Cietās vielas ir tās, kas spēj veidot ķermeņus un kurām ir tilpums. Tās pēc formas atšķiras no šķidrumiem un gāzēm. Cietās vielas saglabā ķermeņa formu, jo to daļiņas nespēj brīvi pārvietoties. Tie atšķiras pēc blīvuma, plastiskuma, elektrovadītspējas un krāsas. Viņiem ir arī citas īpašības. Tā, piemēram, lielākā daļa šo vielu karsēšanas laikā kūst, iegūstot šķidru agregācijas stāvokli. Daži no tiem, uzkarsējot, nekavējoties pārvēršas gāzē (sublimātā). Bet ir arī tādi, kas sadalās citās vielās.
Cietvielu veidi
Visas cietās vielas ir sadalītas divās grupās.
- Amorfs, kurā atsevišķas daļiņas ir izkārtotas nejauši. Citiem vārdiem sakot: tiem nav skaidras (definētas) struktūras. Šīs cietās vielas spēj izkausēt noteiktā temperatūras diapazonā. Visizplatītākie no tiem ir stikls un sveķi.
- Kristāliskie, kurus savukārt iedala 4 veidos: atomu, molekulāro, jonu, metālisko. Tajos daļiņas atrodas tikai pēc noteikta parauga, proti, kristāla režģa mezglos. Tā ģeometrija dažādās vielās var ievērojami atšķirties.
Cietās kristāliskās vielas savā daudzumā dominē pār amorfajām.
Kristālisko cietvielu veidi
Cietā stāvoklī gandrīz visām vielām ir kristāliska struktūra. Tie atšķiras pēc savas struktūras. Kristālu režģi to mezglos satur dažādas daļiņas un ķīmiskos elementus. Saskaņā ar tiem viņi ieguva savus vārdus. Katram tipam ir specifiskas īpašības:
- Atomu kristāla režģī cietās vielas daļiņas ir saistītas ar kovalentu saiti. Tas izceļas ar savu izturību. Sakarā ar to šādām vielām ir augsta kušanas un viršanas temperatūra. Šis tips ietver kvarcu un dimantu.
- Molekulārajā kristāla režģī saite starp daļiņām izceļas ar tās vājumu. Šāda veida vielām ir raksturīga viegla viršana un kušana. Tie ir gaistoši, tāpēc tiem ir noteikta smarža. Šīs cietās vielas ietver ledu un cukuru. Molekulu kustības šāda veida cietās vielās izceļas ar to aktivitāti.
- Jonu kristāla režģī mezglos atbilstošās daļiņas mijas, lādējas pozitīvi unnegatīvs. Tos satur elektrostatiskā pievilcība. Šāda veida režģi pastāv sārmos, sāļos, bāzes oksīdos. Daudzas šāda veida vielas viegli šķīst ūdenī. Pateicoties diezgan spēcīgai saitei starp joniem, tie ir ugunsizturīgi. Gandrīz visi no tiem ir bez smaržas, jo tiem ir raksturīga nepastāvība. Vielas ar jonu režģi nespēj vadīt elektrisko strāvu, jo tajās nav brīvu elektronu. Tipisks jonu cietas vielas piemērs ir galda sāls. Šāds kristāla režģis padara to trauslu. Tas ir saistīts ar faktu, ka jebkura tā maiņa var izraisīt jonu atgrūšanas spēku rašanos.
- Metāla kristāla režģī mezglos ir tikai pozitīvi lādēti ķīmiskie joni. Starp tiem ir brīvi elektroni, caur kuriem lieliski iziet siltuma un elektriskā enerģija. Tāpēc jebkurš metāls izceļas ar tādu pazīmi kā vadītspēja.
Vispārīgi stingra korpusa jēdzieni
Cietās vielas un vielas ir praktiski viens un tas pats. Šie termini attiecas uz vienu no 4 apkopošanas stāvokļiem. Cietām vielām ir stabila forma un atomu termiskās kustības raksturs. Turklāt pēdējie veic nelielas svārstības tuvu līdzsvara pozīcijām. Zinātnes nozari, kas nodarbojas ar kompozīcijas un iekšējās struktūras izpēti, sauc par cietvielu fiziku. Ir arī citas svarīgas zināšanu jomas, kas attiecas uz šādām vielām. Formas izmaiņas ārējā ietekmē un kustībā sauc par deformējama ķermeņa mehāniku.
Cieto vielu atšķirīgo īpašību dēļ tās ir atradušas pielietojumu dažādās cilvēka radītās tehniskajās ierīcēs. Visbiežāk to izmantošana balstījās uz tādām īpašībām kā cietība, tilpums, masa, elastība, plastiskums, trauslums. Mūsdienu zinātne ļauj izmantot citas cietvielu īpašības, kuras var atrast tikai laboratorijā.
