VASTE TOESTAND: KENMERKEN, EIGENSCHAPPEN, TYPEN, VOORBEELDEN - WETENSCHAP - 2025

De vaste toestand is een van de belangrijkste manieren waarop materie aggregeert om gecondenseerde of vaste lichamen te creëren. De hele aardkorst, de zeeën en oceanen buiten beschouwing gelaten, is een bonte conglomeraat van vaste stoffen. Voorbeelden van objecten in vaste toestand zijn een boek, een steen of zandkorrels.

We kunnen interageren met vaste stoffen dankzij de afstoting van onze elektronen met die van hun atomen of moleculen. In tegenstelling tot vloeistoffen en gassen, zolang ze niet ernstig giftig zijn, kunnen onze handen er niet doorheen, maar verkruimelen of absorberen ze.

Het houten beeld van dit paard is gemaakt van sterk samenhangende natuurlijke polymeren. Bron: Pxhere.

Vaste stoffen zijn over het algemeen veel gemakkelijker te hanteren of op te slaan dan een vloeistof of gas. Tenzij de deeltjes fijn verdeeld zijn, zal een windstroom het niet in andere richtingen voeren; ze zijn gefixeerd in de ruimte die wordt bepaald door de intermoleculaire interacties van hun atomen, ionen of moleculen.

Solide concept

De vaste stof is een toestand van materie met een star volume en vorm; de deeltjes die materialen of objecten in vaste toestand vormen, worden op één plaats gefixeerd, ze zijn niet gemakkelijk samendrukbaar.

Deze toestand is het meest gevarieerd en rijk in termen van scheikunde en natuurkunde. We hebben ionische, metalen, atomaire, moleculaire en covalente vaste stoffen, elk met zijn eigen structurele eenheid; dat wil zeggen, met zijn eigen kristallen. Wanneer hun manier van samenvoegen hen niet in staat stelt ordelijke interne structuren op te bouwen, worden ze amorf en ingewikkeld.

De studie van de vaste stof komt samen in het ontwerp en de synthese van nieuwe materialen. Zo is hout, een natuurlijke vaste stof, ook gebruikt als siermateriaal en voor de bouw van huizen.

Met andere vaste materialen kunnen auto's, vliegtuigen, schepen, ruimteschepen, kernreactoren, sportartikelen, batterijen, katalysatoren en vele andere voorwerpen of producten worden vervaardigd.

Algemene kenmerken van vaste stoffen

Veer en hout, onderdelen van een remklauw, voorbeeld van massief

De belangrijkste kenmerken van vaste stoffen zijn:

-Ze hebben massa, volume en vormen gedefinieerd. Een gas heeft bijvoorbeeld geen einde of begin, aangezien deze afhankelijk zijn van de container waarin het zich bevindt.

-Ze zijn erg compact. Vaste stoffen hebben de neiging om dichter te zijn dan vloeistoffen en gassen; hoewel er een paar uitzonderingen op de regel zijn, vooral bij het vergelijken van vloeistoffen en vaste stoffen.

-De afstanden tussen de deeltjes zijn klein. Dit betekent dat ze in hun respectievelijke volume zeer samenhangend of verdicht zijn geworden.

-De intermoleculaire interacties zijn erg sterk, anders zouden ze niet als zodanig bestaan ​​en zouden ze smelten of sublimeren onder aardse omstandigheden.

Verschillen tussen de deeltjes van een vaste stof, een vloeistof en een gas

-De mobiliteit van vaste stoffen is meestal vrij beperkt, niet alleen vanuit materieel oogpunt, maar ook moleculair. De deeltjes zijn opgesloten in een vaste positie, waar ze alleen kunnen trillen, maar niet bewegen of roteren (in theorie).

Eigendommen

Smeltpunten

Alle vaste stoffen kunnen, tenzij ze tijdens het proces worden afgebroken, en ongeacht of ze goede warmtegeleiders zijn, bij een bepaalde temperatuur in een vloeibare toestand terechtkomen: hun smeltpunt. Wanneer deze temperatuur is bereikt, slagen de deeltjes er uiteindelijk in om te stromen en te ontsnappen uit hun vaste posities.

Dit smeltpunt hangt af van de aard van de vaste stof, zijn interacties, de molaire massa en de kristallijne rooster-energie. In het algemeen hebben ionische vaste stoffen en covalente netwerken (zoals diamant en siliciumdioxide) de hoogste smeltpunten; terwijl de moleculaire vaste stoffen, de laagste.

De volgende afbeelding laat zien hoe een ijsblokje (vaste toestand) in een vloeibare toestand verandert:

Stoïchiometrie

Veel van de vaste stoffen zijn moleculair, omdat het verbindingen zijn waarvan de intermoleculaire interacties het mogelijk maken om op een dergelijke manier samen te smelten. Veel andere zijn echter ionisch of gedeeltelijk ionisch, dus hun eenheden zijn geen moleculen, maar cellen: een reeks atomen of ionen die op een geordende manier zijn gerangschikt.

