Бие үүсгэх чадвартай, эзэлхүүнтэй бодисыг хатуу бодис гэнэ. Тэдгээр нь шингэн ба хийнээс хэлбэр дүрсээрээ ялгаатай. Хатуу биетүүд нь бөөмс нь чөлөөтэй хөдөлж чаддаггүй тул биеийн хэлбэрээ хадгалдаг. Тэдгээр нь нягтрал, уян хатан чанар, цахилгаан дамжуулах чанар, өнгөөр ялгаатай байдаг. Тэд бас бусад шинж чанартай байдаг. Жишээлбэл, эдгээр бодисуудын ихэнх нь халаах явцад хайлж, шингэн хуримтлагдах төлөвийг олж авдаг. Тэдний зарим нь халах үед тэр даруй хий (сублимат) болж хувирдаг. Гэхдээ өөр бодис болж задардаг бодис бас байдаг.
Хатуу бодисын төрөл
Бүх хатуу бодисыг хоёр бүлэгт хуваана.
- Аморф, үүнд бие даасан бөөмс санамсаргүй байдлаар байрладаг. Өөрөөр хэлбэл: тэдгээр нь тодорхой (тодорхой) бүтэцтэй байдаггүй. Эдгээр хатуу бодисууд нь тогтоосон температурын хүрээнд хайлах чадвартай. Эдгээрээс хамгийн түгээмэл нь шил, давирхай юм.
- Кристал нь эргээд атом, молекул, ион, металл гэсэн 4 төрөлд хуваагддаг. Тэдгээрийн дотор хэсгүүд нь зөвхөн тодорхой хэв маягийн дагуу, тухайлбал болор торны зангилаанууд дээр байрладаг. Түүний янз бүрийн бодис дахь геометр нь маш өөр байж болно.
Хатуу талст бодисууд аморф бодисуудаас илүү тоогоор давамгайлдаг.
Болор хатуу бодисын төрөл
Хатуу төлөвт бараг бүх бодис талст бүтэцтэй байдаг. Тэд бүтцийн хувьд ялгаатай. Тэдний зангилаанууд дахь болор тор нь янз бүрийн тоосонцор, химийн элементүүдийг агуулдаг. Тэдгээрийн дагуу тэд нэрээ авсан. Төрөл бүр өөрийн онцлог шинж чанартай:
- Атомын болор торонд хатуу биетийн хэсгүүд ковалент холбоогоор холбогддог. Энэ нь бат бөх чанараараа ялгардаг. Үүнээс болж ийм бодисууд хайлах, буцалгах өндөр температуртай байдаг. Энэ төрөлд кварц болон алмаз орно.
- Молекулын болор торонд бөөмс хоорондын холбоо нь сул дорой байдгаараа ялгагдана. Энэ төрлийн бодисууд нь буцалгах, хайлахад хялбар байдаг. Тэд тогтворгүй байдаг тул тодорхой үнэртэй байдаг. Эдгээр хатуу бодисуудад мөс, элсэн чихэр орно. Энэ төрлийн хатуу биет дэх молекулуудын хөдөлгөөн нь үйл ажиллагаагаар ялгагдана.
- Зангилаан дахь ионы болор торонд харгалзах бөөмсүүд ээлжлэн оршиж, эерэг цэнэгтэй басөрөг. Тэдгээр нь электростатик таталцлын нөлөөгөөр хоорондоо холбогддог. Энэ төрлийн тор нь шүлт, давс, үндсэн исэлд байдаг. Энэ төрлийн олон бодис усанд амархан уусдаг. Ионуудын хооронд нэлээд хүчтэй холбоо байдаг тул тэдгээр нь галд тэсвэртэй байдаг. Бараг бүгдээрээ дэгдэмхий чанараараа тодорхойлогддог тул үнэргүй байдаг. Ионы тортой бодисууд нь чөлөөт электрон агуулдаггүй тул цахилгаан гүйдэл дамжуулах чадваргүй байдаг. Ионы хатуу бодисын ердийн жишээ бол хоолны давс юм. Ийм болор тор нь түүнийг хэврэг болгодог. Энэ нь түүний аливаа шилжилт нь ионы түлхэлтийн хүч үүсэхэд хүргэдэгтэй холбоотой юм.
- Зангилаа дахь металл болор торонд зөвхөн эерэг цэнэгтэй химийн ионууд байдаг. Тэдгээрийн хооронд дулааны болон цахилгаан энерги төгс дамждаг чөлөөт электронууд байдаг. Тийм ч учраас аливаа металлыг дамжуулах чанар гэх мэт шинж чанараараа ялгадаг.
