Solidi: proprietà, struttura, densità ed esempi

2024 Autore: Angel Austin | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 05:31

Le sostanze solide sono quelle in grado di formare corpi e avere volume. Si differenziano da liquidi e gas per la loro forma. I solidi mantengono la forma del corpo a causa del fatto che le loro particelle non sono in grado di muoversi liberamente. Differiscono per densità, plasticità, conduttività elettrica e colore. Hanno anche altre proprietà. Quindi, ad esempio, la maggior parte di queste sostanze si sciolgono durante il riscaldamento, acquisendo uno stato liquido di aggregazione. Alcuni di essi, una volta riscaldati, si trasformano immediatamente in gas (sublima). Ma ci sono anche quelli che si decompongono in altre sostanze.

Tipi di solidi

Tutti i solidi sono divisi in due gruppi.

Amorfo, in cui le singole particelle sono disposte casualmente. In altre parole: non hanno una struttura chiara (definita). Questi solidi sono in grado di fondere entro un intervallo di temperatura specificato. I più comuni includono vetro e resina.
Cristalli, che a loro volta si dividono in 4 tipi: atomici, molecolari, ionici, metallici. In essi, le particelle si trovano solo secondo un certo schema, vale a dire ai nodi del reticolo cristallino. La sua geometria in diverse sostanze può variare notevolmente.

Le sostanze cristalline solide prevalgono nel loro numero su quelle amorfe.

Tipi di solidi cristallini

Allo stato solido, quasi tutte le sostanze hanno una struttura cristallina. Differiscono nella loro struttura. I reticoli cristallini nei loro nodi contengono varie particelle ed elementi chimici. È in accordo con loro che hanno ottenuto i loro nomi. Ogni tipo ha proprietà specifiche:

Nel reticolo cristallino atomico, le particelle di un solido sono legate da un legame covalente. Si distingue per la sua durata. A causa di ciò, tali sostanze hanno un alto punto di fusione e di ebollizione. Questo tipo include quarzo e diamante.
Nel reticolo cristallino molecolare, il legame tra le particelle si distingue per la sua debolezza. Le sostanze di questo tipo sono caratterizzate da facilità di ebollizione e fusione. Sono volatili, per cui hanno un certo odore. Questi solidi includono ghiaccio e zucchero. I movimenti delle molecole nei solidi di questo tipo si distinguono per la loro attività.
Nel reticolo cristallino ionico ai nodi, le particelle corrispondenti si alternano, si caricano positivamente enegativo. Sono tenuti insieme dall'attrazione elettrostatica. Questo tipo di reticolo esiste in alcali, sali, ossidi basici. Molte sostanze di questo tipo sono facilmente solubili in acqua. A causa del legame abbastanza forte tra gli ioni, sono refrattari. Quasi tutti sono inodori, poiché sono caratterizzati da non volatilità. Le sostanze con un reticolo ionico non sono in grado di condurre corrente elettrica, poiché non contengono elettroni liberi. Un tipico esempio di solido ionico è il sale da cucina. Un tale reticolo cristallino lo rende fragile. Ciò è dovuto al fatto che qualsiasi spostamento può portare all'emergere di forze di repulsione ionica.
Nel reticolo cristallino del metallo ai nodi ci sono solo ioni chimici carichi positivamente. Tra di loro ci sono elettroni liberi attraverso i quali l'energia termica ed elettrica passa perfettamente. Ecco perché tutti i metalli si distinguono per una caratteristica come la conduttività.

Concetti generali di un corpo rigido

Solidi e sostanze sono praticamente la stessa cosa. Questi termini si riferiscono ad uno dei 4 stati di aggregazione. I solidi hanno una forma stabile e la natura del movimento termico degli atomi. Questi ultimi, inoltre, compiono piccole oscillazioni in prossimità delle posizioni di equilibrio. La branca della scienza che si occupa dello studio della composizione e della struttura interna è chiamata fisica dello stato solido. Ci sono altre importanti aree di conoscenza che si occupano di tali sostanze. Il cambiamento di forma sotto le influenze esterne e il movimento è chiamato la meccanica di un corpo deformabile.

