المواد الصلبة هي تلك القادرة على تكوين أجسام ولها حجم. وهي تختلف عن السوائل والغازات في شكلها. تحتفظ المواد الصلبة بشكل الجسم بسبب حقيقة أن جزيئاتها لا تستطيع التحرك بحرية. وهي تختلف في كثافتها وليونة وموصلية كهربائية ولون. لديهم أيضا خصائص أخرى. لذلك ، على سبيل المثال ، تذوب معظم هذه المواد أثناء التسخين ، وتكتسب الحالة السائلة للتجمع. البعض منهم ، عند تسخينه ، يتحول على الفور إلى غاز (متصاعد). ولكن هناك أيضًا تلك التي تتحلل إلى مواد أخرى.
أنواع المواد الصلبة
جميع المواد الصلبة مقسمة إلى مجموعتين
- غير متبلور ، حيث يتم ترتيب الجسيمات الفردية بشكل عشوائي. بمعنى آخر: ليس لديهم هيكل واضح (محدد). هذه المواد الصلبة قادرة على الذوبان في نطاق درجة حرارة محددة.الأكثر شيوعا من هذه تشمل الزجاج والراتنج.
- بلوري ، والذي بدوره ينقسم إلى 4 أنواع: ذري ، جزيئي ، أيوني ، معدني. في نفوسهم ، توجد الجسيمات فقط وفقًا لنمط معين ، أي عند عقد الشبكة البلورية. يمكن أن تختلف هندستها في المواد المختلفة بشكل كبير.
المواد البلورية الصلبة تسود على المواد غير المتبلورة في عددها.
أنواع المواد الصلبة البلورية
في الحالة الصلبة ، تحتوي جميع المواد تقريبًا على بنية بلورية. هم يختلفون في هيكلهم. تحتوي المشابك البلورية في عقدها على جزيئات وعناصر كيميائية مختلفة. وفقًا لهم حصلوا على أسمائهم. كل نوع له خصائص خاصة به:
- في الشبكة البلورية الذرية ، ترتبط جزيئات المادة الصلبة برابطة تساهمية. تتميز بمتانتها. نتيجة لهذا ، فإن هذه المواد لها درجة انصهار وغليان عالية. هذا النوع يشمل الكوارتز والماس.
- في الشبكة البلورية الجزيئية ، تتميز الرابطة بين الجسيمات بضعفها. المواد من هذا النوع تتميز بسهولة الغليان والذوبان. إنها متقلبة ، بسببها لها رائحة معينة. وتشمل هذه المواد الصلبة الثلج والسكر. تتميز حركات الجزيئات في المواد الصلبة من هذا النوع بنشاطها.
- في الشبكة البلورية الأيونية في العقد ، تتناوب الجسيمات المقابلة ، مشحونة بشكل إيجابي ونفي. يتم تجميعهم معًا عن طريق الجذب الكهروستاتيكي. يوجد هذا النوع من الشبكة في القلويات والأملاح والأكاسيد الأساسية. العديد من المواد من هذا النوع قابلة للذوبان في الماء بسهولة. نظرًا للرابطة القوية إلى حد ما بين الأيونات ، فهي مقاومة للحرارة. كلها تقريبًا عديمة الرائحة ، لأنها تتميز بعدم التطاير. المواد ذات الشبكة الأيونية غير قادرة على توصيل التيار الكهربائي ، لأنها لا تحتوي على إلكترونات حرة. من الأمثلة النموذجية على مادة صلبة أيونية ملح الطعام. مثل هذه الشبكة البلورية تجعلها هشة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن أي تحول فيه يمكن أن يؤدي إلى ظهور قوى التنافر الأيوني.
- في الشبكة المعدنية البلورية عند العقد لا يوجد سوى أيونات كيميائية موجبة الشحنة. يوجد بينهما إلكترونات حرة تمر من خلالها الطاقة الحرارية والكهربائية بشكل مثالي. هذا هو السبب في أن أي معادن تتميز بميزة مثل التوصيل.
