SOLID TILSTAND: EGENSKABER, EGENSKABER, TYPER, EKSEMPLER - VIDENSKAB - 2025

Den faste tilstand er en af de vigtigste måder, hvorpå der betyder noget aggregater til at skabe kondenserede eller faste legemer. Hele jordskorpen, der forlader havene og oceanerne, er et broget konglomerat af faste stoffer. Eksempler på objekter i fast tilstand er en bog, en sten eller sandkorn.

Vi kan interagere med faste stoffer takket være afvisningen af ​​vores elektroner med dem i deres atomer eller molekyler. I modsætning til væsker og gasser, så længe de ikke er meget giftige, kan vores hænder ikke gennemgå dem, men snarere smuldre eller absorbere dem.

Trestatuen af ​​denne hest er lavet af stærkt sammenhængende naturlige polymerer. Kilde: Pxhere.

Faststoffer er generelt meget lettere at håndtere eller opbevare end en væske eller gas. Medmindre dens partikler er fint opdelt, vil en vindstrøm ikke bære den i andre retninger; de er fastgjort i det rum, der er defineret af de intermolekylære interaktioner mellem deres atomer, ioner eller molekyler.

Solidt koncept

Det faste stof er en stofstilstand, hvor der er en stiv volumen og form; partiklerne, der danner materialer eller genstande i fast tilstand, fikseres et sted, de er ikke let komprimerbare.

Denne stoftilstand er den mest varierede og rig med hensyn til kemi og fysik. Vi har ioniske, metalliske, atomære, molekylære og kovalente faste stoffer, hver med sin egen strukturelle enhed; det vil sige med sine egne krystaller. Når deres tilstand af aggregering ikke tillader dem at etablere ordnede interne strukturer, bliver de amorfe og indviklede.

Undersøgelsen af ​​faststoffet konvergerer i design og syntese af nye materialer. For eksempel er træ, et naturligt fast stof, også blevet brugt som dekorativt materiale og til opførelse af huse.

Andre faste materialer tillader fremstilling af biler, fly, skibe, rumskibe, atomreaktorer, sportsudstyr, batterier, katalysatorer og mange andre genstande eller produkter.

Generelle egenskaber ved faste stoffer

Forår og træ, komponenter af en caliper, eksempel på fast stof

De vigtigste egenskaber ved faste stoffer er:

-De har defineret masse, volumen og former. En gas har for eksempel ikke en ende eller en begyndelse, da disse afhænger af den beholder, der opbevarer den.

-De er meget tætte. Faststoffer har en tendens til at være tættere end væsker og gasser; skønt der er nogle få undtagelser fra reglen, især når man sammenligner væsker og faste stoffer.

- Afstande, der adskiller dens partikler, er korte. Dette betyder, at de er blevet meget sammenhængende eller komprimeret i deres respektive volumen.

-Dens intermolekylære interaktioner er meget stærke, ellers ville de ikke eksistere som sådan og ville smelte eller sublimere under terrestriske forhold.

Forskelle mellem partiklerne i et fast stof, en væske og en gas

-Mobiliteten af ​​faste stoffer er normalt ret begrænset, ikke kun fra et materielt synspunkt, men også molekylært. Dens partikler er begrænset i en fast position, hvor de kun kan vibrere, men ikke bevæge sig eller rotere (i teorien).

Ejendomme

Smeltepunkter

Alle faste stoffer, medmindre de nedbrydes i processen, og uanset om de er gode ledere af varme, kan passere til en flydende tilstand ved en bestemt temperatur: deres smeltepunkt. Når denne temperatur nås, lykkes dets partikler endelig at flyde og undslippe fra deres faste positioner.

Dette smeltepunkt afhænger af det faste stof, dets interaktioner, den molære masse og den krystallinske gitterenergi. Som en generel regel har ioniske faste stoffer og kovalente netværk (såsom diamant og siliciumdioxid) en tendens til at have de højeste smeltepunkter; mens de molekylære faste stoffer er den laveste.

Følgende billede viser, hvordan en isterning (fast tilstand) omdannes til en flydende tilstand:

støkiometri

Meget af de faste stoffer er molekylære, da de er forbindelser, hvis intermolekylære interaktioner giver dem mulighed for at samles sammen på en sådan måde. Imidlertid er mange andre ioniske eller delvis ioniske, så deres enheder er ikke molekyler, men celler: et sæt atomer eller ioner arrangeret på en ordnet måde.