A causa delle diverse proprietà dei solidi, hanno trovato applicazione in vari dispositivi tecnici creati dall'uomo. Molto spesso, il loro uso si basava su proprietà come durezza, volume, massa, elasticità, plasticità, fragilità. La scienza moderna consente l'uso di altre qualità di solidi che possono essere trovate solo in laboratorio.

Cosa sono i cristalli

I cristalli sono corpi solidi con particelle disposte in un certo ordine. Ogni sostanza chimica ha la sua struttura. I suoi atomi formano una disposizione periodica tridimensionale chiamata reticolo cristallino. I solidi hanno diverse simmetrie strutturali. Lo stato cristallino di un solido è considerato stabile perché ha una quantità minima di energia potenziale.

La stragrande maggioranza dei materiali solidi (naturali) consiste in un numero enorme di singoli grani (cristalliti) orientati casualmente. Tali sostanze sono chiamate policristalline. Questi includono leghe e metalli tecnici, oltre a molte rocce. Monocristallino si riferisce a singoli cristalli naturali o sintetici.

Molto spesso, tali solidi si formano dallo stato della fase liquida, rappresentata da una fusione o da una soluzione. A volte sono ottenuti dallo stato gassoso. Questo processo è chiamato cristallizzazione. Grazie al progresso scientifico e tecnologico, la procedura per la coltivazione (sintesi) di varie sostanze ha acquisito scala industriale. La maggior parte dei cristalli ha una forma naturale sotto forma di regolarepoliedri. Le loro dimensioni sono molto diverse. Quindi, il quarzo naturale (cristallo di rocca) può pesare fino a centinaia di chilogrammi e i diamanti fino a diversi grammi.

Nei solidi amorfi, gli atomi sono in costante oscillazione attorno a punti posizionati casualmente. Mantengono un certo ordine a corto raggio, ma non esiste un ordine a lungo raggio. Ciò è dovuto al fatto che le loro molecole si trovano a una distanza paragonabile alle loro dimensioni. L'esempio più comune di un tale solido nella nostra vita è lo stato vetroso. Le sostanze amorfe sono spesso considerate come un liquido con una viscosità infinitamente alta. Il tempo della loro cristallizzazione a volte è così lungo da non apparire affatto.

Sono le proprietà di cui sopra di queste sostanze che le rendono uniche. I solidi amorfi sono considerati instabili perché possono diventare cristallini nel tempo.

Le molecole e gli atomi che compongono un solido sono impacchettati ad alta densità. Praticamente mantengono la loro posizione reciproca rispetto ad altre particelle e sono tenuti insieme a causa dell'interazione intermolecolare. La distanza tra le molecole di un solido in diverse direzioni è chiamata parametro reticolare. La struttura della materia e la sua simmetria determinano molte proprietà, come la banda elettronica, la scissione e l'ottica. Quando una forza sufficientemente grande viene applicata a un solido, queste qualità possono essere violate in un modo o nell' altro. In questo caso, il corpo solido è soggetto a deformazione permanente.

Gli atomi dei solidi compiono moti oscillatori, che determinano il loro possesso di energia termica. Poiché sono trascurabili, possono essere osservati solo in condizioni di laboratorio. La struttura molecolare di un solido influisce notevolmente sulle sue proprietà.

Studio dei solidi

Le caratteristiche, le proprietà di queste sostanze, le loro qualità e il movimento delle particelle sono studiate da varie sottosezioni della fisica dello stato solido.

Per lo studio vengono utilizzati: radiospettroscopia, analisi strutturale mediante raggi X e altri metodi. In questo modo vengono studiate le proprietà meccaniche, fisiche e termiche dei solidi. Durezza, resistenza al carico, resistenza alla trazione, trasformazioni di fase sono studiati dalla scienza dei materiali. Riecheggia in gran parte la fisica dello stato solido. C'è un' altra importante scienza moderna. Lo studio dell'esistente e la sintesi di nuove sostanze sono effettuati dalla chimica dello stato solido.

