Pepejal: sifat, struktur, ketumpatan dan contoh

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 05:36

Bahan pepejal ialah bahan yang boleh membentuk badan dan mempunyai isipadu. Mereka berbeza daripada cecair dan gas dalam bentuknya. Pepejal mengekalkan bentuk badan kerana hakikat bahawa zarahnya tidak dapat bergerak dengan bebas. Mereka berbeza dalam ketumpatan, keplastikan, kekonduksian elektrik dan warna. Mereka juga mempunyai sifat lain. Jadi, sebagai contoh, kebanyakan bahan ini cair semasa pemanasan, memperoleh keadaan cair pengagregatan. Sebahagian daripadanya, apabila dipanaskan, serta-merta bertukar menjadi gas (sublimat). Tetapi ada juga yang terurai menjadi bahan lain.

Jenis pepejal

Semua pepejal dibahagikan kepada dua kumpulan.

Amorfus, di mana zarah individu disusun secara rawak. Dengan kata lain: mereka tidak mempunyai struktur yang jelas (ditakrifkan). Pepejal ini mampu mencairkan dalam julat suhu tertentu. Yang paling biasa termasuk kaca dan damar.
Kristal, yang, seterusnya, dibahagikan kepada 4 jenis: atom, molekul, ionik, logam. Di dalamnya, zarah terletak hanya mengikut corak tertentu, iaitu, di nod kekisi kristal. Geometrinya dalam bahan yang berbeza boleh berbeza-beza.

Bahan kristal pepejal mengatasi bahan amorf dalam bilangannya.

Jenis pepejal hablur

Dalam keadaan pepejal, hampir semua bahan mempunyai struktur kristal. Mereka berbeza dalam struktur mereka. Kekisi kristal dalam nodnya mengandungi pelbagai zarah dan unsur kimia. Ia adalah sesuai dengan mereka bahawa mereka mendapat nama mereka. Setiap jenis mempunyai sifat khusus untuknya:

Dalam kekisi kristal atom, zarah pepejal diikat oleh ikatan kovalen. Ia menonjol kerana ketahanannya. Disebabkan ini, bahan tersebut mempunyai takat lebur dan didih yang tinggi. Jenis ini termasuk kuarza dan berlian.
Dalam kekisi kristal molekul, ikatan antara zarah dibezakan dengan kelemahannya. Bahan jenis ini dicirikan oleh kemudahan mendidih dan cair. Mereka tidak menentu, kerana mereka mempunyai bau tertentu. Pepejal ini termasuk ais dan gula. Pergerakan molekul dalam pepejal jenis ini dibezakan dengan aktivitinya.
Dalam kekisi kristal ionik pada nod, zarah-zarah yang sepadan berselang-seli, dicas secara positif dannegatif. Mereka dipegang bersama oleh tarikan elektrostatik. Kekisi jenis ini wujud dalam alkali, garam, oksida asas. Banyak bahan jenis ini mudah larut dalam air. Disebabkan oleh ikatan yang agak kuat antara ion, ia adalah refraktori. Hampir kesemuanya tidak berbau, kerana ia dicirikan oleh ketidaktentuan. Bahan dengan kekisi ionik tidak dapat mengalirkan arus elektrik, kerana ia tidak mengandungi elektron bebas. Contoh tipikal pepejal ionik ialah garam meja. Kekisi kristal sedemikian menjadikannya rapuh. Ini disebabkan oleh hakikat bahawa sebarang anjakan di dalamnya boleh membawa kepada kemunculan daya tolakan ion.
Dalam kekisi kristal logam pada nod hanya terdapat ion kimia bercas positif. Di antara mereka terdapat elektron bebas yang melaluinya tenaga haba dan elektrik dengan sempurna. Itulah sebabnya mana-mana logam dibezakan dengan ciri seperti kekonduksian.

Konsep umum badan tegar

Pepejal dan bahan boleh dikatakan perkara yang sama. Istilah ini merujuk kepada salah satu daripada 4 keadaan pengagregatan. Pepejal mempunyai bentuk yang stabil dan sifat pergerakan haba atom. Selain itu, yang terakhir membuat ayunan kecil berhampiran kedudukan keseimbangan. Cabang sains yang berkaitan dengan kajian komposisi dan struktur dalaman dipanggil fizik keadaan pepejal. Terdapat bidang pengetahuan penting lain yang berkaitan dengan bahan tersebut. Perubahan bentuk di bawah pengaruh luar dan pergerakan dipanggil mekanik badan boleh ubah bentuk.

