CIETVIELU STĀVOKLIS: RAKSTURLIELUMI, ĪPAŠĪBAS, VEIDI, PIEMĒRI - ZINĀTNE - 2025

Cietvielu ir viens no galvenajiem veidiem, svarīgajiem apkopotos izveidotu saīsinātos vai cieto struktūru. Visa zemes garoza, atstājot jūras un okeānus, ir cietvielu konglomerāts. Cietā stāvoklī esošu priekšmetu piemēri ir grāmata, akmens vai smilšu graudi.

Mēs varam mijiedarboties ar cietām vielām, pateicoties mūsu elektronu atgrūšanai ar to atomu vai molekulu atomiem. Atšķirībā no šķidrumiem un gāzēm, kamēr tās nav īpaši toksiskas, mūsu rokas nevar tām iziet cauri, bet gan sadrupināt vai absorbēt tās.

Šī zirga koka statuja ir izgatavota no stingri saliedētiem dabīgiem polimēriem. Avots: Pxhere.

Cietās vielas parasti ir daudz vieglāk apstrādājamas vai uzglabājamas nekā šķidrums vai gāze. Ja tā daļiņas nav precīzi sadalītas, vēja strāva to nenesīs citos virzienos; tie ir fiksēti telpā, ko nosaka to atomu, jonu vai molekulu savstarpējā mijiedarbība.

Cieta koncepcija

Cietais ir matērijas stāvoklis, kurā ir stingrs tilpums un forma; daļiņas, kas veido cietā stāvoklī esošus materiālus vai priekšmetus, tiek fiksētas vienā vietā, tās nav viegli saspiežamas.

Šis matērijas stāvoklis ir visdaudzveidīgākais un bagātākais ķīmijas un fizikas ziņā. Mums ir jonu, metālu, atomu, molekulu un kovalentās cietās vielas, katrai no tām ir sava struktūrvienība; tas ir, ar saviem kristāliem. Kad to apvienošanas veids neļauj izveidot sakārtotas iekšējās struktūras, tie kļūst amorfi un sarežģīti.

Cietvielu izpēte saplūst, izstrādājot un sintēzē jaunus materiālus. Piemēram, koks, dabiska cieta viela, ir izmantots arī kā dekoratīvs materiāls un māju celtniecībai.

Citi cietie materiāli ļauj ražot automašīnas, lidmašīnas, kuģus, kosmosa kuģus, kodolreaktorus, sporta preces, akumulatorus, katalizatorus un daudzus citus priekšmetus vai izstrādājumus.

Cieto vielu vispārīgās īpašības

Atsperes un koks, suporta sastāvdaļas, cietā materiāla piemērs

Cietvielu galvenās īpašības ir:

-Viņi ir definējuši masu, tilpumu un formas. Piemēram, gāzei nav gala vai sākuma, jo tie ir atkarīgi no tvertnes, kurā to glabā.

-Tie ir ļoti blīvi. Cietās vielas parasti ir blīvākas nekā šķidrumi un gāzes; lai gan ir daži izņēmumi no noteikuma, it īpaši, ja salīdzina šķidrumus un cietās vielas.

-Attālumi, kas atdala tā daļiņas, ir īss. Tas nozīmē, ka tie ir kļuvuši ļoti saliedēti vai sablīvēti attiecīgajā apjomā.

-Tās starpmolekulārā mijiedarbība ir ļoti spēcīga, pretējā gadījumā tās neeksistētu kā tādas un sauszemes apstākļos tās izkustu vai sublimētos.

Atšķirības starp cietas, šķidruma un gāzes daļiņām

-Cietvielu mobilitāte parasti ir diezgan ierobežota ne tikai no materiāla viedokļa, bet arī molekulāri. Tās daļiņas ir ierobežotas fiksētā stāvoklī, kur tās var tikai vibrēt, bet ne kustēties vai griezties (teorētiski).

Īpašības

Kušanas punkti

Visas cietās vielas, ja vien tās nav sadalījušās procesā, un neatkarīgi no tā, vai tās ir vai nav siltumvadītāji, noteiktā temperatūrā var nonākt šķidrā stāvoklī: to kušanas temperatūra. Kad šī temperatūra ir sasniegta, tās daļiņām beidzot izdodas plūst un izkļūt no fiksētajām pozīcijām.

Šī kušanas temperatūra būs atkarīga no cietās vielas veida, tās mijiedarbības, molmasas un kristāliskā režģa enerģijas. Parasti jonu cietām vielām un kovalentiem tīkliem (piemēram, dimanta un silīcija dioksīdam) ir augstākās kušanas temperatūras; savukārt molekulārā cietā viela ir viszemākā.

Šajā attēlā parādīts, kā ledus kubs (cietā stāvoklī) pārvēršas šķidrā stāvoklī:

Stehiometrija

Liela daļa cieto vielu ir molekulāri, jo tie ir savienojumi, kuru starpmolekulārā mijiedarbība ļauj tiem saplūst šādā veidā. Tomēr daudzi citi ir joniski vai daļēji joniski, tāpēc to vienības nav molekulas, bet šūnas: atomu vai jonu kopums, kas sakārtots.

