Skip to main content
Global

10.5: Hali imara ya Suala

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    176084

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Malengo ya kujifunza
    • Kufafanua na kuelezea bonding na mali ya ionic, Masi, metali, na covalent mtandao solids fuwele
    • Eleza aina kuu za yabisi za fuwele: yabisi ya ionic, yabisi ya metali, yabisi ya mtandao wa covalent, na yabisi ya
    • Eleza njia ambazo kasoro za kioo zinaweza kutokea kwa imara

    Wakati majimaji mengi yanapopozwa, hatimaye hufungia na kutengeneza yabisi ya fuwele, yabisi ambayo atomi, ioni, au molekuli hupangwa katika muundo wa kurudia dhahiri. Inawezekana pia kwa kioevu kufungia kabla ya molekuli zake kupangwa kwa muundo wa utaratibu. Vifaa vinavyotokana huitwa solidi za amorphous au solidi zisizo za kioo (au, wakati mwingine, glasi). Chembe za solids vile hazina muundo wa ndani ulioamuru na hupangwa kwa nasibu (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

    Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Mashirika ya awamu imara yanaweza kupangwa kwa mfano wa kawaida, kurudia (solids fuwele) au nasibu (amorphous).
    Mpangilio wa fuwele unaonyesha miduara mingi inayotolewa katika safu na kuingizwa pamoja kwa ukali. Mpangilio wa amorphous unaonyesha miduara mingi imeenea kidogo na kwa muundo usioandaliwa.

    Vyuma na misombo ionic kawaida fomu awali, fuwele yabisi. Mambo ambayo yanajumuisha molekuli kubwa, au mchanganyiko wa molekuli ambazo harakati zake zimezuiwa zaidi, mara nyingi huunda solidi za amofasi. Kwa mifano, waxes za mishumaa ni solidi za amofasi linajumuisha molekuli kubwa za hidrokaboni. Dutu zingine, kama vile oksidi ya boroni (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)), zinaweza kuunda solidi za fuwele au za amofasi, kulingana na hali ambayo huzalishwa. Pia, solids amorphous inaweza kuwa na mpito kwa hali ya fuwele chini ya hali sahihi.

    Kielelezo\(\PageIndex{2}\): (a) Diboron trioxide, B 2 O 3, kawaida hupatikana kama nyeupe, amofous imara (kioo), ambayo ina kiwango cha juu cha ugonjwa katika muundo wake. (b) Kwa kupokanzwa kwa makini, kupanuliwa, inaweza kubadilishwa kuwa fomu ya fuwele ya B 2 O 3, ambayo ina utaratibu ulioamuru sana.
    Mfumo wa kwanza wa trioxide ya diboron inaonyesha pete tano zinazofanana na zilizojitenga za hexagonal. Muundo wa pili wa trioxide ya diboron inaonyesha muundo unaounganishwa zaidi na pete nne kubwa zinazounda muundo imara zaidi.

    Yabisi ya fuwele kwa ujumla huainishwa kulingana na asili ya vikosi vinavyoshikilia chembe zake pamoja. Majeshi haya ni hasa kuwajibika kwa mali ya kimwili iliyoonyeshwa na yabisi wingi. Sehemu zifuatazo hutoa maelezo ya aina kuu za solidi za fuwele: ionic, metali, mtandao wa covalent, na Masi.

    Ionic yabisi

    Ionic yabisi, kama vile kloridi sodiamu na oksidi nikeli, linajumuisha ions chanya na hasi kwamba ni uliofanyika pamoja na vivutio umeme, ambayo inaweza kuwa na nguvu kabisa (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Fuwele nyingi za ionic pia zina pointi za kiwango cha juu. Hii ni kutokana na vivutio vikali sana kati ya ioni-katika misombo ya ioniki, vivutio kati ya mashtaka kamili ni (mengi) kubwa kuliko yale kati ya mashtaka ya sehemu katika misombo ya Masi ya polar. Hii itaonekana kwa undani zaidi katika majadiliano ya baadaye ya nguvu za bandia. Ingawa ni ngumu, pia huwa na brittle, na hupasuka badala ya kuinama. Yabisi ya ioniki hayafanyi umeme; hata hivyo, hufanya wakati wa kuyeyuka au kufutwa kwa sababu ioni zao ni huru kuhamia. Misombo mingi rahisi inayotengenezwa na mmenyuko wa kipengele cha metali na kipengele cha nonmetallic ni ionic.

    Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Kloridi ya sodiamu ni imara ionic.
    Mchemraba unaojumuisha nyanja za zambarau na kijani huonyeshwa. Mchemraba una vipimo vya tatu na nyanja tatu. Sehemu za rangi ya zambarau ni kubwa zaidi kuliko nyanja za kijani.

