Bərk maddələr cisim əmələ gətirə bilən və həcmi olan maddələrdir. Onlar maye və qazlardan öz formalarına görə fərqlənirlər. Bərk cisimlər hissəcikləri sərbəst hərəkət edə bilmədiyi üçün bədənin formasını saxlayır. Onlar sıxlığı, plastikliyi, elektrik keçiriciliyi və rəngi ilə fərqlənirlər. Onların başqa xüsusiyyətləri də var. Beləliklə, məsələn, bu maddələrin əksəriyyəti qızdırma zamanı əriyir, maye birləşmə vəziyyəti əldə edir. Onların bəziləri qızdırıldıqda dərhal qaza (sublimata) çevrilir. Lakin başqa maddələrə parçalananlar da var.
Bərk maddələrin növləri
Bütün bərk cisimlər iki qrupa bölünür.
- Amorf, burada ayrı-ayrı hissəciklər təsadüfi düzülür. Başqa sözlə: onların aydın (müəyyən edilmiş) strukturu yoxdur. Bu bərk maddələr müəyyən edilmiş temperatur intervalında əriməyə qadirdir. Bunlardan ən çox yayılmışları şüşə və qatrandır.
- Kristal, öz növbəsində 4 növə bölünür: atomik, molekulyar, ionik, metal. Onlarda hissəciklər yalnız müəyyən bir naxışa görə, yəni kristal şəbəkənin düyünlərində yerləşir. Müxtəlif maddələrdə onun həndəsəsi çox fərqli ola bilər.
Bərk kristal maddələr öz saylarına görə amorf maddələrdən üstündür.
Kristal bərk maddələrin növləri
Bərk vəziyyətdə demək olar ki, bütün maddələr kristal quruluşa malikdir. Onlar strukturlarına görə fərqlənirlər. Düyünlərindəki kristal qəfəslər müxtəlif hissəciklər və kimyəvi elementlərdən ibarətdir. Onlara uyğun olaraq adlarını alıblar. Hər növün özünəməxsus xüsusiyyətləri var:
- Atom kristal qəfəsində bərk cismin hissəcikləri kovalent bağla bağlanır. Davamlılığı ilə seçilir. Bunun sayəsində belə maddələr yüksək ərimə və qaynama nöqtəsinə malikdir. Bu növə kvars və almaz daxildir.
- Molekulyar kristal qəfəsdə hissəciklər arasındakı əlaqə zəifliyi ilə seçilir. Bu tip maddələr qaynama və ərimə asanlığı ilə xarakterizə olunur. Onlar uçucudur, buna görə müəyyən bir qoxuya malikdirlər. Bu bərk maddələrə buz və şəkər daxildir. Bu tip bərk cisimlərdə molekulların hərəkətləri aktivliyi ilə seçilir.
- Düyünlərdəki ion kristal şəbəkəsində müvafiq hissəciklər bir-birini əvəz edir, müsbət yüklü vəmənfi. Onlar elektrostatik cazibə ilə bir yerdə tutulur. Bu tip qəfəs qələvilərdə, duzlarda, əsas oksidlərdə mövcuddur. Bu tip bir çox maddələr suda asanlıqla həll olunur. İonlar arasında kifayət qədər güclü bağ olduğuna görə onlar odadavamlıdırlar. Demək olar ki, hamısı qoxusuzdur, çünki qeyri-uçuculuq ilə xarakterizə olunur. İon qəfəsi olan maddələr elektrik cərəyanını keçirə bilmirlər, çünki onların tərkibində sərbəst elektronlar yoxdur. İon bərk cismin tipik nümunəsi süfrə duzudur. Belə bir kristal qəfəs onu kövrək edir. Bu onunla bağlıdır ki, onun hər hansı yerdəyişməsi ion itələmə qüvvələrinin yaranmasına səbəb ola bilər.
- Düyünlərdəki metal kristal qəfəsdə yalnız müsbət yüklü kimyəvi ionlar var. Onların arasında istilik və elektrik enerjisinin mükəmməl keçdiyi sərbəst elektronlar var. Məhz buna görə də istənilən metal keçiricilik kimi xüsusiyyəti ilə seçilir.
