Катуу заттар: касиеттери, структурасы, тыгыздыгы жана мисалдары

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-12-17 05:34

Катуу заттар – дене түзүүгө жөндөмдүү жана көлөмү бар заттар. Алар суюктуктардан жана газдардан формасы боюнча айырмаланат. Катуу заттар бөлүкчөлөрү эркин кыймылдай албагандыктан дененин формасын сактап калат. Алар тыгыздыгы, пластикасы, электр өткөрүмдүүлүгү жана түсү боюнча айырмаланат. Алардын дагы башка касиеттери бар. Ошентип, мисалы, бул заттардын көбү ысытуу учурунда эрип, суюк агрегация абалына ээ болот. Алардын айрымдары ысытылганда дароо газга (сублимат) айланат. Бирок башка заттарга ажырагандар да бар.

Катуу заттардын түрлөрү

Бардык катуу заттар эки топко бөлүнөт.

Аморф, мында жеке бөлүкчөлөр туш келди тизилген. Башкача айтканда: алардын так (аныкталган) структурасы жок. Бул катуу заттар белгиленген температура диапазонунда эрүүгө жөндөмдүү. Алардын эң кеңири тарагандарына айнек жана чайыр кирет.
Кристаллдык, алар өз кезегинде 4 түргө бөлүнөт: атомдук, молекулалык, иондук, металлдык. Аларда бөлүкчөлөр белгилүү бир схема боюнча гана, тактап айтканда, кристалл торчосунун түйүндөрүндө жайгашкан. Анын ар кандай заттардагы геометриясы абдан ар түрдүү болушу мүмкүн.

Катуу кристаллдык заттар өздөрүнүн саны боюнча аморфтуктарга караганда басымдуулук кылат.

Кристалдык катуу заттардын түрлөрү

Катуу абалда дээрлик бардык заттар кристаллдык түзүлүшкө ээ. Алар түзүлүшү боюнча айырмаланат. Алардын түйүндөрүндөгү кристалл торлору ар кандай бөлүкчөлөрдү жана химиялык элементтерди камтыйт. Аларга ылайык, алар өз ысымдарын алышкан. Ар бир түрдүн өзүнө тиешелүү касиеттери бар:

Атомдук кристалл торчосунда катуу заттын бөлүкчөлөрү коваленттик байланыш менен байланышкан. Ал өзүнүн туруктуулугу менен айырмаланат. Ушундан улам мындай заттар жогорку эрүү жана кайноо температурасына ээ. Бул түргө кварц жана алмаз кирет.
Молекулярдык кристалл торчосунда бөлүкчөлөрдүн ортосундагы байланыш өзүнүн алсыздыгы менен айырмаланат. Бул түрдөгү заттар кайнатуу жана эрүү оңойлугу менен мүнөздөлөт. Алар туруксуз, ошондуктан алар белгилүү бир жыт бар. Бул катуу заттар муз жана кантты камтыйт. Бул типтеги катуу заттардагы молекулалардын кыймылдары активдүүлүгү менен айырмаланат.
Түйүндөрдөгү иондук кристалл торчосунда тиешелүү бөлүкчөлөр кезектешип, оң заряддуу жанатерс. Алар электростатикалык тартылуу менен бирге кармалат. Мындай торчо щелочтордо, туздарда, негизги оксиддерде болот. Бул түрдөгү көптөгөн заттар сууда оңой эрийт. Иондордун ортосунда жетишерлик күчтүү байланыш болгондуктан, алар отко чыдамдуу. Алардын дээрлик бардыгы жытсыз, анткени алар туруксуздугу менен мүнөздөлөт. Иондук торчолуу заттар электр тогун өткөрө албайт, анткени аларда эркин электрондор жок. Иондук катуу заттын типтүү мисалы - ашкана тузу. Мындай кристалл тор аны морт кылат. Мунун себеби, анын ар кандай жылышы иондук түртүүчү күчтөрдүн пайда болушуна алып келиши мүмкүн.
Түйүнүндөгү металл кристалл торчосунда оң заряддуу химиялык иондор гана болот. Алардын ортосунда жылуулук жана электр энергиясы кемчиликсиз өтүүчү эркин электрондор бар. Ошондуктан бардык металлдар өткөргүчтүк сыяктуу өзгөчөлүгү менен айырмаланат.

