Твърдо вещество: дефиниция, свойства, видове и примери

Твърдото вещество е едно от трите най-разпространени състояния на материята. Молекулите (или атомите/йоните) в твърдите тела са тясно свързани помежду си и имат ограничено движение — основно могат да вибрират около фиксирани равновесни позиции. Това означава, че твърдите тела имат определена форма и обем, които се променят само при прилагане на външна сила или при промяна на температура и налягане. Това се различава от течностите и газовете, чиито частици се движат по-свободно и могат да текат — процес, наречен течение.

Когато твърдо тяло се превръща в течност, този процес се нарича топене; обратният процес, когато течността преминава в твърдо, е замразяване (втвърдяване). Някои твърди вещества, като сухия лед (техничен въглероден диоксид), могат да се превърнат директно в газ, без да преминават през течно състояние — това явление се нарича сублимация (и обратният процес е депозиция или кондензация върху повърхност).

Основни свойства на твърдите вещества

Форма и обем: Твърдите тела запазват форма и обем при нормални условия.
Плътност: Обикновено твърдите вещества имат по-голяма плътност от течностите и газовете, защото частиците са по-близо една до друга.
Механични свойства: включват твърдост, здравина, еластичност, пластичност, крехкост и якост на опън/натиск. Някои материали са ковки и пластични (метали), други са крехки (керамика, стъкло).
Топлопроводимост: Металите обикновено са добри проводници на топлина, докато много полимери и стъкла са по-лоши проводници.
Електропроводимост: Някои твърди вещества (метали) са добри електропроводници; други са изолатори (повечето керамики, стъкла) или полупроводници (силициевите кристали).
Анизотропия: Някои кристални твърди вещества имат свойства, зависещи от посоката в кристалната решетка (анизотропни), докато аморфните са изотропни.
Топлинно разширение и точка на топене: Всеки материал има характерна точка на топене и коефициент на термично разширение.
Кристална структура и дефекти: В кристалните твърди вещества атомите/йоните подреждат в повтаряща се решетка; дефекти в решетката (вакансии, примеси, граници на зърна) влияят силно върху свойствата.

Класификация и видове твърди вещества

Кристални твърди вещества: имат подредена, периодична структура (пример: металите, солите, диамант, кварц). Характерни са ясни топене и дефинирани кристални равнини.
Аморфни твърди вещества: нямат дългосрочна периодичност в подредбата на частиците (пример: обикновеното стъкло, някои пластмаси). Те нямат точна температура на топене, а омекват постепенно.
Ионни твърди вещества: съставени от йони, свързани чрез йонни връзки (например натриев хлорид). Обикновено са твърди, крехки и имат високи точки на топене.
Ковърни мрежови (ковалентни мрежи): материалите като диамант и кварц, където атомите са свързани чрез силни ковалентни връзки в мрежа; те са изключително твърди и имат високи точки на топене.
Метални твърди вещества: атомите са свързани чрез метални връзки; металите са проводници на електричество и топлина, ковки и пластични.
Молекулни твърди вещества: изградени от отделни молекули, свързани чрез слаби взаимодействия (напр. восък, сух лед); обикновено имат по-ниски точки на топене.
Полимери и биоматериали: синтетични и естествени макромолекули с разнообразни механични и топлинни свойства (пластмаси, каучук, протеинови структури).

Примери и практическо значение

Метали: желязо, мед, алуминий — използвани в конструкции, електропроводни връзки, машиностроене.
Керамика и стъкло: фаянс, керамични покрития, стъкло — устойчиви на корозия и високи температури, но често крехки.
Кристални минерали: диамант (крайна твърдост), кварц (електрична и химическа устойчивост).
Полимери: полиетилен, полипропилен — леки материали с добра химическа устойчивост и разнообразни приложения.
Ионни твърди: кухненска сол — подредена йонна структура, използва се и в промишлени процеси.
Аморфни твърди: стъкло, някои пластмаси — прозрачни или оптически специфични материали за оптика и опаковки.
Специални твърди: полупроводници (силиций) — основа на електрониката и микрочиповете.

Фазови преходи и енергия

Преходите между твърдо, течно и газообразно състояние изискват енергия — например при топене материалът поема топлина (латентна топлина на топене). При замразяване тази енергия се отделя обратно. Температурата на топене зависи от вида на връзките между частиците и външните условия (налягане). При сублимация твърдото вещество преминава директно в газ, като също се изисква енергия за преодоляване на взаимодействията между частиците.

Разбирайки видовете твърди вещества, тяхната структура и свойства, можем да избираме подходящи материали за конкретни приложения — от строителство и електроника до медицински импланти и оптични устройства.

Схема на разположението на молекулите в твърдо тяло.

Видове твърди тела

Силите между атомите в твърдото тяло могат да приемат различни форми. Например кристалът на натриевия хлорид (готварска сол) е съставен от йонни натрий и хлор, които се държат заедно чрез йонни връзки. В диаманта или силиция атомите споделят електрони и създават ковалентни връзки. При металите електроните се споделят в металните връзки. Някои твърди вещества, като повечето органични съединения, се държат заедно със "силите на Ван дер Ваалс", идващи от поляризацията на електронния облак от заряди на всяка молекула. Различията между видовете твърди вещества идват от разликите между техните връзки.

Метали

Повечето метали са здрави, плътни и добри проводници на електричество и топлина. Масата от елементите в периодичната таблица, тези вляво от диагоналната линия, прекарана от бор до полоний, са метали. Смесите от два или повече елемента, в които големият компонент е метал, са известни като сплави.

Хората са използвали метали за различни цели още от праисторически времена. Здравината и надеждността на металите са довели до широкото им използване в производството на сгради и други вещи, както и в повечето превозни средства, много инструменти, тръби, пътни знаци и железопътни релси. Желязото и алуминият са двата най-често използвани метала. Те са и най-разпространените метали в земната кора. Желязото най-често се използва под формата на сплав - стомана, която съдържа до 2,1 % въглерод, което я прави много по-твърда от чистото желязо.

Тъй като металите са добри проводници на електричество, те са ценни в електрическите инструменти и за пренасяне на електрически ток на дълги разстояния с малки загуби на енергия. Поради тази причина електрическите мрежи разчитат на метални кабели за получаване на електроенергия. Домашните електрически системи например се окабеляват с мед заради добрите ѝ проводникови качества. Високата топлопроводимост на повечето метали ги прави полезни и за съдове за готвене на котлони.

Минерали

Минералите са естествени твърди вещества, образувани в резултат на много геоложки процеси при високо налягане. За да се счита за истински минерал, веществото трябва да има кристална структура с еднакви физични свойства. Минералите се различават по състав - от чисти елементи и прости соли до много сложни силикати с хиляди известни форми. За разлика от тях скалната проба е случаен агрегат от минерали и/или минералоиди и няма специфичен химичен състав. В повечето скали на земната кора има кварц (кристален SiO₂ ), фелдшпат, слюда, хлорит, каолин, калцит, епидот, оливин, аугит, рогбенда, магнетит, хематит, лимонит и няколко други минерала. Някои минерали, като кварц, слюда или фелдшпат, са често срещани, докато други са открити само на няколко места в света. Най-голямата група минерали безспорно са силикатите (повечето скали са ≥95% силикати), които са изградени предимно от силиций и кислород, също с йони на алуминий, магнезий, желязо, калций и други метали.

Върхът на сградата Крайслер в Ню Йорк, най-високата тухлена сграда в света със стоманена конструкция.

Колекция от различни минерали.