Қатты денелер: қасиеттері, құрылымы, тығыздығы және мысалдары

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 05:33

Қатты заттар – дене түзе алатын және көлемі бар заттар. Олардың пішіні бойынша сұйықтар мен газдардан ерекшеленеді. Қатты денелер бөлшектері еркін қозғала алмайтындықтан дене пішінін сақтайды. Олар тығыздығы, пластикасы, электр өткізгіштігі және түсі бойынша ерекшеленеді. Олардың басқа да қасиеттері бар. Мәселен, мысалы, бұл заттардың көпшілігі қыздыру кезінде ериді, агрегацияның сұйық күйіне ие болады. Олардың кейбіреулері қыздырылған кезде бірден газға (сублиматқа) айналады. Бірақ басқа заттарға ыдырайтындары да бар.

Қатты заттардың түрлері

Барлық қатты заттар екі топқа бөлінеді.

Аморфты, онда жеке бөлшектер кездейсоқ орналасады. Басқаша айтқанда: олардың нақты (анықталған) құрылымы жоқ. Бұл қатты заттар белгіленген температура диапазонында балқуға қабілетті. Олардың ең көп тарағандарына шыны мен шайыр жатады.
Кристалды, олар өз кезегінде 4 түрге бөлінеді: атомдық, молекулалық, иондық, металлдық. Оларда бөлшектер тек белгілі бір заңдылық бойынша, атап айтқанда кристалдық тордың түйіндерінде орналасады. Оның әртүрлі заттардағы геометриясы әр түрлі болуы мүмкін.

Қатты кристалды заттар өз саны бойынша аморфты заттардан басым болады.

Кристалды қатты заттардың түрлері

Қатты күйде барлық дерлік заттардың кристалдық құрылымы болады. Олар құрылымы бойынша ерекшеленеді. Олардың түйіндеріндегі кристалдық торлар әртүрлі бөлшектер мен химиялық элементтерден тұрады. Олардың есімдері соларға сәйкес келеді. Әр түрдің өзіне тән қасиеттері бар:

Атомдық кристалдық торда қатты дененің бөлшектері коваленттік байланыспен байланысады. Ол өзінің төзімділігімен ерекшеленеді. Осыған байланысты мұндай заттардың балқу және қайнау температурасы жоғары болады. Бұл түрге кварц пен алмаз кіреді.
Молекулалық кристалдық торда бөлшектер арасындағы байланыс өзінің әлсіздігімен ерекшеленеді. Бұл түрдегі заттар қайнау және балқу жеңілдігімен сипатталады. Олар ұшпа, соның арқасында белгілі бір иіс бар. Бұл қатты заттарға мұз және қант жатады. Осы типтегі қатты денелердегі молекулалардың қозғалысы олардың белсенділігімен ерекшеленеді.
Түйіндердегі иондық кристалдық торда сәйкес бөлшектер кезектесіп, оң зарядталған жәнетеріс. Олар электростатикалық тартылыс арқылы бірге ұсталады. Тордың бұл түрі сілтілерде, тұздарда, негіздік оксидтерде болады. Бұл түрдегі көптеген заттар суда оңай ериді. Иондар арасындағы жеткілікті күшті байланыстың арқасында олар отқа төзімді. Олардың барлығы дерлік иіссіз, өйткені олар өзгермейтіндігімен сипатталады. Иондық торы бар заттар электр тогын өткізе алмайды, өйткені олардың құрамында бос электрондар болмайды. Иондық қатты заттардың типтік мысалы ас тұзы болып табылады. Мұндай кристалдық тор оны сынғыш етеді. Бұл оның кез келген ығысуы иондық тебілу күштерінің пайда болуына әкелуі мүмкін екеніне байланысты.
Түйіндердегі металл кристалдық торда тек оң зарядталған химиялық иондар болады. Олардың арасында жылу және электр энергиясы тамаша өтетін бос электрондар бар. Сондықтан кез келген металдар өткізгіштік сияқты қасиетімен ерекшеленеді.

