TRẠNG THÁI RẮN: ĐẶC ĐIỂM, TÍNH CHẤT, LOẠI, VÍ DỤ - KHOA HỌC - 2025

Các trạng thái rắn là một trong những cách tiếp cận chính trong đó có vấn đề uẩn để tạo ra các cơ quan ngưng tụ hoặc rắn. Toàn bộ lớp vỏ trái đất, bỏ đi biển và đại dương, là một khối chất rắn nhỏ li ti. Ví dụ về các vật thể ở trạng thái rắn là một cuốn sách, một hòn đá hoặc các hạt cát.

Chúng ta có thể tương tác với chất rắn nhờ lực đẩy của các điện tử của chúng ta với các nguyên tử hoặc phân tử của chúng. Không giống như chất lỏng và khí, miễn là chúng không độc hại nghiêm trọng, tay của chúng ta không thể đi qua chúng mà phải vò nát hoặc hấp thụ chúng.

Bức tượng gỗ của con ngựa này được làm bằng polyme tự nhiên kết dính mạnh mẽ. Nguồn: Pxhere.

Chất rắn thường dễ xử lý hoặc lưu trữ hơn nhiều so với chất lỏng hoặc khí. Trừ khi các hạt của nó được phân chia mịn, còn không thì luồng gió sẽ không mang nó theo các hướng khác; chúng cố định trong không gian được xác định bởi tương tác giữa các phân tử của các nguyên tử, ion hoặc phân tử của chúng.

Khái niệm vững chắc

Chất rắn là trạng thái vật chất có thể tích và hình dạng cứng; Các hạt tạo thành vật liệu hoặc vật thể ở trạng thái rắn cố định ở một chỗ, chúng không dễ nén được.

Trạng thái vật chất này đa dạng và phong phú nhất về mặt hóa học và vật lý. Chúng ta có các chất rắn ion, kim loại, nguyên tử, phân tử và cộng hóa trị, mỗi chất có đơn vị cấu trúc riêng; nghĩa là, với các tinh thể riêng của nó. Khi phương thức tập hợp của chúng không cho phép chúng thiết lập các cấu trúc bên trong có trật tự, chúng sẽ trở nên vô định hình và phức tạp.

Việc nghiên cứu trạng thái rắn hội tụ trong việc thiết kế và tổng hợp các vật liệu mới. Ví dụ, gỗ, một chất rắn tự nhiên, cũng đã được sử dụng làm vật liệu trang trí và xây dựng nhà ở.

Các vật liệu rắn khác cho phép sản xuất ô tô, máy bay, tàu thủy, tàu vũ trụ, lò phản ứng hạt nhân, đồ thể thao, pin, chất xúc tác và nhiều đồ vật hoặc sản phẩm khác.

Đặc điểm chung của chất rắn

Lò xo và gỗ, các thành phần của thước cặp, ví dụ về chất rắn

Các đặc điểm chính của chất rắn là:

-Chúng có khối lượng, thể tích và hình dạng xác định. Ví dụ, một loại khí không có kết thúc hoặc bắt đầu, vì chúng phụ thuộc vào vật chứa chứa nó.

- Chúng rất dày đặc. Chất rắn có xu hướng đặc hơn chất lỏng và chất khí; mặc dù có một vài ngoại lệ đối với quy tắc, đặc biệt là khi so sánh chất lỏng và chất rắn.

-Khoảng cách tách các hạt của nó ngắn. Điều này có nghĩa là chúng đã trở nên rất gắn kết hoặc nén chặt trong khối lượng tương ứng của chúng.

-Tương tác giữa các phân tử của nó rất mạnh, nếu không chúng sẽ không tồn tại như vậy và sẽ tan chảy hoặc thăng hoa trong điều kiện trên cạn.

Sự khác nhau giữa các hạt của chất rắn, chất lỏng và chất khí

- Tính linh động của chất rắn thường khá hạn chế, không chỉ từ quan điểm vật chất mà còn cả về mặt phân tử. Các hạt của nó bị giới hạn ở một vị trí cố định, nơi chúng chỉ có thể dao động chứ không thể chuyển động hoặc quay (trên lý thuyết).

Tính chất

Điểm nóng chảy

Tất cả các chất rắn, trừ khi chúng bị phân hủy trong quá trình này, và bất kể chúng có phải là chất dẫn nhiệt tốt hay không, đều có thể chuyển sang trạng thái lỏng ở một nhiệt độ nhất định: điểm nóng chảy của chúng. Khi đạt đến nhiệt độ này, các hạt của nó cuối cùng cũng có thể chảy và thoát ra khỏi vị trí cố định của chúng.

Điểm nóng chảy này sẽ phụ thuộc vào bản chất của chất rắn, các tương tác của nó, khối lượng mol và năng lượng mạng tinh thể. Theo nguyên tắc chung, chất rắn ion và mạng cộng hóa trị (chẳng hạn như kim cương và silicon dioxide) có xu hướng có điểm nóng chảy cao nhất; trong khi chất rắn phân tử, thấp nhất.

