Trdna snov: definicija, lastnosti, taljenje, zmrzovanje in sublimacija

Trdna snov je eno od treh najpogostejih stanj snovi. Molekule v trdnih snoveh so tesno povezane med seboj in lahko le vibrirajo. To pomeni, da imajo trdne snovi določeno obliko, ki se spremeni le ob uporabi sile. To je drugače kot pri tekočinah in plinih, ki se gibljejo naključno, kar imenujemo tok.

Trdne snovi lahko razdelimo v dve splošni skupini: kristalinične in amorfe. Kristalinične trdne snovi imajo urejeno, ponavljajočo se mrežo atomov ali molekul (kristalno rešetko), medtem ko amorfni materiali, kot so steklo ali nekateri polimeri, nimajo dolgotrajnega urejenega vzorca in se obnašajo drugače pri segrevanju ali obremenitvah.

Osnovne lastnosti trdnih snovi

• Oblika in volumen: trdne snovi imajo stalno obliko in količino, razen če se jim doda dovolj velika sila ali toplota.
• Gostota: običajno so gostejše kot tekočine in plini zaradi tesnega pakiranja delcev.
• Mehanske lastnosti: trdne snovi imajo elastičnost, plastičnost, trdoto in lomljivost, ki se razlikujejo glede na zgradbo in vezi med delci.
• Toplotne in električne lastnosti: nekateri kristali (npr. kovine) dobro prevajajo toploto in elektriko, medtem ko izolatorji (npr. keramika) tega ne počnejo.
• Termalna razteznost: trdne snovi se pri segrevanju raztezajo, kolikor pa to raztezanje variira glede na material.

Taljenje

Ko trdna snov postane tekočina, se to imenuje taljenje. Pri taljenju se delci začnejo premikati bolj svobodno, vezi med njimi oslabijo in struktura se razruši. Vsaka čista snov ima svojo temperaturo tališča (melting point), pri kateri pride do prehoda iz trdnega v tekoče stanje ob stalnem tlaku.

Pomembni pojmi v zvezi s taljenjem:

• Latentna toplota taljenja: energija, potrebna za prehod iz trdnega v tekoče stanje brez spremembe temperature.
• Vpliv nečistoč: primešanost drugih snovi običajno zniža tališče (npr. sol znižuje tališče ledu).
• Vpliv tlaka: pri nekaterih snoveh tlak lahko zviša ali zniža tališče (pri vodi povečanje tlaka zniža tališče, kar je razlog, da led lahko črpa tlak in topi pri rahlem stiskanju).
• Polimorfizem: nekateri materiali imajo več kristalnih oblik in zato več možnih tališč.

Zmrzovanje (strjevanje)

Tekočine postanejo trdne z zmrzovanjem (strjevanjem). Pri tem se energija v obliki latentne toplote odvaja v okolico in delci se organizirajo v trdnejšo strukturo. Zmrzovanje običajno vključuje proces nukleacije, kjer se najprej oblikujejo majhni jedrčki trdne faze, ki potem rastejo.

Pomembne značilnosti zmrzovanja:

• Superhlajenje: tekočina se lahko ohladi pod normalno temperaturo strjevanja brez takojšnjega zmrzovanja; zmrzovanje se sproži šele ob prisotnosti nukleacijskih mest ali tresljajih.
• Kristalizacija: med strjevanjem se lahko oblikujejo različne strukture z različnimi lastnostmi (npr. večje kristalne zrnce ali drobnozrnat material).
• Vpliv hitrosti hlajenja: hitro ohlajanje lahko vodi do amorfne strukture (npr. steklo), počasno ohlajanje pa do dobro urejenih kristalov.

Sublimacija

Nekatere trdne snovi, kot je suhi led (trdni ogljikov dioksid), se lahko spremenijo v plin, ne da bi se prej spremenile v tekočino. To imenujemo sublimacija. Sublimacija poteka, kadar je ravnotežni parni tlak trdne snovi pri določeni temperaturi večji od okoljskega tlaka ali kadar termodinamični pogoji ne dopuščajo tekoče faze.

Praktični primeri in uporaba:

• Suhi led (CO2): pri normalnem atmosfernem tlaku sublimira pri približno -78,5 °C in se uporablja za hlajenje in ustvarjanje gostega "dima".
• Jod: segreti jod sublimira v vijolične pare in se pri ohlajanju ponovno usede (depozicija).
• Freeze-drying (zamrzovalno sušenje): postopek, kjer se voda iz bioloških vzorcev odstrani s sublimacijo, saj se najprej vzorec zamrzne, nato pa ob nizkem tlaku led prehaja neposredno v paro.