Tieši šeit šādu cietu vielu formulām ir jāievēro lādiņu neitralitāte, norādot to sastāvu un stehiometriskās attiecības. Piemēram, cietā viela, kuras hipotētiskā formula ir A ₂ B ₄ O _2, norāda, ka tai ir tāds pats A atomu skaits kā O (2: 2), bet tai ir divreiz lielāks B atomu skaits (2: 4).

Ņemiet vērā, ka apakšpozīcijas ar formulu A ₂ B ₄ O ₂ ir veseli skaitļi, kas parāda, ka tā ir stehiometriska cieta viela. Daudzu cietvielu sastāvs ir aprakstīts ar šīm formulām. A, B un O lādiņiem jāpieskaita nulle, jo pretējā gadījumā būtu pozitīva vai negatīva maksa.

Cietām vielām ir īpaši noderīgi zināt, kā interpretēt to formulas, jo parasti šķidrumu un gāzu sastāvs ir vienkāršāks.

Defekti

Cietvielu struktūras nav perfektas; tiem ir nepilnības vai trūkumi, lai arī kādi tie būtu kristāliski. Tas neattiecas ne uz šķidrumiem, ne gāzēm. Nav tādu šķidrā ūdens reģionu, par kuriem jau iepriekš var apgalvot, ka tie ir “izmežģīti” no apkārtnes.

Šādi defekti ir saistīti ar to, ka cietās vielas ir cietas un trauslas, tām piemīt tādas īpašības kā piroelektriskums un pjezoelektriskums vai tām vairs nav noteiktas kompozīcijas; tas ir, tās ir bez stehiometriskas cietas vielas (piemēram, A _0,4 B _1,3 O _0,5 ).

Reaģētspēja

Cietās vielas parasti ir mazāk reaģējošas nekā šķidrumi un gāzes; bet ne ķīmisku cēloņu dēļ, bet gan tāpēc, ka to struktūras neļauj reaģentiem uzbrukt daļiņām tajās, vispirms reaģējot ar tām, kas atrodas uz to virsmas. Tāpēc reakcijas, kurās iesaistītas cietās vielas, mēdz būt lēnākas; ja vien tie nav saberzti.

Kad cieta viela ir pulvera formā, tās mazākām daļiņām ir lielāks reaģēšanas laukums vai virsma. Tāpēc smalkās cietās vielas bieži apzīmē kā potenciāli bīstamus reaģentus, jo tās var ātri aizdegties vai enerģiski reaģēt, nonākot saskarē ar citām vielām vai savienojumiem.

Bieži vien cietās vielas izšķīdina reakcijas vidē, lai homogenizētu sistēmu un veiktu sintēzi ar lielāku ražu.

Fiziskā

Līdz šim sacītais, izņemot kušanas temperatūru un defektus, vairāk atbilst cietvielu ķīmiskajām īpašībām, nevis to fizikālajām īpašībām. Materiālu fizika ir vērsta uz to, kā gaisma, skaņa, elektroni un siltums mijiedarbojas ar cietām vielām, neatkarīgi no tā, vai tās ir kristāliskas, amorfas, molekulāras utt.

Šeit nonāk tā sauktā plastiskā, elastīgā, stingrā, necaurspīdīgā, caurspīdīgā, supravadošā, fotoelektriskā, mikroporainā, feromagnētiskā, izolējošā vai pusvadītāju cietā viela.

Piemēram, ķīmijā interesē materiāli, kas neuzsūc ultravioleto starojumu vai redzamo gaismu, jo tos izmanto UV-Vis spektrofotometru mērīšanas elementu izgatavošanai. Tas pats notiek ar infrasarkano starojumu, kad vēlaties raksturot savienojumu, iegūstot tā IR spektru, vai izpētīt reakcijas gaitu.

Visu cietvielu fizikālo īpašību izpēte un manipulācija ar tām prasa milzīgu centību, kā arī to sintēzi un dizainu, jauniem materiāliem izvēloties neorganiskas, bioloģiskas, organiskas vai organometāliskas konstrukcijas “gabalus”.

Veidi un piemēri

Tā kā ķīmiski ir vairāki cietvielu veidi, reprezentatīvi piemēri tiks minēti katram atsevišķi.

Kristāliskas cietās vielas

No vienas puses, ir kristāliskas cietās vielas. Šie elementi ir raksturīgi, jo molekulas, kas tos veido, ir konfigurēti vienādi, un tas tiek atkārtots kā paraugs visā kristālā. Katru modeli sauc par vienības šūnu.

Kristālām cietām vielām ir arī raksturīga noteikta kušanas temperatūra; Tas nozīmē, ka, ņemot vērā molekulu izvietojuma vienveidību, starp katru vienības elementu ir vienāds attālums, kas ļauj visai struktūrai pastāvīgi pārveidoties zem tās pašas temperatūras.

