Les substances solides sont celles qui sont capables de former des corps et qui ont du volume. Ils diffèrent des liquides et des gaz par leur forme. Les solides conservent la forme du corps car leurs particules ne peuvent pas se déplacer librement. Ils diffèrent par leur densité, leur plasticité, leur conductivité électrique et leur couleur. Ils ont aussi d'autres propriétés. Ainsi, par exemple, la plupart de ces substances fondent pendant le chauffage, acquérant un état d'agrégation liquide. Certains d'entre eux, lorsqu'ils sont chauffés, se transforment immédiatement en gaz (sublimation). Mais il y a aussi ceux qui se décomposent en d'autres substances.
Types de solides
Tous les solides sont divisés en deux groupes.
- Amorphe, dans lequel les particules individuelles sont disposées de manière aléatoire. En d'autres termes: ils n'ont pas de structure claire (définie). Ces solides sont capables de fondre dans une plage de température spécifiée. Les plus courants sont le verre et la résine.
- Cristallin, qui, à leur tour, sont divisés en 4 types: atomique, moléculaire, ionique, métallique. En eux, les particules ne sont situées que selon un certain schéma, à savoir aux nœuds du réseau cristallin. Sa géométrie dans différentes substances peut varier considérablement.
Les substances solides cristallines prévalent sur les amorphes dans leur nombre.
Types de solides cristallins
À l'état solide, presque toutes les substances ont une structure cristalline. Ils diffèrent par leur structure. Les réseaux cristallins dans leurs nœuds contiennent diverses particules et éléments chimiques. C'est en accord avec eux qu'ils ont obtenu leurs noms. Chaque type a des propriétés qui lui sont propres:
- Dans le réseau cristallin atomique, les particules d'un solide sont liées par une liaison covalente. Il se distingue par sa durabilité. Pour cette raison, ces substances ont un point de fusion et d'ébullition élevé. Ce type comprend le quartz et le diamant.
- Dans le réseau cristallin moléculaire, la liaison entre les particules se distingue par sa faiblesse. Les substances de ce type se caractérisent par leur facilité d'ébullition et de fusion. Ils sont volatils, ce qui leur confère une certaine odeur. Ces solides comprennent la glace et le sucre. Les mouvements des molécules dans les solides de ce type se distinguent par leur activité.
- Dans le réseau cristallin ionique aux nœuds, les particules correspondantes alternent, chargées positivement etnégatif. Ils sont maintenus ensemble par attraction électrostatique. Ce type de réseau existe dans les alcalis, les sels, les oxydes basiques. De nombreuses substances de ce type sont facilement solubles dans l'eau. En raison de la liaison assez forte entre les ions, ils sont réfractaires. Presque tous sont inodores, car ils se caractérisent par la non-volatilité. Les substances à réseau ionique sont incapables de conduire le courant électrique, car elles ne contiennent pas d'électrons libres. Un exemple typique de solide ionique est le sel de table. Un tel réseau cristallin le rend cassant. Cela est dû au fait que tout déplacement de celui-ci peut entraîner l'émergence de forces de répulsion des ions.
- Dans le réseau cristallin métallique aux nœuds, il n'y a que des ions chimiques chargés positivement. Entre eux, il y a des électrons libres à travers lesquels l'énergie thermique et électrique passe parfaitement. C'est pourquoi tous les métaux se distinguent par une caractéristique telle que la conductivité.
Concepts généraux d'un corps rigide
Les solides et les substances sont pratiquement la même chose. Ces termes font référence à l'un des 4 états d'agrégation. Les solides ont une forme stable et la nature du mouvement thermique des atomes. De plus, ces derniers font de petites oscillations près des positions d'équilibre. La branche de la science traitant de l'étude de la composition et de la structure interne s'appelle la physique du solide. Il existe d'autres domaines de connaissances importants traitant de ces substances. Le changement de forme sous des influences extérieures et le mouvement s'appelle la mécanique d'un corps déformable.
