POLOVODIČ: STAV, VLASTNOSTI, TYPY, PRÍKLADY - VEDA - 2025

Pevnom stave je jedným z hlavných spôsobov, v ktorých záleží agregátov na vytvorenie kondenzovanej alebo pevných telies. Celá zemská kôra, opúšťajúca moria a oceány, je pestrofarebným konglomerátom pevných látok. Príklady predmetov v pevnom stave sú kniha, kameň alebo zrnká piesku.

Môžeme interagovať s tuhými látkami vďaka odpudzovaniu našich elektrónov s elektrónmi ich atómov alebo molekúl. Na rozdiel od tekutín a plynov, pokiaľ nie sú silne toxické, naše ruky nimi nemôžu prechádzať, ale skôr sa rozpadajú alebo absorbujú.

Drevená socha tohto koňa je vyrobená zo silne kohéznych prírodných polymérov. Zdroj: Pxhere.

Manipulácia s tuhými látkami a ich skladovanie vo všeobecnosti sú omnoho ľahšie ako kvapalina alebo plyn. Pokiaľ nie sú jeho častice jemne rozdelené, prúd vetra ho nebude prenášať v iných smeroch; sú fixované v priestore definovanom intermolekulárnymi interakciami svojich atómov, iónov alebo molekúl.

Pevný koncept

Pevná látka je stav, v ktorom je tuhý objem a tvar; častice, ktoré tvoria materiály alebo predmety v pevnom stave, sú upevnené na jednom mieste, nie sú ľahko stlačiteľné.

Tento stav hmoty je najrôznejší a najbohatší z hľadiska chémie a fyziky. Máme iónové, kovové, atómové, molekulárne a kovalentné pevné látky, každá s vlastnou štruktúrnou jednotkou; to znamená s vlastnými kryštálmi. Ak im spôsob agregácie neumožňuje vytvoriť usporiadané vnútorné štruktúry, stávajú sa amorfné a zložité.

Štúdium pevných látok sa zbližuje pri navrhovaní a syntéze nových materiálov. Napríklad drevo, prírodná pevná látka, sa tiež používa ako okrasný materiál a na výstavbu domov.

Iné pevné materiály umožňujú výrobu automobilov, lietadiel, lodí, kozmických lodí, jadrových reaktorov, športových potrieb, batérií, katalyzátorov a mnohých ďalších predmetov alebo výrobkov.

Všeobecné vlastnosti tuhých látok

Pružina a drevo, komponenty strmeňa, príklad pevnej látky

Hlavné charakteristiky tuhých látok sú:

- Majú definované množstvo, objem a tvary. Napríklad plyn nemá koniec alebo začiatok, pretože tieto závisia od nádoby, ktorá ho uchováva.

- Sú veľmi husté. Pevné látky bývajú hustejšie ako kvapaliny a plyny; aj keď existuje niekoľko výnimiek z pravidla, najmä pri porovnávaní kvapalín a pevných látok.

- Vzdialenosti, ktoré oddeľujú jeho častice, sú krátke. To znamená, že sa stali veľmi súdržnými alebo zhutnenými vo svojom príslušnom objeme.

- Intermolekulárne interakcie sú veľmi silné, inak by ako také neexistovali a za suchozemských podmienok by sa topili alebo sublimovali.

Rozdiely medzi časticami pevnej látky, kvapaliny a plynu

- Mobilita tuhých látok je zvyčajne dosť obmedzená, a to nielen z hľadiska materiálového, ale aj molekulárneho. Jeho častice sú uzavreté v pevnej polohe, kde môžu iba vibrovať, ale nemôžu sa pohybovať alebo rotovať (teoreticky).

vlastnosti

Teploty topenia

Všetky tuhé látky, pokiaľ sa nerozložia v procese a bez ohľadu na to, či sú dobrými vodičmi tepla, môžu pri určitej teplote prejsť do kvapalného stavu: ich teplota topenia. Po dosiahnutí tejto teploty sa jej časticiam nakoniec podarí vytiecť a uniknúť z ich pevných polôh.

Tento bod topenia bude závisieť od povahy pevnej látky, jej interakcií, molárnej hmotnosti a energie kryštalickej mriežky. Spravidla majú iónové pevné látky a kovalentné siete (napríklad diamant a oxid kremičitý) najvyššie teploty topenia; zatiaľ čo molekulárne pevné látky sú najnižšie.

Nasledujúci obrázok ukazuje, ako sa kocka ľadu (v pevnom stave) mení na tekutý:

stechiometrie

Väčšina tuhých látok je molekulárna, pretože sú to zlúčeniny, ktorých intermolekulárne interakcie im umožňujú koalescenciu takýmto spôsobom. Mnoho ďalších je však iónových alebo čiastočne iónových, takže ich jednotky nie sú molekuly, ale bunky: sústava atómov alebo iónov usporiadaná usporiadaným spôsobom.

