Dutu imara ni zile zenye uwezo wa kutengeneza miili na kuwa na ujazo. Wanatofautiana na kioevu na gesi katika sura zao. Solids huhifadhi sura ya mwili kutokana na ukweli kwamba chembe zao haziwezi kusonga kwa uhuru. Wanatofautiana katika wiani wao, plastiki, conductivity ya umeme na rangi. Pia wana mali nyingine. Kwa hiyo, kwa mfano, wengi wa vitu hivi huyeyuka wakati wa joto, kupata hali ya kioevu ya mkusanyiko. Baadhi yao, wakati wa joto, mara moja hugeuka kuwa gesi (sublimate). Lakini pia kuna zile zinazooza na kuwa vitu vingine.
Aina za yabisi
Mango yote yamegawanywa katika makundi mawili.
- Amofasi, ambamo chembe za kibinafsi hupangwa bila mpangilio. Kwa maneno mengine: hawana muundo wazi (uliofafanuliwa). Safu hizi zinaweza kuyeyuka ndani ya safu maalum ya joto. Zinazojulikana zaidi ni pamoja na glasi na resini.
- Mistari ya fuwele, ambayo, kwa upande wake, imegawanywa katika aina 4: atomiki, molekuli, ionic, metali. Ndani yao, chembe ziko tu kulingana na muundo fulani, yaani, kwenye nodes za latiti ya kioo. Jiometri yake katika vitu tofauti inaweza kutofautiana sana.
Dutu dhabiti za fuwele hushinda zile za amofasi katika idadi yake.
Aina za yabisi fuwele
Katika hali dhabiti, karibu dutu zote zina muundo wa fuwele. Wanatofautiana katika muundo wao. Latti za kioo katika nodes zao zina chembe mbalimbali na vipengele vya kemikali. Ni kwa mujibu wao kwamba walipata majina yao. Kila aina ina sifa mahususi kwake:
- Katika kimiani ya fuwele ya atomiki, chembe za kitunguu hufungamana na dhamana shirikishi. Inasimama nje kwa uimara wake. Kutokana na hili, vitu vile vina kiwango cha juu cha kuyeyuka na kuchemsha. Aina hii inajumuisha quartz na almasi.
- Katika kimiani cha kioo cha molekuli, uhusiano kati ya chembe hutofautishwa na udhaifu wake. Dutu za aina hii zina sifa ya urahisi wa kuchemsha na kuyeyuka. Wao ni tete, kutokana na ambayo wana harufu fulani. Yabisi haya ni pamoja na barafu na sukari. Misogeo ya molekuli katika yabisi ya aina hii hutofautishwa na shughuli zao.
- Katika kimiani ya kioo ya ioni kwenye vifundo, chembe zinazolingana hupishana, zimechajiwa vyema nahasi. Zimeshikiliwa pamoja na mvuto wa kielektroniki. Aina hii ya kimiani iko katika alkali, chumvi, oksidi za msingi. Dutu nyingi za aina hii huyeyuka kwa urahisi katika maji. Kwa sababu ya dhamana yenye nguvu kati ya ioni, ni kinzani. Karibu wote hawana harufu, kwa kuwa wana sifa ya kutokuwa na tete. Dutu zilizo na kimiani ya ionic haziwezi kufanya mkondo wa umeme, kwani hazina elektroni za bure. Mfano wa kawaida wa ioniki imara ni chumvi ya meza. Latiti kama hiyo ya kioo hufanya iwe brittle. Hii ni kutokana na ukweli kwamba mabadiliko yoyote ndani yake yanaweza kusababisha kuibuka kwa nguvu za kurudisha nyuma ioni.
- Kwenye kimiani ya fuwele ya chuma kwenye vifundo kuna ayoni za kemikali zenye chaji chanya pekee. Kati yao kuna elektroni za bure ambazo nishati ya joto na umeme hupita kikamilifu. Ndiyo maana metali zozote hutofautishwa kwa kipengele kama vile upitishaji.