En raison des différentes propriétés des solides, ils ont trouvé une application dans divers dispositifs techniques créés par l'homme. Le plus souvent, leur utilisation était basée sur des propriétés telles que la dureté, le volume, la masse, l'élasticité, la plasticité, la fragilité. La science moderne permet l'utilisation d'autres qualités de solides qui ne peuvent être trouvées qu'en laboratoire.
Que sont les cristaux
Les cristaux sont des corps solides dont les particules sont disposées dans un certain ordre. Chaque substance chimique a sa propre structure. Ses atomes forment un arrangement tridimensionnel périodique appelé réseau cristallin. Les solides ont des symétries structurelles différentes. L'état cristallin d'un solide est considéré comme stable car il possède une quantité minimale d'énergie potentielle.
La grande majorité des matériaux solides (naturels) se compose d'un grand nombre de grains individuels orientés au hasard (cristallites). Ces substances sont appelées polycristallines. Il s'agit notamment d'alliages techniques et de métaux, ainsi que de nombreuses roches. Monocristallin fait référence à des cristaux simples naturels ou synthétiques.
Le plus souvent, ces solides sont formés à partir de l'état de la phase liquide, représentée par une masse fondue ou une solution. Parfois, ils sont obtenus à partir de l'état gazeux. Ce processus est appelé cristallisation. Grâce aux progrès scientifiques et technologiques, la procédure de culture (synthèse) de diverses substances a atteint une échelle industrielle. La plupart des cristaux ont une forme naturelle sous forme de cristaux régulierspolyèdres. Leurs tailles sont très différentes. Ainsi, le quartz naturel (cristal de roche) peut peser jusqu'à des centaines de kilogrammes, et les diamants jusqu'à plusieurs grammes.
Dans les solides amorphes, les atomes sont en constante oscillation autour de points situés au hasard. Ils conservent un certain ordre à courte portée, mais il n'y a pas d'ordre à longue portée. Cela est dû au fait que leurs molécules sont situées à une distance comparable à leur taille. L'exemple le plus courant d'un tel solide dans notre vie est l'état vitreux. Les substances amorphes sont souvent considérées comme un liquide avec une viscosité infiniment élevée. Le temps de leur cristallisation est parfois si long qu'il n'apparaît pas du tout.
Ce sont les propriétés ci-dessus de ces substances qui les rendent uniques. Les solides amorphes sont considérés comme instables car ils peuvent devenir cristallins avec le temps.
Les molécules et les atomes qui composent un solide sont emballés à haute densité. Ils conservent pratiquement leur position mutuelle par rapport aux autres particules et sont maintenus ensemble en raison de l'interaction intermoléculaire. La distance entre les molécules d'un solide dans différentes directions est appelée paramètre de réseau. La structure de la matière et sa symétrie déterminent de nombreuses propriétés, telles que la bande électronique, le clivage et l'optique. Lorsqu'une force suffisamment grande est appliquée à un solide, ces qualités peuvent être violées à un degré ou à un autre. Dans ce cas, le corps solide est soumis à une déformation permanente.
Les atomes de solides effectuent des mouvements oscillatoires, qui déterminent leur possession d'énergie thermique. Comme ils sont négligeables, ils ne peuvent être observés que dans des conditions de laboratoire. La structure moléculaire d'un solide affecte grandement ses propriétés.
Étude des solides
Les caractéristiques, les propriétés de ces substances, leurs qualités et le mouvement des particules sont étudiés par diverses sous-sections de la physique du solide.
Pour l'étude sont utilisés: la radiospectroscopie, l'analyse structurelle à l'aide de rayons X et d'autres méthodes. C'est ainsi que sont étudiées les propriétés mécaniques, physiques et thermiques des solides. La dureté, la résistance à la charge, la résistance à la traction, les transformations de phase sont étudiées par la science des matériaux. Il fait largement écho à la physique du solide. Il existe une autre science moderne importante. L'étude des substances existantes et la synthèse de nouvelles substances sont réalisées par la chimie du solide.
Caractéristiques des solides
La nature du mouvement des électrons externes des atomes d'un solide détermine nombre de ses propriétés, par exemple électriques. Il existe 5 classes de tels organismes. Ils sont définis en fonction du type de liaison atomique:
- Ionic, dont la principale caractéristique est la force d'attraction électrostatique. Ses caractéristiques: réflexion et absorption de la lumière dans le domaine infrarouge. A basse température, la liaison ionique se caractérise par une faible conductivité électrique. Un exemple d'une telle substance est le sel de sodium de l'acide chlorhydrique (NaCl).
