Твердые вещества: свойства, строение, плотность и примеры

Твердыми называют такие вещества, которые способны образовывать тела и имеют объем. От жидкостей и газов они отличаются своей формой. Твердые вещества сохраняют форму тела благодаря тому, что их частицы не способны свободно перемещаться. Они отличаются по своей плотности, пластичности, электропроводности и цвету. Также у них есть и другие свойства. Так, например, большинство данных веществ плавятся во время нагревания, приобретая жидкое агрегатное состояние. Некоторые из них при подогреве сразу же превращаются в газ (возгоняются). Но есть еще и те, которые разлагаются на иные вещества.

Виды твердых веществ

Все твердые вещества подразделяют на две группы.

1. Аморфные, в которых отдельные частицы располагаются хаотично. Другими словами: в них нет четкой (определенной) структуры. Эти твердые вещества способны плавиться в каком-то установленном промежутке температур. К самым распространенным из них можно отнести стекло и смолу.
2. Кристаллические, которые, в свою очередь, подразделяются на 4 типа: атомные, молекулярные, ионные, металлические. В них частицы располагаются только по определенной схеме, а именно в узлах кристаллической решетки. Ее геометрия в разных веществах может сильно различаться.

Твердые кристаллические вещества преобладают над аморфными по своей численности.

Типы кристаллических твердых веществ

В твердом состоянии практически все вещества имеют кристаллическую структуру. Они отличаются своим строением. Кристаллические решетки в своих узлах содержат различные частицы и химические элементы. Именно в соответствии с ними они и получили свои названия. У каждого типа имеются характерные для него свойства:

• В атомной кристаллической решетке частицы твердого вещества связаны ковалентной связью. Она отличается своей прочностью. Благодаря этому такие вещества отличаются высокой температурой плавления и кипения. К этому типу относятся кварц и алмаз.
• В молекулярной кристаллической решетке связь между частицами отличается своей слабостью. Вещества такого типа характеризуются легкостью закипания и плавления. Они отличаются летучестью, благодаря которой имеют определенный запах. К таким твердым телам относятся лед, сахар. Движения молекул в твердых веществах этого типа отличаются своей активностью.
• В ионной кристаллической решетке в узлах чередуются соответствующие частицы, заряженные положительно и отрицательно. Они удерживаются электростатическим притяжением. Данный тип решетки существует в щелочах, солях, основных оксидах. Многие вещества этого вида легко растворяются в воде. Благодаря достаточно прочной связи между ионами они тугоплавки. Практически все они не имеют запаха, поскольку для них характерна нелетучесть. Вещества с ионной решеткой неспособны проводить электрический ток, поскольку в их составе нет свободных электронов. Типичный пример ионного твердого вещества – поваренная соль. Такая кристаллическая решетка придает ей хрупкость. Это связано с тем, что любой ее сдвиг может привести к возникновению сил отталкивания ионов.
• В металлической кристаллической решетке в узлах присутствуют только ионы химических веществ, заряженные положительно. Между ними есть свободные электроны, через которые отлично проходит тепловая и электрическая энергия. Именно поэтому любые металлы отличаются такой особенностью, как проводимость.

Общие понятия о твердом теле

Твердые тела и вещества – это практически одно и то же. Этими терминами называют одно из 4 агрегатных состояний. Твердые тела имеют стабильную форму и характер теплового движения атомов. Причем последние совершают малые колебания рядом с положениями равновесия. Раздел науки, занимающийся изучением состава и внутренней структуры, называют физикой твердого тела. Существуют и другие важные области знаний, занимающиеся такими веществами. Изменение формы при внешних воздействиях и движении называют механикой деформируемого тела.

Благодаря различным свойствам твердых веществ они нашли применение в разных технических приспособлениях, созданных человеком. Чаще всего в основе их употребления лежали такие свойства, как твердость, объем, масса, упругость, пластичность, хрупкость. Современная наука позволяет использовать и другие качества твердых веществ, которые можно обнаружить исключительно в лабораторных условиях.

Что такое кристаллы

Кристаллы – это твердые тела с расположенными в определенном порядке частицами. Каждому химическому веществу соответствует своя структура. Его атомы образуют трехмерно-периодическую укладку, называемую кристаллической решеткой. Твердые вещества обладают различной симметрией структуры. Кристаллическое состояние твердого тела считается устойчивым, поскольку имеет минимальное количество потенциальной энергии.

Подавляющее большинство твердых материалов (природных) состоит из огромного числа беспорядочно ориентированных отдельных зерен (кристаллитов). Такие вещества называют поликристаллическими. К ним относят технические сплавы и металлы, а также множество горных пород. Монокристаллическими называют одиночные природные или синтетические кристаллы.

