Substancat e ngurta janë ato që janë në gjendje të formojnë trupa dhe të kenë vëllim. Ato ndryshojnë nga lëngjet dhe gazrat në formën e tyre. Lëndët e ngurta ruajnë formën e trupit për faktin se grimcat e tyre nuk janë në gjendje të lëvizin lirshëm. Ato ndryshojnë në densitetin, plasticitetin, përçueshmërinë elektrike dhe ngjyrën e tyre. Ata kanë edhe prona të tjera. Kështu, për shembull, shumica e këtyre substancave shkrihen gjatë ngrohjes, duke marrë një gjendje të lëngshme grumbullimi. Disa prej tyre, kur nxehen, kthehen menjëherë në gaz (sublim). Por ka edhe nga ato që dekompozohen në substanca të tjera.
Llojet e trupave të ngurtë
Të gjitha trupat e ngurtë ndahen në dy grupe.
- Amorf, në të cilin grimcat individuale janë të renditura në mënyrë të rastësishme. Me fjalë të tjera: ato nuk kanë një strukturë të qartë (të përcaktuar). Këto lëndë të ngurta janë në gjendje të shkrihen brenda një intervali të caktuar të temperaturës. Më të zakonshmet prej tyre përfshijnë qelqin dhe rrëshirën.
- Kristaline, të cilat, nga ana tjetër, ndahen në 4 lloje: atomike, molekulare, jonike, metalike. Në to, grimcat janë të vendosura vetëm sipas një modeli të caktuar, domethënë, në nyjet e grilës kristalore. Gjeometria e tij në substanca të ndryshme mund të ndryshojë shumë.
Substancat e ngurta kristalore mbizotërojnë mbi ato amorfe në numrin e tyre.
Llojet e lëndëve të ngurta kristalore
Në gjendjen e ngurtë, pothuajse të gjitha substancat kanë një strukturë kristalore. Ato ndryshojnë në strukturën e tyre. Rrjetat kristalore në nyjet e tyre përmbajnë grimca të ndryshme dhe elemente kimike. Është në përputhje me ta që ata morën emrat e tyre. Çdo lloj ka veti specifike për të:
- Në rrjetën atomike kristalore, grimcat e një trupi të ngurtë lidhen me një lidhje kovalente. Shquhet për qëndrueshmërinë e saj. Për shkak të kësaj, substanca të tilla kanë një pikë të lartë shkrirjeje dhe vlimi. Ky lloj përfshin kuarcin dhe diamantin.
- Në rrjetën molekulare kristalore, lidhja ndërmjet grimcave dallohet nga dobësia e saj. Substancat e këtij lloji karakterizohen nga lehtësia e vlimit dhe shkrirjes. Ato janë të paqëndrueshme, për shkak të të cilave kanë një erë të caktuar. Këto lëndë të ngurta përfshijnë akullin dhe sheqerin. Lëvizjet e molekulave në trupat e ngurtë të këtij lloji dallohen nga aktiviteti i tyre.
- Në rrjetën kristalore jonike në nyjet, grimcat përkatëse alternohen, të ngarkuara pozitivisht dhenegativ. Ato mbahen së bashku nga tërheqja elektrostatike. Ky lloj grilë ekziston në alkalet, kripërat, oksidet bazë. Shumë substanca të këtij lloji janë lehtësisht të tretshme në ujë. Për shkak të lidhjes mjaft të fortë midis joneve, ato janë refraktare. Pothuajse të gjithë janë pa erë, pasi ato karakterizohen nga paqëndrueshmëri. Substancat me një rrjetë jonike nuk janë në gjendje të përçojnë rrymë elektrike, pasi ato nuk përmbajnë elektrone të lira. Një shembull tipik i një solidi jonik është kripa e tryezës. Një grilë e tillë kristali e bën atë të brishtë. Kjo për faktin se çdo ndryshim në të mund të çojë në shfaqjen e forcave të zmbrapsjes së joneve.
