Chất rắn: đặc tính, cấu trúc, mật độ và ví dụ

2024 Tác giả: Angel Austin | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 05:46

Chất rắn là những chất có khả năng tạo thành thể và có thể tích. Chúng khác với chất lỏng và chất khí ở hình dạng của chúng. Chất rắn giữ nguyên hình dạng của cơ thể do các phần tử của chúng không có khả năng di chuyển tự do. Chúng khác nhau về mật độ, độ dẻo, độ dẫn điện và màu sắc. Họ cũng có các thuộc tính khác. Vì vậy, ví dụ, hầu hết các chất này tan chảy trong quá trình đun nóng, thu được trạng thái tập hợp lỏng. Một số chất khi bị nung nóng lập tức biến thành chất khí (thăng hoa). Nhưng cũng có những chất phân hủy thành các chất khác.

Các loại chất rắn

Tất cả các chất rắn được chia thành hai nhóm.

Vô định hình, trong đó các hạt riêng lẻ được sắp xếp ngẫu nhiên. Nói cách khác: chúng không có cấu trúc (xác định) rõ ràng. Các chất rắn này có khả năng nóng chảy trong một khoảng nhiệt độ xác định. Phổ biến nhất trong số này bao gồm thủy tinh và nhựa.
Tinh thể, lần lượt được chia thành 4 loại: nguyên tử, phân tử, ion, kim loại. Trong chúng, các hạt chỉ định vị theo một mô hình nhất định, cụ thể là ở các nút của mạng tinh thể. Hình dạng của nó trong các chất khác nhau có thể khác nhau rất nhiều.

Các chất kết tinh rắn chiếm ưu thế hơn các chất vô định hình về số lượng.

Các loại chất rắn kết tinh

Ở trạng thái rắn, hầu hết tất cả các chất đều có cấu trúc tinh thể. Chúng khác nhau về cấu trúc của chúng. Mạng tinh thể trong các nút của chúng chứa nhiều hạt và nguyên tố hóa học khác nhau. Đó là phù hợp với họ mà họ có tên của họ. Mỗi loại có các thuộc tính cụ thể cho nó:

Trong mạng tinh thể nguyên tử, các hạt của chất rắn liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Nó nổi bật về độ bền của nó. Do đó, các chất này có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao. Loại này bao gồm thạch anh và kim cương.
Trong mạng tinh thể phân tử, liên kết giữa các hạt được phân biệt bởi độ yếu của nó. Các chất thuộc loại này có đặc điểm là dễ sôi và dễ nóng chảy. Chúng dễ bay hơi, do đó chúng có mùi nhất định. Những chất rắn này bao gồm nước đá và đường. Chuyển động của các phân tử trong chất rắn thuộc loại này được phân biệt bởi hoạt động của chúng.
Trong mạng tinh thể ion ở các nút, các hạt tương ứng xen kẽ, mang điện tích dương vàtừ chối. Chúng được giữ với nhau bằng lực hút tĩnh điện. Loại mạng tinh thể này tồn tại ở dạng kiềm, muối, oxit bazơ. Nhiều chất dạng này dễ tan trong nước. Do liên kết khá mạnh giữa các ion, chúng có khả năng chịu lửa. Hầu như tất cả chúng đều không mùi, vì chúng có đặc điểm là không bay hơi. Các chất có mạng tinh thể ion không thể dẫn điện vì chúng không chứa các electron tự do. Một ví dụ điển hình của chất rắn ion là muối ăn. Một mạng tinh thể như vậy làm cho nó trở nên giòn. Điều này là do thực tế là bất kỳ sự thay đổi nào trong nó cũng có thể dẫn đến sự xuất hiện của lực đẩy ion.
Trong mạng tinh thể kim loại ở các nút chỉ có các ion hoá học mang điện tích dương. Giữa chúng có các êlectron tự do mà năng lượng nhiệt và điện truyền hoàn toàn. Đó là lý do tại sao bất kỳ kim loại nào cũng được phân biệt bởi một đặc điểm như độ dẫn điện.