Kas ir kristāli
Kristāli ir cieti ķermeņi, kuru daļiņas ir sakārtotas noteiktā secībā. Katrai ķīmiskajai vielai ir sava struktūra. Tās atomi veido trīsdimensiju periodisku izkārtojumu, ko sauc par kristāla režģi. Cietām vielām ir atšķirīga struktūras simetrija. Cietas vielas kristāliskais stāvoklis tiek uzskatīts par stabilu, jo tai ir minimāls potenciālās enerģijas daudzums.
Lielākā daļa cieto materiālu (dabisko) sastāv no milzīga skaita nejauši orientētu atsevišķu graudu (kristalītu). Šādas vielas sauc par polikristāliskām. Tajos ietilpst tehniskie sakausējumi un metāli, kā arī daudzi akmeņi. Monokristālisks attiecas uz atsevišķiem dabīgiem vai sintētiskiem kristāliem.
Visbiežāk šādas cietvielas veidojas no šķidrās fāzes stāvokļa, ko attēlo kausējums vai šķīdums. Dažreiz tos iegūst no gāzveida stāvokļa. Šo procesu sauc par kristalizāciju. Pateicoties zinātnes un tehnikas progresam, dažādu vielu audzēšanas (sintēzes) procedūra ir ieguvusi rūpniecisku mērogu. Lielākajai daļai kristālu ir dabiska forma regulāra formādaudzskaldnis. To izmēri ir ļoti dažādi. Tātad dabīgais kvarcs (kalnu kristāls) var svērt līdz pat simtiem kilogramu, bet dimanti – līdz pat vairākiem gramiem.
Amorfās cietās vielās atomi pastāvīgi svārstās ap nejauši izvietotiem punktiem. Tie saglabā noteiktu īstermiņa secību, bet nav liela attāluma kārtības. Tas ir saistīts ar faktu, ka to molekulas atrodas tādā attālumā, ko var salīdzināt ar to lielumu. Visizplatītākais šādas cietas vielas piemērs mūsu dzīvē ir stiklveida stāvoklis. Amorfās vielas bieži uzskata par šķidrumu ar bezgalīgi augstu viskozitāti. To kristalizācijas laiks dažkārt ir tik garš, ka tas nemaz neparādās.
Tieši iepriekš minētās šo vielu īpašības padara tās unikālas. Amorfās cietās vielas tiek uzskatītas par nestabilām, jo tās laika gaitā var kļūt kristāliskas.
Molekulas un atomi, kas veido cietu vielu, ir iepakotas lielā blīvumā. Tās praktiski saglabā savstarpējo stāvokli attiecībā pret citām daļiņām un tiek turētas kopā starpmolekulārās mijiedarbības dēļ. Attālumu starp cietas vielas molekulām dažādos virzienos sauc par režģa parametru. Vielas struktūra un tās simetrija nosaka daudzas īpašības, piemēram, elektronu joslu, šķelšanos un optiku. Ja cietai vielai tiek pielikts pietiekami liels spēks, šīs īpašības vienā vai otrā pakāpē var tikt pārkāptas. Šajā gadījumā cietais ķermenis ir pakļauts paliekošām deformācijām.
Cietu vielu atomi veic svārstības kustības, kas nosaka to siltumenerģijas piederību. Tā kā tie ir niecīgi, tos var novērot tikai laboratorijas apstākļos. Cietas vielas molekulārā struktūra lielā mērā ietekmē tās īpašības.
Cietvielu izpēte
Šo vielu īpašības, īpašības, to īpašības un daļiņu kustība tiek pētīta dažādās cietvielu fizikas apakšnodaļās.
Pētījumam tiek izmantota: radiospektroskopija, struktūras analīze, izmantojot rentgena starus un citas metodes. Šādi tiek pētītas cietvielu mehāniskās, fizikālās un termiskās īpašības. Materiālzinātne pēta cietību, slodzes izturību, stiepes izturību, fāzu pārvērtības. Tas lielā mērā sasaucas ar cietvielu fiziku. Ir vēl viena svarīga mūsdienu zinātne. Esošo vielu izpēte un jaunu vielu sintēze tiek veikta ar cietvielu ķīmiju.
Cietvielu īpašības
Cietas vielas atomu ārējo elektronu kustības raksturs nosaka daudzas tās īpašības, piemēram, elektriskās. Ir 5 šādu ķermeņu klases. Tie ir iestatīti atkarībā no atomu saites veida:
- Jonisks, kura galvenā īpašība ir elektrostatiskās pievilkšanās spēks. Tās īpašības: gaismas atstarošana un absorbcija infrasarkanajā reģionā. Zemās temperatūrās jonu saitei ir raksturīga zema elektrovadītspēja. Šādas vielas piemērs ir sālsskābes (NaCl) nātrija sāls.