- Në rrjetën kristalore metalike në nyjet ka vetëm jone kimikë të ngarkuar pozitivisht. Midis tyre ka elektrone të lira nëpër të cilat energjia termike dhe elektrike kalon në mënyrë të përsosur. Kjo është arsyeja pse çdo metal dallohet nga një veçori e tillë si përçueshmëria.
Konceptet e përgjithshme të një trupi të ngurtë
Ngurtët dhe substancat janë praktikisht e njëjta gjë. Këto terma i referohen njërës nga 4 gjendjet e grumbullimit. Lëndët e ngurta kanë një formë të qëndrueshme dhe natyrën e lëvizjes termike të atomeve. Për më tepër, këto të fundit bëjnë lëkundje të vogla pranë pozicioneve të ekuilibrit. Dega e shkencës që merret me studimin e përbërjes dhe strukturës së brendshme quhet fizika e gjendjes së ngurtë. Ka fusha të tjera të rëndësishme të njohurive që kanë të bëjnë me substanca të tilla. Ndryshimi i formës nën ndikimet dhe lëvizjet e jashtme quhet mekanika e një trupi të deformueshëm.
Për shkak të vetive të ndryshme të trupave të ngurtë, ato kanë gjetur aplikim në pajisje të ndryshme teknike të krijuara nga njeriu. Më shpesh, përdorimi i tyre bazohej në veti të tilla si ngurtësia, vëllimi, masa, elasticiteti, plasticiteti, brishtësia. Shkenca moderne lejon përdorimin e cilësive të tjera të trupave të ngurtë që mund të gjenden vetëm në laborator.
Çfarë janë kristalet
Kristalet janë trupa të ngurtë me grimca të renditura në një rend të caktuar. Çdo substancë kimike ka strukturën e vet. Atomet e tij formojnë një rregullim periodik tredimensional të quajtur rrjetë kristalore. Trupat e ngurtë kanë simetri të ndryshme strukturore. Gjendja kristalore e një trupi të ngurtë konsiderohet e qëndrueshme sepse ka një sasi minimale të energjisë potenciale.
Shumica dërrmuese e materialeve të ngurta (natyrale) përbëhet nga një numër i madh kokrrizash individuale të orientuara rastësisht (kristalit). Substancat e tilla quhen polikristaline. Këto përfshijnë lidhjet teknike dhe metalet, si dhe shumë shkëmbinj. Monokristali i referohet kristaleve të vetme natyrale ose sintetike.
Më shpesh, lëndë të tilla të ngurta formohen nga gjendja e fazës së lëngshme, e përfaqësuar nga një shkrirje ose tretësirë. Ndonjëherë ato përftohen nga gjendja e gaztë. Ky proces quhet kristalizimi. Falë progresit shkencor dhe teknologjik, procedura për rritjen (sintezën) e substancave të ndryshme ka marrë një shkallë industriale. Shumica e kristaleve kanë një formë natyrale në formën e rregulltpoliedra. Madhësitë e tyre janë shumë të ndryshme. Pra, kuarci natyral (kristal shkëmb) mund të peshojë deri në qindra kilogramë, dhe diamantet - deri në disa gramë.
Në trupat e ngurtë amorfe, atomet janë në lëkundje të vazhdueshme rreth pikave të vendosura rastësisht. Ata ruajnë një rend të caktuar me rreze të shkurtër, por nuk ka rend me rreze të gjatë. Kjo për faktin se molekulat e tyre ndodhen në një distancë që mund të krahasohet me madhësinë e tyre. Shembulli më i zakonshëm i një trupi të tillë në jetën tonë është gjendja e qelqtë. Substancat amorfe shpesh konsiderohen si një lëng me një viskozitet pafundësisht të lartë. Koha e kristalizimit të tyre ndonjëherë është aq e gjatë sa nuk duket fare.
Janë vetitë e mësipërme të këtyre substancave që i bëjnë ato unike. Lëndët e ngurta amorfe konsiderohen të paqëndrueshme sepse ato mund të bëhen kristalore me kalimin e kohës.