Khái niệm chung về cơ thể cứng nhắc

Chất rắn và các chất thực tế giống nhau. Các thuật ngữ này đề cập đến một trong 4 trạng thái tập hợp. Chất rắn có hình dạng bền vững và bản chất của chuyển động nhiệt của nguyên tử. Hơn nữa, sau này tạo ra các dao động nhỏ gần các vị trí cân bằng. Ngành khoa học liên quan đến nghiên cứu thành phần và cấu trúc bên trong được gọi là vật lý trạng thái rắn. Có những lĩnh vực kiến thức quan trọng khác liên quan đến các chất như vậy. Sự thay đổi hình dạng dưới các tác động và chuyển động bên ngoài được gọi là cơ học của một cơ thể có thể biến dạng.

Do các đặc tính khác nhau của chất rắn, chúng đã được ứng dụng trong các thiết bị kỹ thuật khác nhau do con người tạo ra. Thông thường, việc sử dụng chúng dựa trên các đặc tính như độ cứng, thể tích, khối lượng, độ đàn hồi, độ dẻo, tính dễ vỡ. Khoa học hiện đại cho phép sử dụng các chất rắn khác mà chỉ có thể tìm thấy trong phòng thí nghiệm.

Tinh thể là gì

Tinh thể là những thể rắn có các hạt sắp xếp theo một trật tự nhất định. Mỗi chất hóa học có cấu trúc riêng. Các nguyên tử của nó tạo thành một sắp xếp tuần hoàn ba chiều gọi là mạng tinh thể. Chất rắn có cấu trúc đối xứng khác nhau. Trạng thái tinh thể của chất rắn được coi là ổn định vì nó có một lượng thế năng tối thiểu.

Đại đa số vật liệu rắn (tự nhiên) bao gồm một số lượng lớn các hạt riêng lẻ được định hướng ngẫu nhiên (kết tinh). Những chất như vậy được gọi là đa tinh thể. Chúng bao gồm các hợp kim kỹ thuật và kim loại, cũng như nhiều loại đá. Monocrystalline dùng để chỉ các tinh thể tự nhiên hoặc tổng hợp đơn lẻ.

Thông thường, những chất rắn như vậy được hình thành từ trạng thái của pha lỏng, được biểu thị bằng sự nóng chảy hoặc dung dịch. Đôi khi chúng thu được từ trạng thái khí. Quá trình này được gọi là quá trình kết tinh. Nhờ tiến bộ khoa học và công nghệ, quy trình nuôi trồng (tổng hợp) các chất khác nhau đã đạt được quy mô công nghiệp. Hầu hết các tinh thể có hình dạng tự nhiên ở dạng đều đặnkhối đa diện. Kích thước của chúng rất khác nhau. Vì vậy, thạch anh tự nhiên (tinh thể đá) có thể nặng tới hàng trăm kg, và kim cương - lên đến vài gram.

Trong chất rắn vô định hình, các nguyên tử dao động không đổi xung quanh các điểm nằm ngẫu nhiên. Họ giữ một trật tự tầm ngắn nhất định, nhưng không có trật tự tầm xa. Điều này là do thực tế là các phân tử của chúng nằm ở một khoảng cách có thể so sánh được với kích thước của chúng. Ví dụ phổ biến nhất về một chất rắn như vậy trong cuộc sống của chúng ta là trạng thái thủy tinh. Các chất vô định hình thường được coi là một chất lỏng có độ nhớt cao vô hạn. Thời gian kết tinh của chúng đôi khi lâu đến mức hoàn toàn không xuất hiện.

Chính những đặc tính trên của các chất này đã tạo nên sự độc đáo cho chúng. Chất rắn vô định hình được coi là không ổn định vì chúng có thể trở thành kết tinh theo thời gian.