Катуу дененин жалпы түшүнүктөрү

Катуу заттар менен заттар дээрлик бирдей нерсе. Бул терминдер агрегациянын 4 абалынын бирине тиешелүү. Катуу заттар туруктуу формага жана атомдордун жылуулук кыймылынын мүнөзүнө ээ. Андан тышкары, акыркылары тең салмактуулук позицияларына жакын кичинекей термелүүлөр. Илимдин курамын жана ички түзүлүшүн изилдөөчү тармагы катуу заттардын физикасы деп аталат. Мындай заттар менен байланышкан билимдин башка маанилүү тармактары бар. Сырткы таасирлерден жана кыймылдан форманын өзгөрүшү деформациялануучу дененин механикасы деп аталат.

Катуу заттардын ар кандай касиеттеринен улам алар адам тарабынан жаратылган ар кандай техникалык түзүлүштөрдө колдонулушун тапты. Көбүнчө, аларды колдонуу катуулугу, көлөмү, массасы, ийкемдүүлүк, пластикалык, морттук сыяктуу касиеттерге негизделген. Заманбап илим лабораторияда гана табыла турган катуу заттардын башка сапаттарын колдонууга мүмкүндүк берет.

Кристалл деген эмне

Кристаллдар бөлүкчөлөрү белгилүү бир тартипте тизилген катуу денелер. Ар бир химиялык заттын өзүнүн түзүлүшү бар. Анын атомдору кристаллдык тор деп аталган үч өлчөмдүү мезгилдик түзүлүштү түзөт. Катуу заттар ар кандай структуралык симметрияларга ээ. Катуу заттын кристаллдык абалы туруктуу деп эсептелет, анткени анын потенциалдык энергиясы минималдуу.

Катуу материалдардын (табигый) басымдуу көпчүлүгү туш келди багытталган эбегейсиз көп сандагы жеке бүртүкчөлөрдөн (кристаллиттерден) турат. Мындай заттар поликристаллдуу деп аталат. Аларга техникалык эритмелер жана металлдар, ошондой эле көптөгөн тоо тектери кирет. Монокристаллдык бир табигый же синтетикалык кристаллдарды билдирет.

Көбүнчө мындай катуу заттар эритме же эритме менен көрсөтүлгөн суюк фаза абалынан түзүлөт. Кээде алар газ абалынан алынат. Бул процесс кристаллдашуу деп аталат. Илимий-техникалык прогресстин аркасында түрдүү заттарды өстүрүү (синтездөө) тартиби өнөр жайлык масштабга ээ болду. Көпчүлүк кристаллдар регулярдуу формада табигый формага ээкөп жүздүү. Алардын өлчөмдөрү абдан ар түрдүү. Демек, табигый кварц (рок-кристалл) жүздөгөн килограммга чейин, ал эми алмаздын салмагы бир нече граммга чейин жетет.

Аморфтук катуу заттарда атомдор туш келди жайгашкан чекиттердин тегерегинде дайыма термелүүдө. Алар белгилүү бир кыска аралыкка тартипти сакташат, бирок узак аралыктагы тартип жок. Бул алардын молекулаларынын чоңдугу менен салыштырууга боло турган аралыкта жайгашкандыгына байланыштуу. Биздин жашообуздагы мындай катуу заттын эң кеңири таралган мисалы - айнек сымал абал. Аморфтук заттар көбүнчө чексиз жогорку илешкектүүлүктөгү суюктук катары каралат. Алардын кристаллдашуу убактысы кээде ушунчалык узун болгондуктан, ал такыр көрүнбөйт.

Бул заттардын жогорудагы касиеттери аларды уникалдуу кылат. Аморфтук катуу заттар туруксуз деп эсептелет, анткени алар убакыттын өтүшү менен кристаллдай болушу мүмкүн.

