Tahked ained on need, mis on võimelised moodustama kehasid ja millel on maht. Need erinevad oma kuju poolest vedelikest ja gaasidest. Tahked ained säilitavad keha kuju, kuna nende osakesed ei saa vab alt liikuda. Need erinevad oma tiheduse, plastilisuse, elektrijuhtivuse ja värvi poolest. Neil on ka muid omadusi. Nii näiteks sulab enamik neist ainetest kuumutamisel, omandades vedela agregatsiooni oleku. Mõned neist muutuvad kuumutamisel kohe gaasiks (sublimaadiks). Kuid on ka selliseid, mis lagunevad muudeks aineteks.
Tahkeainete tüübid
Kõik tahked ained on jagatud kahte rühma.
- Amorfne, milles üksikud osakesed paiknevad juhuslikult. Teisisõnu: neil puudub selge (määratletud) struktuur. Need tahked ained on võimelised sulama kindlaksmääratud temperatuurivahemikus. Kõige levinumad neist on klaas ja vaik.
- Kristallilised, mis omakorda jagunevad 4 tüüpi: aatom-, molekulaarne, ioonne, metalliline. Neis paiknevad osakesed ainult kindla mustri järgi, nimelt kristallvõre sõlmedes. Selle geomeetria erinevates ainetes võib olla väga erinev.
Tahked kristalsed ained prevaleerivad oma arvult amorfsetest.
Kristalliliste tahkete ainete tüübid
Tahkes olekus on peaaegu kõigil ainetel kristalne struktuur. Need erinevad oma struktuuri poolest. Nende sõlmedes asuvad kristallvõred sisaldavad erinevaid osakesi ja keemilisi elemente. Nende nimed saidki nendega kooskõlas. Igal tüübil on oma omadused:
- Aatomi kristallvõres on tahke aine osakesed seotud kovalentse sidemega. See paistab silma oma vastupidavuse poolest. Tänu sellele on sellistel ainetel kõrge sulamis- ja keemistemperatuur. Sellesse tüüpi kuuluvad kvarts ja teemant.
- Molekulaarkristallvõres eristub osakestevaheline side selle nõrkuse poolest. Seda tüüpi aineid iseloomustab keemise ja sulamise lihtsus. Need on lenduvad, mille tõttu on neil teatud lõhn. Nende tahkete ainete hulka kuuluvad jää ja suhkur. Molekulide liikumist seda tüüpi tahketes ainetes eristab nende aktiivsus.
- Sõlmede ioonkristallvõres vahelduvad vastavad osakesed, mis on positiivselt laetud janegatiivne. Neid hoiab koos elektrostaatiline külgetõmme. Seda tüüpi võre leidub leelistes, soolades, aluselistes oksiidides. Paljud seda tüüpi ained lahustuvad vees kergesti. Ioonidevahelise üsna tugeva sideme tõttu on need tulekindlad. Peaaegu kõik need on lõhnatud, kuna neid iseloomustab volatiilsus. Ioonvõrega ained ei suuda elektrivoolu juhtida, kuna need ei sisalda vabu elektrone. Ioonse tahke aine tüüpiline näide on lauasool. Selline kristallvõre muudab selle rabedaks. See on tingitud asjaolust, et selle mis tahes nihe võib põhjustada ioonide tõukejõudude tekkimist.
- Sõlmpunktide metallkristallvõres on ainult positiivselt laetud keemilised ioonid. Nende vahel on vabad elektronid, mida soojus- ja elektrienergia täiuslikult läbivad. Seetõttu eristatakse kõiki metalle sellise omaduse poolest nagu juhtivus.
Jäiga keha üldmõisted
Tahkeained ja ained on praktiliselt samad. Need terminid viitavad ühele neljast liitmisolekust. Tahketel ainetel on stabiilne kuju ja aatomite soojusliikumise iseloom. Veelgi enam, viimased teevad tasakaaluasendite lähedal väikeseid võnkeid. Kompositsiooni ja sisestruktuuri uurimisega tegelevat teadusharu nimetatakse tahkisfüüsikaks. Selliste ainetega tegelemisel on ka teisi olulisi teadmisi. Kuju muutumist välismõjude ja liikumise mõjul nimetatakse deformeeruva keha mehaanikaks.
Tahkete ainete erinevate omaduste tõttu on need leidnud rakendust erinevates inimese loodud tehnilistes seadmetes. Kõige sagedamini põhines nende kasutamine sellistel omadustel nagu kõvadus, maht, mass, elastsus, plastilisus, haprus. Kaasaegne teadus võimaldab kasutada ka teisi tahkeid aineid, mida võib leida ainult laboris.
