مواد جامد آنهایی هستند که قادر به تشکیل اجسام و حجم هستند. آنها از نظر شکل با مایعات و گازها متفاوت هستند. جامدات شکل بدن را حفظ می کنند زیرا ذرات آنها قادر به حرکت آزادانه نیستند. آنها از نظر چگالی، شکل پذیری، هدایت الکتریکی و رنگ متفاوت هستند. خواص دیگری نیز دارند. بنابراین، به عنوان مثال، بیشتر این مواد در هنگام گرم شدن ذوب می شوند و حالت تجمع مایع به دست می آورند. برخی از آنها با گرم شدن بلافاصله به گاز (تصعید) تبدیل می شوند. اما مواردی نیز وجود دارند که به مواد دیگر تجزیه می شوند.
انواع مواد جامد
همه جامدات به دو گروه تقسیم می شوند.
- آمورف، که در آن ذرات منفرد به طور تصادفی مرتب شده اند. به عبارت دیگر: ساختار مشخص (تعریف شده) ندارند. این مواد جامد قادر به ذوب در محدوده دمایی مشخصی هستند.رایج ترین آنها شامل شیشه و رزین است.
- کریستالی که به نوبه خود به 4 نوع تقسیم می شوند: اتمی، مولکولی، یونی، فلزی. در آنها، ذرات فقط طبق یک الگوی خاص، یعنی در گره های شبکه کریستالی قرار دارند. هندسه آن در مواد مختلف می تواند بسیار متفاوت باشد.
مواد کریستالی جامد از نظر تعداد بر مواد آمورف غالب است.
انواع جامدات کریستالی
در حالت جامد، تقریباً همه مواد ساختار کریستالی دارند. آنها در ساختار خود متفاوت هستند. شبکه های کریستالی در گره های خود حاوی ذرات و عناصر شیمیایی مختلف هستند. مطابق با آنها است که نام خود را به دست آورده اند. هر نوع دارای ویژگی های خاص خود است:
- در شبکه کریستالی اتمی، ذرات یک جامد با یک پیوند کووالانسی متصل می شوند. به خاطر دوامش متمایز است. به همین دلیل چنین موادی نقطه ذوب و جوش بالایی دارند. این نوع شامل کوارتز و الماس است.
- در شبکه کریستالی مولکولی، پیوند بین ذرات با ضعف آن مشخص می شود. موادی از این نوع با سهولت جوشیدن و ذوب شدن مشخص می شوند. آنها فرار هستند و به همین دلیل بوی خاصی دارند. این مواد جامد شامل یخ و شکر است. حرکات مولکول ها در جامدات از این نوع با فعالیت آنها مشخص می شود.
- در شبکه کریستالی یونی در گره ها، ذرات مربوطه به طور متناوب، بار مثبت دارند ومنفی. آنها توسط جاذبه الکترواستاتیک به هم متصل می شوند. این نوع شبکه در قلیاها، نمکها، اکسیدهای بازی وجود دارد. بسیاری از مواد از این نوع به راحتی در آب حل می شوند. به دلیل پیوند نسبتاً قوی بین یون ها، آنها نسوز هستند. تقریباً همه آنها بی بو هستند، زیرا آنها با عدم فرار مشخص می شوند. موادی که دارای شبکه یونی هستند قادر به هدایت جریان الکتریکی نیستند، زیرا حاوی الکترون آزاد نیستند. یک نمونه معمولی از جامدات یونی نمک خوراکی است. چنین شبکه کریستالی آن را شکننده می کند. این به دلیل این واقعیت است که هر گونه تغییر در آن می تواند به ظهور نیروهای دافعه یونی منجر شود.
- در شبکه کریستالی فلزی در گره ها فقط یون های شیمیایی با بار مثبت وجود دارد. بین آنها الکترون های آزاد وجود دارد که انرژی حرارتی و الکتریکی به خوبی از آنها عبور می کند. به همین دلیل است که هر فلزی با ویژگی هایی مانند رسانایی متمایز می شود.