مفاهيم عامة عن الجسم الصلب
المواد الصلبة هي عمليا نفس الشيء. تشير هذه المصطلحات إلى إحدى حالات التجميع الأربع. المواد الصلبة لها شكل ثابت وطبيعة الحركة الحرارية للذرات. علاوة على ذلك ، يقوم الأخير بعمل تذبذبات صغيرة بالقرب من مواضع التوازن. يسمى فرع العلم الذي يتعامل مع دراسة التركيب والبنية الداخلية بفيزياء الحالة الصلبة. هناك مجالات معرفة مهمة أخرى تتعامل مع مثل هذه المواد. يسمى التغيير في الشكل تحت التأثيرات الخارجية والحركة ميكانيكا الجسم المشوه.
نظرًا للخصائص المختلفة للمواد الصلبة ، فقد وجدوا تطبيقات في مختلف الأجهزة التقنية التي أنشأها الإنسان. في أغلب الأحيان ، كان استخدامها يعتمد على خصائص مثل الصلابة والحجم والكتلة والمرونة والليونة والهشاشة. يسمح العلم الحديث باستخدام صفات أخرى من المواد الصلبة لا يمكن العثور عليها إلا في المختبر.
ما هي البلورات
البلورات أجسام صلبة ذات جزيئات مرتبة بترتيب معين. كل مادة كيميائية لها هيكلها الخاص. تشكل ذراتها ترتيبًا دوريًا ثلاثي الأبعاد يسمى الشبكة البلورية. المواد الصلبة لها تماثلات هيكلية مختلفة. تعتبر الحالة البلورية للمادة الصلبة مستقرة لأنها تحتوي على الحد الأدنى من الطاقة الكامنة.
تتكون الغالبية العظمى من المواد الصلبة (الطبيعية) من عدد كبير من الحبوب الفردية الموجهة عشوائيًا (البلورات). تسمى هذه المواد الكريستالات. وتشمل هذه السبائك والمعادن التقنية ، فضلا عن العديد من الصخور. أحادي البلورية يشير إلى بلورات أحادية طبيعية أو اصطناعية.
في أغلب الأحيان ، تتشكل هذه المواد الصلبة من حالة الطور السائل ، ممثلة بالذوبان أو المحلول. في بعض الأحيان يتم الحصول عليها من الحالة الغازية. هذه العملية تسمى التبلور. بفضل التقدم العلمي والتكنولوجي ، اكتسب إجراء زراعة (تخليق) المواد المختلفة نطاقًا صناعيًا. معظم البلورات لها شكل طبيعي في شكل منتظممتعددات الوجوه. أحجامهم مختلفة جدا. لذلك ، يمكن أن يصل وزن الكوارتز الطبيعي (الكريستال الصخري) إلى مئات الكيلوجرامات ، والماس - يصل إلى عدة جرامات.
في المواد الصلبة غير المتبلورة ، تكون الذرات في تذبذب مستمر حول نقاط متوضعة بشكل عشوائي. إنهم يحتفظون بأمر قصير المدى معين ، لكن لا يوجد ترتيب بعيد المدى. هذا يرجع إلى حقيقة أن جزيئاتها تقع على مسافة يمكن مقارنتها بحجمها. المثال الأكثر شيوعًا لمثل هذه المادة الصلبة في حياتنا هو الحالة الزجاجية. غالبًا ما تُعتبر المواد غير المتبلورة سائلة ذات لزوجة عالية إلى ما لا نهاية. أحيانًا يكون وقت تبلورهم طويلًا جدًا بحيث لا يظهر على الإطلاق.
الخصائص المذكورة أعلاه لهذه المواد هي التي تجعلها فريدة من نوعها. تعتبر المواد الصلبة غير المتبلورة غير مستقرة لأنها يمكن أن تصبح بلورية بمرور الوقت.