Чаще всего такие твердые тела образуются из состояния жидкой фазы, представленного расплавом или раствором. Иногда их получают и из газообразного состояния. Этот процесс называют кристаллизацией. Благодаря научно-техническому прогрессу процедура выращивания (синтеза) различных веществ получила промышленный масштаб. Большинство кристаллов имеет естественную форму в виде правильных многогранников. Их размеры бывают самыми разными. Так, природный кварц (горный хрусталь) может весить до сотен килограммов, а алмазы – до нескольких грамм.

В аморфных твердых телах атомы находятся в постоянном колебании вокруг хаотически находящихся точек. В них сохраняется определенный ближний порядок, но отсутствует дальний. Это обусловлено тем, что их молекулы расположены на расстоянии, которое можно сравнить с их размером. Наиболее часто встречающимся в нашей жизни примером такого твердого вещества является стеклообразное состояние. Аморфные вещества часто рассматриваются как жидкость с бесконечно большой вязкостью. Время их кристаллизации иногда так велико, что и вовсе не проявляется.

Именно вышеперечисленные свойства данных веществ делают их уникальными. Аморфные твердые тела считаются нестабильными, поскольку со временем могут перейти в кристаллическое состояние.

Молекулы и атомы, из которых состоит твердое вещество, упакованы с большой плотностью. Они практически сохраняют свое взаимоположение относительно иных частиц и держатся вместе благодаря межмолекулярному взаимодействию. Расстояние между молекулами твердого вещества в различных направлениях именуют параметром кристаллической решетки. Структура вещества и ее симметричность определяют множество свойств, таких как электронная зона, спайность и оптика. При воздействии на твердое вещество достаточно большой силы эти качества могут быть в той или иной степени нарушены. При этом твердое тело поддается остаточной деформации.

Атомы твердых тел совершают колебательные движения, которыми обусловлено обладание ими тепловой энергией. Поскольку они ничтожно малы, их можно наблюдать только при лабораторных условиях. Молекулярное строение твердого вещества во многом влияет на его свойства.

Изучение твердых веществ

Особенности, свойства данных веществ, их качества и движение частиц изучаются различными подразделами физики твердого тела.

Для исследования используются: радиоспектроскопия, структурный анализ при помощи рентгена и другие методы. Так изучаются механические, физические и тепловые свойства твердых веществ. Твердость, сопротивление нагрузкам, предел прочности, фазовые превращения изучает материаловедение. Оно в значительной степени перекликается с физикой твердых тел. Существует и другая важная современная наука. Исследование существующих и синтезирование новых веществ проводятся химией твердого состояния.

Особенности твердых веществ

Характер движения внешних электронов атомов твердого вещества определяет многие его свойства, например, электрические. Существует 5 классов таких тел. Они установлены в зависимости от типа связи атомов:

• Ионная, основной характеристикой которой является сила электростатического притяжения. Ее особенности: отражение и поглощение света в инфракрасной области. При малой температуре ионная связь отличается малой электропроводностью. Примером такого вещества является натриевая соль соляной кислоты (NaCl).
• Ковалентная, осуществляемая за счет электронной пары, которая принадлежит обоим атомам. Такая связь подразделяется на: одинарную (простую), двойную и тройную. Эти названия говорят о наличии пар электронов (1, 2, 3). Двойные и тройные связи называют кратными. Существует еще одно деление этой группы. Так, в зависимости от распределения электронной плотности выделяют полярную и неполярную связь. Первая образуется разными атомами, а вторая – одинаковыми. Такое твердое состояние вещества, примеры которого - алмаз (С) и кремний (Si), отличается своей плотностью. Самые твердые кристаллы относятся именно к ковалентной связи.
• Металлическая, образующаяся путем объединения валентных электронов атомов. В результате чего возникает общее электронное облако, которое смещается под воздействием электрического напряжения. Металлическая связь образуется тогда, когда связываемые атомы большие. Именно они способны отдавать электроны. У многих металлов и сложных соединений данной связью образуется твердое состояние вещества. Примеры: натрий, барий, алюминий, медь, золото. Из неметаллических соединений можно отметить следующие: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu₅Zn₈. Вещества с металлической связью (металлы) разнообразны по физическим свойствам. Они могут быть жидкими (Hg), мягкими (Na, K), очень твердыми (W, Nb).
• Молекулярная, возникающая в кристаллах, которые образуются отдельными молекулами вещества. Ее характеризуют промежутки между молекулами с нулевой электронной плотностью. Силы, связывающие атомы в таких кристаллах, значительны. При этом молекулы притягиваются друг к другу только слабым межмолекулярным притяжением. Именно поэтому связи между ними легко разрушаются при нагревании. Соединения между атомами разрушаются намного сложнее. Молекулярная связь подразделяется на ориентационную, дисперсионную и индукционную. Примером такого вещества является твердый метан.
• Водородная, которая возникает между положительно поляризованными атомами молекулы или ее части и отрицательно поляризованной наименьшей частицей иной молекулы либо другой части. К таким связям можно отнести лед.

