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普通化学/固体

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固体的特性

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形状和体积在固体中都是确定的。尽管固体具有刚性形状,但大量的力会导致固体结构的变形。变形有三种类型:

  • 脆性变形会导致键以不规则的方式断裂。撕碎纸张和破碎玻璃是很好的例子。
  • 弹性变形是暂时的。一旦力被移除,分子将恢复到它们原来的位置。橡皮筋和轮胎是弹性的,钢棒和木板也是如此。
  • 塑性变形是永久性的。通过弯曲金属勺子可以观察到塑性变形。
(a) 脆性;(b) 和 (c) 显示了延展性

大多数材料能够发生所有三种类型的变形。少量应力会导致弹性变形,但大量的应力会导致塑性变形。如果发生反复变形或巨大的应力,就会发生脆性变形。

固体是不可压缩的。固体可能会在压力下断裂或变形,但它们几乎不能压缩。例如,木板如果施加力会断裂,但不会像海绵一样压缩。海绵之所以会压缩,是因为它们包含气穴并发生弹性变形。否则,固体不会压缩。在分子水平上,这是因为分子间键在不破裂的情况下不会改变大小。

一些固体,通常是金属,具有延展性延展性等特性。延展性材料可以拉伸成长而细的线。延展性物质可以锤成很薄的薄片。金和铜是已知的最延展和延展的物质。这些特性是由于金属键

分子水平的固体

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当有足够的分子间键合将物质的分子固定到相对刚性的结构中时,就会出现固体。分子彼此靠近,它们的运动仅限于振动。固体发生在最低温度和最高压力下。随着固体温度的升高,其分子动能也随之升高。在熔点处,分子具有足够的能量来克服它们的键并熔化成液体。同样,液体会在其分子移动速度不足以避免强分子间键合时凝固

由于其高熔点,具有离子键或金属键的化合物最有可能出现在固相中。此外,共价网络物质(如金刚石或石英)是固体,因为原子通过共价键固定在一起,需要极大的能量才能将它们分离。

固体的类型

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  • 晶体固体具有具有特定几何形状的分子结构。固体具有特定的熔点,在该熔点所有分子开始从它们的键中脱离。盐、金刚石和石英等物质是晶体固体。这些固体通常通过缓慢冷却液体而形成,因此分子在形成键合时有时间排列成晶体结构。
  • 无定形固体具有没有特定形状的分子结构。固体在一定温度范围内熔化,因为打破键合所需的能量因分子而异。煤和玻璃等物质是无定形的。无定形固体通常是在液体快速冷却时形成的,因此分子没有时间排列成晶体。

晶体固体通常更硬更坚固。煤和金刚石都是由元素碳制成的,但煤是无定形的,而金刚石是晶体的。由于其晶体结构,金刚石是已知最硬的物质之一,而煤可以用指甲刮掉。晶体结构也解释了金刚石明亮透明的外观。煤是黑色且暗淡的,因为原子的无序不允许光通过。

堆积和晶胞

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氯化钠的晶胞

在晶体固体中,原子以特定的模式排列。这种模式中最小的重复部分称为晶胞。晶胞可能比物质的经验式具有更多的原子,因为几何形状可能需要几个原子。在氯化钠的情况下,经验式只包含两个原子,但晶胞包含 27 个原子。

固体的分子是紧密堆积的。它们排列成最密集的形状。通常,会出现两种不同的模式。

  • 面心立方FCC
  • 六方密堆积HCP
石盐或岩盐表现出 FCC 堆积。

FCC 晶体具有三层交替排列,描述为 ABCABCABC(每三层相同)。这些层排列方式使得每个晶胞位于其上或下两个晶胞的中间位置。HCP 晶体具有两层交替排列,描述为 ABABABAB(每两层相同)。

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