الجزيئات والذرات التي تتكون منها المادة الصلبة معبأة بكثافة عالية. إنهم يحتفظون عمليًا بموقفهم المتبادل بالنسبة للجسيمات الأخرى ويتم تجميعهم معًا بسبب التفاعل بين الجزيئات. تسمى المسافة بين جزيئات المادة الصلبة في اتجاهات مختلفة المعلمة الشبكية. تحدد بنية المادة وتماثلها العديد من الخصائص ، مثل نطاق الإلكترون والانقسام والبصريات. عندما يتم تطبيق قوة كبيرة بدرجة كافية على مادة صلبة ، يمكن انتهاك هذه الصفات بدرجة أو بأخرى. في هذه الحالة الجسم الصلب عرضة لتشوه دائم.
تقوم ذرات المواد الصلبة بعمل حركات تذبذبية تحدد مدى امتلاكها للطاقة الحرارية. نظرًا لأنها لا تكاد تذكر ، لا يمكن ملاحظتها إلا في ظل ظروف معملية. يؤثر التركيب الجزيئي للمادة الصلبة بشكل كبير على خصائصها.
دراسة المواد الصلبة
ميزات وخصائص هذه المواد وصفاتها وحركة الجسيمات تمت دراستها بواسطة أقسام فرعية مختلفة لفيزياء الحالة الصلبة.
تستخدم للدراسة: التحليل الطيفي الشعاعي والتحليل الهيكلي باستخدام الأشعة السينية وطرق أخرى. هذه هي الطريقة التي يتم بها دراسة الخصائص الميكانيكية والفيزيائية والحرارية للمواد الصلبة. يدرس علم المواد الصلابة ومقاومة الحمل وقوة الشد وتحولات الطور. إنه يردد إلى حد كبير فيزياء الحالة الصلبة. هناك علم حديث آخر مهم. يتم إجراء دراسة المواد الموجودة وتوليف المواد الجديدة بواسطة كيمياء الحالة الصلبة.
ملامح المواد الصلبة
طبيعة حركة الإلكترونات الخارجية لذرات المادة الصلبة تحدد العديد من خواصها ، على سبيل المثال الكهربائية. هناك 5 فئات من هذه الهيئات. يتم تعيينها اعتمادًا على نوع الرابطة الذرية:
- أيوني ، السمة الرئيسية لها هي قوة الجذب الإلكتروستاتيكي. مميزاته: انعكاس وامتصاص الضوء في منطقة الأشعة تحت الحمراء. في درجات الحرارة المنخفضة ، تتميز الرابطة الأيونية بتوصيل كهربائي منخفض. مثال على هذه المادة هو ملح الصوديوم لحمض الهيدروكلوريك.
- تساهمية ،ينفذه زوج إلكترون ينتمي إلى كلتا الذرتين. تنقسم هذه الرابطة إلى: مفردة (بسيطة) ومزدوجة وثلاثية. تشير هذه الأسماء إلى وجود أزواج من الإلكترونات (1 ، 2 ، 3). تسمى الروابط المزدوجة والثلاثية بالروابط المتعددة. هناك قسم آخر لهذه المجموعة. لذلك ، اعتمادًا على توزيع كثافة الإلكترون ، يتم تمييز الروابط القطبية وغير القطبية. الأول يتكون من ذرات مختلفة ، والثاني هو نفسه. تتميز هذه الحالة الصلبة للمادة ، أمثلة منها الماس (C) والسيليكون (Si) ، بكثافتها. تنتمي أصعب البلورات على وجه التحديد إلى الرابطة التساهمية.
- فلز ، يتكون من دمج إلكترونات التكافؤ للذرات. نتيجة لذلك ، تظهر سحابة إلكترون شائعة يتم إزاحتها تحت تأثير الجهد الكهربائي. تتشكل الرابطة المعدنية عندما تكون الذرات المترابطة كبيرة. إنهم قادرون على التبرع بالإلكترونات. في العديد من المعادن والمركبات المعقدة ، تشكل هذه الرابطة حالة صلبة من المادة. أمثلة: الصوديوم والباريوم والألمنيوم والنحاس والذهب. من المركبات غير المعدنية ، يمكن ملاحظة ما يلي: AlCr2، Ca2Cu ، Cu5Zn 8. تتنوع المواد ذات الرابطة المعدنية (المعادن) في خصائصها الفيزيائية. يمكن أن تكون سائلة (Hg) ، ناعمة (Na ، K) ، صلبة جدًا (W ، Nb).