Tu musia vzorce týchto tuhých látok rešpektovať neutralitu nábojov, pričom musia naznačovať ich zloženie a stechiometrické vzťahy. Napríklad, pevné látky, ktorej hypotetická vzorec je A ₂ B ₄ O ₂ ukazuje, že to má rovnaký počet atómov A, ako je O (2: 2), pričom má dvojnásobný počet atómov B (2: 4).

Všimnite si, že indexy vzorca A ₂ B ₄ O ₂ sú celé čísla, ktorá ukazuje, že sa jedná o stechiometrický pevnej látky. Zloženie týchto tuhých látok je opísané v týchto vzorcoch. Poplatky za A, B a O sa musia rovnať nule, pretože v opačnom prípade by došlo k kladnému alebo zápornému poplatku.

V prípade tuhých látok je obzvlášť užitočné vedieť, ako interpretovať svoje vzorce, pretože zloženie kvapalín a plynov je spravidla jednoduchšie.

závady

Štruktúra pevných látok nie je dokonalá; vykazujú nedostatky alebo defekty, môžu byť však kryštalické. To nie je prípad tekutín ani plynov. Neexistujú žiadne oblasti tekutej vody, o ktorých by sa dalo vopred povedať, že sú „dislokované“ zo svojho okolia.

Takéto defekty sú zodpovedné za to, že tuhé látky sú tvrdé a krehké, vykazujú vlastnosti, ako je pyroelektrický a piezoelektrický výkon, alebo prestávajú mať definované zloženie; to znamená, že ide o nestechiometrické pevné látky (napr. A _0,4 B _1,3 O _0,5 ).

reaktivita

Pevné látky sú zvyčajne menej reaktívne ako kvapaliny a plyny; ale nie kvôli chemickým príčinám, ale kvôli skutočnosti, že ich štruktúry bránia reaktantom v útoku na častice vo vnútri, najskôr reagujú s tými na ich povrchu. Preto reakcie zahŕňajúce pevné látky majú tendenciu byť pomalšie; pokiaľ nie sú rozdrvené na prášok.

Ak je pevná látka v práškovej forme, jej menšie častice majú väčšiu plochu alebo povrch, aby mohli reagovať. Preto sú jemné tuhé látky často označené ako potenciálne nebezpečné činidlá, pretože sa môžu rýchlo vznietiť alebo môžu rázne reagovať pri kontakte s inými látkami alebo zlúčeninami.

Tuhé látky sa často rozpustia v reakčnom médiu, aby sa homogenizoval systém a uskutočnila sa syntéza s vyšším výťažkom.

fyzický

To, čo bolo doteraz povedané, s výnimkou bodu topenia a defektov zodpovedá skôr chemickým vlastnostiam pevných látok ako ich fyzikálnym vlastnostiam. Fyzika materiálov je hlboko zameraná na to, ako svetlo, zvuk, elektróny a teplo interagujú s pevnými látkami, či už sú kryštalické, amorfné, molekulárne atď.

Tu prichádza to, čo sa nazýva plastové, elastické, tuhé, nepriehľadné, priehľadné, supravodivé, fotoelektrické, mikroporézne, feromagnetické, izolačné alebo polovodičové pevné látky.

V chémii sú zaujímavé napríklad materiály, ktoré neabsorbujú ultrafialové žiarenie alebo viditeľné svetlo, pretože sa používajú na výrobu meracích buniek pre UV-Vis spektrofotometre. To isté sa deje s infračerveným žiarením, keď chcete charakterizovať zlúčeninu získaním jej IČ spektra alebo študovať priebeh reakcie.

Štúdium a manipulácia so všetkými fyzikálnymi vlastnosťami tuhých látok si vyžaduje obrovské odhodlanie, ako aj ich syntézu a návrh, výber „kúskov“ anorganickej, biologickej, organickej alebo organokovovej konštrukcie pre nové materiály.

Druhy a príklady

Pretože chemicky existuje niekoľko typov tuhých látok, budú sa pre každý z nich uviesť konkrétne príklady.

Kryštalické pevné látky

Na jednej strane sú kryštalické pevné látky. Tieto prvky sa vyznačujú tým, že molekuly, ktoré ich tvoria, sú konfigurované rovnakým spôsobom, ktorý sa opakuje ako vzor v celom kryštáli. Každý vzor sa nazýva jednotková bunka.