Các phân tử và nguyên tử tạo nên một chất rắn được đóng gói với mật độ cao. Trên thực tế, chúng giữ nguyên vị trí lẫn nhau của chúng so với các hạt khác và được giữ lại với nhau do tương tác giữa các phân tử. Khoảng cách giữa các phân tử của chất rắn theo các hướng khác nhau được gọi là thông số mạng tinh thể. Cấu trúc của vật chất và tính đối xứng của nó quyết định nhiều tính chất, chẳng hạn như dải điện tử, sự phân cắt và quang học. Khi một lực đủ lớn tác dụng lên vật rắn, những phẩm chất này có thể bị vi phạm ở mức độ này hay mức độ khác. Trong trường hợp này, vật rắn có thể bị biến dạng vĩnh viễn.

Nguyên tử của chất rắn tạo ra chuyển động dao động, xác định sự sở hữu nhiệt năng của chúng. Vì chúng không đáng kể nên chỉ có thể quan sát được chúng trong điều kiện phòng thí nghiệm. Cấu trúc phân tử của chất rắn ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của nó.

Nghiên cứu chất rắn

Đặc điểm, tính chất của những chất này, phẩm chất của chúng và chuyển động của các hạt được nghiên cứu bằng nhiều phần phụ khác nhau của vật lý trạng thái rắn.

Đối với nghiên cứu được sử dụng: soi kính phóng xạ, phân tích cấu trúc bằng tia X và các phương pháp khác. Đây là cách các tính chất cơ học, vật lý và nhiệt của chất rắn được nghiên cứu. Độ cứng, khả năng chịu tải, độ bền kéo, sự biến đổi pha được nghiên cứu bởi khoa học vật liệu. Nó phần lớn vang vọng vật lý trạng thái rắn. Có một khoa học hiện đại quan trọng khác. Việc nghiên cứu sự tồn tại và tổng hợp các chất mới được thực hiện bằng hóa học ở trạng thái rắn.

Tính năng của chất rắn

Bản chất của sự chuyển động của các electron ngoài cùng của các nguyên tử của một chất rắn quyết định nhiều thuộc tính của nó, ví dụ, điện. Có 5 lớp của các cơ quan như vậy. Chúng được thiết lập tùy thuộc vào loại liên kết nguyên tử:

Ionic, đặc tính chính của nó là lực hút tĩnh điện. Tính năng của nó: phản xạ và hấp thụ ánh sáng trong vùng hồng ngoại. Ở nhiệt độ thấp, liên kết ion có tính dẫn điện thấp. Một ví dụ về chất như vậy là muối natri của axit clohydric (NaCl).
Cộng hóa trị,được thực hiện bởi một cặp electron thuộc cả hai nguyên tử. Một liên kết như vậy được chia thành: đơn (đơn giản), đôi và ba. Những tên này chỉ ra sự hiện diện của các cặp electron (1, 2, 3). Liên kết đôi và liên kết ba được gọi là liên kết đa. Có một bộ phận khác của nhóm này. Vì vậy, tùy thuộc vào sự phân bố mật độ electron mà người ta phân biệt liên kết có cực và không phân cực. Nguyên tử đầu tiên được tạo thành bởi các nguyên tử khác nhau, và nguyên tử thứ hai cũng vậy. Một trạng thái rắn như vậy của vật chất, ví dụ như kim cương (C) và silicon (Si), được phân biệt bởi mật độ của nó. Các tinh thể cứng nhất đặc biệt thuộc về liên kết cộng hóa trị.
Kim loại, được hình thành bằng cách kết hợp các electron hóa trị của nguyên tử. Kết quả là, một đám mây electron chung xuất hiện, đám mây này bị dịch chuyển dưới tác động của điện áp. Liên kết kim loại được hình thành khi các nguyên tử liên kết lớn. Chúng có khả năng hiến tặng các electron. Trong nhiều kim loại và các hợp chất phức tạp, liên kết này tạo thành một trạng thái rắn của vật chất. Ví dụ: natri, bari, nhôm, đồng, vàng. Trong số các hợp chất phi kim, có thể ghi nhận các hợp chất sau: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu_{5 Zn 8}. Các chất có liên kết kim loại (kim loại) rất đa dạng về tính chất vật lý. Chúng có thể ở thể lỏng (Hg), mềm (Na, K), rất cứng (W, Nb).
Phân tử, phát sinh trong tinh thể, được hình thành bởi các phân tử riêng lẻ của một chất. Nó được đặc trưng bởi những khoảng trống giữa các phân tử với mật độ electron bằng không. Các lực liên kết các nguyên tử trong các tinh thể như vậy là đáng kể. Các phân tử bị hútvới nhau chỉ bởi lực hút liên phân tử yếu. Đó là lý do tại sao các liên kết giữa chúng dễ dàng bị phá hủy khi đun nóng. Liên kết giữa các nguyên tử khó bị phá vỡ hơn nhiều. Liên kết phân tử được chia thành định hướng, phân tán và cảm ứng. Ví dụ về một chất như vậy là mêtan rắn.
Hiđro, xảy ra giữa các nguyên tử phân cực dương của một phân tử hoặc một phần của nó và hạt phân cực âm nhỏ nhất của phân tử khác hoặc phần khác. Những liên kết này bao gồm băng.