- جزيئي ، ينشأ في بلورات ، تتشكل بواسطة جزيئات فردية من مادة ما. يتميز بوجود فجوات بين الجزيئات ذات الكثافة الإلكترونية الصفرية. إن القوى التي تربط الذرات في مثل هذه البلورات مهمة. تنجذب الجزيئاتلبعضها البعض فقط عن طريق التجاذب الجزيئي الضعيف. هذا هو السبب في أن الروابط بينهما تتفكك بسهولة عند تسخينها. يصعب كسر الروابط بين الذرات. ينقسم الترابط الجزيئي إلى توجيهي وتشتت واستقرائي. مثال على هذه المادة هو الميثان الصلب.
- الهيدروجين ، والذي يحدث بين الذرات المستقطبة موجبًا لجزيء أو جزء منه وأصغر جسيم مستقطب سالبًا لجزيء آخر أو جزء آخر. هذه الروابط تشمل الجليد.
خصائص المواد الصلبة
ماذا نعرف اليوم؟ لطالما درس العلماء خصائص الحالة الصلبة للمادة. عند تعرضها لدرجة الحرارة ، فإنها تتغير أيضًا. يسمى انتقال هذا الجسم إلى سائل بالذوبان. يسمى تحول المادة الصلبة إلى حالة غازية التسامي. عندما تنخفض درجة الحرارة ، يحدث تبلور المادة الصلبة. تمر بعض المواد تحت تأثير البرد إلى المرحلة غير المتبلورة. يسمي العلماء هذه العملية بالتزجيج.
أثناء انتقالات الطور ، يتغير الهيكل الداخلي للمواد الصلبة. يكتسب أكبر ترتيب مع انخفاض درجة الحرارة. عند الضغط الجوي ودرجة الحرارة T > 0 K ، تتصلب أي مادة موجودة في الطبيعة. فقط الهيليوم ، الذي يتطلب ضغطًا بمقدار 24 ضغط جوي حتى تتبلور ، هو استثناء لهذه القاعدة.
تعطي الحالة الصلبة للمادة خصائص فيزيائية مختلفة. يميزون السلوك المحدد للأجسامتحت تأثير بعض المجالات والقوى. هذه الخصائص مقسمة إلى مجموعات. هناك 3 طرق للتعرض ، تتوافق مع 3 أنواع من الطاقة (ميكانيكية ، حرارية ، كهرومغناطيسية). وفقًا لذلك ، هناك 3 مجموعات من الخصائص الفيزيائية للمواد الصلبة:
- الخواص الميكانيكية المرتبطة بالإجهاد و إجهاد الجسم. وفقًا لهذه المعايير ، يتم تقسيم المواد الصلبة إلى مرونة ، وريولوجية ، وقوة ، وتكنولوجية. في حالة الراحة ، يحتفظ هذا الجسم بشكله ، ولكن يمكن أن يتغير بفعل قوة خارجية. في الوقت نفسه ، يمكن أن يكون تشوهه بلاستيكيًا (الشكل الأولي لا يعود) ، أو مرنًا (يعود إلى شكله الأصلي) أو مدمرًا (عند الوصول إلى عتبة معينة ، يحدث تسوس / كسر). يتم وصف الاستجابة للقوة المطبقة بواسطة معاملات المرونة. الجسم الصلب لا يقاوم الضغط والتمدد فحسب ، بل يقاوم أيضًا التحولات والالتواء والانحناء. قوة الجسم الصلب هي ملكه لمقاومة الدمار
- حراري ، يتجلى عند تعرضه للحقول الحرارية. من أهم الخصائص هي درجة الانصهار التي يمر عندها الجسم إلى الحالة السائلة. لوحظ في المواد الصلبة البلورية. تمتلك الأجسام غير المتبلورة حرارة اندماج كامنة ، حيث يحدث انتقالها إلى الحالة السائلة مع زيادة درجة الحرارة تدريجياً. عند الوصول إلى درجة حرارة معينة ، يفقد الجسم غير المتبلور مرونته ويكتسب اللدونة. تعني هذه الحالة أنها وصلت إلى درجة حرارة التزجج. عند تسخينها ، يحدث تشوه للمادة الصلبة. ويتوسع في معظم الأحيان. هذا كمياتتميز الدولة بمعامل معين. تؤثر درجة حرارة الجسم على الخواص الميكانيكية مثل السيولة والليونة والصلابة والقوة.