Kristālisku cietvielu piemēri var būt sāls un cukurs.

Amorfas cietas vielas

Amorfās cietās vielas raksturo tas, ka to molekulu uzbūve nereaģē uz modeli, bet mainās pa visu virsmu.

Tā kā šāda veida nav, amorfu cietvielu kušanas temperatūra atšķirībā no kristāliskajām nav definēta, kas nozīmē, ka tā kūst pakāpeniski un dažādās temperatūrās.

Amorfu cietvielu piemēri var būt stikls un vairums plastmasu.

Jonijas

Jonu cietvielām raksturīgi katjoni un anjoni, kas mijiedarbojas viens ar otru ar elektrostatisko pievilcību (jonu savienojums). Kad jonu ir mazas, iegūtās struktūras parasti vienmēr ir kristāliskas (ņemot vērā to defektus). Starp dažām jonu cietvielām mums ir:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^- ), nātrija hlorīds

-MgO (Mg ²⁺ O ^2- ), magnija oksīds

-CaCO ₃ (Ca ²⁺ CO ₃ ^2- ), kalcija karbonāts

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ^2- ), vara sulfāts

-KF (K ⁺ F ^- ), kālija fluorīds

-NH ₄ Cl (NH ₄ ⁺ Cl ^- ), amonija hlorīds

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2- ), cinka sulfīds

-Fe (C ₆ H ₅ COO) ₃ , dzelzs benzoāts

Metālisks

Kā norāda viņu nosaukums, tās ir cietas vielas, kuru metāliskie atomi mijiedarbojas caur metālisko saiti:

-Sudrabs

-Zelts

-Vadu

-Mēsla

-Bronze

-Baltais zelts

-Pewter

-Tērauds

-Duralumīns

Ņemiet vērā, ka sakausējumi, protams, tiek uzskatīti arī par metāla cietām vielām.

Atomu

Metāliskās cietās vielas ir arī atomu, jo teorētiski starp metāliskajiem atomiem (MM) nav kovalento saišu. Tomēr cēlgāzes faktiski tiek uzskatītas par atomu sugām, jo ​​starp tām dominē tikai Londonas izkliedējošie spēki.

Tāpēc, kaut arī tās nav augstas cietās cietvielas (un grūti iegūstamas), kristalizētās cēlgāzes ir atomu cietās vielas piemēri; t.i .: hēlijs, neons, argons, kriptons utt., cietās vielas.

Molekulāri un polimēru

Molekulas var mijiedarboties caur Van der Walls spēkiem, kur svarīga loma ir to molekulārajām masām, dipola momentiem, ūdeņraža saitēm, struktūrām un ģeometrijai. Jo spēcīgāka ir šāda mijiedarbība, jo lielāka ir iespējamība, ka tā būs cietā formā.

No otras puses, tas pats pamatojums attiecas uz polimēriem, kuri to augstās vidējās molekulmasas dēļ gandrīz vienmēr ir cietas vielas, un vairāki no tiem ir amorfi; tā kā tās polimēru vienībām ir grūti sevi kārtīgi izkārtot, veidojot kristālus.

Tādējādi starp dažām molekulārām un polimēru cietvielām ir šādas:

-Sausais ledus

-Cukurs

-Jods

-Benzoskābe

-Acetamīds

-Rombiskais sērs

-Palmīnskābe

-Fullerenos

-Māc

-Kofeīns

-Naftalīns

-Koks un papīrs

-Silk

-Teflons

-Polietilēns

-Kevlar

-Bakelīts

-Polivinilhlorīds

-Polistirols

-Polipropilēns

-Proteīni

-Šokolādes tāfelīte

Kovalenti tīkli

Visbeidzot, mums ir kovalenti tīkli starp cietākajām un visaugstāk izkausējošām cietām vielām. Daži piemēri:

-Grafīts

-Dimanta

-Kvarca

-Silīcija karbīds

-Borona nitrīds

-Alumīnija fosfīds

-Gallija arsenīds

Atsauces

1. Šiveris un Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija. (Ceturtais izdevums). Mc Graw Hill.
2. Vaitens, Deiviss, Peks un Stenlijs. (2008). Ķīmija (8. izd.). CENGAGE mācīšanās.
3. Wikipedia. (2019. gads). Cietvielu ķīmija. Atgūts no: en.wikipedia.org
4. Elsevier BV (2019. gads). Cietvielu ķīmija. ScienceDirect. Atgūts no: sciencedirect.com
5. Dr Michael Lufaso. (sf). Cietvielu ķīmijas lekciju piezīmes. Atgūts no: unf.edu
6. pajautāIITians. (2019. gads). Cietvielu vispārējie raksturlielumi. Atgūts no: askiitians.com
7. Deivids Vuds. (2019. gads). Kā atomi un molekulas veido cietas vielas: raksti un kristāli. Pētījums. Atgūts no: study.com