Disebabkan sifat pepejal yang berbeza, mereka telah menemui aplikasi dalam pelbagai peranti teknikal yang dicipta oleh manusia. Selalunya, penggunaannya berdasarkan sifat seperti kekerasan, isipadu, jisim, keanjalan, keplastikan, kerapuhan. Sains moden membenarkan penggunaan kualiti pepejal lain yang hanya boleh didapati di makmal.

Apakah itu kristal

Kristal ialah jasad pepejal dengan zarah tersusun dalam susunan tertentu. Setiap bahan kimia mempunyai strukturnya sendiri. Atomnya membentuk susunan berkala tiga dimensi yang dipanggil kekisi kristal. Pepejal mempunyai simetri struktur yang berbeza. Keadaan hablur pepejal dianggap stabil kerana ia mempunyai jumlah tenaga potensi minimum.

Sebahagian besar bahan pepejal (semula jadi) terdiri daripada sebilangan besar bijirin individu yang berorientasikan rawak (hablur). Bahan sedemikian dipanggil polihabluran. Ini termasuk aloi teknikal dan logam, serta banyak batuan. Monocrystalline merujuk kepada kristal tunggal semula jadi atau sintetik.

Lazimnya, pepejal sedemikian terbentuk daripada keadaan fasa cecair, diwakili oleh leburan atau larutan. Kadang-kadang ia diperoleh daripada keadaan gas. Proses ini dipanggil penghabluran. Terima kasih kepada kemajuan saintifik dan teknologi, prosedur untuk mengembangkan (sintesis) pelbagai bahan telah mendapat skala perindustrian. Kebanyakan kristal mempunyai bentuk semula jadi dalam bentuk biasapolyhedra. Saiz mereka sangat berbeza. Jadi, kuarza asli (kristal batu) boleh menimbang sehingga ratusan kilogram, dan berlian - sehingga beberapa gram.

Dalam pepejal amorfus, atom berada dalam ayunan berterusan di sekitar titik yang terletak secara rawak. Mereka mengekalkan pesanan jarak pendek tertentu, tetapi tidak ada pesanan jarak jauh. Ini disebabkan oleh fakta bahawa molekul mereka terletak pada jarak yang boleh dibandingkan dengan saiznya. Contoh pepejal yang paling biasa dalam kehidupan kita ialah keadaan berkaca. Bahan amorf sering dianggap sebagai cecair dengan kelikatan tinggi yang tidak terhingga. Masa penghabluran mereka kadangkala terlalu lama sehingga tidak kelihatan sama sekali.

Sifat di atas bahan-bahan ini yang menjadikannya unik. Pepejal amorfus dianggap tidak stabil kerana ia boleh menjadi kristal dari semasa ke semasa.

Molekul dan atom yang membentuk pepejal dibungkus pada ketumpatan tinggi. Mereka secara praktikal mengekalkan kedudukan bersama mereka berbanding zarah lain dan disatukan kerana interaksi antara molekul. Jarak antara molekul pepejal dalam arah yang berbeza dipanggil parameter kekisi. Struktur jirim dan simetrinya menentukan banyak sifat, seperti jalur elektron, belahan, dan optik. Apabila daya yang cukup besar dikenakan pada pepejal, kualiti ini boleh dilanggar pada satu darjah atau yang lain. Dalam kes ini, badan pepejal tertakluk kepada ubah bentuk kekal.

Atom pepejal membuat gerakan berayun, yang menentukan pemilikan tenaga haba mereka. Oleh kerana ia boleh diabaikan, ia hanya boleh diperhatikan di bawah keadaan makmal. Struktur molekul pepejal sangat mempengaruhi sifatnya.

Kajian pepejal

Ciri, sifat bahan ini, kualitinya dan pergerakan zarah dikaji oleh pelbagai subseksyen fizik keadaan pepejal.

Untuk kajian digunakan: radiospektroskopi, analisis struktur menggunakan x-ray dan kaedah lain. Ini adalah bagaimana sifat mekanikal, fizikal dan haba pepejal dikaji. Kekerasan, rintangan beban, kekuatan tegangan, transformasi fasa dikaji oleh sains bahan. Ia sebahagian besarnya menggemakan fizik keadaan pepejal. Terdapat satu lagi sains moden yang penting. Kajian bahan sedia ada dan sintesis bahan baharu dijalankan oleh kimia keadaan pepejal.