Свойства твердых веществ

Что нам известно на сегодняшний день? Ученые давно изучают свойства твердого состояния вещества. При воздействии на него температур изменяется и оно. Переход такого тела в жидкость называют плавлением. Трансформация твердого вещества в газообразное состояние называется сублимацией. При понижении температуры происходит кристаллизация твердого тела. Некоторые вещества под действием холода переходят в аморфную фазу. Этот процесс ученые называют стеклованием.

При фазовых переходах изменяется внутренняя структура твердых тел. Наибольшую упорядоченность она приобретает при понижении температуры. При атмосферном давлении и температуре Т > 0 К любые вещества, существующие в природе, затвердевают. Только гелий, для кристаллизации которого нужно давление в 24 атм, составляет исключение из этого правила.

Твердое состояние вещества придает ему различные физические свойства. Они характеризуют специфическое поведение тел под воздействием определенных полей и сил. Эти свойства подразделяют на группы. Выделяют 3 способа воздействия, соответствующие 3 видам энергии (механической, термической, электромагнитной). Соответственно им существует 3 группы физических свойств твердых веществ:

• Механические свойства, связанные с напряжением и деформацией тел. По этим критериям твердые вещества делят на упругие, реологические, прочностные и технологические. В покое такое тело сохраняет свою форму, но оно может изменяться под действием внешней силы. При этом его деформация может быть пластической (начальный вид не возвращается), упругой (возвращается в первоначальную форму) или разрушительной (при достижении определенного порога происходит распад/разлом). Отзыв на прилагаемое усилие описывают модулями упругости. Твердое тело сопротивляется не только сжатию, растяжению, но и сдвигам, кручению и изгибам. Прочностью твердого тела называют его свойство сопротивляться разрушению.
• Термические, проявляющиеся при воздействии тепловых полей. Одно из самых важных свойств – температура плавления, при которой тело переходит в жидкое состояние. Оно отмечается у кристаллических твердых веществ. Аморфные тела обладают скрытой теплотой плавления, поскольку их переход в жидкое состояние при повышении температуры происходит постепенно. По достижении определенной теплоты аморфное тело теряет упругость и приобретает пластичность. Это состояние означает достижение им температуры стеклования. При нагревании происходит деформация твердого тела. Причем оно чаще всего расширяется. Количественно это состояние характеризуется определенным коэффициентом. Температура тела влияет на такие механические характеристики, как текучесть, пластичность, твердость и прочность.
• Электромагнитные, связанные с воздействием на твердое вещество потоков микрочастиц и электромагнитных волн большой жесткости. К ним условно относят и радиационные свойства.

Зонная структура

Твердые вещества классифицируются и по так называемой зонной структуре. Так, среди них различают:

• Проводники, отличающиеся тем, что зоны их проводимости и валентности перекрываются. При этом электроны могут перемещаться между ними, получая малейшую энергию. К проводникам относятся все металлы. При приложении к такому телу разности потенциалов образуется электрический ток (благодаря свободному передвижению электронов между точками с наименьшим и большим потенциалом).
• Диэлектрики, зоны которых не перекрываются. Интервал между ними превышает 4 эВ. Для проведения электронов из валентной в проводимую зону необходима большая энергия. Благодаря таким свойствам диэлектрики практически не проводят ток.
• Полупроводники, характеризующиеся отсутствием зон проводимости и валентности. Интервал между ними меньше 4 эВ. Для перевода электронов из валентной в проводимую зону необходима энергия меньшая, чем для диэлектриков. Чистые (нелегированные и собственные) полупроводники плохо пропускают ток.

Движения молекул в твердых веществах обуславливают их электромагнитные свойства.

Другие свойства

Твердые тела подразделяются и по своим магнитным свойствам. Есть три группы:

• Диамагнетики, свойства которых мало зависят от температуры или агрегатного состояния.
• Парамагнетики, являющиеся следствием ориентации электронов проводимости и магнитных моментов атомов. Согласно закону Кюри, их восприимчивость убывает пропорционально температуре. Так, при 300 К она составляет 10^-5.
• Тела с упорядоченной магнитной структурой, обладающие дальним порядком атомов. В узлах их решетки периодически располагаются частицы с магнитными моментами. Такие твердые тела и вещества часто используются в разных сферах деятельности человека.

Самые твердые вещества в природе

Какие же они? Плотность твердых веществ во многом определяет их твердость. За последние годы ученые открыли несколько материалов, которые претендуют на звание «наиболее прочного тела». Самое твердое вещество – это фуллерит (кристалл с молекулами фуллерена), который примерно в 1,5 раза тверже алмаза. К сожалению, он пока доступен только в крайне малых количествах.

На сегодняшний день самое твердое вещество, которое в дальнейшем, возможно, будет использоваться в промышленности, – лонсдейлит (гексагональный алмаз). Он на 58% тверже бриллианта. Лонсдейлит – аллотропная модификация углерода. Его кристаллическая решетка очень напоминает алмазную. Ячейка лонсдейлита содержит 4 атома, а бриллианта – 8. Из широко используемых кристаллов на сегодня самым твердым остается алмаз.