مفاهیم کلی بدن سفت و سخت
جامدات و مواد عملاً یک چیز هستند. این اصطلاحات به یکی از 4 حالت تجمع اشاره دارد. جامدات دارای شکل پایدار و ماهیت حرکت حرارتی اتم ها هستند. علاوه بر این، دومی نوسانات کوچکی در نزدیکی موقعیت های تعادل ایجاد می کند. شاخه ای از علم که به مطالعه ترکیب و ساختار درونی می پردازد، فیزیک حالت جامد نامیده می شود. حوزه های دانش مهم دیگری نیز در مورد چنین موادی وجود دارد. تغییر شکل تحت تأثیر و حرکت خارجی را مکانیک یک جسم تغییر شکل پذیر می نامند.
به دلیل خواص مختلف جامدات، آنها در وسایل فنی مختلفی که توسط انسان ساخته شده است کاربرد پیدا کرده اند. اغلب، استفاده از آنها بر اساس ویژگی هایی مانند سختی، حجم، جرم، کشش، انعطاف پذیری، شکنندگی بود. علم مدرن استفاده از سایر کیفیت‌های جامد را که فقط در آزمایشگاه می‌توان یافت، اجازه می‌دهد.
کریستال چیست
کریستال ها اجسام جامدی هستند که ذرات آن به ترتیب خاصی چیده شده اند. هر ماده شیمیایی ساختار خاص خود را دارد. اتم های آن یک آرایش تناوبی سه بعدی به نام شبکه کریستالی تشکیل می دهند. جامدات دارای تقارن ساختاری متفاوتی هستند. حالت کریستالی یک جامد پایدار در نظر گرفته می شود زیرا دارای حداقل مقدار انرژی پتانسیل است.
اکثریت قریب به اتفاق مواد جامد (طبیعی) متشکل از تعداد زیادی دانه های منفرد به طور تصادفی (کریستالیت ها) است. به چنین موادی پلی کریستال می گویند. اینها شامل آلیاژهای فنی و فلزات و همچنین بسیاری از سنگها می شود. تک کریستالی به تک بلورهای طبیعی یا مصنوعی اشاره دارد.
اغلب چنین جامداتی از حالت فاز مایع تشکیل می شوند که با مذاب یا محلول نشان داده می شود. گاهی اوقات از حالت گازی به دست می آیند. این فرآیند کریستالیزاسیون نامیده می شود. به لطف پیشرفت علمی و فناوری، روش رشد (سنتز) مواد مختلف مقیاس صنعتی پیدا کرده است. اکثر کریستال ها شکل طبیعی به شکل منظم دارندچند وجهی اندازه آنها بسیار متفاوت است. بنابراین، کوارتز طبیعی (کریستال سنگی) می تواند تا صدها کیلوگرم وزن داشته باشد، و الماس - تا چندین گرم.
در جامدات آمورف، اتم‌ها در نوسانی ثابت حول نقاطی که به‌طور تصادفی واقع شده‌اند، قرار دارند. آنها نظم کوتاه برد خاصی را حفظ می کنند، اما نظم دوربرد وجود ندارد. این به این دلیل است که مولکول های آنها در فاصله ای قرار دارند که می توان با اندازه آنها مقایسه کرد. رایج ترین نمونه از چنین جامداتی در زندگی ما حالت شیشه ای است. مواد آمورف اغلب به عنوان مایعی با ویسکوزیته بی نهایت بالا در نظر گرفته می شوند. زمان تبلور آنها گاهی آنقدر طولانی است که اصلاً ظاهر نمی شود.
خواص فوق این مواد است که آنها را منحصر به فرد می کند. جامدات آمورف ناپایدار در نظر گرفته می شوند زیرا می توانند در طول زمان کریستالی شوند.
مولکول‌ها و اتم‌هایی که یک جامد را می‌سازند با چگالی بالایی بسته‌بندی می‌شوند. آنها عملاً موقعیت متقابل خود را نسبت به ذرات دیگر حفظ می کنند و به دلیل تعامل بین مولکولی در کنار هم قرار می گیرند. فاصله بین مولکول های یک جامد در جهات مختلف را پارامتر شبکه می گویند. ساختار ماده و تقارن آن تعیین کننده بسیاری از خواص مانند نوار الکترونی، شکاف و نور است. هنگامی که یک نیروی به اندازه کافی بزرگ به یک جامد اعمال می شود، این ویژگی ها می تواند به یک درجه یا دیگری نقض شود. در این حالت، جسم جامد در معرض تغییر شکل دائمی است.