Het is hier waar de formules van dergelijke vaste stoffen de neutraliteit van de ladingen moeten respecteren, met vermelding van hun samenstelling en stoichiometrische relaties. Bijvoorbeeld, de vaste stof waarvan de hypothetische formule A ₂ B ₄ O _{2 is,} geeft aan dat het hetzelfde aantal A-atomen heeft als O (2: 2), terwijl het tweemaal het aantal B-atomen heeft (2: 4).

Merk op dat de subscripts van de formule A ₂ B ₄ O ₂ gehele getallen zijn, wat aangeeft dat het een stoichiometrische vaste stof is. De samenstelling van veel vaste stoffen wordt beschreven door deze formules. De ladingen op A, B en O moeten opgeteld nul zijn, omdat er anders een positieve of negatieve lading zou zijn.

Voor vaste stoffen is het vooral handig om te weten hoe de formules moeten worden geïnterpreteerd, aangezien de samenstellingen van vloeistoffen en gassen over het algemeen eenvoudiger zijn.

Gebreken

De structuren van vaste stoffen zijn niet perfect; ze vertonen onvolkomenheden of defecten, hoe kristallijn ze ook zijn. Dit is niet het geval bij vloeistoffen en ook niet bij gassen. Er zijn geen gebieden met vloeibaar water waarvan op voorhand kan worden gezegd dat ze "ontwricht" zijn uit hun omgeving.

Dergelijke defecten zijn verantwoordelijk voor het feit dat de vaste stoffen hard en bros zijn, eigenschappen vertonen zoals pyro-elektriciteit en piëzo-elektriciteit, of geen gedefinieerde samenstellingen meer hebben; dat wil zeggen, het zijn niet-stoichiometrische vaste stoffen (bijv. A _0,4 B _1,3 O _0,5 ).

Reactiviteit

Vaste stoffen zijn doorgaans minder reactief dan vloeistoffen en gassen; maar niet vanwege chemische oorzaken, maar vanwege het feit dat hun structuren voorkomen dat reactanten de deeltjes binnenin aanvallen en eerst reageren met die op hun oppervlak. Daarom zijn reacties waarbij vaste stoffen betrokken zijn meestal langzamer; tenzij ze worden verpulverd.

Wanneer een vaste stof in poedervorm is, hebben de kleinere deeltjes een groter gebied of oppervlak om te reageren. Dat is de reden waarom fijne vaste stoffen vaak worden bestempeld als potentieel gevaarlijke reagentia, omdat ze snel kunnen ontbranden of krachtig kunnen reageren in contact met andere stoffen of verbindingen.

Vaak worden de vaste stoffen opgelost in een reactiemedium om het systeem te homogeniseren en een synthese uit te voeren met een hogere opbrengst.

Fysiek

Met uitzondering van het smeltpunt en de defecten, komt wat tot nu toe is gezegd meer overeen met de chemische eigenschappen van de vaste stoffen dan met hun fysische eigenschappen. De fysica van materialen is diep gefocust op hoe licht, geluid, elektronen en warmte interageren met vaste stoffen, of ze nu kristallijn, amorf, moleculair, etc. zijn.

Dit is waar wat bekend staat als plastic, elastische, stijve, ondoorzichtige, transparante, supergeleidende, foto-elektrische, microporeuze, ferromagnetische, isolerende of halfgeleider vaste stoffen binnenkomt.

In de chemie zijn bijvoorbeeld materialen van belang die geen ultraviolette straling of zichtbaar licht absorberen, omdat ze worden gebruikt om meetcellen te maken voor UV-Vis-spectrofotometers. Hetzelfde gebeurt met infraroodstraling, wanneer u een verbinding wilt karakteriseren door het IR-spectrum ervan te verkrijgen, of de voortgang van een reactie wilt bestuderen.

De studie en manipulatie van alle fysische eigenschappen van vaste stoffen vereist enorme toewijding, evenals hun synthese en ontwerp, het kiezen van "stukken" van anorganische, biologische, organische of organometaalconstructies voor nieuwe materialen.

Typen en voorbeelden

Aangezien er chemisch verschillende soorten vaste stoffen zijn, zullen representatieve voorbeelden voor elk afzonderlijk worden vermeld.

Kristallijne vaste stoffen

Enerzijds zijn er kristallijne vaste stoffen. Deze elementen worden gekenmerkt doordat de moleculen waaruit ze bestaan, op dezelfde manier zijn geconfigureerd, wat zich herhaalt als een patroon door het kristal. Elk patroon wordt een eenheidscel genoemd.