- Kovalents,veic elektronu pāris, kas pieder abiem atomiem. Šāda saite ir sadalīta: vienkāršā (vienkāršā), dubultā un trīskāršā. Šie nosaukumi norāda uz elektronu pāru klātbūtni (1, 2, 3). Divkāršās un trīskāršās saites sauc par daudzkārtējām saitēm. Ir vēl viens šīs grupas iedalījums. Tātad atkarībā no elektronu blīvuma sadalījuma izšķir polārās un nepolārās saites. Pirmo veido dažādi atomi, bet otro ir vienāds. Šāds ciets vielas stāvoklis, kuru piemēri ir dimants (C) un silīcijs (Si), izceļas ar tā blīvumu. Cietākie kristāli īpaši pieder kovalentajai saitei.
- Metālisks, veidojas, apvienojot atomu valences elektronus. Rezultātā parādās kopīgs elektronu mākonis, kas elektriskā sprieguma ietekmē tiek pārvietots. Metāla saite veidojas, ja saistītie atomi ir lieli. Viņi spēj ziedot elektronus. Daudzos metālos un kompleksos savienojumos šī saite veido cietu vielas stāvokli. Piemēri: nātrijs, bārijs, alumīnijs, varš, zelts. No nemetāliskajiem savienojumiem var atzīmēt: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Vielas ar metālisku saiti (metāli) ir dažādas pēc to fizikālajām īpašībām. Tie var būt šķidri (Hg), mīksti (Na, K), ļoti cieti (W, Nb).
- Molekulāri, kas rodas kristālos, kurus veido atsevišķas vielas molekulas. To raksturo spraugas starp molekulām ar nulles elektronu blīvumu. Spēki, kas saista atomus šādos kristālos, ir nozīmīgi. Molekulas tiek piesaistītasviens otram tikai ar vāju starpmolekulāro pievilcību. Tāpēc saites starp tām karsējot tiek viegli iznīcinātas. Saites starp atomiem ir daudz grūtāk pārraut. Molekulārā saite ir iedalīta orientējošā, dispersijas un induktīvā. Šādas vielas piemērs ir cietais metāns.
- Ūdeņradis, kas rodas starp molekulas vai tās daļas pozitīvi polarizētajiem atomiem un citas molekulas vai citas daļas mazāko negatīvi polarizēto daļiņu. Šīs saites ietver ledu.
Cietvielu īpašības
Ko mēs šodien zinām? Zinātnieki jau sen ir pētījuši vielas cietā stāvokļa īpašības. Pakļaujot temperatūrai, tas arī mainās. Šāda ķermeņa pāreju šķidrumā sauc par kausēšanu. Cietas vielas pārveidošanu gāzveida stāvoklī sauc par sublimāciju. Kad temperatūra tiek pazemināta, notiek cietās vielas kristalizācija. Dažas vielas aukstuma ietekmē pāriet amorfā fāzē. Zinātnieki šo procesu sauc par stiklošanos.
Fāzu pāreju laikā mainās cietvielu iekšējā struktūra. Vislielāko kārtību tas iegūst līdz ar temperatūras pazemināšanos. Pie atmosfēras spiediena un temperatūras T > 0 K jebkuras dabā esošās vielas sacietē. Izņēmums no šī noteikuma ir tikai hēlijs, kura kristalizēšanai nepieciešams spiediens 24 atm.
Materiāla cietais stāvoklis piešķir tai dažādas fizikālās īpašības. Tie raksturo ķermeņu īpašo uzvedībunoteiktu lauku un spēku ietekmē. Šīs īpašības ir sadalītas grupās. Ir 3 iedarbības veidi, kas atbilst 3 enerģijas veidiem (mehāniskā, termiskā, elektromagnētiskā). Attiecīgi ir 3 cietvielu fizikālo īpašību grupas:
- Mehāniskās īpašības, kas saistītas ar ķermeņa stresu un spriedzi. Saskaņā ar šiem kritērijiem cietās vielas iedala elastīgās, reoloģiskās, stiprības un tehnoloģiskās. Miera stāvoklī šāds ķermenis saglabā savu formu, bet tas var mainīties ārēja spēka iedarbībā. Tajā pašā laikā tā deformācija var būt plastiska (sākotnējā forma neatgriežas), elastīga (atgriežas sākotnējā formā) vai destruktīva (kad tiek sasniegts noteikts slieksnis, notiek sabrukšana / lūzums). Reakciju uz pielikto spēku apraksta ar elastības moduļiem. Ciets korpuss iztur ne tikai saspiešanu, stiepšanos, bet arī nobīdes, vērpi un lieces. Cieta ķermeņa spēks ir tā īpašība pretoties iznīcināšanai.