Det er her, hvor formlerne af sådanne faste stoffer skal respektere ladningernes neutralitet, hvilket angiver deres sammensætning og støkiometriske forhold. For eksempel indikerer det faste stof, hvis hypotetiske formel er A ₂ B ₄ O ₂, at det har det samme antal A-atomer som O (2: 2), mens det har dobbelt så mange B-atomer (2: 4).

Bemærk, at underskrifterne med formlen A ₂ B ₄ O ₂ er heltal, hvilket viser, at det er et støkiometrisk fast stof. Sammensætningen af ​​mange faste stoffer er beskrevet ved disse formler. Ladningerne på A, B og O skal tilføjes op til nul, for ellers ville der være en positiv eller negativ ladning.

For faste stoffer er det især nyttigt at vide, hvordan man fortolker deres formler, da sammensætningen af ​​væsker og gasser generelt er enklere.

mangler

Strukturen af ​​faste stoffer er ikke perfekte; de præsenterer ufuldkommenheder eller defekter, uanset om de er krystallinske. Dette er ikke tilfældet med væsker og heller ikke med gasser. Der er ingen områder med flydende vand, der på forhånd kan siges at være "dislokeret" fra deres omgivelser.

Sådanne defekter er ansvarlige for, at de faste stoffer er hårde og sprøde, viser egenskaber såsom pyroelektricitet og piezoelektricitet eller ophører med at have definerede sammensætninger; det vil sige, de er ikke-støkiometriske faste stoffer (fx A _0,4 B _1,3 O _0,5).

Reaktivitet

Faststoffer er normalt mindre reaktive end væsker og gasser; men ikke på grund af kemiske årsager, men af ​​det faktum, at deres strukturer forhindrer reaktanter i at angribe partiklerne inde i dem, og reagerer først med dem på deres overflade. Derfor har reaktioner, der involverer faste stoffer, tendens til at være langsommere; medmindre de er pulveriserede.

Når et fast stof er i pulverform, har dets mindre partikler et større område eller overflade til at reagere. Derfor er fine faste stoffer ofte mærket som potentielt farlige reagenser, da de kan antændes hurtigt eller reagere kraftigt i kontakt med andre stoffer eller forbindelser.

Ofte opløses faste stoffer i et reaktionsmedium for at homogenisere systemet og udføre en syntese med højere udbytte.

Fysisk

Med undtagelse af smeltepunktet og manglerne svarer det, der hidtil er blevet sagt, mere til de kemiske egenskaber af de faste stoffer end deres fysiske egenskaber. Materialernes fysik er dybt fokuseret på, hvordan lys, lyd, elektroner og varme interagerer med faste stoffer, uanset om de er krystallinske, amorfe, molekylære osv.

Det er her, hvad der er kendt som plastik, elastisk, stift, uigennemsigtig, gennemsigtig, superledende, fotoelektrisk, mikroporøs, ferromagnetisk, isolerende eller halvleder faste stoffer kommer ind.

I kemi er for eksempel materialer, der ikke absorberer ultraviolet stråling eller synligt lys, af interesse, da de bruges til at fremstille måleceller til UV-Vis-spektrofotometre. Det samme sker med infrarød stråling, når du ønsker at karakterisere en forbindelse ved at få dets IR-spektrum, eller studere udviklingen af ​​en reaktion.

Undersøgelse og manipulation af alle de fysiske egenskaber ved faste stoffer kræver enorm dedikation såvel som deres syntese og design ved at vælge "stykker" af uorganisk, biologisk, organisk eller organometallisk konstruktion til nye materialer.

Typer og eksempler

Da der er adskillige typer faste stoffer kemisk, vil repræsentative eksempler blive nævnt separat for hver.

Krystallinske faste stoffer

På den ene side er der krystallinske faste stoffer. Disse elementer er karakteriseret, fordi molekylerne, der udgør dem, er konfigureret på samme måde, som gentages som et mønster i hele krystallen. Hvert mønster kaldes en enhedscelle.

Krystallinske faste stoffer er også karakteriseret ved at have et defineret smeltepunkt; Dette betyder, at i betragtning af ensartetheden i arrangementet af dets molekyler, er der den samme afstand mellem hver enhedscelle, som tillader, at hele strukturen konstant transformeres under den samme temperatur.