Kryštalické pevné látky sa tiež vyznačujú definovanou teplotou topenia; To znamená, že vzhľadom na rovnomernosť usporiadania jeho molekúl existuje rovnaká vzdialenosť medzi každou bunkovou jednotkou, čo umožňuje, aby sa celá štruktúra neustále transformovala pri rovnakej teplote.

Príklady kryštalických tuhých látok môžu byť soľ a cukor.

Amorfné pevné látky

Amorfné pevné látky sú charakterizované skutočnosťou, že konformácia ich molekúl nereaguje na obrazec, ale mení sa po celom povrchu.

Pretože takáto štruktúra neexistuje, nie je teplota topenia amorfných tuhých látok definovaná, na rozdiel od kryštalických, čo znamená, že sa topí postupne a pri rôznych teplotách.

Príklady amorfných tuhých látok môžu byť sklo a väčšina plastov.

Ionics

Iónové pevné látky sa vyznačujú tým, že obsahujú katióny a anióny, ktoré spolu interagujú elektrostatickou príťažlivosťou (iónové väzby). Keď sú ióny malé, výsledné štruktúry sú obvykle vždy kryštalické (berúc do úvahy ich defekty). Medzi niektoré iónové pevné látky máme:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^- ), chlorid sodný

-MgO (Mg ²⁺ O ² ), oxid horečnatý

-CaCO ₃ (Ca ²⁺ CO ₃ ² ), uhličitan vápenatý

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ² ), síran meďnatý

-KF (K ⁺ F ^- ), fluorid draselný

NH ₄ Cl (NH ₄ ⁺ Cl ^- ), chlorid amónny

-ZnS (Zn ²⁺ S ² ), zinku sulfid

Fe (C ₆ H ₅ COO) ₃ , železo benzoan

kovový

Ako naznačuje ich názov, jedná sa o pevné látky, ktoré majú kovové atómy interagujúce prostredníctvom kovovej väzby:

-Silver

-gold

-Viesť

-Brass

-Bronze

-Biele zlato

-Pewter

-Steels

-Duralumin

Upozorňujeme, že zliatiny sa samozrejme počítajú aj ako kovové pevné látky.

atómový

Kovové pevné látky sú tiež atómové, pretože teoreticky neexistujú žiadne kovalentné väzby medzi kovovými atómami (MM). Ušľachtilé plyny sa však v zásade počítajú ako atómové druhy, pretože medzi nimi prevládajú iba disperzné sily v Londýne.

Preto, hoci tu nejde o pevné aplikačné tuhé látky (a je ťažké ich získať), kryštalizované vzácne plyny sú príklady atómových tuhých látok; t.j. hélium, neón, argón, kryptón atď., pevné látky.

Molekulárne a polymérne

Molekuly môžu interagovať prostredníctvom Van der Wallsových síl, kde ich molekulové hmotnosti, dipólové momenty, vodíkové väzby, štruktúry a geometrie hrajú dôležitú úlohu. Čím silnejšie sú tieto interakcie, tým je pravdepodobnejšie, že budú v pevnej forme.

Na druhej strane to isté platí pre polyméry, ktoré sú vďaka svojej vysokej priemernej molekulovej hmotnosti takmer vždy tuhé látky a niektoré z nich sú amorfné; pretože jej polymérne jednotky majú problémy s usporiadaním kryštálov.

Medzi niektoré z molekulárnych a polymérnych tuhých látok teda máme nasledujúce:

-Suchý ľad

-cukr

-Iodine

-Kyselina benzoová

-acetamidu

-Rombická síra

- kyselina palmitová

-Fullerenos

-Zápas

-Caffeine

naftalén

- Drevo a papier

-Silk

-Teflon

-Polyethylene

-Kevlar

-Bakelite

-Polyvinylchlorid

-polystyren

-Polypropylene

-Proteins

- čokoláda

Kovalentné siete

Nakoniec máme kovalentné siete medzi najťažšou a najvyššou teplotou topenia. Niektoré príklady sú:

-grafit

-Diamant

kremeň

- Karbid kremíka

- nitrid boritý

- fosforečnan hlinitý

- Arzenid gália

Referencie

1. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). chémia (8. vydanie). CENGAGE Learning.
3. Wikipedia. (2019). Chémia v tuhom skupenstve. Obnovené z: en.wikipedia.org
4. Elsevier BV (2019). Chémia pevných látok. ScienceDirect. Obnovené z: sciposedirect.com
5. Michael Lufaso. (SF). Poznámky k prednáškam z chémie pevných látok. Získané z: unf.edu
6. askIITians. (2019). Všeobecné vlastnosti tuhých látok. Získané z: askiitians.com
7. David Wood. (2019). Ako tvoria atómy a molekuly pevné látky: vzory a kryštály. Štúdia. Obnovené z: study.com