    Metallic solids

    Metallic yabisi kama vile fuwele ya shaba, alumini, na chuma ni sumu na chuma atomi Kielelezo\(\PageIndex{4}\). Muundo wa fuwele za metali mara nyingi huelezewa kama usambazaji sare wa nuclei atomiki ndani ya “bahari” ya elektroni zilizotengwa. Atomi ndani ya mango hiyo ya metali hushikiliwa pamoja na nguvu ya pekee inayojulikana kama bonding ya metali ambayo inatoa kupanda kwa mali nyingi muhimu na mbalimbali wingi. Yote maonyesho high mafuta na umeme conductivity, metali luster, na malleability. Wengi ni ngumu sana na wenye nguvu sana. Kwa sababu ya uharibifu wao (uwezo wa kuharibika chini ya shinikizo au kupiga nyundo), hawana kuvunja na, kwa hiyo, kufanya vifaa vya ujenzi muhimu. Vipande vya kuyeyuka vya metali hutofautiana sana. Mercury ni kiowevu kwenye joto la kawaida, na metali za alkali huyeyuka chini ya 200 °C metali kadhaa za baada ya mpito pia zina pointi za kiwango cha chini, ilhali metali za mpito zinayeyuka kwenye joto la juu ya 1000 °C Tofauti hizi zinaonyesha tofauti katika uwezo wa kuunganisha metali kati ya metali.

    Takwimu hii inaonyesha nyanja za kahawia zilizopangwa katika mchemraba
    Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Copper ni imara ya metali.

    Covalent Network Solids

    Covalent mtandao yabisi ni pamoja na fuwele ya almasi, silicon, baadhi nonmetali nyingine, na baadhi ya misombo covalent kama vile silicon dioksidi (mchanga) na carbudi silicon (carborundum, abrasive juu ya sandpaper). Madini mengi yana mitandao ya vifungo vya covalent. Atomi katika yabisi haya ni uliofanyika pamoja na mtandao wa vifungo covalent, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{5}\). Ili kuvunja au kuyeyuka mtandao wa covalent imara, vifungo vya covalent vinapaswa kuvunjwa. Kwa sababu vifungo vya covalent ni nguvu kiasi, covalent mtandao yabisi ni kawaida sifa ya ugumu, nguvu, na high kiwango pointi. Kwa mfano almasi ni mojawapo ya vitu vikali zaidi vinavyojulikana na huyeyuka juu ya 3500 °C.

    Kielelezo\(\PageIndex{5}\). Kioo cha covalent kina mtandao wa tatu wa vifungo vya covalent, kama ilivyoonyeshwa na miundo ya almasi, dioksidi ya silicon, carbudi ya silicon, na grafiti. Graphite ni mfano wa kipekee, unaojumuisha karatasi za mipango ya fuwele za covalent ambazo zinafanyika pamoja katika tabaka na vikosi vya noncovalent. Tofauti na yabisi ya kawaida ya covalent, grafiti ni laini sana na conductive umeme.
    Muundo tata wa tatu wa almasi, dioksidi ya silicon, carbudi ya silicon na grafiti huonyeshwa pamoja na kitengo kidogo cha kurudia cha muundo kilichoonyeshwa hapo juu ya kila muundo.

    Masi yabisi

    Masi yabisi, kama vile barafu, sucrose (meza sukari), na madini, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{6}\), linajumuisha molekuli neutral. Nguvu za nguvu za kuvutia kati ya vitengo vilivyopo katika fuwele tofauti hutofautiana sana, kama ilivyoonyeshwa na pointi za kiwango cha fuwele. Molekuli ndogo za ulinganifu (molekuli zisizo za polar), kama vile H 2, N 2, O 2, na F 2, zina nguvu dhaifu za kuvutia na huunda yabisi ya molekuli yenye pointi za kiwango cha chini sana (chini ya -200 °C). Vipengele vilivyo na molekuli kubwa, zisizo na nonpolar zina nguvu kubwa za kuvutia na zinayeyuka kwenye joto la juu. Masi yabisi linajumuisha molekuli na muda dipole kudumu (polar molekuli) kuyeyuka katika joto bado juu. Mifano ni pamoja na barafu (kiwango cha kuyeyuka, 0 °C) na sukari ya meza (kiwango cha kuyeyuka, 185 °C).

    Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Dioksidi kaboni (CO 2) ina molekuli ndogo, zisizo za polar na huunda molekuli imara yenye kiwango cha kuyeyuka ya -78 °C Iodini (I 2) ina molekuli kubwa, zisizo za polar na huunda molekuli imara inayoyeyuka kwenye 114 °C.
    Kwenye upande wa kushoto, molekuli nyingi nyekundu na kijivu zimewekwa kwa kiasi kikubwa katika kuchora 3-D ili kuwakilisha dioksidi kaboni. Kwa upande wa kulia, molekuli za rangi ya zambarau zimetawanyika kwa nasibu ili

    Mali ya Yabisi

    Mango ya fuwele, kama yale yaliyoorodheshwa katika Jedwali\(\PageIndex{1}\) ina joto la kuyeyuka sahihi kwa sababu kila atomu au molekuli ya aina hiyo inashikiliwa mahali pamoja na vikosi sawa au nishati. Hivyo, vivutio kati ya vitengo vinavyotengeneza kioo vyote vina nguvu sawa na vyote vinahitaji kiasi sawa cha nishati kuvunjika. Kuboresha taratibu za nyenzo za amorphous hutofautiana sana kutokana na kiwango tofauti cha imara ya fuwele. Hii inatokana na nonequivalence miundo ya molekuli katika imara amorphous. Vikosi vingine ni dhaifu zaidi kuliko wengine, na wakati nyenzo za amorphous zinapokanzwa, vivutio dhaifu zaidi vya intermolecular huvunja kwanza. Kama joto linaongezeka zaidi, vivutio vyenye nguvu vimevunjika. Hivyo vifaa vya amorphous hupunguza juu ya joto mbalimbali.

    Jedwali\(\PageIndex{1}\): Aina za Vyombo vya fuwele na Mali Zake
    Aina ya Mango Aina ya Chembe Aina ya Vivutio Mali Mifano
    ioniki ioni vifungo ionic ngumu, brittle, hufanya umeme kama kioevu, lakini si kama imara, juu hadi kiwango cha juu sana. NaCl, All 2 O 3
    metali atomi ya vipengele vya electropositive vifungo vya metali shiny, malleable, ductile, inafanya joto na umeme vizuri, ugumu kutofautiana na joto la kiwango Cu, Fe, Ti, Pb, U
    mtandao wa covalent atomi ya vipengele vya electronegative vifungo vya covalent ngumu sana, si conductive, high sana kiwango pointi C (almasi), ISO 2, SC
    molekuli molekuli (au atomi) IMF kutofautiana ugumu, kutofautiana brittleness, si conductive, chini kiwango pointi H 2 O, CO 2, I 2, C 12 H 22 O 11
    Graphene: Nyenzo ya Baadaye

    Carbon ni kipengele muhimu katika ulimwengu wetu. Mali ya pekee ya atomi za kaboni huruhusu kuwepo kwa aina za maisha za kaboni kama sisi wenyewe. Carbon huunda aina kubwa ya vitu tunayotumia kila siku, ikiwa ni pamoja na yale yaliyoonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{7}\). Unaweza kuwa ukoo na almasi na grafiti, allotropes mbili za kawaida za kaboni. (Allotropes ni aina tofauti za miundo ya kipengele hicho.) Diamond ni moja ya dutu gumu-inayojulikana, ambapo grafiti ni laini ya kutosha kutumika kama risasi penseli. Mali hizi tofauti sana zinatokana na mipangilio tofauti ya atomi za kaboni katika allotropes tofauti.

    Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Diamond ni ngumu sana kwa sababu ya bonding nguvu kati ya atomi kaboni katika pande zote. Grafiti (katika uongozi wa penseli) hupuka kwenye karatasi kutokana na vivutio dhaifu kati ya tabaka za kaboni. Picha ya uso wa grafiti inaonyesha umbali kati ya vituo vya atomi za kaboni zilizo karibu. (picha ya kushoto ya mikopo: mabadiliko ya kazi na Steve Jurvetson; picha ya katikati ya mikopo: mabadiliko ya kazi na Utafiti wa Kijiolojia wa Marekani)
    Karibu ya kipande cha almasi inaonyesha muundo wa mwelekeo wa tatu wa mtandao tata wa atomi za kaboni zilizounganishwa vizuri. Karibu ya grafiti inaonyesha tabaka kadhaa za karatasi za kaboni. Kila karatasi inajumuisha muundo wa hexagonal mara kwa mara na kushikamana wa atomi za kaboni. Mchoro wa tatu unaonyesha kwamba umbali kati ya katikati ya atomi ni mara 1.4 10 hadi nguvu ya mita 10 hasi.

    Unaweza kuwa chini ya ukoo na aina ya hivi karibuni ya kaboni: graphene. Graphene mara ya kwanza pekee katika 2004 kwa kutumia mkanda kuondoa tabaka nyembamba na nyembamba kutoka grafiti. Kimsingi ni karatasi moja (atomi moja nene) ya grafiti. Graphene, mfano katika Kielelezo\(\PageIndex{8}\), si tu nguvu na nyepesi, lakini pia ni conductor bora ya umeme na joto. Mali hizi zinaweza kuthibitisha kuwa muhimu sana katika maombi mbalimbali, kama vile vifuniko vya kompyuta vilivyoboreshwa sana na nyaya, betri bora na seli za jua, na vifaa vya miundo yenye nguvu na nyepesi. Tuzo ya Nobel ya 2010 katika Fizikia ilitolewa kwa Andre Geim na Konstantin Novoselov kwa kazi yao ya uanzilishi na graphene.