Sərt cismin ümumi anlayışları
Bərk maddələr və maddələr praktiki olaraq eyni şeydir. Bu terminlər 4 aqreqasiya vəziyyətindən birinə aiddir. Bərk maddələr sabit bir forma və atomların istilik hərəkətinin təbiətinə malikdir. Üstəlik, sonuncular tarazlıq mövqelərinin yaxınlığında kiçik salınımlar edir. Tərkibini və daxili quruluşunu öyrənən elm sahəsi bərk cisim fizikası adlanır. Bu cür maddələrlə bağlı digər mühüm bilik sahələri də var. Xarici təsirlər və hərəkətlər altında formanın dəyişməsi deformasiyaya uğrayan cismin mexanikası adlanır.
Bərk cisimlərin müxtəlif xüsusiyyətlərinə görə onlar insan tərəfindən yaradılmış müxtəlif texniki cihazlarda tətbiq tapmışlar. Çox vaxt onların istifadəsi sərtlik, həcm, kütlə, elastiklik, plastiklik, kövrəklik kimi xüsusiyyətlərə əsaslanırdı. Müasir elm bərk maddələrin yalnız laboratoriyada tapıla bilən digər keyfiyyətlərindən istifadə etməyə imkan verir.
Kristallar nədir
Kristallar müəyyən ardıcıllıqla düzülmüş hissəcikləri olan bərk cisimlərdir. Hər bir kimyəvi maddənin öz quruluşu var. Onun atomları kristal qəfəs adlanan üçölçülü dövri düzülüş əmələ gətirir. Bərk cisimlər müxtəlif struktur simmetriyalarına malikdir. Bərk cismin kristal vəziyyəti sabit hesab olunur, çünki onun minimum potensial enerjisi var.
Bərk materialların (təbii) böyük əksəriyyəti çoxlu sayda təsadüfi yönümlü fərdi taxıllardan (kristalitlərdən) ibarətdir. Belə maddələrə polikristal deyilir. Bunlara texniki ərintilər və metallar, həmçinin bir çox süxurlar daxildir. Monokristal tək təbii və ya sintetik kristallara aiddir.
Çox vaxt belə bərk cisimlər ərimə və ya məhlulla təmsil olunan maye faza vəziyyətindən əmələ gəlir. Bəzən onlar qaz halında əldə edilir. Bu proses kristallaşma adlanır. Elmi-texniki tərəqqi sayəsində müxtəlif maddələrin yetişdirilməsi (sintezi) proseduru sənaye miqyası almışdır. Ən çox kristallar müntəzəm şəklində təbii bir forma malikdirçoxüzlü. Onların ölçüləri çox fərqlidir. Beləliklə, təbii kvars (rok kristal) yüzlərlə kiloqrama, almaz isə bir neçə qrama qədər çəkə bilər.
Amorf bərk cisimlərdə atomlar təsadüfi yerləşmiş nöqtələr ətrafında daimi rəqsdə olurlar. Onlar müəyyən bir qısa mənzilli sifarişi saxlayırlar, lakin uzunmüddətli sıra yoxdur. Bu, onların molekullarının ölçüləri ilə müqayisə oluna biləcək məsafədə yerləşməsi ilə əlaqədardır. Həyatımızda belə bir bərk maddənin ən çox yayılmış nümunəsi şüşəli vəziyyətdir. Amorf maddələr çox vaxt sonsuz yüksək özlülüklü maye kimi qəbul edilir. Onların kristallaşma vaxtı bəzən o qədər uzun olur ki, heç görünmür.
Bu maddələrin yuxarıdakı xüsusiyyətləri onları unikal edir. Amorf bərk maddələr qeyri-sabit sayılır, çünki onlar zamanla kristallaşa bilər.