Dhana za jumla za mwili mgumu
Mango na dutu ni kitu kimoja. Masharti haya yanarejelea mojawapo ya majimbo 4 ya kujumlisha. Mango ina umbo thabiti na asili ya mwendo wa joto wa atomi. Aidha, mwisho hufanya oscillations ndogo karibu na nafasi za usawa. Tawi la sayansi linaloshughulika na utafiti wa utunzi na muundo wa ndani linaitwa fizikia ya hali dhabiti. Kuna maeneo mengine muhimu ya maarifa yanayohusiana na vitu kama hivyo. Mabadiliko ya umbo chini ya mvuto wa nje na harakati huitwa mechanics ya mwili unaoharibika.
Kutokana na sifa tofauti za vitu vikali, wamepata matumizi katika vifaa mbalimbali vya kiufundi vilivyoundwa na mwanadamu. Mara nyingi, matumizi yao yalitokana na mali kama ugumu, kiasi, wingi, elasticity, plastiki, udhaifu. Sayansi ya kisasa inaruhusu matumizi ya sifa nyingine za yabisi ambayo yanaweza kupatikana tu kwenye maabara.
Fuwele ni nini
Fuwele ni miili thabiti iliyo na chembe zilizopangwa kwa mpangilio fulani. Kila dutu ya kemikali ina muundo wake. Atomi zake huunda mpangilio wa mara kwa mara wa pande tatu unaoitwa glasi ya kioo. Mango ina ulinganifu tofauti wa kimuundo. Hali ya fuwele ya kitunguu inachukuliwa kuwa thabiti kwa sababu ina kiwango cha chini cha nishati inayoweza kutokea.
Idadi kubwa ya nyenzo dhabiti (asili) ina idadi kubwa ya nafaka zilizoelekezwa bila mpangilio (fuwele). Dutu kama hizo huitwa polycrystalline. Hizi ni pamoja na aloi za kiufundi na metali, pamoja na miamba mingi. Monocrystalline inarejelea fuwele moja asilia au sanisi.
Mara nyingi, vingo kama hivyo huundwa kutoka kwa hali ya awamu ya kioevu, inayowakilishwa na kuyeyuka au myeyusho. Wakati mwingine hupatikana kutoka kwa hali ya gesi. Utaratibu huu unaitwa crystallization. Shukrani kwa maendeleo ya kisayansi na kiteknolojia, utaratibu wa kukua (awali) wa vitu mbalimbali umepata kiwango cha viwanda. Fuwele nyingi zina sura ya asili kwa namna ya kawaidapolihedra. Ukubwa wao ni tofauti sana. Kwa hivyo, quartz asili (kioo cha mwamba) inaweza kuwa na uzito wa hadi mamia ya kilo, na almasi - hadi gramu kadhaa.
Katika yabisi ya amofasi, atomi ziko katika mzunguuko wa mara kwa mara kuzunguka sehemu zilizopatikana kwa nasibu. Wanahifadhi utaratibu fulani wa masafa mafupi, lakini hakuna utaratibu wa masafa marefu. Hii ni kutokana na ukweli kwamba molekuli zao ziko kwa mbali ambazo zinaweza kulinganishwa na ukubwa wao. Mfano wa kawaida wa imara vile katika maisha yetu ni hali ya kioo. Dutu za amofasi mara nyingi huzingatiwa kama kioevu chenye mnato wa juu sana. Wakati wa uangazaji wao wakati mwingine ni mrefu sana hivi kwamba hauonekani kabisa.
Ni sifa zilizo hapo juu za dutu hizi ndizo zinazozifanya kuwa za kipekee. Mango ya amofasi huchukuliwa kuwa si thabiti kwa sababu yanaweza kuwa fuwele baada ya muda.