Caratteristiche dei solidi

La natura del movimento degli elettroni esterni degli atomi di un solido determina molte delle sue proprietà, ad esempio elettriche. Ci sono 5 classi di tali organismi. Sono impostati in base al tipo di legame atomico:

Ionico, la cui caratteristica principale è la forza di attrazione elettrostatica. Le sue caratteristiche: riflessione e assorbimento della luce nella regione dell'infrarosso. A basse temperature, il legame ionico è caratterizzato da una bassa conduttività elettrica. Un esempio di tale sostanza è il sale sodico dell'acido cloridrico (NaCl).
Covalente,effettuata da una coppia di elettroni che appartiene a entrambi gli atomi. Tale legame è diviso in: singolo (semplice), doppio e triplo. Questi nomi indicano la presenza di coppie di elettroni (1, 2, 3). I doppi e i tripli legami sono detti legami multipli. C'è un' altra divisione di questo gruppo. Quindi, a seconda della distribuzione della densità elettronica, si distinguono i legami polari e non polari. Il primo è formato da atomi diversi e il secondo è lo stesso. Un tale stato solido della materia, esempi dei quali sono il diamante (C) e il silicio (Si), si distingue per la sua densità. I cristalli più duri appartengono specificamente al legame covalente.
Metallico, formato combinando gli elettroni di valenza degli atomi. Di conseguenza, appare una nuvola di elettroni comune, che viene spostata sotto l'influenza della tensione elettrica. Un legame metallico si forma quando gli atomi legati sono grandi. Sono in grado di donare elettroni. In molti metalli e composti complessi, questo legame forma uno stato solido della materia. Esempi: sodio, bario, alluminio, rame, oro. Tra i composti non metallici si possono notare: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu_{5 Zn 8}. Le sostanze con un legame metallico (metalli) sono diverse nelle loro proprietà fisiche. Possono essere liquidi (Hg), morbidi (Na, K), molto duri (W, Nb).
Molecolare, che nasce in cristalli, che sono formati da singole molecole di una sostanza. È caratterizzato da spazi vuoti tra molecole con densità elettronica zero. Le forze che legano gli atomi in tali cristalli sono significative. Le molecole sono attrattetra loro solo per debole attrazione intermolecolare. Ecco perché i legami tra di loro vengono facilmente distrutti se riscaldati. I legami tra gli atomi sono molto più difficili da rompere. Il legame molecolare è suddiviso in orientativo, a dispersione e induttivo. Un esempio di tale sostanza è il metano solido.
Idrogeno, che si trova tra gli atomi polarizzati positivamente di una molecola o di una sua parte e la più piccola particella polarizzata negativamente di un' altra molecola o altra parte. Questi legami includono ghiaccio.

Proprietà dei solidi

Cosa sappiamo oggi? Gli scienziati hanno studiato a lungo le proprietà dello stato solido della materia. Se esposto alla temperatura, cambia anche. La transizione di un tale corpo in un liquido è chiamata fusione. La trasformazione di un solido in uno stato gassoso si chiama sublimazione. Quando la temperatura si abbassa, avviene la cristallizzazione del solido. Alcune sostanze sotto l'influenza del freddo passano nella fase amorfa. Gli scienziati chiamano questo processo vetrificazione.

Durante le transizioni di fase, la struttura interna dei solidi cambia. Acquisisce l'ordine massimo al diminuire della temperatura. Alla pressione atmosferica e alla temperatura T > 0 K, tutte le sostanze esistenti in natura si solidificano. Solo l'elio, che richiede una pressione di 24 atm per cristallizzare, è un'eccezione a questa regola.

Lo stato solido della materia le conferisce varie proprietà fisiche. Caratterizzano il comportamento specifico dei corpisotto l'influenza di determinati campi e forze. Queste proprietà sono divise in gruppi. Esistono 3 modalità di esposizione, corrispondenti a 3 tipi di energia (meccanica, termica, elettromagnetica). Di conseguenza, ci sono 3 gruppi di proprietà fisiche dei solidi:

Proprietà meccaniche associate allo stress e alla deformazione dei corpi. Secondo questi criteri, i solidi si dividono in elastici, reologici, di resistenza e tecnologici. A riposo, un tale corpo mantiene la sua forma, ma può cambiare sotto l'azione di una forza esterna. Allo stesso tempo, la sua deformazione può essere plastica (la forma iniziale non ritorna), elastica (torna alla sua forma originale) o distruttiva (al raggiungimento di una certa soglia si verifica decadimento/frattura). La risposta alla forza applicata è descritta dai moduli di elasticità. Un corpo solido resiste non solo alla compressione, allo stiramento, ma anche agli spostamenti, alla torsione e alla flessione. La forza di un corpo solido è la sua proprietà di resistere alla distruzione.
Termico, manifestato quando esposto a campi termici. Una delle proprietà più importanti è il punto di fusione in cui il corpo passa allo stato liquido. Si osserva nei solidi cristallini. I corpi amorfi hanno un calore latente di fusione, poiché il loro passaggio allo stato liquido con l'aumentare della temperatura avviene gradualmente. Al raggiungimento di un certo calore, il corpo amorfo perde la sua elasticità e acquisisce plasticità. Questo stato significa che ha raggiunto la temperatura di transizione vetrosa. Quando riscaldato, si verifica la deformazione del solido. E la maggior parte delle volte si espande. Quantitativamente questolo stato è caratterizzato da un certo coefficiente. La temperatura corporea influisce sulle proprietà meccaniche come fluidità, duttilità, durezza e resistenza.
Elettromagnetico, associato all'impatto su una sostanza solida di flussi di microparticelle e onde elettromagnetiche di elevata rigidità. Anche le proprietà delle radiazioni sono condizionalmente riferite ad esse.

Struttura della zona

Anche i solidi sono classificati secondo la cosiddetta struttura a bande. Quindi, tra loro si distinguono:

Conduttori, caratterizzati dal fatto che le loro bande di conduzione e di valenza si sovrappongono. In questo caso, gli elettroni possono spostarsi tra di loro, ricevendo la minima energia. Tutti i metalli sono conduttori. Quando una differenza di potenziale viene applicata a un tale corpo, si forma una corrente elettrica (a causa del libero movimento degli elettroni tra i punti con il potenziale più basso e quello più alto).
Dielettrici le cui zone non si sovrappongono. L'intervallo tra loro supera 4 eV. È necessaria molta energia per condurre gli elettroni dalla valenza alla banda di conduzione. A causa di queste proprietà, i dielettrici praticamente non conducono corrente.
Semiconduttori caratterizzati dall'assenza di bande di conduzione e di valenza. L'intervallo tra loro è inferiore a 4 eV. Per trasferire gli elettroni dalla valenza alla banda di conduzione, è necessaria meno energia rispetto ai dielettrici. I semiconduttori puri (non dopati e nativi) non trasmettono bene la corrente.

I movimenti delle molecole nei solidi determinano le loro proprietà elettromagnetiche.

Altroproprietà

Anche i corpi solidi sono suddivisi in base alle loro proprietà magnetiche. Ci sono tre gruppi:

Diamagneti, le cui proprietà dipendono poco dalla temperatura o dallo stato di aggregazione.
Paramagneti risultanti dall'orientamento degli elettroni di conduzione e dai momenti magnetici degli atomi. Secondo la legge di Curie, la loro suscettibilità diminuisce in proporzione alla temperatura. Quindi, a 300 K è 10-5.
Corpi con una struttura magnetica ordinata, con un ordine di atomi a lungo raggio. Ai nodi del loro reticolo si trovano periodicamente particelle con momenti magnetici. Tali solidi e sostanze sono spesso utilizzati in vari campi dell'attività umana.

Le sostanze più dure in natura

Cosa sono? La densità dei solidi determina in gran parte la loro durezza. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno scoperto diversi materiali che affermano di essere il "corpo più durevole". La sostanza più dura è la fullerite (un cristallo con molecole di fullerene), che è circa 1,5 volte più dura del diamante. Sfortunatamente, al momento è disponibile solo in quantità estremamente ridotte.

Oggi, la sostanza più dura che potrebbe essere utilizzata in futuro nell'industria è la lonsdaleite (diamante esagonale). È il 58% più duro del diamante. Lonsdaleite è una modifica allotropica del carbonio. Il suo reticolo cristallino è molto simile al diamante. Una cella di lonsdaleite contiene 4 atomi, mentre un diamante ne contiene 8. Dei cristalli ampiamente utilizzati, il diamante rimane il più duro oggi.