Zat padat adalah zat yang dapat membentuk benda dan memiliki volume. Mereka berbeda dari cairan dan gas dalam bentuknya. Padatan mempertahankan bentuk tubuh karena fakta bahwa partikelnya tidak dapat bergerak bebas. Mereka berbeda dalam kepadatan, plastisitas, konduktivitas listrik, dan warnanya. Mereka juga memiliki properti lain. Jadi, misalnya, sebagian besar zat ini meleleh selama pemanasan, memperoleh keadaan agregasi cair. Beberapa dari mereka, ketika dipanaskan, segera berubah menjadi gas (menyublim). Namun ada juga yang terurai menjadi zat lain.
Jenis padatan
Semua padatan dibagi menjadi dua kelompok.
- Amorf, di mana partikel individu disusun secara acak. Dengan kata lain: mereka tidak memiliki struktur yang jelas (terdefinisi). Padatan ini mampu meleleh dalam kisaran suhu tertentu. Yang paling umum termasuk kaca dan resin.
- Kristal, yang, pada gilirannya, dibagi menjadi 4 jenis: atom, molekul, ionik, logam. Di dalamnya, partikel-partikel terletak hanya sesuai dengan pola tertentu, yaitu, pada simpul kisi kristal. Geometrinya dalam zat yang berbeda dapat sangat bervariasi.
Bahan kristal padat lebih unggul daripada zat amorf dalam jumlah mereka.
Jenis padatan kristal
Dalam keadaan padat, hampir semua zat memiliki struktur kristal. Mereka berbeda dalam strukturnya. Kisi kristal di simpulnya mengandung berbagai partikel dan unsur kimia. Sesuai dengan mereka bahwa mereka mendapatkan nama mereka. Setiap jenis memiliki properti khusus untuk itu:
- Dalam kisi kristal atom, partikel padatan terikat oleh ikatan kovalen. Itu menonjol karena daya tahannya. Karena ini, zat tersebut memiliki titik leleh dan titik didih yang tinggi. Jenis ini termasuk kuarsa dan berlian.
- Dalam kisi kristal molekul, ikatan antar partikel dibedakan berdasarkan kelemahannya. Zat jenis ini dicirikan oleh kemudahan mendidih dan meleleh. Mereka mudah menguap, karena itu mereka memiliki bau tertentu. Padatan ini termasuk es dan gula. Pergerakan molekul dalam zat padat jenis ini dibedakan berdasarkan aktivitasnya.
- Dalam kisi kristal ionik di simpul, partikel yang sesuai bergantian, bermuatan positif dannegatif. Mereka disatukan oleh gaya tarik elektrostatik. Jenis kisi ini ada dalam alkali, garam, oksida dasar. Banyak zat jenis ini mudah larut dalam air. Karena ikatan yang cukup kuat antara ion, mereka tahan api. Hampir semuanya tidak berbau, karena dicirikan oleh non-volatilitas. Zat dengan kisi ionik tidak dapat menghantarkan arus listrik, karena tidak mengandung elektron bebas. Contoh khas dari padatan ionik adalah garam meja. Kisi kristal seperti itu membuatnya rapuh. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa setiap pergeseran di dalamnya dapat menyebabkan munculnya gaya tolak-menolak ion.
- Dalam kisi kristal logam di simpul hanya ada ion kimia bermuatan positif. Di antara mereka ada elektron bebas yang melaluinya energi panas dan listrik lewat dengan sempurna. Itulah sebabnya setiap logam dibedakan oleh fitur seperti konduktivitas.
Konsep umum benda tegar
Padatan dan zat pada dasarnya adalah hal yang sama. Istilah-istilah ini mengacu pada salah satu dari 4 keadaan agregasi. Padatan memiliki bentuk yang stabil dan sifat gerak termal atom. Selain itu, yang terakhir membuat osilasi kecil di dekat posisi keseimbangan. Cabang ilmu yang mempelajari komposisi dan struktur internal disebut fisika keadaan padat. Ada bidang pengetahuan penting lainnya yang berhubungan dengan zat tersebut. Perubahan bentuk di bawah pengaruh dan gerakan eksternal disebut mekanika benda yang dapat dideformasi.
