Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

10.5: Тверді речовини

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    22480

    • Anonymous
    • LibreTexts
    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Мета навчання
    • Опишіть загальні властивості твердого тіла.
    • Опишіть шість різних типів твердих речовин.

    Тверда речовина схожа на рідину в тому, що частинки контактують один з одним. Тверді речовини на відміну від рідин тим, що міжмолекулярні сили досить сильні, щоб утримувати частинки на місці. При досить низьких температурах всі речовини є твердими речовинами (гелій є єдиним винятком), але температура, при якій твердий стан стає стабільною фазою, широко коливається серед речовин, від 20 К (−253° C) для водню до понад 3900 К (3600° C) для вуглецю.

    Тверда фаза має кілька характеристик. По-перше, тверді речовини зберігають свою форму. Вони не заповнюють цілі контейнери, як це роблять гази, і вони не приймають форму своїх контейнерів, як це роблять рідини. Їх не можна легко стиснути, як гази, і вони мають відносно високу щільність.

    Тверді речовини також можуть демонструвати різноманітні властивості. Наприклад, багато металів можуть бути збиті в тонкі листи або втягнуті в дроти, тоді як з'єднання, такі як NaCl, руйнуються, якщо вони будуть вражені. Деякі метали, такі як натрій і калій, досить м'які, а інші, такі як алмаз, дуже тверді і можуть легко подряпати інші речовини. Зовнішній вигляд також відрізняється: більшість металів блискучі і сріблясті, але сірка (неметал) жовта, а іонні сполуки можуть приймати веселку кольорів. Тверді метали проводять електрику і тепло, тоді як іонні тверді речовини - ні. Багато твердих речовин непрозорі, але деякі прозорі. Деякі розчиняються у воді, а деякі ні. На\(\PageIndex{1}\) малюнку показані два твердих тіла, які ілюструють подібні та різнорідні властивості твердих тіл.

    Натрій металевий показаний в невеликій скляній ємності з зеленим ковпачком. Поруч з пляшкою показаний збільшений кристал солі.
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Властивості твердих тіл. (а) Метал натрію сріблястий, м'який, непрозорий і добре проводить електрику та тепло. (б) NaCl прозорий, твердий, безбарвний і погано проводить електрику або тепло в твердому стані. Ці дві речовини ілюструють діапазон властивостей, якими можуть володіти тверді речовини. Джерело: Фото зліва люб'язно зображення елементів, http://images-of-elements.com/sodium.php. Фото праворуч надано пончо Чоба, Commons.wikimedia.org/wiki/file:SodiumChloride_crystal_01.jpg.

    Тверді речовини можуть мати найрізноманітніші фізичні властивості. Ми розглянемо різні типи твердих тіл та склеювання, яке надає їм їх властивості.

    По-перше, ми повинні розрізняти два загальні типи твердих речовин. Аморфне тверде тіло - це тверда речовина без довгострокової структури або повторення. Приклади включають скло та багато пластмас, обидва з яких складаються з довгих ланцюгів молекул без порядку від однієї молекули до іншої. Кристалічне тверде тіло - тверде тіло, яке має правильну повторювану тривимірну структуру. Одним із прикладів є кристал NaCl (рис.\(\PageIndex{1}\)): на атомному рівні NaCl складається з регулярного тривимірного масиву іонів Na + та іонів Cl −.

    Існує тільки один вид аморфного твердого тіла. Однак існує кілька різних типів кристалічних твердих тіл, залежно від ідентичності одиниць, що складають кристал.

    Іонне тверде тіло - це кристалічна тверда речовина, що складається з іонів (навіть якщо іони багатоатомні). NaCl є прикладом іонного твердого тіла (рис.\(\PageIndex{2}\) - Іонне тверде тіло). Іони Na + та Cl − іони чергуються у трьох вимірах, повторюючи візерунок, який триває у всьому зразку. Іони утримуються разом за рахунок тяжіння протилежних зарядів - дуже сильної сили. Отже, більшість іонних твердих речовин мають відносно високі температури плавлення; наприклад, температура плавлення NaCl становить 801° C. іонні тверді речовини, як правило, дуже крихкі. Щоб їх розірвати, потрібно зламати дуже сильні іонні атракціони; зміщення лише близько 1 × 10 −10 м буде переміщати іони поруч з іонами того ж заряду, що призводить до відштовхування. Іонні тверді речовини не проводять електрику в твердому стані; однак у рідкому стані і при розчиненні в якомусь розчиннику вони проводять електрику. Цей факт спочатку сприяв ідеї про те, що деякі речовини існують у вигляді іонних частинок.