- الكهرومغناطيسية المرتبطة بالتأثير على مادة صلبة لتدفقات الجسيمات الدقيقة والموجات الكهرومغناطيسية عالية الصلابة. يشار إليها أيضًا بخصائص الإشعاع بشكل مشروط.
هيكل المنطقة
يتم تصنيف المواد الصلبة أيضًا وفقًا لما يسمى بهيكل النطاق. لذلك ، من بينهم يميزون:
- الموصلات ، وتتميز بتداخل نطاقي التوصيل والتكافؤ. في هذه الحالة ، يمكن للإلكترونات أن تتحرك فيما بينها ، وتتلقى أدنى طاقة. جميع المعادن موصلات. عندما يتم تطبيق فرق جهد على مثل هذا الجسم ، يتم تكوين تيار كهربائي (بسبب حرية حركة الإلكترونات بين النقاط ذات الجهد الأدنى والأعلى).
- عوازل لا تتداخل مناطقها. الفاصل الزمني بينهما يتجاوز 4 فولت. هناك حاجة إلى الكثير من الطاقة لتوصيل الإلكترونات من التكافؤ إلى نطاق التوصيل. بسبب هذه الخصائص ، فإن العوازل الكهربائية عمليا لا تجري التيار.
- أشباه الموصلات تتميز بغياب نطاقات التوصيل والتكافؤ. الفاصل الزمني بينهما أقل من 4 فولت. لنقل الإلكترونات من التكافؤ إلى نطاق التوصيل ، هناك حاجة إلى طاقة أقل من العوازل. لا تمر أشباه الموصلات النقية (غير المشغولة والموصلية) بشكل جيد.
تحدد حركات الجزيئات في المواد الصلبة خصائصها الكهرومغناطيسية.
أخرىخصائص
تنقسم الأجسام الصلبة أيضًا وفقًا لخصائصها المغناطيسية. هناك ثلاث مجموعات:
- Diamagnets ، خصائصها تعتمد قليلاً على درجة الحرارة أو حالة التجمع.
- بارامغناطيس ناتج عن اتجاه إلكترونات التوصيل واللحظات المغناطيسية للذرات. وفقًا لقانون كوري ، تقل قابليتها للتأثر بدرجة الحرارة. إذن ، عند 300 كلفن تكون 10-5.
- أجسام ذات بنية مغناطيسية منظمة ، وذات ترتيب بعيد المدى. تقع الجسيمات ذات اللحظات المغناطيسية بشكل دوري في نقاط شبكتها. غالبًا ما تستخدم هذه المواد الصلبة في مختلف مجالات النشاط البشري.
اصعب المواد في الطبيعة
ما هم؟ تحدد كثافة المواد الصلبة إلى حد كبير صلابتها. في السنوات الأخيرة ، اكتشف العلماء العديد من المواد التي تدعي أنها "أكثر الجسم ديمومة". أصعب مادة هي الفوليريت (بلورة بها جزيئات الفوليرين) ، وهي أقوى بحوالي 1.5 مرة من الماس. للأسف ، فهو متوفر حاليًا بكميات صغيرة جدًا فقط.
اليوم ، أقوى مادة يمكن استخدامها في المستقبل في الصناعة هي lonsdaleite (الماس السداسي). إنه أصلب بنسبة 58٪ من الماس. Lonsdaleite هو تعديل متآصل للكربون. تشبه شبكتها البلورية إلى حد كبير الماس. تحتوي خلية lonsdaleite على 4 ذرات ، بينما يحتوي الماس على 8. من بين الكريستالات المستخدمة على نطاق واسع ، يظل الماس هو الأصعب اليوم.