Катуу затты түзгөн молекулалар жана атомдор жогорку тыгыздыкта жыйылган. Алар башка бөлүкчөлөргө салыштырмалуу өз ара абалын иш жүзүндө сактап калышат жана молекулалар аралык өз ара аракеттенүүнүн аркасында чогуу кармалат. Катуу заттын молекулаларынын ар түрдүү багыттагы аралыктары торчо параметри деп аталат. Заттын түзүлүшү жана анын симметриясы электрон тилкеси, бөлүнүү жана оптика сыяктуу көптөгөн касиеттерди аныктайт. Катуу нерсеге жетишерлик чоң күч колдонулганда бул сапаттар тигил же бул даражада бузулушу мүмкүн. Бул учурда катуу дене туруктуу деформацияга дуушар болот.

Катуу заттардын атомдору термелүүчү кыймылдарды жасап, алардын жылуулук энергиясына ээ болушун аныктайт. Алар өтө аз болгондуктан, лабораториялык шарттарда гана байкоого болот. Катуу заттын молекулалык түзүлүшү анын касиеттерине чоң таасирин тийгизет.

Катуу нерселерди изилдөө

Бул заттардын өзгөчөлүктөрү, касиеттери, алардын сапаттары жана бөлүкчөлөрдүн кыймылы катуу дене физикасынын ар кандай бөлүмдөрү тарабынан изилденет.

Изилдөө үчүн: радиоспектроскопия, рентген нурларын колдонуу менен структуралык анализ жана башка ыкмалар колдонулат. Катуу заттардын механикалык, физикалык жана жылуулук касиеттери ушундайча изилденет. Катуулукту, жүккө каршылыкты, чоюлууга туруктуулукту, фазалык өзгөрүүнү материал таануу изилдейт. Ал негизинен катуу абалдын физикасына туура келет. Дагы бир маанилүү заманбап илим бар. Учурдагы заттарды изилдөө жана жаңы заттарды синтездөө катуу зат химиясы тарабынан ишке ашырылат.

Катуу заттардын өзгөчөлүктөрү

Катуу заттын атомдорунун тышкы электрондорунун кыймылынын табияты анын көптөгөн касиеттерин аныктайт, мисалы, электрдик. Мындай органдардын 5 классы бар. Алар атомдук байланыштын түрүнө жараша белгиленет:

Иондук, анын негизги мүнөздөмөсү – электростатикалык тартылуу күчү. Анын өзгөчөлүктөрү: инфракызыл аймакта жарыктын чагылышы жана жутулушу. Төмөн температурада иондук байланыш төмөн электр өткөрүмдүүлүк менен мүнөздөлөт. Мындай заттын мисалы туз кислотасынын натрий тузу (NaCl).
Коваленттик,эки атомго таандык электрон жуп тарабынан жүзөгө ашырылат. Мындай байланыш: жалгыз (жөнөкөй), кош жана үчтүк болуп бөлүнөт. Бул аталыштар жуп электрондор бар экенин көрсөтүп турат (1, 2, 3). Кош жана үчтүк байланыштар көп байланыш деп аталат. Бул топтун дагы бир бөлүмү бар. Ошентип, электрон тыгыздыгынын бөлүштүрүлүшүнө жараша полярдуу жана полярдуу эмес байланыштар бөлүнөт. Биринчиси ар кандай атомдор тарабынан түзүлөт, экинчиси болсо бирдей. Мисалы, алмаз (С) жана кремний (Si) болгон заттын мындай катуу абалы өзүнүн тыгыздыгы менен айырмаланат. Эң катуу кристаллдар коваленттик байланышка тиешелүү.
Металл, атомдордун валенттүү электрондорунун кошулушунан пайда болгон. Натыйжада жалпы электрон булут пайда болот, ал электр чыңалуусунун таасири астында жылган. Байланышкан атомдор чоң болгондо металлдык байланыш түзүлөт. Алар электрондорду берүүгө жөндөмдүү. Көптөгөн металлдарда жана комплекстүү бирикмелерде бул байланыш заттын катуу абалын түзөт. Мисалдар: натрий, барий, алюминий, жез, алтын. Металл эмес бирикмелердин ичинен төмөнкүлөрдү белгилесе болот: AlCr₂, Ca₂Cu, Cu_{5 Zn 8}. Металлдык байланышы бар заттар (металлдар) физикалык касиеттери боюнча ар түрдүү. Алар суюк (Hg), жумшак (Na, K), абдан катуу (W, Nb) болушу мүмкүн.
Молекулярдык, кристаллдарда пайда болгон, алар заттын айрым молекулалары тарабынан түзүлөт. Ал электрон тыгыздыгы нөл болгон молекулалардын ортосундагы боштуктар менен мүнөздөлөт. Мындай кристаллдардагы атомдорду байланыштырган күчтөр маанилүү. Молекулалар тартылатбири-бирине алсыз молекулалар аралык тартылуу аркылуу гана. Мына ошондуктан алардын ортосундагы байланыштар ысыганда оңой бузулат. Атомдор арасындагы байланыштарды бузуу алда канча кыйын. Молекулярдык байланыш ориентациялык, дисперстик жана индуктивдүү болуп бөлүнөт. Мындай заттын мисалы - катуу метан.
Молекуланын же анын бөлүгүнүн оң поляризацияланган атомдору менен башка молекуланын же башка бөлүгүнүн эң кичине терс поляризацияланган бөлүкчөлөрүнүн ортосунда пайда болгон суутек. Бул байланыштарга муз кирет.