Karena sifat yang berbeda dari padatan, mereka telah menemukan aplikasi di berbagai perangkat teknis yang dibuat oleh manusia. Paling sering, penggunaannya didasarkan pada sifat-sifat seperti kekerasan, volume, massa, elastisitas, plastisitas, kerapuhan. Ilmu pengetahuan modern memungkinkan penggunaan kualitas lain dari padatan yang hanya dapat ditemukan di laboratorium.
Apa itu kristal
Kristal adalah benda padat dengan partikel yang tersusun dalam urutan tertentu. Setiap zat kimia memiliki strukturnya sendiri. Atom-atomnya membentuk susunan periodik tiga dimensi yang disebut kisi kristal. Padatan memiliki simetri struktural yang berbeda. Keadaan kristal dari padatan dianggap stabil karena memiliki jumlah energi potensial yang minimum.
Sebagian besar bahan padat (alami) terdiri dari sejumlah besar butir individu yang berorientasi acak (kristal). Zat semacam itu disebut polikristalin. Ini termasuk paduan teknis dan logam, serta banyak batuan. Monocrystalline mengacu pada kristal alami atau sintetis tunggal.
Paling sering, padatan seperti itu terbentuk dari fase cair, yang diwakili oleh lelehan atau larutan. Kadang-kadang mereka diperoleh dari keadaan gas. Proses ini disebut kristalisasi. Berkat kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi, prosedur untuk menumbuhkan (sintesis) berbagai zat telah mencapai skala industri. Kebanyakan kristal memiliki bentuk alami dalam bentuk biasapolihedra. Ukuran mereka sangat berbeda. Jadi, kuarsa alami (batu kristal) dapat memiliki berat hingga ratusan kilogram, dan berlian - hingga beberapa gram.
Dalam padatan amorf, atom berada dalam osilasi konstan di sekitar titik yang terletak secara acak. Mereka mempertahankan urutan jangka pendek tertentu, tetapi tidak ada urutan jangka panjang. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa molekul mereka terletak pada jarak yang dapat dibandingkan dengan ukurannya. Contoh paling umum dari benda padat seperti itu dalam hidup kita adalah keadaan kaca. Zat amorf sering dianggap sebagai cairan dengan viskositas yang sangat tinggi. Waktu kristalisasinya terkadang sangat lama sehingga tidak muncul sama sekali.
Ini adalah sifat-sifat di atas dari zat-zat ini yang membuatnya unik. Padatan amorf dianggap tidak stabil karena dapat menjadi kristal dari waktu ke waktu.
Molekul dan atom yang membentuk padatan dikemas dengan kepadatan tinggi. Mereka praktis mempertahankan posisi timbal balik mereka relatif terhadap partikel lain dan disatukan karena interaksi antarmolekul. Jarak antara molekul padatan dalam arah yang berbeda disebut parameter kisi. Struktur materi dan simetrinya menentukan banyak sifat, seperti pita elektron, pembelahan, dan optik. Ketika gaya yang cukup besar diterapkan pada benda padat, kualitas ini dapat dilanggar sampai tingkat tertentu. Dalam hal ini, benda padat mengalami deformasi permanen.
Atom padatan membuat gerakan osilasi, yang menentukan kepemilikan energi panasnya. Karena dapat diabaikan, mereka hanya dapat diamati dalam kondisi laboratorium. Struktur molekul padatan sangat mempengaruhi sifat-sifatnya.
Studi padatan
Fitur, sifat zat ini, kualitasnya, dan pergerakan partikel dipelajari oleh berbagai subbagian fisika keadaan padat.
Untuk penelitian ini digunakan: radiospektroskopi, analisis struktural menggunakan sinar-x dan metode lainnya. Ini adalah bagaimana sifat mekanik, fisik dan termal padatan dipelajari. Kekerasan, ketahanan beban, kekuatan tarik, transformasi fase dipelajari oleh ilmu material. Ini sebagian besar menggemakan fisika keadaan padat. Ada lagi ilmu pengetahuan modern yang penting. Studi tentang zat yang ada dan sintesis zat baru dilakukan oleh kimia keadaan padat.
Fitur benda padat
Sifat pergerakan elektron terluar dari atom padatan menentukan banyak propertinya, misalnya, listrik. Ada 5 kelas badan tersebut. Mereka diatur tergantung pada jenis ikatan atom:
- Ionic, karakteristik utamanya adalah gaya tarik-menarik elektrostatik. Ciri-cirinya: pemantulan dan penyerapan cahaya di daerah inframerah. Pada suhu rendah, ikatan ion ditandai dengan konduktivitas listrik yang rendah. Contoh zat tersebut adalah garam natrium dari asam klorida (NaCl).