    Кубоподібний об'єкт показаний, що складається з сітки 4x4 фіолетових і трохи менших зелених куль.
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Іонне тверде тіло. NaCl являє собою тверду речовину, що складається з тривимірного масиву чергуються іонів Na + (зелений) і Cl − іонів (фіолетовий), що утримуються разом за допомогою тяжіння протилежних зарядів.

    Молекулярна тверда речовина - це кристалічне тверде тіло, компоненти якого є ковалентно зв'язаними молекулами. Багато молекулярних речовин, особливо при дбайливому затвердінні з рідкого стану, утворюють тверді речовини, де молекули шикуються регулярним чином, подібним до іонного кристала, але вони складаються з молекул замість іонів. Оскільки міжмолекулярні сили між молекулами, як правило, менш сильні, ніж в іонних твердих тілах, молекулярні тверді речовини зазвичай плавляться при більш низьких температурах і м'якші, ніж іонні тверді речовини. Лід є прикладом молекулярної твердої речовини. У твердому стані молекули шикуються за правильним малюнком (рис.\(\PageIndex{3}\)). Деякі дуже великі молекули, такі як біологічні молекули, будуть утворювати кристали тільки в тому випадку, якщо вони будуть дуже ретельно затвердіти з рідкого стану або, частіше, з розчиненого стану; в іншому випадку вони будуть утворювати аморфні тверді речовини.

    Водень зв'язується між киснем молекул води і воднем інших молекул води.
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Молекулярні тверді речовини Молекули води шикуються в регулярний візерунок, утворюючи молекулярні тверді речовини. Пунктирні лінії показують, як полярні O—H ковалентні зв'язки в одній молекулі вступають у водневий зв'язок з іншими молекулами. Атоми O червоні, а атоми Н білі.

    Деякі тверді речовини складаються з атомів одного або декількох елементів, які ковалентно пов'язані між собою, здавалося б, нескінченним чином. Такі тверді речовини називаються ковалентними мережевими твердими речовинами. Кожен шматочок речовини по суті є однією величезною молекулою, так як ковалентний зв'язок в кристалі поширюється по всьому кристалі. Двома найбільш відомими твердими речовинами ковалентної мережі є вуглець у формі алмазу та діоксид кремнію (SiO 2). Малюнок\(\PageIndex{4}\) - Ковалентна мережа твердих тіл, показує зв'язок в ковалентній мережі твердого тіла. Як правило, тверді тіла ковалентної мережі є поганими провідниками електрики, хоча їх здатність проводити тепло мінлива: алмаз є одним з найбільш теплопровідних речовин відомих, тоді як SiO 2 приблизно в 100 разів менше теплопровідний. Більшість твердих тіл ковалентної мережі дуже тверді, на прикладі алмаз, який є найважчим відомим речовиною. Тверді речовини ковалентної мережі мають високі температури плавлення завдяки своїй мережі ковалентних зв'язків, всі з яких довелося б розірвати, щоб вони перетворилися на рідину. Дійсно, тверді речовини ковалентної мережі є одними з найбільш відомих речовин, що плавляться: температура плавлення алмазу перевищує 3500° C, тоді як температура плавлення SiO 2 становить близько 1,650° C, ці характеристики пояснюються мережею ковалентних зв'язків по всьому зразку.

    Показано структуру алмазних зв'язків вуглецю.
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Тверді тіла ковалентної мережі. Алмаз - це тверде тіло ковалентної мережі, причому кожен атом С робить чотири ковалентні зв'язки з чотирма іншими атомами С. Алмаз - це по суті одна величезна молекула.