Bərk cismi təşkil edən molekullar və atomlar yüksək sıxlıqda yığılmışdır. Onlar praktiki olaraq digər hissəciklərə nisbətən qarşılıqlı mövqelərini saxlayırlar və molekullararası qarşılıqlı təsir sayəsində bir yerdə saxlanılırlar. Bərk cismin molekulları arasında müxtəlif istiqamətlərdə olan məsafə qəfəs parametri adlanır. Maddənin quruluşu və onun simmetriyası elektron zolağı, parçalanma və optika kimi bir çox xüsusiyyətləri müəyyən edir. Bərk cismə kifayət qədər böyük qüvvə tətbiq edildikdə, bu keyfiyyətlər bu və ya digər dərəcədə pozula bilər. Bu halda bərk cisim daimi deformasiyaya məruz qalır.
Bərk cisimlərin atomları onların istilik enerjisinə malik olmasını təyin edən salınım hərəkətləri edir. Onlar əhəmiyyətsiz olduğundan, yalnız laboratoriya şəraitində müşahidə edilə bilər. Bərk maddənin molekulyar quruluşu onun xassələrinə böyük təsir göstərir.
Bərk cisimlərin tədqiqi
Bu maddələrin xüsusiyyətləri, xassələri, keyfiyyətləri və hissəciklərin hərəkəti bərk cisim fizikasının müxtəlif bölmələri tərəfindən öyrənilir.
Tədqiqat üçün istifadə olunur: radiospektroskopiya, rentgen şüalarından istifadə edərək struktur analizi və digər üsullar. Bərk cisimlərin mexaniki, fiziki və istilik xassələri belə öyrənilir. Sərtlik, yük müqaviməti, dartılma gücü, faza çevrilmələri materialşünaslıq tərəfindən öyrənilir. Əsasən bərk cisim fizikasını əks etdirir. Başqa bir mühüm müasir elm var. Mövcud maddələrin öyrənilməsi və yeni maddələrin sintezi bərk cisim kimyası ilə həyata keçirilir.
Bərk maddələrin xüsusiyyətləri
Bərk cismin atomlarının xarici elektronlarının hərəkətinin təbiəti onun bir çox xassələrini, məsələn, elektriki müəyyən edir. Belə orqanların 5 sinfi var. Onlar atom bağının növündən asılı olaraq təyin edilir:
- İonik, onun əsas xüsusiyyəti elektrostatik cazibə qüvvəsidir. Onun xüsusiyyətləri: infraqırmızı bölgədə işığın əks olunması və udulması. Aşağı temperaturda ion bağı aşağı elektrik keçiriciliyi ilə xarakterizə olunur. Belə bir maddəyə misal olaraq xlorid turşusunun (NaCl) natrium duzunu göstərmək olar.
- Kovalent,hər iki atoma aid elektron cütü tərəfindən həyata keçirilir. Belə bir bağ bölünür: tək (sadə), ikiqat və üçlü. Bu adlar elektron cütlərinin (1, 2, 3) varlığını göstərir. İkiqat və üçlü istiqrazlara çoxlu istiqrazlar deyilir. Bu qrupun başqa bir bölməsi var. Beləliklə, elektron sıxlığının paylanmasından asılı olaraq qütblü və qeyri-qütblü rabitələr fərqlənir. Birincisi müxtəlif atomlar tərəfindən əmələ gəlir, ikincisi isə eynidir. Nümunələri almaz (C) və silisium (Si) olan maddənin belə bərk vəziyyəti öz sıxlığı ilə seçilir. Ən sərt kristallar xüsusi olaraq kovalent bağa aiddir.
- Metalik, atomların valent elektronlarının birləşməsindən əmələ gəlir. Nəticədə, elektrik gərginliyinin təsiri altında yerdəyişən ümumi elektron buludu meydana çıxır. Bağlanmış atomlar böyük olduqda metal bağ yaranır. Onlar elektronları bağışlamağa qadirdirlər. Bir çox metallarda və mürəkkəb birləşmələrdə bu əlaqə maddənin bərk vəziyyətini əmələ gətirir. Nümunələr: natrium, barium, alüminium, mis, qızıl. Qeyri-metal birləşmələrdən aşağıdakıları qeyd etmək olar: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 Zn 8. Metal rabitəsi olan maddələr (metallar) fiziki xassələrinə görə müxtəlifdir. Onlar maye (Hg), yumşaq (Na, K), çox sərt (W, Nb) ola bilər.