Tính chất của chất rắn

Chúng ta biết gì ngày nay? Từ lâu, các nhà khoa học đã nghiên cứu các đặc tính của trạng thái rắn của vật chất. Khi tiếp xúc với nhiệt độ, nó cũng thay đổi. Sự chuyển đổi của một cơ thể như vậy thành một chất lỏng được gọi là sự nóng chảy. Sự chuyển thể từ thể rắn sang thể khí được gọi là sự thăng hoa. Khi hạ nhiệt độ, chất rắn xảy ra kết tinh. Một số chất dưới ảnh hưởng của lạnh đi vào pha vô định hình. Các nhà khoa học gọi đây là quá trình thủy tinh hóa.

Trong quá trình chuyển pha, cấu trúc bên trong của chất rắn thay đổi. Nó đạt được thứ tự lớn nhất với nhiệt độ giảm dần. Ở áp suất khí quyển và nhiệt độ T > 0 K, mọi chất tồn tại trong tự nhiên đều đông đặc. Chỉ có heli, yêu cầu áp suất 24 atm để kết tinh, là một ngoại lệ đối với quy tắc này.

Trạng thái rắn của vật chất mang lại cho nó nhiều tính chất vật lý khác nhau. Chúng đặc trưng cho hành vi cụ thể của các cơ quanchịu tác dụng của các trường và lực lượng nhất định. Các thuộc tính này được chia thành các nhóm. Có 3 cách tiếp xúc, tương ứng với 3 dạng năng lượng (cơ, nhiệt, điện từ). Theo đó, có 3 nhóm tính chất vật lý của chất rắn:

Tính chất cơ học liên quan đến căng thẳng và căng thẳng của cơ thể. Theo các tiêu chí này, chất rắn được chia thành đàn hồi, lưu biến, cường độ và công nghệ. Khi nghỉ ngơi, một cơ thể vẫn giữ nguyên hình dạng của nó, nhưng nó có thể thay đổi dưới tác dụng của ngoại lực. Đồng thời, biến dạng của nó có thể là dẻo (dạng ban đầu không trở lại), đàn hồi (trở lại dạng ban đầu) hoặc phá hoại (khi đạt đến một ngưỡng nhất định thì xảy ra phân rã / đứt gãy). Phản ứng đối với lực tác dụng được mô tả bằng mô đun đàn hồi. Một cơ thể rắn không chỉ chống lại lực nén, kéo căng mà còn chống lại sự dịch chuyển, xoắn và uốn cong. Sức mạnh của một cơ thể rắn là đặc tính của nó để chống lại sự phá hủy.
Nhiệt, biểu hiện khi tiếp xúc với trường nhiệt. Một trong những đặc tính quan trọng nhất là nhiệt độ nóng chảy mà cơ thể chuyển sang trạng thái lỏng. Nó được quan sát thấy trong chất rắn kết tinh. Các vật thể vô định hình có nhiệt dung hợp tiềm ẩn, kể từ khi chúng chuyển sang trạng thái lỏng với nhiệt độ tăng dần xảy ra dần dần. Khi đạt đến một nhiệt nhất định, cơ thể vô định hình mất tính đàn hồi và mất tính dẻo. Trạng thái này có nghĩa là nó đã đạt đến nhiệt độ chuyển thủy tinh. Khi nung nóng, sự biến dạng của vật rắn xảy ra. Và hầu hết thời gian nó mở rộng. Định lượng cái nàytrạng thái được đặc trưng bởi một hệ số nhất định. Nhiệt độ cơ thể ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học như tính lưu động, độ dẻo, độ cứng và độ bền.
Điện từ, liên quan đến tác động lên chất rắn của các dòng vi hạt và sóng điện từ có độ cứng cao. Các đặc tính bức xạ cũng được gọi theo điều kiện.