Mis on kristallid
Kristallid on tahked kehad, mille osakesed on paigutatud kindlasse järjekorda. Igal keemilisel ainel on oma struktuur. Selle aatomid moodustavad kolmemõõtmeliselt perioodilise paigutuse, mida nimetatakse kristallvõreks. Tahketel ainetel on erinev struktuurne sümmeetria. Tahke aine kristalset olekut peetakse stabiilseks, kuna sellel on minimaalne kogus potentsiaalset energiat.
Valdav enamus tahketest materjalidest (looduslikud) koosneb suurest hulgast juhuslikult orienteeritud üksikutest teradest (kristalliitidest). Selliseid aineid nimetatakse polükristallilisteks. Nende hulka kuuluvad tehnilised sulamid ja metallid, aga ka paljud kivimid. Monokristalliline viitab üksikutele looduslikele või sünteetilistele kristallidele.
Enamasti tekivad sellised tahked ained vedela faasi olekust, mida esindab sulam või lahus. Mõnikord saadakse need gaasilisest olekust. Seda protsessi nimetatakse kristalliseerumiseks. Tänu teaduse ja tehnika arengule on erinevate ainete kasvatamise (sünteesi) protseduur omandanud tööstusliku ulatuse. Enamikul kristallidest on loomulik kuju korrapärase kujulhulktahukas. Nende suurused on väga erinevad. Seega võib looduslik kvarts (mäekristall) kaaluda kuni sadu kilogramme ja teemandid kuni mitu grammi.
Amorfsetes tahketes ainetes on aatomid pidevas võnkumises juhuslikult paiknevate punktide ümber. Nad säilitavad teatud lühiajalise järjekorra, kuid pikamaa järjekorda pole. Selle põhjuseks on asjaolu, et nende molekulid asuvad nende suurusega võrreldaval kaugusel. Kõige tavalisem näide sellisest tahkest ainest meie elus on klaasjas olek. Amorfseid aineid peetakse sageli ääretult kõrge viskoossusega vedelikuks. Nende kristalliseerumisaeg on mõnikord nii pikk, et see ei ilmu üldse.
Nende ainete ül altoodud omadused muudavad need ainulaadseks. Amorfseid tahkeid aineid peetakse ebastabiilseteks, kuna need võivad aja jooksul muutuda kristalseks.
Tahke aine moodustavad molekulid ja aatomid on pakitud suure tihedusega. Nad säilitavad praktiliselt oma vastastikuse positsiooni teiste osakeste suhtes ja neid hoitakse koos molekulidevahelise interaktsiooni tõttu. Tahke aine molekulide vahelist kaugust eri suundades nimetatakse võre parameetriks. Aine struktuur ja selle sümmeetria määravad ära paljud omadused, nagu elektronriba, lõhenemine ja optika. Kui tahkele ainele rakendatakse piisav alt suurt jõudu, võib neid omadusi ühel või teisel määral rikkuda. Sel juhul toimub tahke keha jäävdeformatsioon.
Tahkete ainete aatomid teevad võnkuvaid liikumisi, mis määravad nende soojusenergia omamise. Kuna need on tühised, saab neid jälgida ainult laboritingimustes. Tahke aine molekulaarstruktuur mõjutab suuresti selle omadusi.
Tahkeainete uuring
Nende ainete omadusi, omadusi, omadusi ja osakeste liikumist uuritakse tahkisfüüsika erinevatest alajaotistest.
Uuringu jaoks kasutatakse: radiospektroskoopiat, röntgenikiirgust kasutavat struktuurianalüüsi ja muid meetodeid. Nii uuritakse tahkete ainete mehaanilisi, füüsikalisi ja termilisi omadusi. Materjaliteadus uurib kõvadust, koormustaluvust, tõmbetugevust, faasimuutusi. See kajastab suures osas tahkisfüüsikat. On veel üks oluline kaasaegne teadus. Olemasolevate ainete uurimine ja uute ainete süntees viiakse läbi tahkiskeemia abil.
Tahkeainete omadused
Tahke aine aatomite väliselektronide liikumise iseloom määrab ära paljud selle omadused, näiteks elektrilised. Selliseid kehasid on 5 klassi. Need määratakse sõltuv alt aatomsideme tüübist:
- Ioonne, mille peamine omadus on elektrostaatilise külgetõmbe jõud. Selle omadused: valguse peegeldumine ja neeldumine infrapuna piirkonnas. Madalatel temperatuuridel iseloomustab ioonset sidet madal elektrijuhtivus. Sellise aine näiteks on vesinikkloriidhappe naatriumsool (NaCl).