    Kielelezo\(\PageIndex{8}\): Karatasi za Graphene zinaweza kuundwa katika buckyballs, nanotubes, na tabaka zilizopigwa.
    Karatasi ya pete za hexagonal zilizounganishwa zinaonyeshwa hapo juu. Chini yake, bukcyball inavyoonyeshwa ambayo ni nyanja inajumuisha pete za hexagonal. Katika picha ya chini ya kati, nanotube inavyoonyeshwa kuwa inafanywa kwa kupiga karatasi ya graphene ndani ya tube. Katika picha ya chini ya kulia, karatasi zilizopigwa zilizojumuishwa na karatasi nne za usawa zinazojumuisha, pete za hexagonal zinaonyeshwa.

    Crystal kasoro

    Katika imara ya fuwele, atomi, ioni, au molekuli hupangwa kwa muundo wa kurudia dhahiri, lakini kasoro za mara kwa mara zinaweza kutokea katika muundo. Aina kadhaa za kasoro zinajulikana, kama ilivyoonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{9}\). Nafasi ni kasoro zinazotokea wakati nafasi zinazopaswa kuwa na atomi au ions ziko wazi. Chini ya kawaida, baadhi ya atomi au ions katika kioo inaweza kuchukua nafasi, inayoitwa maeneo ya kiunganishi, iko kati ya nafasi za kawaida kwa atomi. Uharibifu mwingine hupatikana katika fuwele zisizo safi, kama, kwa mfano, wakati cations, anions, au molekuli ya uchafu ni kubwa mno ili kuingia katika nafasi za kawaida bila kupotosha muundo. Kufuatilia kiasi cha uchafu wakati mwingine huongezwa kwa kioo (mchakato unaojulikana kama doping) ili kuunda kasoro katika muundo unaozalisha mabadiliko ya kuhitajika katika mali zake. Kwa mfano, fuwele za silicon hupigwa kwa kiasi tofauti cha vipengele tofauti ili kuzalisha mali zinazofaa za umeme kwa matumizi yao katika utengenezaji wa semiconductors na chips za kompyuta.

    Kielelezo\(\PageIndex{9}\): Aina ya kasoro kioo ni pamoja na nafasi za kazi, atomi unganishi, na mbadala uchafu.

    Muhtasari

    Dutu zingine huunda yabisi ya fuwele yenye chembe katika muundo ulioandaliwa sana; wengine huunda yabisi ya amofasi (noncrystalline) yenye muundo wa ndani usioamriwa. Aina kuu za yabisi za fuwele ni yabisi ya ioniki, yabisi ya metali, yabisi ya mtandao wa covalent, na yabisi ya masi. Mali ya aina tofauti za yabisi ya fuwele ni kutokana na aina za chembe ambazo zinajumuisha, mipangilio ya chembe, na nguvu za vivutio kati yao. Kwa sababu chembe zao hupata vivutio vinavyofanana, yabisi ya fuwele huwa na joto la kuyeyuka tofauti; chembe katika yabisi za amofasi hupata mwingiliano mwingiliano mbalimbali, hivyo hupunguza hatua kwa hatua na kuyeyuka juu ya joto mbalimbali. Baadhi ya yabisi ya fuwele huwa na kasoro katika muundo wa kurudia dhahiri wa chembe zao. Kasoro hizi (ambazo ni pamoja na nafasi za kazi, atomi au ions zisizo katika nafasi za kawaida, na uchafu) hubadilisha tabia za kimwili kama vile conductivity ya umeme, ambayo hutumiwa katika fuwele za silicon zinazotumiwa kutengeneza chips za kompyuta.

    faharasa

    amofasi imara
    (pia, noncrystalline imara) imara ambayo chembe hawana kuamuru muundo wa ndani
    covalent mtandao imara
    imara ambao chembe ni uliofanyika pamoja na vifungo covalent
    fuwele imara
    imara ambayo chembe ni mpangilio katika muundo wa kurudia uhakika
    maeneo ya kiungo
    nafasi kati ya nafasi ya mara kwa mara chembe katika safu yoyote ya atomi au ions
    ionic imara
    imara linajumuisha ions chanya na hasi uliofanyika pamoja na vivutio nguvu umeme
    metali imara
    imara linajumuisha atomi za chuma
    molekuli imara
    imara linajumuisha molekuli neutral uliofanyika pamoja na nguvu intermolecular ya kivutio
    nafasi
    kasoro ambayo hutokea wakati nafasi ambayo inapaswa kuwa na chembe au ion ni wazi