Твердое тело – это состояние вещества, характеризуемое частицами, расположенными так, что их форма и объем относительно стабильны. Составные части твердого тела имеют тенденцию быть упакованы вместе гораздо ближе, чем частицы в газе или жидкости. Причина, по которой твердое тело имеет жесткую форму, заключается в том, что атомы или молекулы прочно связаны химическими связями. Склеивание может образовывать либо правильную решетку (как у льда, металлов и кристаллов), так и аморфную форму (как видно у стекла или аморфного углерода). Твердое тело является одним из четырех основных состояний материи, наряду с жидкостями, газами и плазмой.
Физика твердого тела и химия твердого тела – это два разделы науки, посвященные изучению свойств и синтезу твердых тел.
Примеры твердых тел
Материя с заданной формой и объем солидный. Есть много примеров:
- Кирпич
- Пенни
- Кусок дерева
- Кусок металлического алюминия (или любого металла при комнатной температуре, кроме ртути).
- Алмаз (и большинство других кристаллов)
Примеры того, не твердых тел, включают жидкую воду, воздух, жидкие кристаллы, газообразный водород и дым.
Классы твердых тел
Различные типы химических связей, которые соединяют частицы в твердых телах, создают характерные силы, которые можно использовать для классификации твердых тел. Ионные связи (например, в поваренной соли или NaCl) – это прочные связи, которые часто приводят к кристаллическим структурам, которые могут диссоциировать с образованием ионов в воде. Ковалентные связи (например, в сахаре или сахарозе) включают обмен валентными электронами. Электроны в металлах текут из-за металлических связей. Органические соединения часто содержат ковалентные связи и взаимодействия между отдельными частями молекулы из-за сил Ван-дер-Ваальса.
Основные классы твердых тел включают:
- Минералы: Минералы – это природные твердые вещества, образованные геологическими процессами. Минерал имеет однородную структуру. Примеры включают алмаз, соли и слюду.
- Металлы: твердые металлы включают элементы (например, серебро) и сплавы (например, сталь). Металлы обычно твердые, пластичные, податливые и отлично проводят тепло и электричество.
- Керамика: керамика – это твердое тело, состоящее из неорганических соединений, обычно оксидов. Керамика имеет тенденцию быть твердой, хрупкой и устойчивой к коррозии.
- Органические твердые вещества: органические твердые вещества включают полимеры, воск, пластмассы и дерево. Большинство этих твердых тел являются тепловыми и электрическими изоляторами. Обычно они имеют более низкие температуры плавления и кипения, чем металлы или керамика.
- Композиционные материалы: Композиционные материалы – это материалы, которые содержат две или более фаз. Примером может служить пластик, содержащий углеродные волокна. Эти материалы обладают свойствами, не наблюдаемыми в исходных компонентах.
- Полупроводники: полупроводниковые твердые тела имеют промежуточные электрические свойства между свойствами проводников и изоляторов.. Твердые вещества могут быть чистыми элементами, соединениями или легированными материалами. Примеры включают кремний и арсенид галлия.
- Наноматериалы: Наноматериалы представляют собой крошечные твердые частицы нанометрового размера. Эти твердые вещества могут иметь очень разные физические и химические свойства от крупномасштабных версий тех же материалов. Например, наночастицы золота имеют красный цвет и плавятся при более низкой температуре, чем металлическое золото.
- Биоматериалы : Биоматериалы – это натуральные материалы, такие как коллаген и кости, которые являются часто способна к самосборке.