Хатуу биеийн ерөнхий ойлголт
Хатуу болон бодисууд нь бараг ижил зүйл юм. Эдгээр нэр томъёо нь нэгтгэх 4 төлөвийн аль нэгийг илэрхийлдэг. Хатуу бодис нь тогтвортой хэлбэр, атомын дулааны хөдөлгөөний шинж чанартай байдаг. Түүнээс гадна, сүүлийнх нь тэнцвэрийн байрлалын ойролцоо жижиг хэлбэлзэл үүсгэдэг. Бүрэлдэхүүн ба дотоод бүтцийг судалдаг шинжлэх ухааны салбарыг хатуу биеийн физик гэж нэрлэдэг. Ийм бодисуудтай холбоотой мэдлэгийн бусад чухал салбарууд байдаг. Гадны нөлөөлөл, хөдөлгөөний нөлөөгөөр хэлбэр дүрсээ өөрчлөхийг деформацитай биеийн механик гэж нэрлэдэг.
Хатуу биетүүдийн өөр өөр шинж чанаруудын улмаас тэдгээр нь хүний бүтээсэн төрөл бүрийн техникийн төхөөрөмжүүдэд хэрэглэгдэх болсон. Ихэнхдээ тэдгээрийн хэрэглээ нь хатуулаг, эзэлхүүн, масс, уян хатан чанар, уян хатан чанар, эмзэг байдал зэрэг шинж чанарууд дээр суурилдаг. Орчин үеийн шинжлэх ухаан нь зөвхөн лабораторид олддог хатуу бодисын бусад чанарыг ашиглах боломжийг олгодог.
Болор гэж юу вэ
Болор нь тодорхой дарааллаар байрласан бөөмс бүхий хатуу биет юм. Химийн бодис бүр өөрийн гэсэн бүтэцтэй байдаг. Түүний атомууд нь болор тор гэж нэрлэгддэг гурван хэмжээст үечилсэн зохион байгуулалтыг бүрдүүлдэг. Хатуу биетүүд өөр өөр бүтцийн тэгш хэмтэй байдаг. Хатуу биет хамгийн бага хэмжээний потенциал энергитэй тул талст төлөвийг тогтвортой гэж үздэг.
Хатуу материалын дийлэнх нь (байгалийн) нь санамсаргүй байдлаар чиглэсэн асар олон тооны бие даасан ширхэгүүдээс (кристаллит) бүрддэг. Ийм бодисыг поликристалл гэж нэрлэдэг. Үүнд техникийн хайлш, металл, түүнчлэн олон чулуулаг орно. Монокристалл гэдэг нь дан байгалийн болон синтетик талстыг хэлнэ.
Ихэнхдээ ийм хатуу бодисууд нь хайлмал эсвэл уусмалаар илэрхийлэгддэг шингэн фазын төлөв байдлаас үүсдэг. Заримдаа тэдгээрийг хийн төлөвөөс гаргаж авдаг. Энэ процессыг талстжилт гэж нэрлэдэг. Шинжлэх ухаан, технологийн дэвшлийн ачаар янз бүрийн бодисыг өсгөх (нийлэгжүүлэх) журам нь үйлдвэрлэлийн цар хүрээтэй болсон. Ихэнх талстууд нь ердийн хэлбэртэй байгалийн хэлбэртэй байдаголон талт. Тэдний хэмжээ маш өөр. Тиймээс байгалийн кварц (чулууны болор) хэдэн зуун кг жинтэй, алмааз нь хэдэн грамм хүртэл жинтэй байдаг.
Аморф хатуу биетүүдэд атомууд санамсаргүй байрлалтай цэгүүдийн эргэн тойронд тогтмол хэлбэлзэлтэй байдаг. Тэд ойрын зайн тодорхой дарааллыг хадгалдаг боловч урт хугацааны дараалал байхгүй. Энэ нь тэдний молекулууд нь хэмжээтэй харьцуулж болохуйц зайд байрладагтай холбоотой юм. Бидний амьдралд ийм хатуу биетийн хамгийн түгээмэл жишээ бол шилэн төлөв юм. Аморф бодисыг ихэвчлэн хязгааргүй өндөр зуурамтгай чанар бүхий шингэн гэж үздэг. Тэдний талсжих хугацаа заримдаа маш урт байдаг тул огт харагдахгүй.
Эдгээр бодисуудын дээрх шинж чанарууд нь тэднийг өвөрмөц болгодог. Аморф хатуу бодисууд цаг хугацааны явцад талст болж хувирдаг тул тогтворгүй гэж үздэг.
