzyskany z: askiitians.com
7. David Wood. (2019). Jak atomy i cząsteczki tworzą ciała stałe: wzory i kryształy. Badanie. Odzyskany z: study.com