- Bir maddənin ayrı-ayrı molekulları tərəfindən əmələ gələn kristallarda əmələ gələn molekulyar. Sıfır elektron sıxlığı olan molekullar arasında boşluqlar ilə xarakterizə olunur. Belə kristallarda atomları bağlayan qüvvələr əhəmiyyətlidir. Molekullar cəlb olunurbir-birinə yalnız zəif molekullararası cazibə ilə. Buna görə də aralarındakı bağlar qızdırıldıqda asanlıqla məhv olur. Atomlar arasındakı bağları qırmaq daha çətindir. Molekulyar əlaqə oriyentasiya, dispersiya və induktiv olaraq bölünür. Belə bir maddənin nümunəsi bərk metandır.
- Bir molekulun və ya onun hissəsinin müsbət qütbləşmiş atomları ilə digər molekulun və ya digər hissənin ən kiçik mənfi qütbləşmiş hissəciyi arasında meydana gələn hidrogen. Bu bağlara buz daxildir.
Bərk cisimlərin xassələri
Bu gün nə bilirik? Alimlər uzun müddətdir maddənin bərk halının xüsusiyyətlərini tədqiq ediblər. Temperaturun təsirinə məruz qaldıqda, o da dəyişir. Belə bir cismin maye halına keçməsinə ərimə deyilir. Bərk cismin qaz halına çevrilməsinə sublimasiya deyilir. Temperatur aşağı salındıqda, bərk maddənin kristallaşması baş verir. Soyuqun təsiri altında olan bəzi maddələr amorf fazaya keçir. Alimlər bu prosesi vitrifikasiya adlandırırlar.
Faza keçidləri zamanı bərk cisimlərin daxili strukturu dəyişir. Temperaturun azalması ilə ən böyük nizamı əldə edir. Atmosfer təzyiqində və T > 0 K temperaturda təbiətdə mövcud olan hər hansı maddələr bərkiyir. Yalnız kristallaşmaq üçün 24 atm təzyiq tələb edən helium bu qayda üçün istisnadır.
Maddənin bərk halı ona müxtəlif fiziki xassələr verir. Bədənlərin spesifik davranışını xarakterizə edirlərmüəyyən sahələrin və qüvvələrin təsiri altında. Bu xüsusiyyətlər qruplara bölünür. 3 enerji növünə (mexaniki, istilik, elektromaqnit) uyğun gələn 3 təsir üsulu var. Buna görə bərk cisimlərin 3 fiziki xassə qrupu var:
- Bədənlərin gərginliyi və gərginliyi ilə əlaqəli mexaniki xüsusiyyətlər. Bu meyarlara görə bərk cisimlər elastik, reoloji, möhkəmlik və texnoloji olaraq bölünür. İstirahətdə belə bir cisim öz formasını saxlayır, lakin xarici qüvvənin təsiri altında dəyişə bilər. Eyni zamanda, onun deformasiyası plastik (ilkin forma qayıtmır), elastik (orijinal formasına qayıdır) və ya dağıdıcı ola bilər (müəyyən bir həddə çatdıqda, çürümə / qırılma baş verir). Tətbiq olunan qüvvəyə reaksiya elastiklik modulları ilə təsvir olunur. Möhkəm bir bədən yalnız sıxılmaya, uzanmağa deyil, həm də sürüşməyə, burulmağa və əyilməyə müqavimət göstərir. Möhkəm bir cismin gücü onun məhvə tab gətirmək xüsusiyyətidir.
- Termal, istilik sahələrinə məruz qaldıqda özünü göstərir. Ən vacib xüsusiyyətlərdən biri bədənin maye vəziyyətinə keçdiyi ərimə nöqtəsidir. Kristal bərk cisimlərdə müşahidə olunur. Amorf cisimlər gizli birləşmə istiliyinə malikdirlər, çünki temperaturun artması ilə onların maye vəziyyətinə keçidi tədricən baş verir. Müəyyən istiliyə çatdıqda amorf cisim elastikliyini itirir və plastiklik əldə edir. Bu vəziyyət onun şüşə keçid temperaturuna çatması deməkdir. Qızdırıldıqda bərk cismin deformasiyası baş verir. Və çox vaxt genişlənir. Kəmiyyətcə budövlət müəyyən əmsalla xarakterizə olunur. Bədən istiliyi axıcılıq, çeviklik, sərtlik və möhkəmlik kimi mexaniki xüsusiyyətlərə təsir edir.