Қатты дене туралы жалпы түсініктер

Қатты заттар мен заттар іс жүзінде бірдей нәрсе. Бұл терминдер біріктірудің 4 күйінің біріне жатады. Қатты денелердің тұрақты пішіні және атомдардың жылулық қозғалысының сипаты бар. Сонымен қатар, соңғылары тепе-теңдік позицияларына жақын шағын тербелістерді жасайды. Құрамы мен ішкі құрылысын зерттейтін ғылым саласы қатты дене физикасы деп аталады. Мұндай заттармен айналысатын білімнің басқа да маңызды бағыттары бар. Сыртқы әсерлер мен қозғалыс кезінде пішінінің өзгеруі деформацияланатын дененің механикасы деп аталады.

Қатты денелердің әртүрлі қасиеттеріне байланысты олар адам жасаған әртүрлі техникалық құрылғыларда қолдануды тапты. Көбінесе оларды пайдалану қаттылық, көлем, масса, серпімділік, пластикалық, сынғыштық сияқты қасиеттерге негізделген. Заманауи ғылым тек зертханада ғана табылған қатты заттардың басқа да қасиеттерін пайдалануға мүмкіндік береді.

Кристалдар дегеніміз не

Кристаллдар - белгілі бір ретпен орналасқан бөлшектері бар қатты денелер. Әрбір химиялық заттың өз құрылымы бар. Оның атомдары кристалдық тор деп аталатын үш өлшемді периодты орналасуды құрайды. Қатты денелердің құрылымдық симметриялары әртүрлі. Қатты дененің кристалдық күйі тұрақты деп саналады, себебі оның потенциалдық энергиясының ең аз мөлшері бар.

Қатты материалдардың (табиғи) басым көпшілігі кездейсоқ бағытталған жеке дәндердің (кристаллиттер) үлкен санынан тұрады. Мұндай заттар поликристалды деп аталады. Оларға техникалық қорытпалар мен металдар, сонымен қатар көптеген тау жыныстары жатады. Монокристалдық жалғыз табиғи немесе синтетикалық кристалдарға жатады.

Көбінесе мұндай қатты заттар балқыма немесе ерітіндімен бейнеленген сұйық фаза күйінен түзіледі. Кейде олар газ күйінен алынады. Бұл процесс кристалдану деп аталады. Ғылыми-техникалық прогрестің арқасында әртүрлі заттарды өсіру (синтездеу) тәртібі өнеркәсіптік ауқымға ие болды. Кристаллдардың көпшілігі қалыпты түрдегі табиғи пішінге иекөп қырлы. Олардың өлшемдері өте әртүрлі. Сонымен, табиғи кварцтың (рок-кристалдың) салмағы жүздеген килограммға дейін, ал гауһар тастың салмағы бірнеше граммға дейін жетеді.

Аморфты қатты денелерде атомдар кездейсоқ орналасқан нүктелердің айналасында тұрақты тербелісте болады. Олар белгілі бір қысқа мерзімді тәртіпті сақтайды, бірақ ұзақ мерзімді тәртіп жоқ. Бұл олардың молекулаларының өлшемдерімен салыстыруға болатын қашықтықта орналасқандығына байланысты. Біздің өмірімізде мұндай қатты заттардың ең көп таралған мысалы - шыны күйі. Аморфты заттар көбінесе шексіз жоғары тұтқырлығы бар сұйықтық ретінде қарастырылады. Олардың кристалдану уақыты кейде соншалықты ұзақ, ол мүлдем көрінбейді.

Бұл заттардың жоғарыдағы қасиеттері оларды бірегей етеді. Аморфты қатты заттар тұрақсыз болып саналады, өйткені олар уақыт өте келе кристалды бола алады.