Hình ảnh sau đây cho thấy một cục nước đá (trạng thái rắn) chuyển sang trạng thái lỏng như thế nào:

Stoichiometry

Phần lớn chất rắn là phân tử, vì chúng là những hợp chất mà tương tác giữa các phân tử cho phép chúng kết hợp với nhau theo cách như vậy. Tuy nhiên, nhiều loại khác là ion hoặc một phần ion, vì vậy đơn vị của chúng không phải là phân tử, mà là tế bào: một tập hợp các nguyên tử hoặc ion được sắp xếp có trật tự.

Ở đây, công thức của các chất rắn như vậy phải tôn trọng tính trung hòa của các điện tích, chỉ ra thành phần của chúng và các mối quan hệ phân vị. Ví dụ, chất rắn có công thức giả thuyết là A ₂ B ₄ O ₂ chỉ ra rằng nó có cùng số nguyên tử A với O (2: 2), trong khi nó có gấp đôi số nguyên tử B (2: 4).

Lưu ý rằng các ký hiệu con của công thức A ₂ B ₄ O ₂ là các số nguyên, điều này cho thấy rằng nó là một chất rắn đo góc. Thành phần của nhiều chất rắn được mô tả bằng các công thức này. Các điện tích trên A, B và O phải cộng lại bằng không, vì nếu không sẽ có điện tích dương hoặc âm.

Đối với chất rắn, đặc biệt hữu ích khi biết cách giải thích công thức của chúng vì nói chung, thành phần của chất lỏng và chất khí đơn giản hơn.

Khuyết tật

Cấu trúc của chất rắn không hoàn hảo; chúng có mặt không hoàn hảo hoặc khuyết tật, dù chúng có thể ở dạng tinh thể. Đây không phải là trường hợp của chất lỏng, cũng không phải với chất khí. Không có vùng nước lỏng nào có thể nói trước là "bị lệch" khỏi môi trường xung quanh.

Các khuyết tật đó là nguyên nhân làm cho chất rắn trở nên cứng và giòn, thể hiện các đặc tính như nhiệt điện và áp điện, hoặc không còn có các thành phần xác định; nghĩa là chúng là chất rắn không phân biệt (ví dụ A _0,4 B _1,3 O _0,5 ).

Phản ứng

Chất rắn thường ít phản ứng hơn chất lỏng và chất khí; nhưng không phải do nguyên nhân hóa học, mà là do cấu trúc của chúng ngăn cản các chất phản ứng tấn công các phần tử bên trong chúng, phản ứng đầu tiên với các phần tử trên bề mặt của chúng. Do đó, các phản ứng liên quan đến chất rắn có xu hướng chậm hơn; trừ khi chúng được nghiền thành bột.

Khi một chất rắn ở dạng bột, các hạt nhỏ hơn của nó có diện tích hoặc bề mặt lớn hơn để phản ứng. Đó là lý do tại sao chất rắn mịn thường được dán nhãn là thuốc thử tiềm ẩn nguy hiểm, vì chúng có thể bốc cháy nhanh chóng hoặc phản ứng mạnh khi tiếp xúc với các chất hoặc hợp chất khác.

Thông thường, chất rắn được hòa tan trong môi trường phản ứng để đồng nhất hệ thống và thực hiện tổng hợp với năng suất cao hơn.

Vật lý

Ngoại trừ điểm nóng chảy và các khuyết tật, những gì đã nói cho đến nay tương ứng với các đặc tính hóa học của chất rắn hơn là các đặc tính vật lý của chúng. Vật lý của vật liệu tập trung sâu vào cách ánh sáng, âm thanh, electron và nhiệt tương tác với chất rắn, cho dù chúng ở dạng tinh thể, vô định hình, phân tử, v.v.

Đây là nơi những gì được gọi là chất rắn dẻo, đàn hồi, cứng, mờ đục, trong suốt, siêu dẫn, quang điện, vi xốp, sắt từ, cách điện hoặc bán dẫn.

Trong hóa học, ví dụ, các vật liệu không hấp thụ bức xạ tử ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy được quan tâm, vì chúng được sử dụng để chế tạo các tế bào đo cho máy quang phổ UV-Vis. Điều tương tự cũng xảy ra với bức xạ hồng ngoại, khi bạn muốn mô tả đặc điểm của một hợp chất bằng cách thu được phổ IR của nó hoặc nghiên cứu tiến trình của một phản ứng.

Việc nghiên cứu và vận dụng tất cả các tính chất vật lý của chất rắn đòi hỏi sự cống hiến to lớn, cũng như việc tổng hợp và thiết kế chúng, lựa chọn các “mảnh” cấu tạo vô cơ, sinh học, hữu cơ hoặc kim loại cho vật liệu mới.

Các loại và ví dụ

Vì có một số loại chất rắn về mặt hóa học, các ví dụ đại diện sẽ được đề cập riêng cho từng loại.

Chất rắn kết tinh

Một mặt, có chất rắn kết tinh. Các phần tử này được đặc trưng bởi vì các phân tử tạo nên chúng được cấu hình theo cùng một cách, được lặp lại như một khuôn mẫu trong suốt tinh thể. Mỗi mẫu được gọi là một ô đơn vị.