Molekulat dhe atomet që përbëjnë një trup të ngurtë janë të mbushura me një densitet të lartë. Ato praktikisht ruajnë pozicionin e tyre të ndërsjellë në raport me grimcat e tjera dhe mbahen së bashku për shkak të ndërveprimit ndërmolekular. Distanca midis molekulave të një trupi të ngurtë në drejtime të ndryshme quhet parametri i rrjetës. Struktura e materies dhe simetria e saj përcaktojnë shumë veti, si brezi elektronik, ndarja dhe optika. Kur një forcë mjaft e madhe aplikohet në një trup të ngurtë, këto cilësi mund të shkelen në një shkallë ose në një tjetër. Në këtë rast, trupi i fortë i nënshtrohet deformimit të përhershëm.
Atomet e trupave të ngurtë bëjnë lëvizje osciluese, të cilat përcaktojnë zotërimin e tyre të energjisë termike. Meqenëse janë të papërfillshme, ato mund të vëzhgohen vetëm në kushte laboratorike. Struktura molekulare e një trupi të ngurtë ndikon shumë në vetitë e tij.
Studimi i trupave të ngurtë
Veçoritë, vetitë e këtyre substancave, cilësitë e tyre dhe lëvizja e grimcave studiohen nga nënseksione të ndryshme të fizikës së gjendjes së ngurtë.
Për studim janë përdorur: radiospektroskopi, analiza strukturore duke përdorur rreze x dhe metoda të tjera. Kështu studiohen vetitë mekanike, fizike dhe termike të trupave të ngurtë. Fortësia, rezistenca ndaj ngarkesës, forca në tërheqje, transformimet fazore studiohen nga shkenca e materialeve. Kryesisht i bën jehonë fizikës së gjendjes së ngurtë. Ekziston një shkencë tjetër e rëndësishme moderne. Studimi i substancave ekzistuese dhe sinteza e substancave të reja kryhet nga kimia e gjendjes së ngurtë.
Veçoritë e trupave të ngurtë
Natyra e lëvizjes së elektroneve të jashtme të atomeve të një trupi të ngurtë përcakton shumë nga vetitë e tij, për shembull, elektrike. Ekzistojnë 5 klasa të trupave të tillë. Ato vendosen në varësi të llojit të lidhjes atomike:
- Jonik, karakteristika kryesore e të cilit është forca e tërheqjes elektrostatike. Karakteristikat e tij: reflektimi dhe thithja e dritës në zonën infra të kuqe. Në temperatura të ulëta, lidhja jonike karakterizohet nga përçueshmëri e ulët elektrike. Një shembull i një substance të tillë është kripa natriumi e acidit klorhidrik (NaCl).
- Kovalente,kryhet nga një çift elektronik që u përket të dy atomeve. Një lidhje e tillë ndahet në: e vetme (e thjeshtë), e dyfishtë dhe e trefishtë. Këta emra tregojnë praninë e çifteve të elektroneve (1, 2, 3). Lidhjet e dyfishta dhe të trefishta quhen lidhje të shumëfishta. Ekziston një ndarje tjetër e këtij grupi. Pra, në varësi të shpërndarjes së densitetit të elektroneve, dallohen lidhjet polare dhe jopolare. E para është formuar nga atome të ndryshme, dhe e dyta është e njëjtë. Një gjendje e tillë e ngurtë e materies, shembuj të së cilës janë diamanti (C) dhe silikoni (Si), dallohet nga dendësia e tij. Kristalet më të forta i përkasin në mënyrë specifike lidhjes kovalente.
- Metalike, e formuar nga kombinimi i elektroneve të valencës së atomeve. Si rezultat, shfaqet një re e zakonshme elektronike, e cila zhvendoset nën ndikimin e tensionit elektrik. Një lidhje metalike formohet kur atomet e lidhura janë të mëdha. Ata janë të aftë të dhurojnë elektrone. Në shumë metale dhe komponime komplekse, kjo lidhje formon një gjendje të ngurtë të materies. Shembuj: natriumi, bariumi, alumini, bakri, ari. Nga komponimet jometalike, mund të vërehen këto: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Substancat me një lidhje metalike (metalet) janë të ndryshme në vetitë e tyre fizike. Ato mund të jenë të lëngshme (Hg), të buta (Na, K), shumë të forta (W, Nb).
