Las sustancias sólidas son aquellas que pueden formar cuerpos y tener volumen. Se diferencian de los líquidos y gases en su forma. Los sólidos conservan la forma del cuerpo debido al hecho de que sus partículas no pueden moverse libremente. Se diferencian en su densidad, plasticidad, conductividad eléctrica y color. También tienen otras propiedades. Entonces, por ejemplo, la mayoría de estas sustancias se derriten durante el calentamiento, adquiriendo un estado líquido de agregación. Algunos de ellos, cuando se calientan, se convierten inmediatamente en gas (se subliman). Pero también los hay que se descomponen en otras sustancias.
Tipos de sólidos
Todos los sólidos se dividen en dos grupos.
- Amorfo, en el que las partículas individuales se organizan al azar. En otras palabras: no tienen una estructura clara (definida). Estos sólidos son capaces de fundirse dentro de un rango de temperatura específico. Los más comunes incluyen vidrio y resina.
- Cristalinos, que a su vez se dividen en 4 tipos: atómicos, moleculares, iónicos, metálicos. En ellos, las partículas se ubican solo de acuerdo con un cierto patrón, a saber, en los nodos de la red cristalina. Su geometría en diferentes sustancias puede variar mucho.
Las sustancias cristalinas sólidas prevalecen sobre las amorfas en su número.
Tipos de sólidos cristalinos
En estado sólido, casi todas las sustancias tienen una estructura cristalina. Se diferencian en su estructura. Las redes cristalinas en sus nodos contienen varias partículas y elementos químicos. Es de acuerdo con ellos que obtuvieron sus nombres. Cada tipo tiene propiedades específicas:
- En la red cristalina atómica, las partículas de un sólido están unidas por un enlace covalente. Destaca por su durabilidad. Debido a esto, tales sustancias tienen un alto punto de fusión y ebullición. Este tipo incluye cuarzo y diamante.
- En la red cristalina molecular, el enlace entre partículas se distingue por su debilidad. Las sustancias de este tipo se caracterizan por la facilidad de ebullición y fusión. Son volátiles, por lo que tienen un cierto olor. Estos sólidos incluyen hielo y azúcar. Los movimientos de las moléculas en sólidos de este tipo se distinguen por su actividad.
- En la red cristalina iónica en los nodos, las partículas correspondientes se alternan, cargadas positivamente ynegativo. Se mantienen unidos por atracción electrostática. Este tipo de red existe en álcalis, sales, óxidos básicos. Muchas sustancias de este tipo son fácilmente solubles en agua. Debido al enlace bastante fuerte entre los iones, son refractarios. Casi todos ellos son inodoros, ya que se caracterizan por la no volatilidad. Las sustancias con una red iónica no pueden conducir la corriente eléctrica, ya que no contienen electrones libres. Un ejemplo típico de un sólido iónico es la sal de mesa. Tal red cristalina la hace quebradiza. Esto se debe al hecho de que cualquier cambio en él puede conducir a la aparición de fuerzas de repulsión de iones.
- En la red cristalina de metal en los nodos solo hay iones químicos cargados positivamente. Entre ellos hay electrones libres por los que pasa perfectamente la energía térmica y eléctrica. Es por eso que los metales se distinguen por una característica como la conductividad.
Conceptos generales de un cuerpo rígido
Sólidos y sustancias son prácticamente lo mismo. Estos términos se refieren a uno de los 4 estados de agregación. Los sólidos tienen una forma estable y la naturaleza del movimiento térmico de los átomos. Además, estos últimos realizan pequeñas oscilaciones cerca de las posiciones de equilibrio. La rama de la ciencia que se ocupa del estudio de la composición y la estructura interna se denomina física del estado sólido. Hay otras áreas importantes de conocimiento que se ocupan de tales sustancias. El cambio de forma bajo influencias externas y movimiento se llama la mecánica de un cuerpo deformable.