- Termisks, kas izpaužas, pakļaujot termālajiem laukiem. Viena no svarīgākajām īpašībām ir kušanas temperatūra, kurā ķermenis pāriet šķidrā stāvoklī. To novēro kristāliskās cietās vielās. Amorfajiem ķermeņiem ir latentais saplūšanas siltums, jo to pāreja šķidrā stāvoklī, palielinoties temperatūrai, notiek pakāpeniski. Sasniedzot noteiktu siltumu, amorfais ķermenis zaudē savu elastību un iegūst plastiskumu. Šis stāvoklis nozīmē, ka tas ir sasniedzis stiklošanās temperatūru. Sildot, notiek cietas vielas deformācija. Un lielāko daļu laika tas paplašinās. Kvantitatīvi šisvalsti raksturo noteikts koeficients. Ķermeņa temperatūra ietekmē mehāniskās īpašības, piemēram, plūstamību, elastību, cietību un izturību.
- Elektromagnētisks, kas saistīts ar mikrodaļiņu plūsmu un augstas stingrības elektromagnētisko viļņu ietekmi uz cietu vielu. Uz tiem nosacīti attiecas arī radiācijas īpašības.
Zonas struktūra
Cietās vielas klasificē arī pēc tā sauktās joslu struktūras. Tātad starp tiem viņi izšķir:
- Vadītāji, kas raksturīgi ar to, ka to vadītspējas un valences joslas pārklājas. Šajā gadījumā elektroni var pārvietoties starp tiem, saņemot mazāko enerģiju. Visi metāli ir vadītāji. Ja šādam ķermenim tiek pielietota potenciālu starpība, veidojas elektriskā strāva (elektronu brīvas kustības dēļ starp punktiem ar zemāko un augstāko potenciālu).
- Dielektriķi, kuru zonas nepārklājas. Intervāls starp tiem pārsniedz 4 eV. Lai vadītu elektronus no valences uz vadīšanas joslu, ir nepieciešams daudz enerģijas. Šo īpašību dēļ dielektriķi praktiski nevada strāvu.
- Pusvadītāji, kam raksturīgs vadītspējas un valences joslu trūkums. Intervāls starp tiem ir mazāks par 4 eV. Lai pārnestu elektronus no valences uz vadīšanas joslu, ir nepieciešams mazāk enerģijas nekā dielektriķiem. Tīri (neleģēti un vietējie) pusvadītāji slikti laiž strāvu.
Molekulu kustība cietās vielās nosaka to elektromagnētiskās īpašības.
Citsīpašības
Cietie ķermeņi tiek iedalīti arī pēc to magnētiskajām īpašībām. Ir trīs grupas:
- Diamagnēti, kuru īpašības maz ir atkarīgas no temperatūras vai agregācijas stāvokļa.
- Paramagnēti, kas rodas no vadītspējas elektronu orientācijas un atomu magnētiskajiem momentiem. Saskaņā ar Kirī likumu to jutība samazinās proporcionāli temperatūrai. Tātad pie 300 K tas ir 10-5.
- Ķermeņi ar sakārtotu magnētisko struktūru, ar liela attāluma atomu secību. To režģa mezglos periodiski atrodas daļiņas ar magnētiskiem momentiem. Šādas cietvielas un vielas bieži izmanto dažādās cilvēka darbības jomās.
Cietākās vielas dabā
Kas tie ir? Cieto vielu blīvums lielā mērā nosaka to cietību. Pēdējos gados zinātnieki ir atklājuši vairākus materiālus, kas pretendē uz "visizturīgāko ķermeni". Cietākā viela ir fullerīts (kristāls ar fullerēna molekulām), kas ir apmēram 1,5 reizes cietāks par dimantu. Diemžēl pašlaik tas ir pieejams tikai ļoti mazos daudzumos.
Šodien cietākā viela, ko nākotnē varētu izmantot rūpniecībā, ir lonsdaleīts (sešstūrains dimants). Tas ir par 58% cietāks par dimantu. Lonsdaleīts ir oglekļa alotropa modifikācija. Tā kristāla režģis ir ļoti līdzīgs dimantam. Lonsdaleīta šūna satur 4 atomus, bet dimants satur 8. No plaši izmantotajiem kristāliem dimants joprojām ir cietākais mūsdienās.