اتمهای جامدات حرکات نوسانی انجام می دهند که تعیین کننده داشتن انرژی گرمایی آنهاست. از آنجایی که آنها ناچیز هستند، فقط در شرایط آزمایشگاهی قابل مشاهده هستند. ساختار مولکولی یک جامد به شدت بر خواص آن تأثیر می گذارد.
مطالعه مواد جامد
ویژگی ها، خواص این مواد، کیفیت آنها و حرکت ذرات توسط زیربخش های مختلف فیزیک حالت جامد مورد مطالعه قرار می گیرد.
برای مطالعه استفاده می شود: طیف سنجی رادیویی، تجزیه و تحلیل ساختاری با استفاده از اشعه ایکس و روش های دیگر. به این ترتیب خواص مکانیکی، فیزیکی و حرارتی جامدات مورد مطالعه قرار می گیرد. سختی، مقاومت بار، استحکام کششی، تبدیل فاز توسط علم مواد مورد مطالعه قرار می گیرد. تا حد زیادی بازتاب فیزیک حالت جامد است. علم مدرن مهم دیگری نیز وجود دارد. مطالعه مواد موجود و سنتز مواد جدید توسط شیمی حالت جامد انجام می شود.
ویژگی های جامدات
ماهیت حرکت الکترون های بیرونی اتم های یک جامد بسیاری از خواص آن را تعیین می کند، به عنوان مثال، الکتریکی. 5 کلاس از این بدن وجود دارد. آنها بسته به نوع پیوند اتمی تنظیم می شوند:
- یونی که مشخصه اصلی آن نیروی جاذبه الکترواستاتیکی است. ویژگی های آن: بازتاب و جذب نور در ناحیه مادون قرمز. در دماهای پایین، پیوند یونی با هدایت الکتریکی پایین مشخص می شود. نمونه ای از چنین ماده ای نمک سدیم اسید کلریدریک (NaCl) است.
- کووالانسی،توسط یک جفت الکترونی که متعلق به هر دو اتم است انجام می شود. چنین پیوندی به: تک (ساده)، دوگانه و سه گانه تقسیم می شود. این نام ها وجود جفت الکترون را نشان می دهد (1، 2، 3). پیوندهای دوگانه و سه گانه را پیوندهای چندگانه می گویند. یک بخش دیگر از این گروه وجود دارد. بنابراین، بسته به توزیع چگالی الکترون، پیوندهای قطبی و غیر قطبی متمایز می شوند. اولی توسط اتم های مختلف تشکیل شده است و دومی یکسان است. چنین حالت جامدی از ماده که نمونه هایی از آن الماس (C) و سیلیکون (Si) است، با چگالی آن متمایز می شود. سخت ترین کریستال ها به طور خاص به پیوند کووالانسی تعلق دارند.
- فلزی که از ترکیب الکترون های ظرفیت اتم ها تشکیل شده است. در نتیجه یک ابر الکترونی مشترک ظاهر می شود که تحت تأثیر ولتاژ الکتریکی جابجا می شود. زمانی که اتم های متصل بزرگ باشند، پیوند فلزی تشکیل می شود. آنها قادر به اهدای الکترون هستند. در بسیاری از فلزات و ترکیبات پیچیده، این پیوند حالت جامد ماده را تشکیل می دهد. به عنوان مثال: سدیم، باریم، آلومینیوم، مس، طلا. از ترکیبات غیرفلزی می توان به موارد زیر اشاره کرد: AlCr2، Ca2Cu، Cu5 Zn 8. مواد با پیوند فلزی (فلزات) از نظر خواص فیزیکی متفاوت هستند. آنها می توانند مایع (Hg)، نرم (Na، K)، بسیار سخت (W، Nb) باشند.