    Металева тверда речовина - тверда речовина з характерними властивостями металу: блискучим і сріблястим кольором і хорошим провідником тепла і електрики. Металеву тверду речовину також можна забивати в листи і втягувати в дроти. Металеве тверде тіло проявляє металевий зв'язок, тип міжмолекулярної взаємодії, спричиненої спільним використанням електронів s валентності всіма атомами у зразку. Саме спільне використання цих валентних електронів пояснює здатність металів добре проводити електрику і тепло. Метали також відносно легко втрачають ці валентні електрони, що пояснює, чому металеві елементи зазвичай утворюють катіони, коли вони утворюють сполуки.

    Приклад\(\PageIndex{1}\)

    Передбачте тип кристала, виставленого кожним твердим тілом.

    1. MgO
    2. Ag
    3. СО 2

    Рішення

    1. Поєднання металу і неметалу робить іонну сполуку, тому MgO існував би як іонні кристали в твердому стані.
    2. Срібло - це метал, тому воно існувало б як металеве тверде тіло в твердому стані.
    3. CO 2 - це ковалентно зв'язана молекулярна сполука. У твердому стані він утворював би молекулярні кристали. (Ви можете побачити кристали в сухому льоду неозброєним оком.)
    Вправа\(\PageIndex{1}\)

    Передбачте тип кристала, виставленого кожним твердим тілом.

    1. Я 2
    2. Са (НІ 32)

    Відповіді

    1. молекулярні кристали
    2. іонні кристали
    Їжа та напої Застосування: Скелі, які ми їмо

    Продукти та напої, які ми їмо та п'ємо, мають різні фази: тверді, рідкі та газові. (Як ми заглинаємо гази? Газовані напої мають газ, який іноді викликає у людини відрижку.) Однак серед твердих речовин, які ми їмо, три, зокрема, є або виробляються з гірських порід. Так, скелі!

    Перший з них - NaCl, або кухонна сіль. Сіль є єдиною твердою речовиною, яку ми ковтаємо, яка насправді видобувається як скеля (звідси термін кам'яна сіль; це справді скеля). Сіль забезпечує як іони Na +, так і іони Cl −, обидва з яких необхідні для гарного здоров'я. Сіль зберігає їжу, функція, яка була набагато важливішою перед днями сучасного приготування та зберігання їжі. Той факт, що солоність є одним з основних смаків, які язик може виявити, свідчить про сильний еволюційний зв'язок між вживанням солі та виживанням. Сьогодні існує певна стурбованість тим, що в раціоні занадто багато солі; за оцінками, середня людина споживає щонайменше в три рази більше солі щодня, ніж це необхідно для належного функціонування організму.

    Інші дві породи, які ми їмо, пов'язані: бікарбонат натрію (NaHCO 3) та карбонат натрію (Na 2 CO 3). Однак ми не видобуваємо ці речовини безпосередньо з землі; ми видобуваємо трону, хімічна формула якої - Na 3 H (CO 3) 2. Цю речовину розчиняють у воді і обробляють газом СО 2, щоб зробити або Na 2 CO 3, або NaHCO 3. Інший процес, який називається процесом Solvay, також використовується для виготовлення Na 2 CO 3. У процесі Solvay NH 3 і CO 2 додають до розчинів NaCl для отримання NaHCO 3 і NH 4 Cl; NaHCO 3 випадає в осад і нагрівається для отримання Na 2 СО 3. Так чи інакше, ми отримуємо ці два вироби з землі (тобто каміння).

    NaHCO 3 також відома як харчова сода, яка використовується в багатьох хлібобулочних виробах. Na 2 CO 3 використовується в харчових продуктах для регулювання кислотного балансу. Він також використовується в пральні (де його називають пральною содою) для взаємодії з іншими іонами у воді, які, як правило, знижують ефективність миючого засобу.

    Великий жовтий екскаватор показаний на соляній шахті.
    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Видобуток солі © Thinkstock. Видобуток солі може здійснюватися на поверхні або під землею. Тут сіль добувають з поверхневих відкладень. Частина переробного об'єкта можна побачити на задньому плані.

    Резюме

    • Тверді речовини можна розділити на аморфні тверді речовини та кристалічні тверді речовини.
    • Кристалічні тверді речовини можуть бути іонними, молекулярними, ковалентними мережами або металевими.