Faze in fazni diagrami

Poglobljeno razumevanje sprememb stanj zahteva fazne diagrame, ki kažejo, pri katerih temperaturah in tlakih obstajajo trdna, tekoča in plinasta faza snovi. Na diagramu so označene tudi točke, kot je trojna točka (kjer sobivajo vse tri faze) in kritična točka (nad katero tekočina in plin nista ločeni).

Trdne snovi so torej raznolike in njihove lastnosti določajo zgradba na atomski ali molekularni ravni, vrste vezi, prisotnost nečistoč ter zunanji pogoji kot sta temperatura in tlak. Razumevanje taljenja, zmrzovanja in sublimacije je ključno za mnoge tehnologije, od materialne znanosti do prehranske in farmacevtske industrije.

Vrste trdnih snovi

Sile med atomi v trdni snovi so lahko različnih oblik. Kristal natrijevega klorida (kuhinjska sol) je na primer sestavljen iz ionskega natrija in klora, ki ju držijo skupaj ionske vezi. V diamantu ali siliciju si atomi delijo elektrone in tvorijo kovalentne vezi. V kovinah si elektroni delijo kovinske vezi. Nekatere trdne snovi, kot je večina organskih spojin, držijo skupaj z "van der Waalsovimi silami", ki so posledica polarizacije elektronskega naboja na vsaki molekuli. Razlike med vrstami trdnih snovi izhajajo iz razlik med njihovimi vezmi.

Kovine

Večina kovin je močnih, gostih ter dobrih prevodnikov elektrike in toplote. Množica elementov v periodnem sistemu, ki se nahajajo levo od diagonalne črte od bora do polonija, so kovine. Mešanice dveh ali več elementov, v katerih je velika sestavina kovina, imenujemo zlitine.

Ljudje so kovine za različne namene uporabljali že v prazgodovini. Zaradi trdnosti in zanesljivosti kovin so se široko uporabljale pri izdelavi stavb in drugih stvari, pa tudi v večini vozil, številnih orodjih, ceveh, prometnih znakih in železniških tirih. Železo in aluminij sta dve najpogosteje uporabljeni kovini. Sta tudi najpogostejši kovini v zemeljski skorji. Železo se najpogosteje uporablja v obliki zlitine, jekla, ki vsebuje do 2,1 % ogljika, zaradi česar je veliko trše od čistega železa.

Ker so kovine dobri prevodniki električne energije, so dragocene v električnih orodjih in za prenos električnega toka na dolge razdalje z majhnimi izgubami energije. Zato se električna omrežja pri oskrbi z električno energijo zanašajo na kovinske kable. Domači električni sistemi so na primer zaradi dobre prevodnosti ožičeni z bakrom. Zaradi visoke toplotne prevodnosti je večina kovin uporabna tudi za pripomočke za kuhanje na štedilniku.

Minerali

Minerali so naravne trdne snovi, ki nastajajo v številnih geoloških procesih pod visokim pritiskom. Da bi snov lahko šteli za pravi mineral, mora imeti kristalno strukturo z enotnimi fizikalnimi lastnostmi. Minerali se po sestavi razlikujejo od čistih elementov in preprostih soli do zelo kompleksnih silikatov s tisočerimi znanimi oblikami. Nasprotno pa je vzorec kamnine naključni skupek mineralov in/ali mineraloidov in nima posebne kemične sestave. Večina kamnin zemeljske skorje vsebuje kremen (kristalinični SiO₂ ), feldspar, sljude, klorit, kaolin, kalcit, epidot, olivin, augit, rogovača, magnetit, hematit, limonit in nekaj drugih mineralov. Nekateri minerali, kot so kremen, sljuda ali feldspar, so pogosti, medtem ko so druge našli le na nekaj mestih na svetu. Daleč največja skupina mineralov so silikati (večina kamnin je ≥ 95 % silikatov), ki so večinoma sestavljeni iz silicija in kisika, vsebujejo pa tudi ione aluminija, magnezija, železa, kalcija in drugih kovin.

Vrh newyorške stavbe Chrysler Building, najvišje opečnate stavbe na svetu, ki jo podpira jeklo.


Zbirka različnih mineralov.

Išči po črki