Катуу заттардын касиеттери

Биз бүгүн эмнени билебиз? Окумуштуулар заттын катуу абалынын касиеттерин көптөн бери изилдеп келишкен. Температурага дуушар болгондо, ал да өзгөрөт. Мындай дененин суюктукка өтүшү эрүү деп аталат. Катуу заттын газ абалына өтүшү сублимация деп аталат. Температураны төмөндөткөндө катуу заттын кристаллдашы пайда болот. Сууктун таасири астында кээ бир заттар аморфтук фазага өтөт. Окумуштуулар бул процессти витрификация деп аташат.

Фазалык өтүү учурунда катуу заттардын ички түзүлүшү өзгөрөт. Ал температуранын төмөндөшү менен эң чоң тартипке ээ болот. Атмосфералык басымда жана Т > 0 К температурада жаратылышта болгон бардык заттар катып калат. Кристалдашуу үчүн 24 атм басымды талап кылган гелий гана бул эрежеден тышкаркы болуп саналат.

Заттын катуу абалы ага ар кандай физикалык касиеттерди берет. Алар дененин өзгөчө жүрүм-турумун мүнөздөйткээ бир талаалардын жана күчтөрдүн таасири астында. Бул касиеттер топторго бөлүнөт. Энергиянын 3 түрүнө (механикалык, жылуулук, электромагниттик) туура келген 3 таасир этүү жолу бар. Демек, катуу заттардын физикалык касиеттеринин 3 тобу бар:

Денелердин стресс жана чыңалуу менен байланышкан механикалык касиеттери. Бул критерийлер боюнча катуу заттар серпилгичтик, реологиялык, бекемдик жана технологиялык болуп бөлүнөт. Тынчтыкта мындай дене өзүнүн формасын сактап калат, бирок тышкы күчтүн таасири астында өзгөрүшү мүмкүн. Ошол эле учурда анын деформациясы пластикалык (баштапкы формасы кайтып келбейт), серпилгичтүү (баштапкы формасына кайтып келет) же кыйратуучу (белгилүү бир чекке жеткенде чирип/сынык пайда болот) болушу мүмкүн. Колдонулган күчкө жооп ийкемдүүлүк модулу менен сүрөттөлөт. Катуу дене кысулууга, созулууга гана эмес, жылышууга, бурулууга жана ийилүүгө да туруштук берет. Катуу дененин күчү анын кыйроого туруштук берүү касиети.
Термикалык, термикалык талааларга дуушар болгондо көрүнөт. Эң маанилүү касиеттердин бири – бул дененин суюк абалга өткөн эрүү чекити. Ал кристаллдык катуу заттарда байкалат. Аморфтук телолордун суюк абалга өтүшү температуранын жогорулашы менен акырындык менен ишке ашкандыктан, алардын жашыруун биригүү жылуулугу бар. Белгилүү бир жылуулукка жеткенде аморфтук дене ийкемдүүлүгүн жоготуп, пластикалык касиетке ээ болот. Бул абал ал айнек өтүү температурасына жеткенин билдирет. ысытканда катуу заттын деформациясы пайда болот. Жана көпчүлүк учурда ал кеңейет. Сандык жактан булмамлекет белгилүү бир коэффициент менен мүнөздөлөт. Дене температурасы суюктук, ийкемдүүлүк, катуулук жана күч сыяктуу механикалык касиеттерге таасирин тийгизет.
Электромагниттик, катуу затка микробөлүкчөлөрдүн агымынын жана жогорку катуулуктагы электромагниттик толкундардын таасири менен байланышкан. Радиациялык касиеттер да аларга шарттуу түрдө тиешелүү.