- Covalent,effectué par une paire d'électrons qui appartient aux deux atomes. Une telle liaison est divisée en: simple (simple), double et triple. Ces noms indiquent la présence de paires d'électrons (1, 2, 3). Les doubles et triples liaisons sont appelées liaisons multiples. Il existe une autre division de ce groupe. Ainsi, en fonction de la distribution de la densité électronique, les liaisons polaires et non polaires sont distinguées. Le premier est formé d'atomes différents et le second est le même. Un tel état solide de la matière, dont des exemples sont le diamant (C) et le silicium (Si), se distingue par sa densité. Les cristaux les plus durs appartiennent spécifiquement à la liaison covalente.
- Métallique, formé en combinant les électrons de valence des atomes. En conséquence, un nuage d'électrons commun apparaît, qui se déplace sous l'influence de la tension électrique. Une liaison métallique se forme lorsque les atomes liés sont grands. Ils sont capables de donner des électrons. Dans de nombreux métaux et composés complexes, cette liaison forme un état solide de la matière. Exemples: sodium, baryum, aluminium, cuivre, or. Parmi les composés non métalliques, on peut noter: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Les substances avec une liaison métallique (métaux) sont diverses dans leurs propriétés physiques. Ils peuvent être liquides (Hg), mous (Na, K), très durs (W, Nb).
- Moléculaire, apparaissant dans les cristaux, qui sont formés par les molécules individuelles d'une substance. Il se caractérise par des écarts entre les molécules de densité électronique nulle. Les forces qui lient les atomes dans de tels cristaux sont importantes. Les molécules sont attiréesles uns aux autres que par une faible attraction intermoléculaire. C'est pourquoi les liens entre eux sont facilement détruits lorsqu'ils sont chauffés. Les liaisons entre atomes sont beaucoup plus difficiles à rompre. La liaison moléculaire est subdivisée en orientationnelle, dispersion et inductive. Un exemple d'une telle substance est le méthane solide.
- L'hydrogène, qui se produit entre les atomes polarisés positivement d'une molécule ou de sa partie et la plus petite particule polarisée négativement d'une autre molécule ou d'une autre partie. Ces liens incluent la glace.
Propriétés des solides
Que savons-nous aujourd'hui ? Les scientifiques ont longtemps étudié les propriétés de l'état solide de la matière. Lorsqu'il est exposé à la température, il change également. La transition d'un tel corps dans un liquide s'appelle la fusion. La transformation d'un solide en un état gazeux s'appelle la sublimation. Lorsque la température est abaissée, la cristallisation du solide se produit. Certaines substances sous l'influence du froid passent dans la phase amorphe. Les scientifiques appellent ce processus la vitrification.
Pendant les transitions de phase, la structure interne des solides change. Il acquiert le plus grand ordre avec une température décroissante. À la pression atmosphérique et à la température T > 0 K, toutes les substances existantes dans la nature se solidifient. Seul l'hélium, qui nécessite une pression de 24 atm pour cristalliser, fait exception à cette règle.
L'état solide de la matière lui confère diverses propriétés physiques. Ils caractérisent le comportement spécifique des corpssous l'influence de certains champs et forces. Ces propriétés sont divisées en groupes. Il existe 3 voies d'exposition, correspondant à 3 types d'énergie (mécanique, thermique, électromagnétique). En conséquence, il existe 3 groupes de propriétés physiques des solides:
- Propriétés mécaniques associées au stress et à la déformation des corps. Selon ces critères, les solides sont divisés en élastiques, rhéologiques, résistants et technologiques. Au repos, un tel corps conserve sa forme, mais il peut changer sous l'action d'une force extérieure. Dans le même temps, sa déformation peut être plastique (la forme initiale ne revient pas), élastique (revient à sa forme d'origine) ou destructrice (lorsqu'un certain seuil est atteint, une carie / rupture se produit). La réponse à la force appliquée est décrite par les modules d'élasticité. Un corps solide résiste non seulement à la compression, à l'étirement, mais aussi aux déplacements, à la torsion et à la flexion. La force d'un corps solide est sa propriété de résister à la destruction.
