Skip to main content
Global

10.6: Hali imara ya Suala

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    188545

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

    Malengo ya kujifunza

    Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

    • 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 kiowevu 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 (Mchoro 10.37).

    Picha mbili zinaonyeshwa na zimeandikwa, kutoka kushoto kwenda kulia, “fuwele” na “Amorphous.” Mchoro wa fuwele unaonyesha miduara mingi inayotolewa katika safu na imechukuliwa pamoja kwa ukali. Mchoro wa amorphous unaonyesha miduara mingi imeenea kidogo na kwa muundo usioandaliwa.
    Kielelezo 10.37 Mashirika ya awamu imara yanaweza kupangwa kwa mfano wa kawaida, kurudia (solids fuwele) au nasibu (amorphous).

    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 dioksidi ya silicon (inavyoonekana kwenye Kielelezo 10.38), 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.

    Seti mbili za molekuli zinaonyeshwa. Seti ya kwanza ya molekuli ina tano kufanana, pete hexagonal linajumuisha alternating nyekundu na maroon nyanja moja bonded pamoja na nyanja nyekundu kupanua nje kutoka kila nyanja maroon. Seti ya pili ya molekuli inaonyesha pete nne zenye pande kumi na mbili ambazo zimeunganishwa pamoja. Kila pete linajumuisha alternating nyekundu na maroon nyanja moja Bonded pamoja na nyanja nyekundu kupanua nje kutoka kila nyanja maroon.
    Kielelezo 10.38 (a) Silicon dioksidi, SiO 2, ni nyingi katika asili kama moja ya aina kadhaa za fuwele za quartz ya madini. (b) Baridi ya haraka ya SiO 2 iliyoyeyuka huzaa imara ya amofasi inayojulikana kama “silika iliyochanganywa”.

    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 ya sodiamu na oksidi ya nikeli, linajumuisha ions chanya na hasi ambazo zinafanyika pamoja na vivutio vya umeme, ambazo zinaweza kuwa na nguvu kabisa (Mchoro 10.39). 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.

    Takwimu hii inaonyesha nyanja kubwa za zambarau zilizounganishwa na nyanja ndogo za kijani katika muundo unaobadilisha. Sehemu hizo zinapangwa katika mchemraba.
    Kielelezo 10.39 Kloridi ya sodiamu ni imara ionic.

    Metallic solids

    Zabisi za metali kama vile fuwele za shaba, alumini, na chuma hutengenezwa na atomi za chuma Kielelezo 10.40. 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 kubwa za kahawia zilizopangwa katika mchemraba.
    Kielelezo 10.40 Copper ni imara ya metali.

    Covalent Network imara

    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 10.41. 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.

    Jozi nne za picha zinaonyeshwa. Katika jozi ya kwanza, sanduku la mraba lenye atomi nyeusi lililounganishwa na atomi nyingine nne nyeusi linaonyeshwa juu ya muundo unaojumuisha atomi nyingi nyeusi, kila mmoja huunganishwa na atomi nyingine nne nyeusi, ambapo moja kati ya atomi za juu huitwa “kaboni” na muundo mzima huitwa “almasi.” Katika jozi ya pili, sanduku la mraba lenye atomi nyeupe lililounganishwa na atomi nne nyekundu linaonyeshwa juu ya muundo unaojumuisha atomi nyingi nyeupe, kila mmoja huunganishwa na atomi nne nyekundu, ambapo moja ya atomi nyekundu huitwa “oksijeni” na moja ya atomi nyeupe huitwa “silicon.” Mfumo wote umeandikwa “dioksidi ya silicon.” Katika jozi ya tatu, sanduku la mraba lenye atomi ya bluu lililounganishwa na atomi nne nyeupe linaonyeshwa juu ya muundo unaojumuisha atomi nyingi za buluu, kila mmoja huunganishwa na atomi nne nyeupe, ambapo moja ya atomi za bluu huitwa “kaboni” na moja ya atomi nyeupe huitwa “silicon.” Muundo wote unaitwa “carbide ya silicon.” Katika jozi ya nne, sanduku la mraba lenye atomi nyeusi sita zilizounganishwa ndani ya pete linaonyeshwa juu ya muundo unaojumuisha pete nyingi, zilizopangwa katika karatasi zilizopambwa moja juu ya nyingine, ambapo moja ya atomi nyeusi inaitwa “kaboni.” Muundo wote umeandikwa “grafiti.”
    Kielelezo 10.41 kioo covalent ina mtandao tatu-dimensional ya vifungo covalent, kama inavyoonekana na miundo ya almasi, dioksidi silicon, carbudi silicon, 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.