- Kovalen,dilakukan oleh pasangan elektron yang dimiliki kedua atom. Ikatan semacam itu dibagi menjadi: tunggal (sederhana), ganda dan rangkap tiga. Nama-nama ini menunjukkan adanya pasangan elektron (1, 2, 3). Ikatan rangkap dua dan rangkap tiga disebut ikatan rangkap. Ada divisi lain dari grup ini. Jadi, tergantung pada distribusi kerapatan elektron, ikatan polar dan non-polar dibedakan. Yang pertama dibentuk oleh atom yang berbeda, dan yang kedua adalah sama. Benda padat seperti itu, contohnya adalah intan (C) dan silikon (Si), dibedakan berdasarkan kerapatannya. Kristal yang paling keras secara khusus dimiliki oleh ikatan kovalen.
- Logam, dibentuk dengan menggabungkan elektron valensi atom. Akibatnya, awan elektron umum muncul, yang dipindahkan di bawah pengaruh tegangan listrik. Ikatan logam terbentuk ketika atom yang terikat berukuran besar. Mereka mampu menyumbangkan elektron. Dalam banyak logam dan senyawa kompleks, ikatan ini membentuk zat padat. Contoh: natrium, barium, aluminium, tembaga, emas. Dari senyawa non-logam, berikut ini dapat dicatat: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Zat dengan ikatan logam (logam) memiliki sifat fisik yang beragam. Mereka bisa cair (Hg), lunak (Na, K), sangat keras (W, Nb).
- Molekuler, timbul dalam kristal, yang dibentuk oleh molekul individu suatu zat. Hal ini ditandai dengan kesenjangan antara molekul dengan kerapatan elektron nol. Kekuatan yang mengikat atom dalam kristal seperti itu signifikan. Molekul tertariksatu sama lain hanya dengan gaya tarik antarmolekul yang lemah. Itulah mengapa ikatan di antara mereka mudah hancur saat dipanaskan. Ikatan antar atom jauh lebih sulit untuk diputuskan. Ikatan molekul dibagi menjadi orientasional, dispersi dan induktif. Contoh zat tersebut adalah metana padat.
- Hidrogen, yang terjadi antara atom terpolarisasi positif dari suatu molekul atau bagiannya dan partikel terpolarisasi negatif terkecil dari molekul lain atau bagian lain. Ikatan ini termasuk es.
Sifat benda padat
Apa yang kita ketahui hari ini? Para ilmuwan telah lama mempelajari sifat-sifat benda padat. Saat terkena suhu, itu juga berubah. Transisi benda seperti itu menjadi cairan disebut mencair. Perubahan wujud benda padat menjadi gas disebut sublimasi. Ketika suhu diturunkan, kristalisasi padatan terjadi. Beberapa zat di bawah pengaruh dingin masuk ke fase amorf. Para ilmuwan menyebut proses ini vitrifikasi.
Selama transisi fase, struktur internal padatan berubah. Ia memperoleh urutan terbesar dengan penurunan suhu. Pada tekanan dan suhu atmosfer T > 0 K, zat apa pun yang ada di alam akan membeku. Hanya helium, yang membutuhkan tekanan 24 atm untuk mengkristal, merupakan pengecualian dari aturan ini.
Keadaan padat materi memberikan berbagai sifat fisik. Mereka mencirikan perilaku spesifik tubuhdi bawah pengaruh medan dan kekuatan tertentu. Properti ini dibagi menjadi beberapa kelompok. Ada 3 cara pemaparan, sesuai dengan 3 jenis energi (mekanik, termal, elektromagnetik). Dengan demikian, ada 3 kelompok sifat fisik padatan:
- Sifat mekanis yang terkait dengan stres dan ketegangan tubuh. Menurut kriteria ini, padatan dibagi menjadi elastis, reologi, kekuatan dan teknologi. Saat istirahat, tubuh seperti itu mempertahankan bentuknya, tetapi dapat berubah di bawah aksi kekuatan eksternal. Pada saat yang sama, deformasinya bisa plastis (bentuk awal tidak kembali), elastis (kembali ke bentuk semula) atau destruktif (ketika ambang batas tertentu tercapai, terjadi pembusukan / patah). Respon terhadap gaya yang diterapkan dijelaskan oleh modulus elastisitas. Benda padat tidak hanya menahan kompresi, peregangan, tetapi juga pergeseran, torsi, dan tekukan. Kekuatan benda padat adalah kemampuannya untuk menahan kehancuran.