- Elektromaqnit, mikrohissəciklərin axınlarının və yüksək sərtliyə malik elektromaqnit dalğalarının bərk maddəyə təsiri ilə bağlıdır. Radiasiya xassələri də şərti olaraq onlara aid edilir.
Zona strukturu
Bərk cisimlər həmçinin zolaq quruluşu adlanan quruluşa görə təsnif edilir. Beləliklə, onların arasında fərqləndirirlər:
- Keçiricilər, onların keçiricilik və valentlik zolaqlarının üst-üstə düşməsi ilə xarakterizə olunur. Bu vəziyyətdə elektronlar ən kiçik enerji alaraq onların arasında hərəkət edə bilər. Bütün metallar keçiricidir. Belə bir cismə potensial fərq tətbiq edildikdə elektrik cərəyanı əmələ gəlir (ən aşağı və ən yüksək potensiala malik nöqtələr arasında elektronların sərbəst hərəkəti hesabına).
- Zonaları üst-üstə düşməyən dielektriklər. Onların arasındakı interval 4 eV-dən çoxdur. Elektronları valentlikdən keçiricilik zolağına keçirmək üçün çoxlu enerji lazımdır. Bu xüsusiyyətlərə görə dielektriklər praktiki olaraq cərəyan keçirmir.
- Keçiricilik və valentlik zolaqlarının olmaması ilə xarakterizə olunan yarımkeçiricilər. Onların arasındakı interval 4 eV-dən azdır. Elektronları valentlikdən keçiricilik zonasına köçürmək üçün dielektriklərə nisbətən daha az enerji lazımdır. Təmiz (açılmamış və yerli) yarımkeçiricilər cərəyanı yaxşı keçirmir.
Bərk cisimlərdə molekulların hərəkəti onların elektromaqnit xassələrini müəyyən edir.
Digərxassələr
Bərk cisimlər də maqnit xüsusiyyətlərinə görə bölünürlər. Üç qrup var:
- Xassələr temperaturdan və ya yığılma vəziyyətindən çox az asılı olan diamaqnitlər.
- Keçirici elektronların oriyentasiyası və atomların maqnit momentləri nəticəsində yaranan paramaqnitlər. Küri qanununa görə, onların həssaslığı temperaturla mütənasib olaraq azalır. Beləliklə, 300 K-də 10-5 olur.
- Nizamlı maqnit quruluşlu, atomların uzun məsafəli sırasına malik cisimlər. Onların qəfəslərinin düyünlərində maqnit momentləri olan hissəciklər vaxtaşırı yerləşir. Belə bərk cisimlər və maddələr insan fəaliyyətinin müxtəlif sahələrində tez-tez istifadə olunur.
Təbiətdəki ən sərt maddələr
Onlar nədir? Bərk cisimlərin sıxlığı əsasən onların sərtliyini müəyyən edir. Son illərdə alimlər “ən davamlı bədən” olduğunu iddia edən bir neçə material aşkar ediblər. Ən sərt maddə almazdan təxminən 1,5 dəfə daha sərt olan fulleritdir (fulleren molekulları olan kristal). Təəssüf ki, o, hazırda yalnız çox az miqdarda mövcuddur.
Bu gün sənayedə gələcəkdə istifadə oluna biləcək ən sərt maddə lonsdaleitdir (altıbucaqlı almaz). Almazdan 58% daha sərtdir. Lonsdaleit karbonun allotropik modifikasiyasıdır. Onun kristal şəbəkəsi almaza çox bənzəyir. Bir lonsdaleit hüceyrəsində 4 atom, almazda isə 8 atom var. Geniş istifadə olunan kristallardan almaz bu gün ən sərti olaraq qalır.