    Masi imara

    Masi yabisi, kama vile barafu, sucrose (meza sukari), na iodini, kama inavyoonekana katika Kielelezo 10.42, linajumuisha molekuli neutral. Nguvu za nguvu za kuvutia kati ya vitengo vilivyopo katika fuwele tofauti hutofautiana sana, kama ilivyoonyeshwa na pointi za kuyeyuka za 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 wa kudumu dipole (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).

    Picha mbili zinaonyeshwa na zimeandikwa “dioksidi kaboni” na “iodini.” Muundo wa dioksidi kaboni hujumuisha molekuli, kila moja yenye atomi moja ya kijivu na mbili nyekundu, zilizowekwa pamoja ndani ya mchemraba. Picha ya iodini inaonyesha jozi za atomi za rangi ya zambarau zilizopangwa karibu, lakini hazigusa.
    Kielelezo 10.42 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.

    Mali ya Yabisi

    Mango ya fuwele, kama yale yaliyoorodheshwa katika Jedwali 10.4, 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.

    Aina ya Vyombo vya fuwele na Mali Zao
    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 wa 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
    Jedwali 10.4

    Jinsi Sayansi Kuunganisha

    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 Mchoro 10.43. 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.

    Jozi tatu za picha zinaonyeshwa, kila linajumuisha picha na mchoro. Katika jozi ya kwanza, picha inaonyesha mtazamo wa karibu wa kioo isiyo na rangi, yenye rangi nyingi na mchoro unaonyesha nyanja nyingi za kijivu zilizounganishwa pamoja katika muundo wa wavu. Maelezo yaliyo chini ya jozi hii yanasoma “almasi.” Katika jozi ya pili, picha inaonyesha textured mbaya, giza kijivu imara wakati picha inaonyesha karatasi nne usawa, linajumuisha interlocking nyanja nyeusi, amelala juu ya kila mmoja. Jozi hii ina maelezo yanayosoma “grafiti.” Jozi ya tatu inaonyesha picha ya hexagoni kumi na mbili nyeusi kwenye background ya njano ambapo hexagons mbili zimezungukwa na mpaka wa kijivu na maelezo ya “mara 1.4 10, superscript hasi 10, m, Umbali kati ya kituo cha atomi” na picha ya hexagons nyingi nyeusi zilizopangwa sawasawa kwenye background ya njano. Maelezo yaliyo chini ya jozi hii ya picha inasoma “uso wa Graphite.”
    Kielelezo 10.43 Diamond ni ngumu sana kwa sababu ya bonding nguvu kati ya atomi kaboni katika pande zote. Grafiti (katika uongozi wa penseli) huchota 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)

    Unaweza kuwa chini ya ukoo na aina ya hivi karibuni iliyogunduliwa 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, iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 10.44, sio nguvu tu 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.

    Picha nne zinaonyeshwa. Katika picha ya juu, iliyoandikwa “karatasi ya Graphene,” sanduku hutolewa karibu na karatasi ya pete za hexagonal zilizounganishwa. Katika picha ya kushoto ya chini, nyanja inajumuisha pete za hexagonal zilizounganishwa pamoja na zimeandikwa “Buckyball.” Katika picha ya chini ya kati, bomba linaonyeshwa kuwa linajumuisha pete nyingi za hexagonal zilizounganishwa pamoja na kinachoitwa “Nanotube.” Katika picha ya chini ya kulia, karatasi nne za usawa linajumuisha pete zilizounganishwa, za hexagonal zinaonyeshwa na zimeandikwa “Karatasi zilizopigwa.”
    Kielelezo 10.44 Karatasi za Graphene zinaweza kuundwa katika buckyballs, nanotubes, na tabaka zilizopigwa.

    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 Mchoro 10.45. 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.

    Mchoro unaonyeshwa ambapo nyanja mia moja na arobaini nne zinapangwa kwa kumi na mbili na mraba kumi na mbili. Pengo katika mraba linaitwa “Nafasi” wakati nyanja moja ambayo ni rangi tofauti kutoka kwa wengine wote inaitwa “uchafu wa kiungo.” Kona ya juu kulia ya mraba inasumbuliwa na ina nyanja kubwa iliyoingizwa ambayo inaitwa “Badala ya uchafu atomi.”
    Kielelezo 10.45 Aina za kasoro za kioo ni pamoja na nafasi za kazi, atomi za kiunganishi, na uchafu wa mbadala.