- مولکولی، ناشی از کریستال ها، که توسط مولکول های جداگانه یک ماده تشکیل می شوند. با شکاف بین مولکول هایی با چگالی الکترون صفر مشخص می شود. نیروهایی که اتم ها را در چنین کریستال هایی به هم متصل می کنند قابل توجه است. مولکول ها جذب می شوندفقط با جاذبه بین مولکولی ضعیف به یکدیگر. به همین دلیل است که پیوندهای بین آنها هنگام گرم شدن به راحتی از بین می رود. شکستن پیوندهای بین اتم ها بسیار دشوارتر است. پیوند مولکولی به دو دسته جهتی، پراکندگی و القایی تقسیم می شود. نمونه ای از چنین ماده ای متان جامد است.
- هیدروژن، که بین اتم های پلاریزه مثبت یک مولکول یا بخشی از آن و کوچکترین ذره قطبی شده منفی یک مولکول یا بخش دیگر رخ می دهد. این پیوندها شامل یخ است.
خواص مواد جامد
امروز چه می دانیم؟ دانشمندان مدتهاست که خواص حالت جامد ماده را مطالعه کرده اند. هنگامی که در معرض دما قرار می گیرد، تغییر می کند. تبدیل چنین جسمی به مایع را ذوب می گویند. تبدیل یک جامد به حالت گاز را تصعید می گویند. هنگامی که دما کاهش می یابد، تبلور جامد رخ می دهد. برخی از مواد تحت تأثیر سرما وارد فاز آمورف می شوند. دانشمندان این فرآیند را انجماد می‌نامند.
در طول انتقال فاز، ساختار داخلی جامدات تغییر می کند. با کاهش دما بیشترین نظم را به دست می آورد. در فشار اتمسفر و دمای T > 0 K، هر ماده ای که در طبیعت وجود دارد جامد می شود. فقط هلیوم که برای کریستال شدن به فشار 24 اتمسفر نیاز دارد، از این قاعده مستثنی است.
حالت جامد ماده به آن خواص فیزیکی مختلفی می دهد. آنها رفتار خاص بدن را مشخص می کنندتحت تأثیر میدان ها و نیروهای خاص. این خواص به گروه هایی تقسیم می شوند. 3 روش برای قرار گرفتن در معرض، مربوط به 3 نوع انرژی (مکانیکی، حرارتی، الکترومغناطیسی) وجود دارد. بر این اساس، 3 گروه از خواص فیزیکی جامدات وجود دارد:
- خواص مکانیکی مرتبط با تنش و کرنش بدن. بر اساس این معیارها، جامدات به الاستیک، رئولوژیکی، مقاومتی و تکنولوژیکی تقسیم می شوند. در حالت استراحت، چنین جسمی شکل خود را حفظ می کند، اما می تواند تحت تأثیر یک نیروی خارجی تغییر کند. در عین حال، تغییر شکل آن می تواند پلاستیکی (شکل اولیه برنمی گردد)، الاستیک (به شکل اولیه خود باز می گردد) یا مخرب (در صورت رسیدن به آستانه خاصی، پوسیدگی / شکستگی رخ می دهد). پاسخ به نیروی اعمال شده با مدول الاستیسیته توصیف می شود. یک بدنه جامد نه تنها در برابر فشار، کشش، بلکه در برابر جابجایی، پیچش و خمش مقاومت می کند. قدرت یک جسم جامد خاصیت مقاومت در برابر تخریب است.
- حرارتی، زمانی که در معرض میدان های حرارتی قرار می گیرد آشکار می شود. یکی از مهمترین خواص آن نقطه ذوبی است که بدن در آن به حالت مایع تبدیل می شود. در جامدات کریستالی مشاهده می شود. اجسام آمورف دارای گرمای نهان همجوشی هستند، زیرا انتقال آنها به حالت مایع با افزایش دما به تدریج رخ می دهد. با رسیدن به حرارت معین، جسم بی شکل خاصیت ارتجاعی خود را از دست می دهد و انعطاف پذیری پیدا می کند. این حالت به این معنی است که به دمای انتقال شیشه ای رسیده است. هنگامی که گرم می شود، تغییر شکل جامد رخ می دهد. و بیشتر اوقات گسترش می یابد. از نظر کمی اینحالت با یک ضریب مشخص مشخص می شود. دمای بدن بر خواص مکانیکی مانند سیالیت، شکل‌پذیری، سختی و استحکام تأثیر می‌گذارد.