Eksempler på krystallinske faste stoffer kan være salt og sukker.

Amorfe faste stoffer

Amorfe faste stoffer er kendetegnet ved, at konformationen af ​​deres molekyler ikke reagerer på et mønster, men varierer over hele overfladen.

Da der ikke findes et sådant mønster, defineres smeltepunktet for amorfe faste stoffer ikke i modsætning til krystallinske, hvilket betyder, at det smelter gradvist og under forskellige temperaturer.

Eksempler på amorfe faste stoffer kan være glas og mest plast.

Ionics

Ioniske faste stoffer er kendetegnet ved at have kationer og anioner, som interagerer med hinanden ved elektrostatisk tiltrækning (ionisk binding). Når ionerne er små, er de resulterende strukturer normalt altid krystallinske (under hensyntagen til deres mangler). Blandt nogle ioniske faste stoffer har vi:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^-), natriumchlorid

-MgO (Mg ²⁺ O ^2-), magnesiumoxid

-CaCO ₃ (Ca ²⁺ CO ₃ ^2-), calciumcarbonat

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ^2-), kobbersulfat

-KF (K ⁺ F ^-), kaliumfluorid

-NH ₄ Cl (NH ₄ ⁺ Cl ^-), ammoniumchlorid

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2-), zinksulfid

-FE (C ₆ H ₅ COO) ₃, jern benzoat

Metallic

Som deres navn antyder, er de faste stoffer, der har metalliske atomer, der interagerer gennem den metalliske binding:

-Sølv

-Guld

-At føre

-Messing

-Bronze

-Hvidt guld

-Pewter

-Steels

-Duralumin

Bemærk, at legeringer også selvfølgelig tæller som metalliske faste stoffer.

Atomar

Metalliske faste stoffer er også atomære, da der i teorien ikke er nogen kovalente bindinger mellem metalliske atomer (MM). Ædelgasser tæller imidlertid i det væsentlige som atomart, da det kun er Londons spredningskræfter, der dominerer blandt dem.

Selvom de ikke er faste stoffer med høj anvendelse (og vanskelige at få), er krystalliserede ædelgasser eksempler på atomære faste stoffer; dvs. helium, neon, argon, krypton osv., faste stoffer.

Molekylær og polymer

Molekyler kan interagere gennem Van der Walls kræfter, hvor deres molekylmasser, dipolmomenter, brintbindinger, strukturer og geometrier spiller en vigtig rolle. Jo stærkere sådanne interaktioner, desto mere sandsynligt er de for at være i solid form.

På den anden side gælder den samme begrundelse for polymerer, der på grund af deres høje gennemsnitlige molekylmasse næsten altid er faste stoffer, og flere af dem er amorfe; da dets polymere enheder har svært ved at arrangere sig pænt til at skabe krystaller.

Vi har således blandt nogle molekylære og polymere faste stoffer følgende:

-Tøris

-Sukker

-Jod

-Benzoesyre

-acetamide

-Rombisk svovl

-Palmitinsyre

-Fullerenos

-Match

-Koffein

naphthalen

-Ved og papir

-Silke

-Teflon

-polyethylenglycol

-Kevlar

-Bakelite

-Polyvinylchlorid

-Polystyrene

-Polypropylene

-Proteins

-Chokoladebar

Kovalente netværk

Endelig har vi de kovalente netværk mellem de hårdeste og højeste smeltende faste stoffer. Nogle eksempler er:

grafit

-Diamant

kvarts

-Siliciumcarbid

-Boronnitrid

-Aluminiumphosphid

-Galliumarsenid

Referencer

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemi (8. udgave). CENGAGE Læring.
3. Wikipedia. (2019). Faststofkemi. Gendannet fra: en.wikipedia.org
4. Elsevier BV (2019). Solid-state-kemi. ScienceDirect. Gendannes fra: sciencedirect.com
5. Dr. Michael Lufaso. (Sf). Solid State Chemistry Forelæsningsnotater. Gendannes fra: unf.edu
6. askIITians. (2019). Generelle egenskaber ved fast tilstand. Gendannes fra: askiitians.com
7. David Wood. (2019). Hvordan atomer og molekyler danner faste stoffer: Mønstre og krystaller. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com