Хатууг бүрдүүлдэг молекулууд болон атомууд нь өндөр нягтаршилтай байдаг. Тэд бусад бөөмстэй харьцуулахад харилцан байрлалаа бараг хадгалдаг бөгөөд молекул хоорондын харилцан үйлчлэлийн улмаас хамтдаа байдаг. Янз бүрийн чиглэлд хатуу биетийн молекулуудын хоорондох зайг торны параметр гэж нэрлэдэг. Бодисын бүтэц, түүний тэгш хэм нь электрон зурвас, хуваагдал, оптик зэрэг олон шинж чанарыг тодорхойлдог. Хатуу биед хангалттай их хүч хэрэглэх үед эдгээр чанарууд нь нэг хэмжээгээр зөрчигдөж болно. Энэ тохиолдолд цул бие нь байнгын хэв гажилтанд өртдөг.
Хатуу биетийн атомууд нь дулааны энерги эзэмшдэгийг тодорхойлдог хэлбэлзлийн хөдөлгөөнийг хийдэг. Тэдгээр нь үл тоомсорлодог тул тэдгээрийг зөвхөн лабораторийн нөхцөлд ажиглаж болно. Хатуу бодисын молекул бүтэц нь түүний шинж чанарт ихээхэн нөлөөлдөг.
Хатуу бодисын судалгаа
Эдгээр бодисын онцлог, шинж чанар, тэдгээрийн чанар, бөөмсийн хөдөлгөөнийг хатуу биеийн физикийн янз бүрийн дэд хэсгүүд судалдаг.
Судалгаанд: радиоспектроскопи, рентген туяа ашиглан бүтцийн шинжилгээ болон бусад аргыг ашигладаг. Хатуу бодисын механик, физик, дулааны шинж чанарыг ингэж судалдаг. Хатуулаг, ачааллын эсэргүүцэл, суналтын бат бэх, фазын хувиргалтыг материалын шинжлэх ухаан судалдаг. Энэ нь хатуу биетийн физикийг их хэмжээгээр илэрхийлдэг. Өөр нэг чухал орчин үеийн шинжлэх ухаан байдаг. Одоо байгаа бодисыг судалж, шинэ бодисын нийлэгжилтийг хатуу төлөвт химийн аргаар явуулдаг.
Хатуу бодисын онцлог
Хатуу биетийн атомуудын гадаад электронуудын хөдөлгөөний мөн чанар нь түүний олон шинж чанарыг тодорхойлдог, тухайлбал цахилгаан. Ийм байгууллагуудын 5 ангилал байдаг. Тэдгээрийг атомын бондын төрлөөс хамааран тогтоодог:
- Ион, гол шинж чанар нь электростатик таталцлын хүч юм. Түүний онцлог: хэт улаан туяаны бүсэд гэрлийн тусгал, шингээлт. Бага температурт ионы холбоо нь бага цахилгаан дамжуулалтаар тодорхойлогддог. Ийм бодисын жишээ бол давсны хүчлийн натрийн давс (NaCl).
- Ковалент,хоёр атомд хамаарах электрон хосоор явагддаг. Ийм холболтыг дан (энгийн), давхар, гурвалсан гэж хуваадаг. Эдгээр нэрс нь хос электрон (1, 2, 3) байгааг харуулж байна. Давхар ба гурвалсан бондыг олон тооны бонд гэж нэрлэдэг. Энэ бүлгийн өөр нэг хэсэг бий. Тиймээс электрон нягтын тархалтаас хамааран туйл ба туйлшгүй холбоог ялгадаг. Эхнийх нь өөр өөр атомуудаас бүрддэг, хоёр дахь нь адилхан. Жишээ нь алмаз (C) ба цахиур (Si) зэрэг материалын ийм хатуу төлөв нь нягтралаараа ялгагдана. Хамгийн хатуу талстууд нь ковалент холбоонд хамаардаг.
- Металл, атомын валентийн электронуудыг нэгтгэснээр үүсдэг. Үүний үр дүнд цахилгаан хүчдэлийн нөлөөн дор шилжсэн нийтлэг электрон үүл гарч ирдэг. Холбогдсон атомууд том байх үед металлын холбоо үүсдэг. Тэд электрон хандивлах чадвартай. Олон металл ба нийлмэл нэгдлүүдэд энэ холбоо нь бодисын хатуу төлөвийг бүрдүүлдэг. Жишээ нь: натри, бари, хөнгөн цагаан, зэс, алт. Металл бус нэгдлүүдээс дараахь зүйлийг тэмдэглэж болно: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Металл холбоо (метал) бүхий бодисууд нь физик шинж чанараараа олон янз байдаг. Эдгээр нь шингэн (Hg), зөөлөн (Na, K), маш хатуу (W, Nb) байж болно.