- الکترومغناطیسی، مرتبط با تاثیر بر یک ماده جامد جریان ریز ذرات و امواج الکترومغناطیسی با سفتی بالا. خواص تشعشع نیز به صورت مشروط به آنها ارجاع داده می شود.
ساختار منطقه
جامدات نیز بر اساس ساختار نواری طبقه بندی می شوند. بنابراین، در میان آنها متمایز می شوند:
- هادی ها که مشخصه آنها این است که نوارهای هدایت و ظرفیت آنها همپوشانی دارند. در این حالت، الکترون ها می توانند بین آنها حرکت کنند و کوچکترین انرژی را دریافت کنند. همه فلزات هادی هستند. هنگامی که یک اختلاف پتانسیل به چنین جسمی اعمال می شود، یک جریان الکتریکی تشکیل می شود (به دلیل حرکت آزاد الکترون ها بین نقاط با کمترین و بالاترین پتانسیل).
- دی الکتریکهایی که مناطق آنها همپوشانی ندارند. فاصله بین آنها بیش از 4 eV است. انرژی زیادی برای هدایت الکترون ها از ظرفیت به نوار رسانایی مورد نیاز است. به دلیل این ویژگی ها، دی الکتریک ها عملا جریان را هدایت نمی کنند.
- نیمه هادی هایی که با عدم وجود نوارهای رسانایی و ظرفیت مشخص می شوند. فاصله بین آنها کمتر از 4 eV است. برای انتقال الکترون ها از ظرفیت به نوار رسانایی، انرژی کمتری نسبت به دی الکتریک ها مورد نیاز است. نیمه هادی های خالص (صفحه نشده و بومی) جریان را به خوبی عبور نمی دهند.
حرکات مولکول ها در جامدات خواص الکترومغناطیسی آنها را تعیین می کند.
سایرخواص
اجسام جامد نیز بر اساس خواص مغناطیسی آنها تقسیم بندی می شوند. سه گروه وجود دارد:
- دیامغناطیس، که خواص آنها کمی به دما یا وضعیت تجمع بستگی دارد.
- پارامغناطیس های حاصل از جهت گیری الکترون های رسانا و گشتاورهای مغناطیسی اتم ها. طبق قانون کوری، حساسیت آنها به نسبت دما کاهش می یابد. بنابراین، در 300 K 10-5 است.
- اجسام با ساختار مغناطیسی مرتب، با مرتبه اتم های دوربرد. در گره های شبکه آنها، ذرات با گشتاورهای مغناطیسی به صورت دوره ای قرار می گیرند. چنین جامدات و موادی اغلب در زمینه های مختلف فعالیت های انسانی استفاده می شوند.
سخت ترین مواد موجود در طبیعت
آنها چیستند؟ چگالی جامدات تا حد زیادی سختی آنها را تعیین می کند. در سال های اخیر، دانشمندان چندین ماده را کشف کرده اند که ادعا می کنند "بادوام ترین بدن" هستند. سخت ترین ماده فولریت (کریستالی با مولکول های فولرن) است که حدود 1.5 برابر سخت تر از الماس است. متأسفانه، در حال حاضر فقط در مقادیر بسیار کم موجود است.
امروزه، سخت ترین ماده ای که ممکن است در آینده در صنعت استفاده شود، لونسدالیت (الماس شش ضلعی) است. 58 درصد سخت تر از الماس است. Lonsdaleite یک اصلاح آلوتروپیک کربن است. شبکه کریستالی آن بسیار شبیه الماس است. یک سلول lonsdaleite دارای 4 اتم است، در حالی که یک الماس حاوی 8 اتم است. از بین کریستال های پرکاربرد، الماس امروزه سخت ترین است.