Қатты денені құрайтын молекулалар мен атомдар жоғары тығыздықта орналасқан. Олар іс жүзінде басқа бөлшектерге қатысты өзара орнын сақтайды және молекула аралық әрекеттесу есебінен бірге ұсталады. Қатты дененің әртүрлі бағыттағы молекулаларының ара қашықтығы тордың параметрі деп аталады. Заттың құрылымы және оның симметриясы көптеген қасиеттерді анықтайды, мысалы, электрондар диапазоны, бөлінуі және оптика. Қатты денеге жеткілікті үлкен күш әсер еткенде, бұл қасиеттер бір немесе басқа дәрежеде бұзылуы мүмкін. Бұл жағдайда қатты дене тұрақты деформацияға ұшырайды.

Қатты денелердің атомдары тербелмелі қозғалыстар жасайды, бұл олардың жылу энергиясына ие болуын анықтайды. Олар шамалы болғандықтан, оларды тек зертханалық жағдайларда байқауға болады. Қатты заттардың молекулалық құрылымы оның қасиеттеріне қатты әсер етеді.

Қатты денелерді зерттеу

Бұл заттардың ерекшеліктерін, қасиеттерін, олардың қасиеттерін және бөлшектердің қозғалысын қатты дене физикасының әртүрлі бөлімшелері зерттейді.

Зерттеу үшін: радиоспектроскопия, рентген сәулелерін қолданатын құрылымдық талдау және басқа әдістер қолданылады. Қатты денелердің механикалық, физикалық және жылулық қасиеттері осылайша зерттеледі. Қаттылықты, жүктемеге төзімділікті, созуға төзімділікті, фазалық түрлендірулерді материалтану зерттейді. Ол негізінен қатты дене физикасына сәйкес келеді. Тағы бір маңызды заманауи ғылым бар. Қолданыстағы заттарды зерттеу және жаңа заттардың синтезі қатты күйдегі химиямен жүзеге асырылады.

Қатты заттардың ерекшеліктері

Қатты дене атомдарының сыртқы электрондарының қозғалысының табиғаты оның көптеген қасиеттерін анықтайды, мысалы, электрлік. Мұндай органдардың 5 класы бар. Олар атомдық байланыстың түріне байланысты орнатылады:

Иондық, оның негізгі сипаттамасы электростатикалық тартылыс күші болып табылады. Оның ерекшеліктері: инфрақызыл аймақта жарықтың шағылысуы және жұтылуы. Төмен температурада иондық байланыс төмен электр өткізгіштігімен сипатталады. Мұндай заттың мысалына тұз қышқылының натрий тұзы (NaCl) жатады.
Ковалентті,екі атомға да жататын электрон жұбы жүзеге асырады. Мұндай байланыс: бір (жай), қос және үштік болып бөлінеді. Бұл атаулар электрон жұптарының (1, 2, 3) болуын көрсетеді. Қос және үштік байланыстар көптік байланыстар деп аталады. Бұл топтың тағы бір бөлімі бар. Сонымен, электрон тығыздығының таралуына байланысты полюсті және полярсыз байланыстар бөлінеді. Біріншісі әртүрлі атомдардан түзілген, ал екіншісі бірдей. Мысалдары алмаз (С) және кремний (Si) болатын заттың мұндай қатты күйі оның тығыздығымен ерекшеленеді. Ең қатты кристалдар арнайы коваленттік байланысқа жатады.
Атомдардың валенттілік электрондарын біріктіру арқылы түзілген металл. Нәтижесінде электр кернеуінің әсерінен ығысатын жалпы электронды бұлт пайда болады. Байланысқан атомдар үлкен болғанда металлдық байланыс түзіледі. Олар электрондарды беруге қабілетті. Көптеген металдар мен күрделі қосылыстарда бұл байланыс заттың қатты күйін құрайды. Мысалдар: натрий, барий, алюминий, мыс, алтын. Металл емес қосылыстардың ішінен мыналарды атап өтуге болады: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu_{5 Zn 8}. Металлдық байланысы бар заттар (металдар) физикалық қасиеттері бойынша алуан түрлі. Олар сұйық (Hg), жұмсақ (Na, K), өте қатты (W, Nb) болуы мүмкін.
Заттың жеке молекулалары арқылы түзілетін кристалдарда пайда болатын молекулалық. Ол электрон тығыздығы нөлдік молекулалар арасындағы бос орындармен сипатталады. Мұндай кристалдардағы атомдарды байланыстыратын күштер маңызды. Молекулалар тартыладыбір-біріне әлсіз молекулааралық тартылыс арқылы ғана. Сондықтан олардың арасындағы байланыстар қызған кезде оңай бұзылады. Атомдар арасындағы байланыстарды бұзу әлдеқайда қиын. Молекулалық байланыс бағдарлық, дисперсиялық және индуктивті болып бөлінеді. Мұндай заттың мысалы - қатты метан.
Молекуланың немесе оның бөлігінің оң поляризацияланған атомдары мен басқа молекуланың немесе басқа бөліктің ең кішкентай теріс поляризацияланған бөлшектері арасында болатын сутегі. Бұл байланыстарға мұз кіреді.