- Thermal, dimanifestasikan saat terkena medan termal. Salah satu sifat yang paling penting adalah titik leleh di mana tubuh masuk ke keadaan cair. Hal ini diamati dalam padatan kristal. Benda amorf memiliki panas peleburan laten, karena transisinya ke keadaan cair dengan peningkatan suhu terjadi secara bertahap. Setelah mencapai panas tertentu, tubuh amorf kehilangan elastisitasnya dan memperoleh plastisitas. Keadaan ini berarti telah mencapai suhu transisi gelas. Ketika dipanaskan, deformasi padatan terjadi. Dan sebagian besar waktu itu berkembang. Secara kuantitatif ininegara dicirikan oleh koefisien tertentu. Suhu tubuh mempengaruhi sifat mekanik seperti fluiditas, keuletan, kekerasan dan kekuatan.
- Elektromagnetik, terkait dengan dampak pada zat padat dari aliran partikel mikro dan gelombang elektromagnetik dengan kekakuan tinggi. Sifat radiasi juga dirujuk secara kondisional.
Struktur zona
Padatan juga diklasifikasikan menurut apa yang disebut struktur pita. Jadi, di antara mereka mereka membedakan:
- Konduktor, dicirikan bahwa pita konduksi dan valensinya tumpang tindih. Dalam hal ini, elektron dapat bergerak di antara mereka, menerima energi paling sedikit. Semua logam adalah konduktor. Ketika perbedaan potensial diterapkan pada benda seperti itu, arus listrik terbentuk (karena pergerakan bebas elektron antara titik-titik dengan potensial terendah dan tertinggi).
- Dielektrik yang zonanya tidak tumpang tindih. Interval di antara mereka melebihi 4 eV. Banyak energi yang dibutuhkan untuk menghantarkan elektron dari valensi ke pita konduksi. Karena sifat-sifat ini, dielektrik praktis tidak menghantarkan arus.
- Semikonduktor ditandai dengan tidak adanya pita konduksi dan valensi. Interval antara mereka kurang dari 4 eV. Untuk mentransfer elektron dari valensi ke pita konduksi, energi yang dibutuhkan lebih sedikit daripada dielektrik. Semikonduktor murni (tanpa doping dan asli) tidak melewatkan arus dengan baik.
Pergerakan molekul dalam zat padat menentukan sifat elektromagnetiknya.
Lainnyaproperti
Benda padat juga dibagi menurut sifat magnetiknya. Ada tiga grup:
- Diamagnet, yang sifatnya sedikit bergantung pada suhu atau keadaan agregasi.
- Paramagnet dihasilkan dari orientasi elektron konduksi dan momen magnetik atom. Menurut hukum Curie, kerentanan mereka menurun sebanding dengan suhu. Jadi, pada 300 K adalah 10-5.
- Badan dengan struktur magnet teratur, dengan susunan atom jarak jauh. Di simpul kisinya, partikel dengan momen magnetik ditempatkan secara berkala. Zat padat dan zat tersebut sering digunakan dalam berbagai bidang aktivitas manusia.
Zat terkeras di alam
Apa itu? Kepadatan padatan sangat menentukan kekerasannya. Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah menemukan beberapa bahan yang mengklaim sebagai "tubuh paling tahan lama". Zat yang paling keras adalah fullerite (kristal dengan molekul fullerene), yaitu sekitar 1,5 kali lebih keras dari berlian. Sayangnya, saat ini hanya tersedia dalam jumlah yang sangat kecil.
Saat ini, zat terkeras yang dapat digunakan di masa depan dalam industri adalah lonsdaleite (berlian heksagonal). Ini 58% lebih keras dari berlian. Lonsdaleite adalah modifikasi alotropik karbon. Kisi kristalnya sangat mirip dengan berlian. Sebuah sel lonsdaleite mengandung 4 atom, sedangkan berlian mengandung 8. Dari kristal yang banyak digunakan, berlian tetap menjadi yang paling keras saat ini.