- Бодисын бие даасан молекулуудаас үүссэн талстаас үүсдэг молекул. Энэ нь тэг электрон нягттай молекулуудын хоорондын зайгаар тодорхойлогддог. Ийм талст дахь атомуудыг холбох хүч нь чухал юм. Молекулууд татагддагбие биендээ зөвхөн молекул хоорондын сул таталтаар. Ийм учраас тэдгээрийн хоорондох холбоо нь халах үед амархан устдаг. Атомуудын хоорондын холбоог таслахад илүү хэцүү байдаг. Молекулын холбоо нь чиг баримжаа, дисперсийн болон индуктив гэж хуваагддаг. Ийм бодисын жишээ бол хатуу метан юм.
- Молекул эсвэл түүний хэсгийн эерэг туйлширсан атомууд болон өөр молекул эсвэл бусад хэсгийн хамгийн жижиг сөрөг туйлширсан бөөмсийн хооронд үүсдэг устөрөгч. Эдгээр бондуудад мөс орно.
Хатуу бодисын шинж чанар
Өнөөдөр бид юу мэдэх вэ? Эрдэмтэд материйн хатуу төлөв байдлын шинж чанарыг удаан хугацаанд судалж ирсэн. Температурт өртөхөд энэ нь бас өөрчлөгддөг. Ийм биеийг шингэн рүү шилжүүлэхийг хайлах гэж нэрлэдэг. Хатуу биеийг хийн төлөвт шилжүүлэхийг сублимация гэж нэрлэдэг. Температурыг бууруулахад хатуу бодисын талсжилт үүсдэг. Хүйтний нөлөөгөөр зарим бодисууд аморф үе рүү шилждэг. Эрдэмтэд үүнийг витрификаци гэж нэрлэдэг.
Фазын шилжилтийн үед хатуу бодисын дотоод бүтэц өөрчлөгддөг. Энэ нь температур буурахад хамгийн их дарааллыг олж авдаг. Агаар мандлын даралт ба температурын T > 0 K үед байгальд байгаа аливаа бодис хатуурдаг. Талсжихын тулд 24 атм даралт шаарддаг гелий л энэ дүрэмд үл хамаарах зүйл юм.
Материйн хатуу төлөв нь түүнд янз бүрийн физик шинж чанарыг өгдөг. Тэд бие махбодийн өвөрмөц зан үйлийг тодорхойлдогтодорхой талбар, хүчний нөлөөн дор. Эдгээр шинж чанаруудыг бүлэгт хуваадаг. 3 төрлийн энергид (механик, дулааны, цахилгаан соронзон) тохирох 3 өртөх арга байдаг. Үүний дагуу хатуу бодисын физик шинж чанарын 3 бүлэг байдаг:
- Биеийн ачаалал ба ачаалалтай холбоотой механик шинж чанарууд. Эдгээр шалгуурын дагуу хатуу биетүүдийг уян харимхай, реологийн, бат бөх, технологийн гэж хуваадаг. Амрах үед ийм бие нь хэлбэр дүрсээ хадгалдаг боловч гадны хүчний нөлөөн дор өөрчлөгдөж болно. Үүний зэрэгцээ түүний хэв гажилт нь хуванцар (анхны хэлбэр нь буцаж ирдэггүй), уян харимхай (анхны хэлбэрт буцаж ирдэг) эсвэл сүйтгэгч (тодорхой босго хүрэх үед ялзрал / хугарал үүсдэг) байж болно. Хэрэглэсэн хүчний хариу урвалыг уян хатан байдлын модулиар тодорхойлно. Хатуу бие нь шахалт, суналтаас гадна шилжих, мушгирах, гулзайлгах зэргийг тэсвэрлэдэг. Хатуу биеийн хүч чадал нь сүйрлийг эсэргүүцэх чадвар юм.
- Дулааны, дулааны талбайд ил гарсан үед илэрдэг. Хамгийн чухал шинж чанаруудын нэг бол бие нь шингэн төлөвт шилжих хайлах цэг юм. Энэ нь талст хатуу биетүүдэд ажиглагддаг. Аморф биетүүд нь температур нэмэгдэхийн хэрээр шингэн төлөвт шилжих нь аажмаар явагддаг тул хайлах далд дулаантай байдаг. Тодорхой халуунд хүрэхэд аморф бие нь уян хатан чанараа алдаж, уян хатан чанарыг олж авдаг. Энэ төлөв нь шилэн шилжилтийн температурт хүрсэн гэсэн үг юм. Халах үед хатуу биетийн хэв гажилт үүсдэг. Мөн ихэнх тохиолдолд энэ нь өргөжиж байна. Тоон хувьд энэмуж нь тодорхой коэффициентээр тодорхойлогддог. Биеийн температур нь шингэн, уян хатан чанар, хатуулаг, бат бэх зэрэг механик шинж чанаруудад нөлөөлдөг.