Kristallijne vaste stoffen worden ook gekenmerkt doordat ze een bepaald smeltpunt hebben; Dit betekent dat, gezien de uniformiteit van de rangschikking van de moleculen, er dezelfde afstand is tussen elke eenheidscel, waardoor de hele structuur constant kan transformeren onder dezelfde temperatuur.

Voorbeelden van kristallijne vaste stoffen kunnen zout en suiker zijn.

Amorfe vaste stoffen

Amorfe vaste stoffen worden gekenmerkt door het feit dat de conformatie van hun moleculen niet reageert op een patroon, maar eerder varieert over het hele oppervlak.

Aangezien er geen dergelijk patroon is, is het smeltpunt van amorfe vaste stoffen niet gedefinieerd, in tegenstelling tot kristallijne stoffen, wat betekent dat het geleidelijk en onder verschillende temperaturen smelt.

Voorbeelden van amorfe vaste stoffen kunnen glas en de meeste kunststoffen zijn.

Ionics

Ionische vaste stoffen worden gekenmerkt door kationen en anionen die met elkaar in wisselwerking staan ​​door elektrostatische aantrekking (ionische binding). Als de ionen klein zijn, zijn de resulterende structuren meestal altijd kristallijn (rekening houdend met hun defecten). Onder sommige ionische vaste stoffen hebben we:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^- ), natriumchloride

-MgO (Mg ²⁺ O ^2- ), magnesiumoxide

-CaCO ₃ (Ca ²⁺ CO ₃ ^2- ), calciumcarbonaat

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ^2- ), kopersulfaat

-KF (K ⁺ F ^- ), kaliumfluoride

-NH ₄ Cl (NH ₄ ⁺ Cl ^- ), ammoniumchloride

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2- ), zinksulfide

-Fe (C ₆ H ₅ COO) ₃ , ijzerbenzoaat

Metalen

Zoals hun naam aangeeft, zijn het vaste stoffen met metaalatomen die via de metaalbinding in wisselwerking staan:

-Zilver

-Goud

-Lood

-Messing

-Bronzen

-Wit goud

- Tin

-Stalen

-Duraluminium

Merk op dat legeringen natuurlijk ook als metallische vaste stoffen tellen.

Atomic

Metallische vaste stoffen zijn ook atomair, aangezien er in theorie geen covalente bindingen zijn tussen metaalatomen (MM). Edelgassen tellen echter in wezen als atomaire soorten, aangezien alleen de verspreide krachten van Londen de overhand hebben.

Daarom zijn gekristalliseerde edelgassen voorbeelden van atomaire vaste stoffen, hoewel ze geen vaste stoffen met een hoge applicatie zijn (en moeilijk te verkrijgen); d.w.z.: helium, neon, argon, krypton, enz., vaste stoffen.

Moleculair en polymeer

Moleculen kunnen interageren via Van der Walls-krachten, waarbij hun molecuulmassa's, dipoolmomenten, waterstofbruggen, structuren en geometrieën een belangrijke rol spelen. Hoe sterker dergelijke interacties, hoe groter de kans dat ze in vaste vorm zijn.

Aan de andere kant is dezelfde redenering van toepassing op polymeren, die vanwege hun hoge gemiddelde molecuulmassa's bijna altijd vaste stoffen zijn, en verschillende daarvan zijn amorf; omdat de polymere eenheden het moeilijk vinden om zichzelf netjes te rangschikken om kristallen te creëren.

Zo hebben we onder enkele moleculaire en polymere vaste stoffen de volgende:

-Droog ijs

-Suiker

-Jodium

-Benzoëzuur

-Acetamide

-Rombische zwavel

-Palmitinezuur

-Fullerenos

-Bij elkaar passen

-Cafeïne

-Naftaleen

-Hout en papier

-Zijde

-Teflon

-Polyethyleen

-Kevlar

-Bakeliet

-Polyvinylchloride

-Polystyreen

-Polypropyleen

-Eiwitten

-Chocoladereep

Covalente netwerken

Ten slotte hebben we de covalente netwerken tussen de hardste en hoogst smeltende vaste stoffen. Voorbeelden zijn:

-Grafiet

-Diamant

-Kwarts

-Siliciumcarbide

-Boor nitride

-Aluminiumfosfide

-Galliumarsenide

Referenties

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. (Vierde druk). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie (8e ed.). CENGAGE Leren.
3. Wikipedia. (2019). Chemie in vaste toestand. Hersteld van: en.wikipedia.org
4. Elsevier BV (2019). Chemie in vaste toestand. ScienceDirect. Hersteld van: sciencedirect.com
5. Dr. Michael Lufaso. (sf). Aantekeningen bij hoorcolleges in vaste toestand. Hersteld van: unf.edu
6. askIITians. (2019). Algemene kenmerken van vaste toestand. Hersteld van: askiitians.com
7. David Wood. (2019). Hoe atomen en moleculen vaste stoffen vormen: patronen en kristallen. Studie. Hersteld van: study.com