Қатты денелердің қасиеттері

Бүгін біз не білеміз? Ғалымдар заттың қатты күйінің қасиеттерін ұзақ уақыт зерттеді. Температура әсер еткенде ол да өзгереді. Мұндай дененің сұйық күйге ауысуы балқу деп аталады. Қатты дененің газ күйіне айналуын сублимация деп атайды. Температураны төмендеткен кезде қатты заттың кристалдануы жүреді. Суықтың әсерінен кейбір заттар аморфты фазаға өтеді. Ғалымдар бұл процесті витрификация деп атайды.

Фазалық ауысулар кезінде қатты заттардың ішкі құрылымы өзгереді. Ол температураның төмендеуімен ең үлкен тәртіпке ие болады. Атмосфералық қысымда және Т > 0 К температурада табиғатта бар кез келген заттар қатып қалады. Кристалдану үшін 24 атм қысымды қажет ететін гелий ғана бұл ережеден ерекшелік болып табылады.

Заттың қатты күйі оған әртүрлі физикалық қасиеттер береді. Олар денелердің ерекше мінез-құлқын сипаттайдыбелгілі бір өрістер мен күштердің әсерінен. Бұл қасиеттер топтарға бөлінеді. Энергияның 3 түріне (механикалық, жылулық, электромагниттік) сәйкес әсер етудің 3 тәсілі бар. Осыған сәйкес қатты денелердің физикалық қасиеттерінің 3 тобы бар:

Денелердің кернеуі мен кернеуіне байланысты механикалық қасиеттер. Осы критерийлер бойынша қатты денелер серпімділік, реологиялық, беріктік және технологиялық болып бөлінеді. Тыныштық жағдайында мұндай дене пішінін сақтайды, бірақ ол сыртқы күштің әсерінен өзгеруі мүмкін. Бұл ретте оның деформациясы пластикалық (бастапқы пішіні қайтып оралмайды), серпімді (бастапқы пішініне оралады) немесе деструктивті (белгілі бір шекке жеткенде ыдырау/сыну пайда болады) болуы мүмкін. Қолданылатын күшке реакция серпімділік модулімен сипатталады. Қатты дене тек сығуға, созуға ғана емес, сонымен қатар жылжуларға, бұралуға және иілуге де төтеп береді. Қатты дененің күші оның жойылуға қарсы тұру қасиеті болып табылады.
Термиялық, жылу өрістері әсер еткенде көрінеді. Ең маңызды қасиеттердің бірі - дененің сұйық күйге өтетін балқу температурасы. Ол кристалдық қатты заттарда байқалады. Аморфты денелердің жасырын қосылу жылуы болады, өйткені олардың температурасы жоғарылаған сайын сұйық күйге ауысуы біртіндеп жүреді. Белгілі бір ыстыққа жеткенде аморфты дене серпімділігін жоғалтып, пластикалық сипатқа ие болады. Бұл күй оның шыны ауысу температурасына жеткенін білдіреді. Қыздырған кезде қатты дененің деформациясы пайда болады. Және көбінесе ол кеңейеді. Сандық тұрғыдан бұлмемлекет белгілі бір коэффициентпен сипатталады. Дене температурасы сұйықтық, икемділік, қаттылық және беріктік сияқты механикалық қасиеттерге әсер етеді.
Электромагниттік, қатты затқа микробөлшек ағындарының және қаттылығы жоғары электромагниттік толқындардың әсер етуіне байланысты. Радиациялық қасиеттер де оларға шартты түрде жатады.