- Molekulare, që lindin në kristale, të cilat formohen nga molekula individuale të një substance. Karakterizohet nga boshllëqe midis molekulave me densitet elektronik zero. Forcat që lidhin atomet në kristale të tilla janë të rëndësishme. Molekulat tërhiqenme njëri-tjetrin vetëm nga tërheqja e dobët ndërmolekulare. Kjo është arsyeja pse lidhjet midis tyre shkatërrohen lehtësisht kur nxehen. Lidhjet midis atomeve janë shumë më të vështira për t'u thyer. Lidhja molekulare ndahet në orientuese, dispersionale dhe induktive. Një shembull i një substance të tillë është metani i ngurtë.
- Hidrogjeni, i cili ndodh midis atomeve të polarizuara pozitivisht të një molekule ose pjesës së saj dhe grimcës më të vogël të polarizuar negativisht të një molekule ose një pjese tjetër. Këto lidhje përfshijnë akullin.
Vetitë e trupave të ngurtë
Çfarë dimë sot? Shkencëtarët kanë studiuar prej kohësh vetitë e gjendjes së ngurtë të materies. Kur ekspozohet ndaj temperaturës, ajo gjithashtu ndryshon. Kalimi i një trupi të tillë në një lëng quhet shkrirje. Shndërrimi i një trupi të ngurtë në gjendje të gaztë quhet sublimim. Kur temperatura ulet, ndodh kristalizimi i lëndës së ngurtë. Disa substanca nën ndikimin e të ftohtit kalojnë në fazën amorfe. Shkencëtarët e quajnë këtë proces vitrifikimi.
Gjatë tranzicionit fazor, struktura e brendshme e trupave të ngurtë ndryshon. Rendi më i madh fiton me uljen e temperaturës. Në presionin atmosferik dhe temperaturën T > 0 K, çdo substancë që ekziston në natyrë ngurtësohet. Vetëm heliumi, i cili kërkon një presion prej 24 atm për t'u kristalizuar, është një përjashtim nga ky rregull.
Gjendja e ngurtë e materies i jep asaj veti të ndryshme fizike. Ato karakterizojnë sjelljen specifike të trupavenën ndikimin e fushave dhe forcave të caktuara. Këto prona ndahen në grupe. Ekzistojnë 3 mënyra ekspozimi, që korrespondojnë me 3 lloje të energjisë (mekanike, termike, elektromagnetike). Prandaj, ekzistojnë 3 grupe të vetive fizike të trupave të ngurtë:
- Vetitë mekanike të lidhura me stresin dhe sforcimin e trupave. Sipas këtyre kritereve, trupat e ngurtë ndahen në elastike, reologjike, të forta dhe teknologjike. Në pushim, një trup i tillë ruan formën e tij, por mund të ndryshojë nën veprimin e një force të jashtme. Në të njëjtën kohë, deformimi i tij mund të jetë plastik (forma fillestare nuk kthehet), elastike (kthehet në formën e tij origjinale) ose shkatërruese (kur arrihet një prag i caktuar, ndodh prishja / thyerja). Përgjigja ndaj forcës së aplikuar përshkruhet nga moduli i elasticitetit. Një trup i fortë i reziston jo vetëm ngjeshjes, shtrirjes, por edhe zhvendosjeve, përdredhjes dhe përkuljes. Forca e një trupi të fortë është vetia e tij për t'i rezistuar shkatërrimit.
- Termike, manifestohet kur ekspozohet ndaj fushave termike. Një nga vetitë më të rëndësishme është pika e shkrirjes në të cilën trupi kalon në gjendje të lëngshme. Vërehet në trupat e ngurtë kristalorë. Trupat amorfë kanë një nxehtësi latente të shkrirjes, pasi kalimi i tyre në një gjendje të lëngshme me rritjen e temperaturës ndodh gradualisht. Me arritjen e një nxehtësie të caktuar, trupi amorf humbet elasticitetin e tij dhe fiton plasticitet. Kjo gjendje do të thotë se ka arritur temperaturën e tranzicionit të qelqit. Kur nxehet, ndodh deformimi i lëndës së ngurtë. Dhe në shumicën e rasteve zgjerohet. Në mënyrë sasiore kjoshteti karakterizohet me një koeficient të caktuar. Temperatura e trupit ndikon në vetitë mekanike si rrjedhshmëria, duktiliteti, fortësia dhe forca.