- Kovalentne,mida teostab mõlemale aatomile kuuluv elektronpaar. Selline side jaguneb: ühekordne (lihtne), kahekordne ja kolmekordne. Need nimetused näitavad elektronide paaride olemasolu (1, 2, 3). Topelt- ja kolmiksidemeid nimetatakse mitmiksidemeteks. Sellel rühmal on veel üks jaotus. Niisiis, sõltuv alt elektronide tiheduse jaotusest eristatakse polaarseid ja mittepolaarseid sidemeid. Esimese moodustavad erinevad aatomid ja teise on sama. Selline tahke aine olek, mille näideteks on teemant (C) ja räni (Si), eristub oma tiheduse poolest. Kõige kõvemad kristallid kuuluvad spetsiifiliselt kovalentsele sidemele.
- Metalliline, moodustub aatomite valentselektronide kombineerimisel. Selle tulemusena tekib tavaline elektronipilv, mis elektripinge mõjul nihkub. Metallside tekib siis, kui seotud aatomid on suured. Nad on võimelised loovutama elektrone. Paljudes metallides ja kompleksühendites moodustab see side aine tahke oleku. Näited: naatrium, baarium, alumiinium, vask, kuld. Mittemetallilistest ühenditest võib märkida järgmist: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Metallilise sidemega ained (metallid) on oma füüsikaliste omaduste poolest mitmekesised. Need võivad olla vedelad (Hg), pehmed (Na, K), väga kõvad (W, Nb).
- Molekulaarne, tekkiv kristallides, mille moodustavad aine üksikud molekulid. Seda iseloomustavad tühimikud nulli elektrontihedusega molekulide vahel. Jõud, mis seovad sellistes kristallides aatomeid, on märkimisväärsed. Molekulid tõmbavad ligiüksteisele ainult nõrga molekulidevahelise külgetõmbe abil. Seetõttu hävivad nendevahelised sidemed kuumutamisel kergesti. Aatomite vahelisi sidemeid on palju raskem katkestada. Molekulaarne side jaguneb orientatsiooniliseks, dispersiooniks ja induktiivseks. Sellise aine näiteks on tahke metaan.
- Vesinik, mis esineb molekuli või selle osa positiivselt polariseeritud aatomite ja teise molekuli või muu osa väikseima negatiivselt polariseeritud osakese vahel. Need sidemed sisaldavad jääd.
Tahkeainete omadused
Mida me täna teame? Teadlased on pikka aega uurinud aine tahke oleku omadusi. Temperatuuriga kokkupuutel muutub ka see. Sellise keha üleminekut vedelikuks nimetatakse sulamiseks. Tahke aine muundumist gaasilisse olekusse nimetatakse sublimatsiooniks. Temperatuuri langetamisel toimub tahke aine kristalliseerumine. Mõned külma mõju all olevad ained lähevad amorfsesse faasi. Teadlased nimetavad seda protsessi klaasistumiseks.
Faasiüleminekute käigus muutub tahkete ainete sisemine struktuur. Suurima korra omandab see temperatuuri langedes. Atmosfäärirõhul ja temperatuuril T > 0 K tahkuvad kõik looduses esinevad ained. Ainult heelium, mille kristalliseerumiseks on vaja rõhku 24 atm, on erand sellest reeglist.
Aine tahke olek annab sellele erinevaid füüsikalisi omadusi. Need iseloomustavad kehade spetsiifilist käitumistteatud väljade ja jõudude mõjul. Need omadused on jagatud rühmadesse. On 3 kokkupuuteviisi, mis vastavad 3 energialiigile (mehaaniline, termiline, elektromagnetiline). Sellest lähtuv alt on tahkete ainete füüsikaliste omaduste rühmad kolm:
- Kehade pinge ja pingega seotud mehaanilised omadused. Nende kriteeriumide järgi jaotatakse tahked ained elastseks, reoloogiliseks, tugevuseks ja tehnoloogiliseks. Puhkeolekus säilitab selline keha oma kuju, kuid see võib välise jõu mõjul muutuda. Samal ajal võib selle deformatsioon olla plastiline (esialgne vorm ei naase), elastne (naaseb algsele kujule) või hävitav (teatud läve saavutamisel toimub lagunemine / purunemine). Reaktsiooni rakendatud jõule kirjeldavad elastsusmoodulid. Tugev keha ei pea vastu mitte ainult kokkusurumisele, venitamisele, vaid ka nihketele, väändele ja paindumisele. Tahke keha tugevus on selle omadus hävitamisele vastu seista.