Debido a las diferentes propiedades de los sólidos, han encontrado aplicación en diversos dispositivos técnicos creados por el hombre. La mayoría de las veces, su uso se basaba en propiedades tales como dureza, volumen, masa, elasticidad, plasticidad, fragilidad. La ciencia moderna permite el uso de otras cualidades de sólidos que solo se pueden encontrar en el laboratorio.
¿Qué son los cristales?
Los cristales son cuerpos sólidos con partículas dispuestas en un cierto orden. Cada sustancia química tiene su propia estructura. Sus átomos forman un arreglo periódico tridimensional llamado red cristalina. Los sólidos tienen diferentes simetrías estructurales. El estado cristalino de un sólido se considera estable porque tiene una cantidad mínima de energía potencial.
La gran mayoría de los materiales sólidos (naturales) se compone de una gran cantidad de granos individuales (cristalitos) orientados aleatoriamente. Tales sustancias se llaman policristalinas. Estos incluyen aleaciones técnicas y metales, así como muchas rocas. Monocristalino se refiere a cristales naturales o sintéticos individuales.
La mayoría de las veces, estos sólidos se forman a partir del estado de la fase líquida, representada por una masa fundida o una solución. A veces se obtienen del estado gaseoso. Este proceso se llama cristalización. Gracias al progreso científico y tecnológico, el procedimiento de cultivo (síntesis) de diversas sustancias ha ganado escala industrial. La mayoría de los cristales tienen una forma natural en forma de cristales regulares.poliedros. Sus tamaños son muy diferentes. Entonces, el cuarzo natural (cristal de roca) puede pesar hasta cientos de kilogramos y los diamantes, hasta varios gramos.
En los sólidos amorfos, los átomos están en constante oscilación alrededor de puntos ubicados al azar. Conservan cierto orden de corto alcance, pero no hay orden de largo alcance. Esto se debe a que sus moléculas se encuentran a una distancia comparable a su tamaño. El ejemplo más común de tal sólido en nuestra vida es el estado vítreo. Las sustancias amorfas se consideran a menudo como un líquido con una viscosidad infinitamente alta. El tiempo de su cristalización es a veces tan largo que no aparece en absoluto.
Son las propiedades anteriores de estas sustancias las que las hacen únicas. Los sólidos amorfos se consideran inestables porque pueden volverse cristalinos con el tiempo.
Las moléculas y los átomos que forman un sólido están empaquetados a una alta densidad. Prácticamente conservan su posición mutua en relación con otras partículas y se mantienen unidas debido a la interacción intermolecular. La distancia entre las moléculas de un sólido en diferentes direcciones se denomina parámetro de red. La estructura de la materia y su simetría determinan muchas propiedades, como la banda de electrones, la división y la óptica. Cuando se aplica una fuerza suficientemente grande a un sólido, estas cualidades pueden violarse en un grado u otro. En este caso, el cuerpo sólido está sujeto a una deformación permanente.
Los átomos de los sólidos realizan movimientos oscilatorios, que determinan su posesión de energía térmica. Dado que son insignificantes, solo pueden observarse en condiciones de laboratorio. La estructura molecular de un sólido afecta en gran medida a sus propiedades.
Estudio de sólidos
Las características, las propiedades de estas sustancias, sus cualidades y el movimiento de las partículas se estudian en varias subsecciones de la física del estado sólido.
Para el estudio se utilizan: radioespectroscopia, análisis estructural mediante rayos X y otros métodos. Así se estudian las propiedades mecánicas, físicas y térmicas de los sólidos. La ciencia de los materiales estudia la dureza, la resistencia a la carga, la resistencia a la tracción y las transformaciones de fase. Se hace eco en gran medida de la física del estado sólido. Hay otra ciencia moderna importante. El estudio de las sustancias existentes y la síntesis de nuevas se llevan a cabo mediante la química del estado sólido.
Características de los sólidos
La naturaleza del movimiento de los electrones externos de los átomos de un sólido determina muchas de sus propiedades, por ejemplo, eléctricas. Hay 5 clases de tales cuerpos. Se establecen según el tipo de enlace atómico:
- Iónico, cuya característica principal es la fuerza de atracción electrostática. Sus características: reflexión y absorción de la luz en la región infrarroja. A bajas temperaturas, el enlace iónico se caracteriza por una baja conductividad eléctrica. Un ejemplo de tal sustancia es la sal de sodio del ácido clorhídrico (NaCl).