Molekuli na atomi zinazounda kitu kigumu zimejaa katika msongamano mkubwa. Kwa kweli huhifadhi msimamo wao wa kuheshimiana kulingana na chembe zingine na hushikiliwa pamoja kwa sababu ya mwingiliano kati ya molekuli. Umbali kati ya molekuli ya imara katika mwelekeo tofauti inaitwa parameter ya kimiani. Muundo wa maada na ulinganifu wake huamua sifa nyingi, kama vile bendi ya elektroni, mpasuko, na macho. Wakati nguvu kubwa ya kutosha inatumiwa kwa imara, sifa hizi zinaweza kukiukwa kwa shahada moja au nyingine. Katika hali hii, mwili dhabiti unaweza kuathiriwa na mgeuko wa kudumu.
Atomu za vitu vikali hufanya miondoko ya oscillatory, ambayo hubainisha umiliki wao wa nishati ya joto. Kwa kuwa hawana maana, wanaweza kuzingatiwa tu chini ya hali ya maabara. Muundo wa molekuli ya kigumu huathiri sana sifa zake.
Utafiti wa yabisi
Sifa, sifa za dutu hizi, sifa zao na mwendo wa chembe huchunguzwa na vipengee mbalimbali vya fizikia ya hali dhabiti.
Kwa utafiti hutumika: radiospectroscopy, uchanganuzi wa muundo kwa kutumia eksirei na mbinu zingine. Hivi ndivyo sifa za mitambo, za kimwili na za joto za solids zinasomwa. Ugumu, upinzani wa mzigo, nguvu ya mvutano, mabadiliko ya awamu yanasomwa na sayansi ya vifaa. Kwa kiasi kikubwa inaangazia fizikia ya hali dhabiti. Kuna sayansi nyingine muhimu ya kisasa. Utafiti wa zilizopo na usanisi wa dutu mpya unafanywa na kemia ya hali dhabiti.
Vipengele vya yabisi
Hali ya msogeo wa elektroni za nje za atomi za kitunguu huamua sifa zake nyingi, kwa mfano, umeme. Kuna madarasa 5 ya miili kama hiyo. Zimewekwa kulingana na aina ya kifungo cha atomiki:
- Ionic, sifa kuu ambayo ni nguvu ya mvuto wa kielektroniki. Makala yake: kutafakari na kunyonya kwa mwanga katika eneo la infrared. Kwa joto la chini, dhamana ya ionic ina sifa ya conductivity ya chini ya umeme. Mfano wa dutu kama hii ni chumvi ya sodiamu ya asidi hidrokloriki (NaCl).
- Covalent,unaofanywa na jozi ya elektroni ambayo ni ya atomi zote mbili. Dhamana hiyo imegawanywa katika: moja (rahisi), mara mbili na tatu. Majina haya yanaonyesha uwepo wa jozi za elektroni (1, 2, 3). Vifungo viwili na vitatu huitwa vifungo vingi. Kuna mgawanyiko mwingine wa kundi hili. Kwa hivyo, kulingana na usambazaji wa wiani wa elektroni, vifungo vya polar na visivyo vya polar vinajulikana. Ya kwanza huundwa na atomi tofauti, na ya pili ni sawa. Hali dhabiti kama hiyo ya maada, mifano ambayo ni almasi (C) na silicon (Si), inatofautishwa na msongamano wake. Fuwele ngumu zaidi ni za dhamana ya ushirikiano.
- Metali, iliyoundwa kwa kuchanganya elektroni za valence za atomi. Matokeo yake, wingu la kawaida la elektroni linaonekana, ambalo linahamishwa chini ya ushawishi wa voltage ya umeme. Kifungo cha metali huundwa wakati atomi zilizounganishwa ni kubwa. Wana uwezo wa kutoa elektroni. Katika metali nyingi na misombo changamano, dhamana hii huunda hali dhabiti ya jambo. Mifano: sodiamu, bariamu, alumini, shaba, dhahabu. Kati ya misombo isiyo ya metali, yafuatayo yanaweza kuzingatiwa: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Dutu zilizo na dhamana ya metali (metali) ni tofauti katika mali zao za kimwili. Zinaweza kuwa kioevu (Hg), laini (Na, K), ngumu sana (W, Nb).