- Elektromagnetike, e lidhur me ndikimin në një substancë të ngurtë të rrjedhave të mikrogrimcave dhe valëve elektromagnetike me ngurtësi të lartë. Vetitë e rrezatimit u referohen gjithashtu atyre me kusht.
Struktura e zonës
Të ngurta klasifikohen gjithashtu sipas të ashtuquajturës strukturë brezi. Pra, mes tyre dallojnë:
- Përçues, të karakterizuar në atë që brezat e tyre të përcjelljes dhe valencës mbivendosen. Në këtë rast, elektronet mund të lëvizin midis tyre, duke marrë energjinë më të vogël. Të gjitha metalet janë përcjellës. Kur një diferencë potenciale aplikohet në një trup të tillë, formohet një rrymë elektrike (për shkak të lëvizjes së lirë të elektroneve midis pikave me potencialin më të ulët dhe më të lartë).
- Dielektrikë zonat e të cilëve nuk mbivendosen. Intervali midis tyre kalon 4 eV. Nevojitet shumë energji për të përcjellë elektronet nga valenca në brezin e përcjelljes. Për shkak të këtyre vetive, dielektrikët praktikisht nuk përcjellin rrymë.
- Gjysëmpërçues të karakterizuar nga mungesa e brezave të përcjellshmërisë dhe valencës. Intervali midis tyre është më pak se 4 eV. Për të transferuar elektronet nga valenca në brezin e përcjelljes, nevojitet më pak energji sesa për dielektrikët. Gjysmëpërçuesit e pastër (të pavendosur dhe vendas) nuk e kalojnë mirë rrymën.
Lëvizjet e molekulave në trupat e ngurtë përcaktojnë vetitë e tyre elektromagnetike.
Tjetërpronat
Trupat e ngurtë ndahen gjithashtu sipas vetive të tyre magnetike. Ka tre grupe:
- Diamagnet, vetitë e të cilave varen pak nga temperatura ose gjendja e grumbullimit.
- Paramagnet që rezultojnë nga orientimi i elektroneve të përcjelljes dhe momenteve magnetike të atomeve. Sipas ligjit të Curie-t, ndjeshmëria e tyre zvogëlohet në raport me temperaturën. Pra, në 300 K është 10-5.
- Trupa me një strukturë magnetike të renditur, me një renditje atomesh me rreze të gjatë. Në nyjet e grilës së tyre, grimcat me momente magnetike vendosen periodikisht. Të ngurta dhe substanca të tilla përdoren shpesh në fusha të ndryshme të veprimtarisë njerëzore.
Substancat më të forta në natyrë
Cilat janë ato? Dendësia e trupave të ngurtë përcakton në masë të madhe fortësinë e tyre. Vitet e fundit, shkencëtarët kanë zbuluar disa materiale që pretendojnë të jenë "trupi më i qëndrueshëm". Substanca më e fortë është fulleriti (një kristal me molekula fullerene), i cili është rreth 1.5 herë më i fortë se diamanti. Fatkeqësisht, aktualisht disponohet vetëm në sasi jashtëzakonisht të vogla.
Sot, substanca më e fortë që mund të përdoret në të ardhmen në industri është lonsdaleite (diamanti gjashtëkëndor). Është 58% më i fortë se diamanti. Lonsdaleite është një modifikim alotropik i karbonit. Rrjeta e saj kristalore është shumë e ngjashme me diamantin. Një qelizë lonsdaleite përmban 4 atome, ndërsa një diamant përmban 8. Nga kristalet e përdorur gjerësisht, diamanti mbetet më i forti sot.