- Covalente,llevado a cabo por un par de electrones que pertenece a ambos átomos. Tal enlace se divide en: simple (simple), doble y triple. Estos nombres indican la presencia de pares de electrones (1, 2, 3). Los enlaces dobles y triples se denominan enlaces múltiples. Hay otra división de este grupo. Entonces, dependiendo de la distribución de la densidad electrónica, se distinguen los enlaces polares y no polares. El primero está formado por diferentes átomos, y el segundo es el mismo. Tal estado sólido de la materia, ejemplos de los cuales son el diamante (C) y el silicio (Si), se distingue por su densidad. Los cristales más duros pertenecen específicamente al enlace covalente.
- Metálico, formado por la combinación de los electrones de valencia de los átomos. Como resultado, aparece una nube de electrones común, que se desplaza bajo la influencia del voltaje eléctrico. Un enlace metálico se forma cuando los átomos enlazados son grandes. Son capaces de donar electrones. En muchos metales y compuestos complejos, este enlace forma un estado sólido de la materia. Ejemplos: sodio, bario, aluminio, cobre, oro. De los compuestos no metálicos, se pueden destacar los siguientes: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Las sustancias con un enlace metálico (metales) son diversas en sus propiedades físicas. Pueden ser líquidos (Hg), blandos (Na, K), muy duros (W, Nb).
- Molecular, que surge en cristales, que están formados por moléculas individuales de una sustancia. Se caracteriza por espacios entre moléculas con densidad electrónica cero. Las fuerzas que unen a los átomos en tales cristales son significativas. Las moléculas son atraídasentre sí sólo por una débil atracción intermolecular. Es por eso que los enlaces entre ellos se destruyen fácilmente cuando se calientan. Los enlaces entre los átomos son mucho más difíciles de romper. El enlace molecular se subdivide en orientacional, de dispersión e inductivo. Un ejemplo de tal sustancia es el metano sólido.
- Hidrógeno, que se produce entre los átomos polarizados positivamente de una molécula o su parte y la partícula polarizada negativamente más pequeña de otra molécula u otra parte. Estos bonos incluyen hielo.
Propiedades de los sólidos
¿Qué sabemos hoy? Los científicos han estudiado durante mucho tiempo las propiedades del estado sólido de la materia. Cuando se expone a la temperatura, también cambia. La transición de tal cuerpo a líquido se llama fusión. La transformación de un estado sólido a gaseoso se llama sublimación. Cuando se baja la temperatura, se produce la cristalización del sólido. Algunas sustancias bajo la influencia del frío pasan a la fase amorfa. Los científicos llaman a este proceso vitrificación.
Durante las transiciones de fase, la estructura interna de los sólidos cambia. Adquiere el mayor orden al disminuir la temperatura. A presión atmosférica y temperatura T > 0 K, cualquier sustancia que existe en la naturaleza se solidifica. Solo el helio, que requiere una presión de 24 atm para cristalizar, es una excepción a esta regla.
El estado sólido de la materia le confiere varias propiedades físicas. Caracterizan el comportamiento específico de los cuerpos.bajo la influencia de ciertos campos y fuerzas. Estas propiedades se dividen en grupos. Existen 3 formas de exposición, correspondientes a 3 tipos de energía (mecánica, térmica, electromagnética). En consecuencia, hay 3 grupos de propiedades físicas de los sólidos:
- Propiedades mecánicas asociadas con el estrés y la tensión de los cuerpos. Según estos criterios, los sólidos se dividen en elásticos, reológicos, resistentes y tecnológicos. En reposo, dicho cuerpo conserva su forma, pero puede cambiar bajo la acción de una fuerza externa. Al mismo tiempo, su deformación puede ser plástica (no vuelve a la forma inicial), elástica (vuelve a su forma original) o destructiva (cuando se alcanza un cierto umbral, se produce la descomposición/fractura). La respuesta a la fuerza aplicada está descrita por los módulos de elasticidad. Un cuerpo sólido resiste no solo la compresión, el estiramiento, sino también los cambios, la torsión y la flexión. La fuerza de un cuerpo sólido es su propiedad para resistir la destrucción.