- Molekuli, inayotokana na fuwele, ambazo huundwa na molekuli mahususi za dutu fulani. Inajulikana na mapungufu kati ya molekuli na wiani wa elektroni sifuri. Nguvu zinazofunga atomi katika fuwele kama hizo ni muhimu. Molekuli zinavutiwakwa kila mmoja kwa mvuto dhaifu wa intermolecular. Ndiyo maana vifungo kati yao vinaharibiwa kwa urahisi wakati wa joto. Vifungo kati ya atomi ni ngumu zaidi kuvunja. Uunganisho wa molekuli umegawanywa katika mwelekeo, mtawanyiko na kufata neno. Mfano wa dutu kama hii ni methane thabiti.
- Hidrojeni, ambayo hutokea kati ya atomi zilizogawanyika vyema za molekuli au sehemu yake na chembe ndogo kabisa iliyogawanyika hasi ya molekuli nyingine au sehemu nyingine. Dhamana hizi ni pamoja na barafu.
Sifa za yabisi
Tunajua nini leo? Wanasayansi wamesoma kwa muda mrefu mali ya hali ngumu ya jambo. Inapofunuliwa na hali ya joto, pia hubadilika. Mpito wa mwili kama huo kuwa kioevu huitwa kuyeyuka. Mabadiliko ya kigumu kuwa hali ya gesi inaitwa usablimishaji. Wakati joto linapungua, crystallization ya imara hutokea. Dutu zingine chini ya ushawishi wa baridi hupita kwenye awamu ya amorphous. Wanasayansi wanaita mchakato huu vitrification.
Wakati wa mabadiliko ya awamu, muundo wa ndani wa vitu vikali hubadilika. Inapata utaratibu mkubwa zaidi na kupungua kwa joto. Kwa shinikizo la anga na joto T > 0 K, vitu vyovyote vilivyopo katika asili huimarisha. Heliamu pekee, ambayo inahitaji shinikizo la atm 24 ili kung'aa, ni ubaguzi kwa sheria hii.
Hali dhabiti ya maada huipa sifa mbalimbali za kimaumbile. Wanaonyesha tabia maalum ya miilichini ya ushawishi wa nyanja na nguvu fulani. Tabia hizi zimegawanywa katika vikundi. Kuna njia 3 za mfiduo, zinazolingana na aina 3 za nishati (mitambo, mafuta, sumakuumeme). Ipasavyo, kuna vikundi 3 vya mali ya asili ya vitu vikali:
- Sifa za kiufundi zinazohusiana na mfadhaiko na mkazo wa miili. Kwa mujibu wa vigezo hivi, imara imegawanywa katika elastic, rheological, nguvu na teknolojia. Katika mapumziko, mwili kama huo huhifadhi sura yake, lakini inaweza kubadilika chini ya hatua ya nguvu ya nje. Wakati huo huo, deformation yake inaweza kuwa plastiki (fomu ya awali haina kurudi), elastic (inarudi kwa fomu yake ya awali) au uharibifu (wakati kizingiti fulani kinafikiwa, kuoza / fracture hutokea). Jibu kwa nguvu iliyotumiwa inaelezewa na moduli ya elasticity. Mwili dhabiti hauzuii tu kukandamiza, kunyoosha, lakini pia mabadiliko, torsion na kuinama. Nguvu ya mwili imara ni mali yake ya kupinga uharibifu.
- Thermal, huonekana inapokabiliwa na sehemu za joto. Moja ya mali muhimu zaidi ni hatua ya kuyeyuka ambayo mwili hupita kwenye hali ya kioevu. Inazingatiwa katika mango ya fuwele. Miili ya amorphous ina joto la siri la fusion, tangu mpito wao kwa hali ya kioevu na joto la kuongezeka hutokea hatua kwa hatua. Baada ya kufikia joto fulani, mwili wa amorphous hupoteza elasticity yake na hupata plastiki. Hali hii ina maana kwamba imefikia joto la mpito la kioo. Inapokanzwa, deformation ya imara hutokea. Na mara nyingi hupanuka. Kiasi hikihali ina sifa ya mgawo fulani. Joto la mwili huathiri sifa za kimitambo kama vile umiminiko, upenyo, ugumu na nguvu.