Аймактын түзүлүшү

Катуу заттар тилке түзүмү деп аталган нерсеге жараша да классификацияланат. Ошентип, алардын арасында алар бөлүп:

Өткөргүчтөр, алардын өткөргүчтүк жана валенттүү тилкелери бири-бирине дал келиши менен мүнөздөлөт. Бул учурда электрондор кичине эле энергия алып, алардын ортосунда кыймылдай алат. Бардык металлдар өткөргүч болуп саналат. Мындай денеге потенциалдар айырмасы колдонулганда электр тогу пайда болот (потенциалдуулугу эң төмөнкү жана эң чоң чекиттердин ортосунда электрондордун эркин кыймылынан улам).
Зоналары бири-бирине дал келбеген диэлектриктер. Алардын ортосундагы интервал 4 эВ ашат. Электрондорду валенттүүлүктөн өткөрүү зонасына чейин өткөрүү үчүн көп энергия керектелет. Бул касиеттеринен улам диэлектриктер ток өткөрбөйт.
Жарым өткөргүчтөр өткөргүчтүк жана валенттүү тилкелердин жоктугу менен мүнөздөлөт. Алардын ортосундагы интервал 4 эВ кем. Электрондорду валенттүүлүктөн өткөргүч тилкеге өткөрүү үчүн диэлектриктерге караганда азыраак энергия керектелет. Таза (таза жана жергиликтүү) жарым өткөргүчтөр токту жакшы өткөрбөйт.

Катуу заттардагы молекулалардын кыймылы алардын электромагниттик касиеттерин аныктайт.

Башкакасиеттери

Катуу денелер магниттик касиеттери боюнча да бөлүнөт. Үч топ бар:

Касиеттери температурадан же агрегаттык абалынан анча көз каранды болгон диамагниттер.
Өткөрүү электрондорунун жана атомдордун магниттик моменттеринин ориентациясынын натыйжасында пайда болгон парамагнетиктер. Кюри мыйзамына ылайык, алардын сезгичтиги температурага жараша азаят. Ошентип, 300 Кда 10-5 болот.
Тартиптүү магниттик түзүлүштөгү, атомдордун узак аралыктагы тартиби менен денелер. Алардын торчосунун түйүндөрүндө магниттик моменттери бар бөлүкчөлөр мезгил-мезгили менен жайгашат. Мындай катуу заттар жана заттар адам ишинин ар кандай тармактарында көп колдонулат.

Табигаттагы эң катуу заттар

Алар эмне? Катуу заттардын тыгыздыгы негизинен алардын катуулугун аныктайт. Акыркы жылдары илимпоздор "эң бышык дене" деген бир нече материалдарды табышты. Эң катуу зат - фуллерит (фуллерен молекулалары бар кристалл), ал алмаздан 1,5 эсе катуураак. Тилекке каршы, ал учурда өтө аз санда гана жеткиликтүү.

Бүгүнкү күндө өнөр жайда келечекте колдонула турган эң катуу зат бул лонсдалейт (алты бурчтуу алмаз). Ал алмаздан 58% катуураак. Lonsdaleite көмүртектин аллотроптук модификациясы болуп саналат. Анын кристалл торлору алмазга абдан окшош. Лонсдалейт клеткасында 4 атом, алмазда 8 атом бар. Кеңири колдонулган кристаллдардын ичинен алмаз бүгүнкү күндө эң катуусу бойдон калууда.