- Soojus, ilmneb kokkupuutel termiliste väljadega. Üks olulisemaid omadusi on sulamistemperatuur, mille juures keha läheb vedelasse olekusse. Seda täheldatakse kristalsetes tahketes ainetes. Amorfsetel kehadel on varjatud sulamissoojus, kuna nende üleminek vedelasse olekusse temperatuuri tõusuga toimub järk-järgult. Teatud kuumuse saavutamisel kaotab amorfne keha oma elastsuse ja omandab plastilisuse. See olek tähendab, et see on saavutanud klaasistumistemperatuuri. Kuumutamisel tekib tahke aine deformatsioon. Ja enamasti see laieneb. Kvantitatiivselt sedariiki iseloomustab teatud koefitsient. Kehatemperatuur mõjutab mehaanilisi omadusi, nagu voolavus, elastsus, kõvadus ja tugevus.
- Elektromagnetiline, mis on seotud mikroosakeste voogude ja suure jäikusega elektromagnetlainete mõjuga tahkele ainele. Neile viidatakse tinglikult ka kiirgusomadustele.
Tsooni struktuur
Tahkeid aineid liigitatakse ka nn ribastruktuuri järgi. Seega eristavad nad nende hulgas:
- Juhid, mida iseloomustab see, et nende juhtivus- ja valentsribad kattuvad. Sel juhul saavad elektronid nende vahel liikuda, saades vastu vähimagi energia. Kõik metallid on juhid. Kui sellisele kehale rakendatakse potentsiaalide erinevust, tekib elektrivool (tänu elektronide vabale liikumisele madalaima ja kõrgeima potentsiaaliga punktide vahel).
- Dielektrikud, mille tsoonid ei kattu. Nende vaheline intervall ületab 4 eV. Elektronide juhtimiseks valentsist juhtivusribale on vaja palju energiat. Nende omaduste tõttu ei juhi dielektrikud praktiliselt voolu.
- Pooljuhid, mida iseloomustab juhtivus- ja valentsribade puudumine. Nende vaheline intervall on alla 4 eV. Elektronide ülekandmiseks valentsist juhtivusribale on vaja vähem energiat kui dielektrikute jaoks. Puhtad (dogeerimata ja loomulikud) pooljuhid ei lase voolu hästi läbi.
Molekulide liikumine tahkistes määrab nende elektromagnetilised omadused.
Muuomadused
Tahkekehad jaotatakse ka nende magnetiliste omaduste järgi. Seal on kolm rühma:
- Diamagnetid, mille omadused sõltuvad vähe temperatuurist või agregatsiooni olekust.
- Paramagnetid, mis tulenevad juhtivuselektronide orientatsioonist ja aatomite magnetmomentidest. Curie seaduse järgi väheneb nende vastuvõtlikkus võrdeliselt temperatuuriga. Nii et 300 K juures on see 10-5.
- Korrastatud magnetilise struktuuriga kehad, mille aatomite järjestus on pikk. Nende võre sõlmedes paiknevad perioodiliselt magnetmomentidega osakesed. Selliseid tahkeid aineid ja aineid kasutatakse sageli erinevates inimtegevuse valdkondades.
Kõige kõvemad ained looduses
Mis need on? Tahkete ainete tihedus määrab suuresti nende kõvaduse. Viimastel aastatel on teadlased avastanud mitmeid materjale, mis väidetav alt on "kõige vastupidavam keha". Kõige kõvem aine on fulleriit (fulereeni molekulidega kristall), mis on umbes 1,5 korda kõvem kui teemant. Kahjuks on see praegu saadaval ainult väga väikestes kogustes.
Tänapäeval on kõige kõvem aine, mida võidakse tulevikus tööstuses kasutada, lonsdaleiit (kuusnurkne teemant). See on 58% kõvem kui teemant. Lonsdaleiit on süsiniku allotroopne modifikatsioon. Selle kristallvõre on väga sarnane teemandiga. Lonsdaleiidi rakk sisaldab 4 aatomit, teemant aga 8. Laialdaselt kasutatavatest kristallidest on teemant tänapäeval kõige kõvem.