- Sumakuumeme, inayohusishwa na athari kwenye dutu thabiti ya mtiririko wa chembechembe ndogo na mawimbi ya sumakuumeme ya uthabiti wa juu. Sifa za mionzi pia hurejelewa kwao kwa masharti.
Muundo wa eneo
Mango pia huainishwa kulingana na kinachojulikana muundo wa bendi. Kwa hivyo, kati yao wanatofautisha:
- Kondakta, walio na sifa kuwa bendi zao za uendeshaji na valence zinapishana. Katika kesi hii, elektroni zinaweza kusonga kati yao, kupokea nishati kidogo. Vyuma vyote ni kondakta. Tofauti inayoweza kutokea inapotumika kwa chombo kama hicho, mkondo wa umeme huundwa (kutokana na mwendo wa bure wa elektroni kati ya pointi zilizo na uwezo wa chini na wa juu zaidi).
- Mitambo ya umeme ambayo maeneo yake hayapishani. Muda kati yao unazidi 4 eV. Nishati nyingi inahitajika ili kuendesha elektroni kutoka kwa valence hadi bendi ya upitishaji. Kutokana na sifa hizi, dielectri kivitendo hazitumii mkondo wa sasa.
- Semiconductors yenye sifa ya kutokuwepo kwa bendi za upitishaji na valence. Muda kati yao ni chini ya 4 eV. Ili kuhamisha elektroni kutoka kwa valence hadi bendi ya upitishaji, nishati ndogo inahitajika kuliko kwa dielectri. Semiconductors safi (zilizofutwa na asili) hazipiti mkondo vizuri.
Misogeo ya molekuli katika yabisi huamua sifa zao za sumakuumeme.
Nyinginemali
Miili thabiti pia imegawanywa kulingana na sifa zake za usumaku. Kuna vikundi vitatu:
- Diamagnets, sifa zake ambazo hutegemea kidogo halijoto au hali ya mkusanyiko.
- Parasumaku zinazotokana na uelekeo wa elektroni za upitishaji na muda wa sumaku wa atomi. Kulingana na sheria ya Curie, uwezekano wao hupungua kulingana na joto. Kwa hivyo, kwa 300 K ni 10-5.
- Miili iliyo na muundo wa sumaku uliopangwa, wenye mpangilio wa masafa marefu wa atomi. Katika nodi za kimiani, chembe zilizo na wakati wa sumaku ziko mara kwa mara. Viunzi na vitu kama hivyo mara nyingi hutumika katika nyanja mbalimbali za shughuli za binadamu.
Vitu vigumu zaidi asilia
Ni nini? Uzito wa vitu vikali kwa kiasi kikubwa huamua ugumu wao. Katika miaka ya hivi karibuni, wanasayansi wamegundua vifaa kadhaa vinavyodai kuwa "mwili wa kudumu zaidi." Dutu ngumu zaidi ni fullerite (fuwele yenye molekuli kamili), ambayo ni karibu mara 1.5 kuliko almasi. Kwa bahati mbaya, kwa sasa inapatikana kwa idadi ndogo sana.
Leo, dutu gumu zaidi inayoweza kutumika katika siku zijazo katika tasnia ni lonsdaleite (almasi ya hexagonal). Ni 58% ngumu kuliko almasi. Lonsdaleite ni muundo wa allotropiki wa kaboni. Mwamba wake wa kioo unafanana sana na almasi. Seli ya lonsdaleite ina atomi 4, huku almasi ikiwa na 8. Kati ya fuwele zinazotumiwa sana, almasi ndiyo gumu zaidi leo.