- Térmica, se manifiesta cuando se expone a campos térmicos. Una de las propiedades más importantes es el punto de fusión en el que el cuerpo pasa a estado líquido. Se observa en sólidos cristalinos. Los cuerpos amorfos tienen un calor de fusión latente, ya que su transición a un estado líquido con el aumento de la temperatura se produce gradualmente. Al alcanzar cierto calor, el cuerpo amorfo pierde su elasticidad y adquiere plasticidad. Este estado significa que ha alcanzado la temperatura de transición vítrea. Cuando se calienta, se produce la deformación del sólido. Y la mayoría de las veces se expande. Cuantitativamente estoel estado se caracteriza por un cierto coeficiente. La temperatura corporal afecta las propiedades mecánicas como la fluidez, la ductilidad, la dureza y la resistencia.
- Electromagnético, asociado al impacto sobre una sustancia sólida de flujos de micropartículas y ondas electromagnéticas de alta rigidez. Las propiedades de radiación también se les refieren condicionalmente.
Estructura de zonas
Los sólidos también se clasifican según la llamada estructura de bandas. Así, entre ellos se distinguen:
- Conductores, caracterizados porque sus bandas de conducción y valencia se superponen. En este caso, los electrones pueden moverse entre ellos, recibiendo la más mínima energía. Todos los metales son conductores. Cuando se aplica una diferencia de potencial a dicho cuerpo, se forma una corriente eléctrica (debido al libre movimiento de electrones entre los puntos con el potencial más bajo y más alto).
- Dieléctricos cuyas zonas no se superponen. El intervalo entre ellos supera los 4 eV. Se necesita mucha energía para conducir electrones desde la banda de valencia a la de conducción. Debido a estas propiedades, los dieléctricos prácticamente no conducen corriente.
- Semiconductores caracterizados por la ausencia de bandas de conducción y valencia. El intervalo entre ellos es inferior a 4 eV. Para transferir electrones de la banda de valencia a la de conducción, se necesita menos energía que para los dieléctricos. Los semiconductores puros (sin dopar y nativos) no pasan bien la corriente.
Los movimientos de las moléculas en los sólidos determinan sus propiedades electromagnéticas.
Otropropiedades
Los cuerpos sólidos también se subdividen según sus propiedades magnéticas. Hay tres grupos:
- Diamantes, cuyas propiedades dependen poco de la temperatura o del estado de agregación.
- Paramagnetos resultantes de la orientación de los electrones de conducción y los momentos magnéticos de los átomos. Según la ley de Curie, su susceptibilidad disminuye en proporción a la temperatura. Entonces, a 300 K es 10-5.
- Cuerpos con una estructura magnética ordenada, con un orden de átomos de largo alcance. En los nodos de su red, se ubican periódicamente partículas con momentos magnéticos. Dichos sólidos y sustancias se utilizan a menudo en diversos campos de la actividad humana.
Las sustancias más duras de la naturaleza
¿Qué son? La densidad de los sólidos determina en gran medida su dureza. En los últimos años, los científicos han descubierto varios materiales que afirman ser el "cuerpo más duradero". La sustancia más dura es la fullerita (un cristal con moléculas de fullereno), que es aproximadamente 1,5 veces más dura que el diamante. Desafortunadamente, actualmente solo está disponible en cantidades extremadamente pequeñas.
Hoy en día, la sustancia más dura que se puede utilizar en el futuro en la industria es la lonsdaleita (diamante hexagonal). Es un 58% más duro que el diamante. La lonsdaleita es una modificación alotrópica del carbono. Su red cristalina es muy similar al diamante. Una celda de lonsdaleita contiene 4 átomos, mientras que un diamante contiene 8. De los cristales ampliamente utilizados, el diamante sigue siendo el más duro en la actualidad.