Ciri pepejal

Sifat pergerakan elektron luar atom pepejal menentukan banyak sifatnya, contohnya, elektrik. Terdapat 5 kelas badan sedemikian. Ia ditetapkan bergantung pada jenis ikatan atom:

Ion, ciri utamanya ialah daya tarikan elektrostatik. Ciri-cirinya: pantulan dan penyerapan cahaya di kawasan inframerah. Pada suhu rendah, ikatan ionik dicirikan oleh kekonduksian elektrik yang rendah. Contoh bahan tersebut ialah garam natrium asid hidroklorik (NaCl).
Kovalen,dijalankan oleh pasangan elektron yang tergolong dalam kedua-dua atom. Ikatan sedemikian dibahagikan kepada: tunggal (mudah), dua kali ganda dan tiga kali ganda. Nama-nama ini menunjukkan kehadiran pasangan elektron (1, 2, 3). Ikatan berganda dan rangkap tiga dipanggil ikatan berganda. Terdapat satu lagi bahagian dalam kumpulan ini. Jadi, bergantung kepada taburan ketumpatan elektron, ikatan polar dan bukan kutub dibezakan. Yang pertama dibentuk oleh atom yang berbeza, dan yang kedua adalah sama. Keadaan pepejal jirim sedemikian, contohnya berlian (C) dan silikon (Si), dibezakan oleh ketumpatannya. Kristal yang paling keras tergolong dalam ikatan kovalen.
Metalik, dibentuk dengan menggabungkan elektron valens atom. Akibatnya, awan elektron biasa muncul, yang disesarkan di bawah pengaruh voltan elektrik. Ikatan logam terbentuk apabila atom terikat besar. Mereka mampu menderma elektron. Dalam banyak logam dan sebatian kompleks, ikatan ini membentuk keadaan pepejal jirim. Contoh: natrium, barium, aluminium, kuprum, emas. Daripada sebatian bukan logam, yang berikut boleh diperhatikan: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu_{5 Zn 8}. Bahan dengan ikatan logam (logam) adalah pelbagai dalam sifat fizikalnya. Mereka boleh menjadi cecair (Hg), lembut (Na, K), sangat keras (W, Nb).
Molekul, timbul dalam kristal, yang dibentuk oleh molekul individu sesuatu bahan. Ia dicirikan oleh jurang antara molekul dengan ketumpatan elektron sifar. Daya yang mengikat atom dalam kristal tersebut adalah penting. Molekul tertarikantara satu sama lain hanya dengan daya tarikan antara molekul yang lemah. Itulah sebabnya ikatan antara mereka mudah dimusnahkan apabila dipanaskan. Ikatan antara atom lebih sukar untuk dipecahkan. Ikatan molekul terbahagi kepada orientasi, serakan dan induktif. Contoh bahan sedemikian ialah metana pepejal.
Hidrogen, yang berlaku di antara atom terkutub positif molekul atau bahagiannya dan zarah terkutub negatif terkecil molekul lain atau bahagian lain. Ikatan ini termasuk ais.

Sifat pepejal

Apa yang kita tahu hari ini? Para saintis telah lama mengkaji sifat-sifat keadaan pepejal jirim. Apabila terdedah kepada suhu, ia juga berubah. Peralihan badan sedemikian menjadi cecair dipanggil lebur. Perubahan pepejal kepada keadaan gas dipanggil sublimasi. Apabila suhu diturunkan, penghabluran pepejal berlaku. Sesetengah bahan di bawah pengaruh sejuk masuk ke dalam fasa amorf. Para saintis memanggil proses ini vitrifikasi.

Semasa peralihan fasa, struktur dalaman pepejal berubah. Ia memperoleh susunan terbesar dengan penurunan suhu. Pada tekanan dan suhu atmosfera T > 0 K, sebarang bahan yang wujud dalam alam semula jadi menjadi pepejal. Hanya helium, yang memerlukan tekanan 24 atm untuk menghablur, merupakan pengecualian kepada peraturan ini.

Keadaan pepejal jirim memberikannya pelbagai sifat fizikal. Mereka mencirikan tingkah laku khusus badandi bawah pengaruh bidang dan kuasa tertentu. Sifat-sifat ini dibahagikan kepada kumpulan. Terdapat 3 cara pendedahan, sepadan dengan 3 jenis tenaga (mekanikal, haba, elektromagnet). Sehubungan itu, terdapat 3 kumpulan sifat fizikal pepejal:

Sifat mekanikal yang dikaitkan dengan tekanan dan ketegangan badan. Mengikut kriteria ini, pepejal dibahagikan kepada elastik, reologi, kekuatan dan teknologi. Semasa rehat, badan sedemikian mengekalkan bentuknya, tetapi ia boleh berubah di bawah tindakan daya luaran. Pada masa yang sama, ubah bentuknya boleh menjadi plastik (bentuk awal tidak kembali), elastik (kembali kepada bentuk asalnya) atau merosakkan (apabila ambang tertentu dicapai, pereputan / patah tulang berlaku). Tindak balas kepada daya yang dikenakan diterangkan oleh moduli keanjalan. Badan pepejal menentang bukan sahaja mampatan, regangan, tetapi juga pergeseran, kilasan dan lenturan. Kekuatan badan yang kukuh adalah sifatnya untuk menentang kemusnahan.
Terma, dimanifestasikan apabila terdedah kepada medan terma. Salah satu sifat yang paling penting ialah takat lebur di mana badan masuk ke dalam keadaan cair. Ia diperhatikan dalam pepejal kristal. Jasad amorfus mempunyai haba terpendam pelakuran, kerana peralihannya kepada keadaan cecair dengan peningkatan suhu berlaku secara beransur-ansur. Apabila mencapai haba tertentu, jasad amorf kehilangan keanjalannya dan memperoleh keplastikan. Keadaan ini bermakna ia telah mencapai suhu peralihan kaca. Apabila dipanaskan, ubah bentuk pepejal berlaku. Dan kebanyakan masa ia mengembang. Secara kuantitatif ininegeri dicirikan oleh pekali tertentu. Suhu badan menjejaskan sifat mekanikal seperti kecairan, kemuluran, kekerasan dan kekuatan.
Elektromagnet, dikaitkan dengan kesan pada bahan pepejal aliran mikrozarah dan gelombang elektromagnet dengan ketegaran tinggi. Sifat sinaran juga dirujuk secara bersyarat kepada mereka.

Struktur zon

Pepejal juga dikelaskan mengikut struktur jalur yang dipanggil. Jadi, di antara mereka mereka membezakan:

Konduktor, dicirikan bahawa konduksi dan jalur valensnya bertindih. Dalam kes ini, elektron boleh bergerak di antara mereka, menerima tenaga yang sedikit. Semua logam adalah konduktor. Apabila beza keupayaan dikenakan pada jasad sedemikian, arus elektrik terbentuk (disebabkan oleh pergerakan bebas elektron antara titik dengan potensi terendah dan tertinggi).
Dielektrik yang zonnya tidak bertindih. Selang antara mereka melebihi 4 eV. Banyak tenaga diperlukan untuk menghantar elektron dari valens ke jalur konduksi. Disebabkan sifat ini, dielektrik secara praktikalnya tidak mengalirkan arus.
Semikonduktor dicirikan oleh ketiadaan jalur pengaliran dan valens. Selang antara mereka adalah kurang daripada 4 eV. Untuk memindahkan elektron dari valens ke jalur pengaliran, kurang tenaga diperlukan daripada dielektrik. Semikonduktor tulen (tidak didop dan asli) tidak menghantar arus dengan baik.

Pergerakan molekul dalam pepejal menentukan sifat elektromagnetnya.

Lain-lainhartanah

Badan pepejal juga dibahagikan mengikut sifat magnetnya. Terdapat tiga kumpulan:

Diamagnet, yang sifatnya bergantung sedikit pada suhu atau keadaan pengagregatan.
Paramagnet terhasil daripada orientasi elektron pengaliran dan momen magnet atom. Menurut undang-undang Curie, kerentanan mereka berkurangan mengikut kadar suhu. Jadi, pada 300 K ialah 10-5.
Badan dengan struktur magnet tersusun, dengan susunan atom jarak jauh. Di nod kekisi mereka, zarah dengan momen magnet terletak secara berkala. Pepejal dan bahan sedemikian sering digunakan dalam pelbagai bidang aktiviti manusia.

Bahan paling keras dalam alam semula jadi

Apakah itu? Ketumpatan pepejal sebahagian besarnya menentukan kekerasannya. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, saintis telah menemui beberapa bahan yang mendakwa sebagai "badan yang paling tahan lama." Bahan yang paling keras ialah fullerite (hablur dengan molekul fullerene), iaitu kira-kira 1.5 kali lebih keras daripada berlian. Malangnya, pada masa ini ia hanya tersedia dalam kuantiti yang sangat kecil.

Hari ini, bahan paling sukar yang mungkin digunakan pada masa hadapan dalam industri ialah lonsdaleite (berlian heksagon). Ia adalah 58% lebih keras daripada berlian. Lonsdaleite ialah pengubahsuaian alotropik karbon. Kekisi kristalnya sangat mirip dengan berlian. Sel lonsdaleite mengandungi 4 atom, manakala berlian mengandungi 8. Daripada kristal yang digunakan secara meluas, berlian kekal paling keras hari ini.