- Цахилгаан соронзон нь хатуу бодист бичил хэсгүүдийн урсгал болон өндөр хатуулагтай цахилгаан соронзон долгионы нөлөөлөлтэй холбоотой. Цацрагийн шинж чанарууд нь мөн нөхцөлт байдлаар хамаарна.
Бүсийн бүтэц
Хатуу бодисыг мөн туузан бүтэц гэж нэрлэгддэг зүйлээр нь ангилдаг. Тиймээс тэдний дунд дараахь зүйлийг ялгадаг:
- Дамжуулагч, тэдгээрийн дамжуулалт ба валентын зурвас нь давхцаж байдгаараа онцлог. Энэ тохиолдолд электронууд тэдгээрийн хооронд шилжиж, өчүүхэн энерги хүлээн авах боломжтой. Бүх металууд нь дамжуулагч юм. Ийм биед потенциалын зөрүү өгөхөд цахилгаан гүйдэл үүснэ (хамгийн бага ба хамгийн их потенциалтай цэгүүдийн хооронд электронуудын чөлөөт хөдөлгөөнөөс шалтгаална).
- Бүс нь давхцдаггүй диэлектрик. Тэдний хоорондох зай нь 4 эВ-ээс давсан байна. Электроныг валентаас дамжуулах зурвас руу шилжүүлэхэд маш их энерги шаардагдана. Эдгээр шинж чанаруудын улмаас диэлектрикууд бараг гүйдэл дамжуулдаггүй.
- Дамжуулах болон валентын зурвасгүй байдгаараа онцлогтой хагас дамжуулагч. Тэдний хоорондох зай нь 4 эВ-ээс бага байна. Электроныг валентаас дамжуулах зурвас руу шилжүүлэхийн тулд диэлектрикээс бага энерги шаардагдана. Цэвэр (нэвшээгүй ба эх) хагас дамжуулагч нь гүйдлийг сайн дамжуулдаггүй.
Хатуу биет дэх молекулуудын хөдөлгөөн нь тэдгээрийн цахилгаан соронзон шинж чанарыг тодорхойлдог.
Бусадөмч
Хатуу биеийг мөн соронзон шинж чанараар нь ангилдаг. Гурван бүлэг байна:
- Шинэ чанар нь температур эсвэл нэгтгэх төлөвөөс бага зэрэг хамаардаг диасоронз.
- Атомын соронзон момент ба дамжуулагч электронуудын чиглэлээс үүссэн парамагнетууд. Кюригийн хуулийн дагуу тэдний мэдрэмтгий байдал нь температуртай пропорциональ буурдаг. Тэгэхээр 300 К-т 10-5 байна.
- Атомын урт хугацааны дараалал бүхий эмх цэгцтэй соронзон бүтэцтэй биеүүд. Тэдний торны зангилаанууд дээр соронзон момент бүхий бөөмс үе үе байрладаг. Ийм хатуу бодис, бодисыг хүний үйл ажиллагааны янз бүрийн салбарт ихэвчлэн ашигладаг.
Байгалийн хамгийн хатуу бодисууд
Тэд юу вэ? Хатуу бодисын нягт нь тэдний хатуулгийг ихээхэн тодорхойлдог. Сүүлийн жилүүдэд эрдэмтэд "хамгийн удаан эдэлгээтэй бие" гэсэн хэд хэдэн материалыг олж илрүүлжээ. Хамгийн хатуу бодис бол фуллерит (фуллерен молекул бүхий болор) бөгөөд алмаазаас 1.5 дахин хатуу байдаг. Харамсалтай нь энэ нь одоогоор маш бага тоогоор худалдаалагдаж байна.
Өнөөдөр ирээдүйд үйлдвэрлэлд хэрэглэж болох хамгийн хатуу бодис бол лонсдалейт (зургаан өнцөгт алмаз) юм. Энэ нь алмаазаас 58% илүү хатуу юм. Лонсдалейт нь нүүрстөрөгчийн аллотропик өөрчлөлт юм. Түүний болор тор нь алмазтай маш төстэй юм. Лонсдалейт эс 4 атом агуулдаг бол алмаз нь 8 атом агуулдаг. Өргөн хэрэглэгддэг талстуудаас алмаз нь өнөөдөр хамгийн хатуу нь хэвээр байна.