Cấu trúc khu

Chất rắn cũng được phân loại theo cái gọi là cấu trúc dải. Vì vậy, trong số họ phân biệt:

Chất dẫn điện, có đặc điểm là dải dẫn điện và dải hoá trị của chúng trùng nhau. Trong trường hợp này, các electron có thể di chuyển giữa chúng, nhận một năng lượng nhỏ nhất. Tất cả các kim loại đều là chất dẫn điện. Khi một hiệu điện thế được đặt vào cơ thể như vậy, một dòng điện được hình thành (do sự chuyển động tự do của các electron giữa các điểm có điện thế thấp nhất và cao nhất).
Dielectrics có các vùng không trùng nhau. Khoảng thời gian giữa chúng vượt quá 4 eV. Cần rất nhiều năng lượng để dẫn các êlectron từ vùng hoá trị sang vùng dẫn. Do những đặc tính này, các chất điện môi thực tế không dẫn dòng điện.
Chất bán dẫn có đặc điểm là không có vùng dẫn và vùng hóa trị. Khoảng thời gian giữa chúng nhỏ hơn 4 eV. Để chuyển các điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, cần ít năng lượng hơn so với chất điện môi. Các chất bán dẫn tinh khiết (không pha tạp và tự nhiên) không chạy tốt hiện tại.

Chuyển động của các phân tử trong chất rắn quyết định tính chất điện từ của chúng.

Khácthuộc tính

Các thể rắn cũng được chia nhỏ theo tính chất từ tính của chúng. Có ba nhóm:

Diamagnets, đặc tính phụ thuộc rất ít vào nhiệt độ hoặc trạng thái kết tụ.
Paramagnets sinh ra từ sự định hướng của các electron dẫn và mômen từ của nguyên tử. Theo định luật Curie, tính nhạy cảm của chúng giảm dần theo nhiệt độ. Vì vậy, ở 300 K, nó là 10-5.
Các vật thể có cấu trúc từ tính có trật tự, với một phạm vi dài của các nguyên tử. Tại các nút của mạng tinh thể của chúng, các hạt có mômen từ được định vị theo chu kỳ. Những chất rắn và chất như vậy thường được sử dụng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của con người.

Những chất cứng nhất trong tự nhiên

Chúng là gì? Mật độ của chất rắn quyết định phần lớn độ cứng của chúng. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra một số vật liệu được cho là "cơ thể bền nhất". Chất cứng nhất là fullerite (tinh thể có các phân tử fullerene), cứng hơn kim cương khoảng 1,5 lần. Rất tiếc hiện tại chỉ có số lượng cực ít.

Ngày nay, chất cứng nhất có thể được sử dụng trong tương lai trong ngành công nghiệp là lonsdaleite (kim cương lục giác). Nó cứng hơn 58% so với kim cương. Lonsdaleite là một biến đổi dị hướng của carbon. Mạng tinh thể của nó rất giống với kim cương. Một ô lonsdaleite chứa 4 nguyên tử, trong khi một viên kim cương chứa 8. Trong số các tinh thể được sử dụng rộng rãi, kim cương vẫn là loại cứng nhất hiện nay.