Chất rắn kết tinh cũng có đặc điểm là có nhiệt độ nóng chảy xác định; Điều này có nghĩa là, với sự đồng nhất của sự sắp xếp các phân tử của nó, có cùng khoảng cách giữa mỗi ô đơn vị, điều này cho phép toàn bộ cấu trúc biến đổi liên tục trong cùng một nhiệt độ.

Ví dụ về chất rắn kết tinh có thể là muối và đường.

Chất rắn vô định hình

Chất rắn vô định hình được đặc trưng bởi thực tế là cấu trúc của các phân tử của chúng không phản ứng với một kiểu mẫu, nhưng thay đổi trên toàn bộ bề mặt.

Vì không có mô hình như vậy, điểm nóng chảy của chất rắn vô định hình không được xác định, không giống như chất rắn kết tinh, có nghĩa là nó nóng chảy dần dần và dưới các nhiệt độ khác nhau.

Ví dụ về chất rắn vô định hình có thể là thủy tinh và hầu hết các chất dẻo.

Ionics

Chất rắn ion được đặc trưng bởi có các cation và anion, tương tác với nhau bằng lực hút tĩnh điện (liên kết ion). Khi các ion nhỏ, cấu trúc tạo thành thường luôn ở dạng tinh thể (có tính đến các khuyết tật của chúng). Trong số một số chất rắn ion, chúng ta có:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^- ), natri clorua

-MgO (Mg ²⁺ O ^2- ), magie oxit

-CaCO ₃ (Ca ²⁺ CO ₃ ^2- ), canxi cacbonat

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ^2- ), đồng sunfat

-KF (K ⁺ F ^- ), kali florua

-NH ₄ Cl (NH ₄ ⁺ Cl ^- ), amoni clorua

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2- ), kẽm sulfua

-Fe (C ₆ H ₅ COO) ₃ , sắt benzoat

Kim loại

Như tên gọi của chúng cho thấy, chúng là chất rắn có các nguyên tử kim loại tương tác thông qua liên kết kim loại:

-Bạc

-Vàng

-Chì

-Thau

-Chính chủ

-Bạch kim

-Pewter

-Steels

-Duralumin

Lưu ý rằng tất nhiên các hợp kim cũng được coi là chất rắn kim loại.

Nguyên tử

Chất rắn kim loại cũng là nguyên tử, vì theo lý thuyết không có liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử kim loại (MM). Tuy nhiên, khí quý về cơ bản được coi là các loài nguyên tử, vì chỉ có lực phân tán London chiếm ưu thế trong số chúng.

Do đó, mặc dù chúng không phải là chất rắn ứng dụng cao (và khó thu được), nhưng khí quý kết tinh là ví dụ của chất rắn nguyên tử; tức là: heli, neon, argon, krypton, v.v., chất rắn.

Phân tử và cao phân tử

Các phân tử có thể tương tác thông qua lực Van der Walls, nơi mà khối lượng phân tử, mômen lưỡng cực, liên kết hydro, cấu trúc và hình học của chúng đóng một vai trò quan trọng. Các tương tác như vậy càng mạnh, chúng càng có nhiều khả năng ở thể rắn.

Mặt khác, lý do tương tự cũng áp dụng cho các polyme, do khối lượng phân tử trung bình cao của chúng hầu như luôn là chất rắn, và một số trong số chúng là vô định hình; do đó, các đơn vị cao phân tử của nó khó tự sắp xếp gọn gàng để tạo tinh thể.

Do đó, chúng ta có một số chất rắn phân tử và cao phân tử như sau:

-Đá khô

-Đường

-Tốt

-A xít benzoic

-Acetamide

- Lưu huỳnh hình thoi

-Palmitic axit

-Fullerenos

-Trận đấu

-Caffeine

-Naphthalene

-Gỗ và giấy

-Lụa

-Teflon

-Polyetylen

-Kevlar

-Bakelite

-Polyvinyl clorua

-Polystyrene

-Polypropylene

-Protein

-Thanh sô cô la

Mạng cộng hóa trị

Cuối cùng, chúng ta có mạng lưới cộng hóa trị giữa chất rắn cứng nhất và chất rắn nóng chảy cao nhất. Một số ví dụ:

-Graphite

-Kim cương

-Quartz

-Silicium cacbua

-Nitơ boron

-Nhôm photphua

-Gallium arsenide

Người giới thiệu

1. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ. (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập.
3. Wikipedia. (2019). Hóa học ở trạng thái rắn. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
4. Elsevier BV (2019). Hóa chất rắn. ScienceDirect. Phục hồi từ: sciricalirect.com
5. Tiến sĩ Michael Lufaso. (sf). Bài giảng Hóa học chất rắn Thuyết minh. Được khôi phục từ: uns.edu
6. hỏiIITians. (2019). Đặc điểm chung của trạng thái rắn. Phục hồi từ: askiitians.com
7. David Wood. (2019). Cách Nguyên tử & Phân tử Hình thành Chất rắn: Mẫu & Tinh thể. Học. Phục hồi từ: study.com