- Thermique, se manifestant lorsqu'il est exposé à des champs thermiques. L'une des propriétés les plus importantes est le point de fusion auquel le corps passe à l'état liquide. On l'observe dans les solides cristallins. Les corps amorphes ont une chaleur latente de fusion, car leur passage à l'état liquide avec l'augmentation de la température se produit progressivement. En atteignant une certaine chaleur, le corps amorphe perd son élasticité et acquiert de la plasticité. Cet état signifie qu'il a atteint la température de transition vitreuse. Lorsqu'il est chauffé, la déformation du solide se produit. Et la plupart du temps, il se dilate. Quantitativement celal'état est caractérisé par un certain coefficient. La température corporelle affecte les propriétés mécaniques telles que la fluidité, la ductilité, la dureté et la résistance.
- Électromagnétique, associée à l'impact sur une substance solide de flux de microparticules et d'ondes électromagnétiques de grande rigidité. Les propriétés de rayonnement leur sont également conditionnellement référées.
Structure des zones
Les solides sont également classés selon la structure dite des bandes. Ainsi, parmi eux, ils distinguent:
- Conducteurs, caractérisés en ce que leurs bandes de conduction et de valence se chevauchent. Dans ce cas, les électrons peuvent se déplacer entre eux, recevant la moindre énergie. Tous les métaux sont conducteurs. Lorsqu'une différence de potentiel est appliquée à un tel corps, un courant électrique se forme (en raison de la libre circulation des électrons entre les points de potentiel le plus bas et le plus élevé).
- Diélectriques dont les zones ne se chevauchent pas. L'intervalle entre eux dépasse 4 eV. Il faut beaucoup d'énergie pour conduire les électrons de la valence à la bande de conduction. En raison de ces propriétés, les diélectriques ne conduisent pratiquement pas de courant.
- Semi-conducteurs caractérisés par l'absence de bandes de conduction et de valence. L'intervalle entre eux est inférieur à 4 eV. Pour transférer des électrons de la valence à la bande de conduction, il faut moins d'énergie que pour les diélectriques. Les semi-conducteurs purs (non dopés et natifs) ne passent pas bien le courant.
Les mouvements des molécules dans les solides déterminent leurs propriétés électromagnétiques.
Autrepropriétés
Les corps solides sont également subdivisés en fonction de leurs propriétés magnétiques. Il y a trois groupes:
- Diamants dont les propriétés dépendent peu de la température ou de l'état d'agrégation.
- Paramagnétiques résultant de l'orientation des électrons de conduction et des moments magnétiques des atomes. Selon la loi de Curie, leur susceptibilité diminue proportionnellement à la température. Donc, à 300 K, c'est 10-5.
- Corps avec une structure magnétique ordonnée, avec un ordre d'atomes à longue portée. Aux nœuds de leur réseau, des particules à moments magnétiques sont localisées périodiquement. Ces solides et substances sont souvent utilisés dans divers domaines de l'activité humaine.
Les substances les plus dures de la nature
Quels sont-ils ? La densité des solides détermine en grande partie leur dureté. Ces dernières années, les scientifiques ont découvert plusieurs matériaux qui prétendent être le "corps le plus durable". La substance la plus dure est la fullerite (un cristal avec des molécules de fullerène), qui est environ 1,5 fois plus dure que le diamant. Malheureusement, il n'est actuellement disponible qu'en très petites quantités.
Aujourd'hui, la substance la plus dure qui pourra être utilisée à l'avenir dans l'industrie est la lonsdaleite (diamant hexagonal). Il est 58% plus dur que le diamant. La lonsdaleite est une modification allotropique du carbone. Son réseau cristallin est très similaire au diamant. Une cellule de lonsdaleite contient 4 atomes, tandis qu'un diamant en contient 8. Parmi les cristaux largement utilisés, le diamant reste le plus dur aujourd'hui.