Аймақ құрылымы

Қатты денелер жолақ құрылымы деп аталатын түріне қарай да жіктеледі. Сонымен, олардың арасында мыналарды ажыратады:

Өткізгіштер, олардың өткізгіштік және валенттік жолақтары қабаттасатындығымен сипатталады. Бұл жағдайда электрондар аз ғана энергияны ала отырып, олардың арасында қозғала алады. Барлық металдар өткізгіш болып табылады. Мұндай денеге потенциалдар айырымы әсер еткенде электр тогы пайда болады (потенциалы ең төмен және ең жоғары нүктелер арасында электрондардың еркін қозғалысына байланысты).
Зоналары қабаттаспайтын диэлектриктер. Олардың арасындағы интервал 4 эВ-тан асады. Электрондарды валенттіліктен өткізгіштік зонаға дейін өткізу үшін көп энергия қажет. Осы қасиеттерге байланысты диэлектриктер іс жүзінде ток өткізбейді.
Өткізгіштік және валенттік жолақтардың болмауымен сипатталатын жартылай өткізгіштер. Олардың арасындағы интервал 4 эВ кем. Электрондарды валенттіліктен өткізгіштік зонаға ауыстыру үшін диэлектриктерге қарағанда аз энергия қажет. Таза (қосылмаған және табиғи) жартылай өткізгіштер токты жақсы өткізбейді.

Қатты денелердегі молекулалардың қозғалысы олардың электромагниттік қасиеттерін анықтайды.

Басқақасиеттер

Қатты денелер де магниттік қасиеттеріне қарай бөлінеді. Үш топ бар:

Қасиеттері температураға немесе агрегаттық күйге аз тәуелді болатын диамагнетиктер.
Өткізгіш электрондардың және атомдардың магниттік моменттерінің бағдарлануынан туындайтын парамагнетиктер. Кюри заңы бойынша олардың сезімталдығы температураға пропорционалды түрде төмендейді. Демек, 300 К кезінде бұл 10-5.
Тәртіпті магниттік құрылымы бар денелер, атомдардың ұзақ диапазондағы реті. Олардың торларының түйіндерінде магниттік моменттері бар бөлшектер периодты түрде орналасады. Мұндай қатты заттар мен заттар адам қызметінің әртүрлі салаларында жиі қолданылады.

Табиғаттағы ең қатты заттар

Олар не? Қатты заттардың тығыздығы негізінен олардың қаттылығын анықтайды. Соңғы жылдары ғалымдар «ең төзімді дене» деп есептейтін бірнеше материал тапты. Ең қатты зат – фуллерит (фуллерен молекулалары бар кристал), ол алмаздан шамамен 1,5 есе қатты. Өкінішке орай, ол қазір өте аз мөлшерде ғана қолжетімді.

Бүгінде өнеркәсіпте болашақта қолданылуы мүмкін ең қатты зат – лонсдалейт (алты бұрышты алмаз). Ол алмазға қарағанда 58% қаттырақ. Лонсдалейт - көміртектің аллотропты модификациясы. Оның кристалдық торы гауһарға өте ұқсас. Лонсдалейт жасушасында 4 атом, ал гауһар 8 атомнан тұрады. Кеңінен қолданылатын кристалдардың ішінде алмаз бүгінгі күні ең қатты болып қала береді.