Sólido

Modelo de partícula de um sólido
Cristal quase periódico , conforme examinado pelo Prêmio Nobel de Química (2011) Dan Shechtman .

Nas ciências naturais, sólido (também sólido ) refere-se à matéria no estado sólido de agregação . Em um sentido mais restrito, isso também significa uma substância que tem um estado sólido de agregação a uma temperatura de 20 ° C, o termo sólido neste caso sendo específico da substância, mas não específico da temperatura. Em linguagem técnica , os sólidos têm um certo tamanho mínimo , mas isso não está claramente definido. Eles são, portanto, corpos macroscópicos - em contraste com os corpos microscópicos. Por exemplo, uma macromolécula geralmente se aplica não em si como um sólido. A matéria na área de transição é chamada de cluster .

Os sólidos reais são deformáveis ( elásticos ou plásticos ) por forças , em contraste com os corpos rígidos idealizados . Todos os sólidos são compostos de blocos de construção. Essas partes elementares podem ser átomos ou moléculas individuais , mas também grupos dos mesmos. Se todos os componentes são do mesmo tipo, fala-se de monoestruturas , caso contrário, de heteroestruturas . As propriedades dos sólidos diferem consideravelmente das propriedades das partículas ou soluções livres devido à interação mútua dos blocos de construção da matéria . Uma característica especial dos sólidos é a estabilidade da ordem ( amorfa ou cristalina ) de seus blocos de construção. Outra estrutura dos mesmos blocos de construção - a modificação - influencia significativamente as propriedades do sólido.

A física do estado sólido preocupa-se com a física da matéria no estado sólido, como um caso especial da matéria condensada , incluindo os líquidos . A ciência dos materiais se preocupa principalmente com as propriedades físicas e químicas dos sólidos. Em adição à composição química dos existentes materiais, de estado sólido química é particularmente interessados na síntese de novos materiais. As disciplinas não são nitidamente delimitadas umas das outras ou da mineralogia , metalurgia e cristalografia .

Tipos

É feita uma distinção entre sólidos amorfos (“sem forma” na menor escala) e sólidos cristalinos (consistindo de cristais ). A Física do Estado Sólido trata principalmente das propriedades dos sólidos monocristalinos e policristalinos.

Monocristais

Com cristais únicos , todo o corpo consiste em um único cristal. Existe um regular, mais precisamente um periódico em todas as dimensões, de seus blocos de construção. A natureza da estrutura subjacente é responsável por muitas propriedades de um sólido. Por exemplo, o carbono tem duas estruturas cristalinas diferentes - grafite e diamante - que têm condutividades elétricas completamente diferentes (a grafite conduz eletricidade, o diamante é um isolante ). Alguns minerais ocorrem como cristais únicos naturais com uma forma externa característica.

Quasicristais

Descobertos por Dan Shechtman e premiados com o Prêmio Nobel de Química em 2011, os quasicristais são um novo tipo de sólido. Os quasicristais são aperiódicos, mas têm uma ordem de curto alcance com uma simetria de cinco, oito, dez ou doze vezes . Exemplos de sistemas com uma estrutura quase cristalina são ligas de metal de alumínio e Cd 5,7 Yb, Cd 5,7 Ca em uma estrutura icosaédrica e Ta 1,6 Te em uma estrutura dodecaédrica. Como essa fase só é estável em faixas de mistura muito estreitas dos elementos, os quasicristais também podem ser contados entre os compostos intermetálicos .

Sólidos amorfos

A física dos sólidos amorfos é multifacetada, porque abrange todos os sólidos que não possuem uma estrutura regular. A maioria dos vidros ou alguns líquidos solidificados são apenas alguns dos representantes desse tipo. Com a perda de uma ordem macroscópica, muitas propriedades típicas de um cristal também são perdidas. Por exemplo, a maioria dos sólidos amorfos são bons isolantes de eletricidade e calor e costumam ser quebradiços . No entanto, esse tipo de sólido é um campo de pesquisa interessante, uma vez que a falta de estrutura cristalina também significa ausência de efeitos de anisotropia . As fases amorfas estão principalmente em um estado metaestável "congelado" e mudam sua estrutura e propriedades com temperaturas mais altas.

Sólidos policristalinos

Cristalino e amorfo não são as únicas manifestações possíveis de sólidos. No meio existe uma área que é, por assim dizer, um híbrido: os sólidos policristalinos . Eles consistem em uma coleção de pequenos cristais únicos que são desordenados e conectados para formar um grande todo. Nos metais, mas também na geologia , os cristalitos individuais são freqüentemente chamados de grãos, que são separados uns dos outros por contornos de grãos desordenados . Juntos, eles formam uma estrutura sólida , que pode ser reconhecida, por exemplo, pelo brilho de diferentes grãos no mármore . A textura descreve a orientação da totalidade dos grãos no sólido e é uma medida da anisotropia de muitas propriedades químicas e físicas.
No caso dos polímeros, as proporções das fases cristalina e amorfa são descritas pelo grau de cristalização .

Laços

A coesão de um sólido é baseada em uma interação atrativa (atrativa) entre átomos ou moléculas em longas distâncias e repulsiva em curtas distâncias. A distância energeticamente mais favorável é chamada de distância de equilíbrio . Se a energia térmica dos átomos for muito baixa para escapar dessa armadilha potencial , arranjos rígidos se formam - os átomos estão ligados uns aos outros . As distâncias de equilíbrio assumidas desta forma são características da respectiva substância e estão tipicamente na faixa de cerca de 0,1 nm a 0,3 nm. A unidade Ångström é muito comum nesta faixa (0,1 nm = 1 Å).

Existem essencialmente quatro tipos de ligação que influenciam significativamente a estrutura e as propriedades de um sólido:

Ligação iônica

A ligação iônica sempre ocorre - pelo menos parcialmente - quando o sólido é composto de diferentes elementos que possuem eletronegatividade diferente . O elemento mais eletropositivo libera um elétron para o elemento mais eletronegativo, então um se torna um ânion e o outro se torna um cátion . Cargas diferentes causam atração eletrostática , enquanto os mesmos portadores de carga se repelem. No sólido, portanto, ânions e cátions se alternam ou formam uma concha em torno um do outro. Os sais são representantes típicos desse tipo de ligação.

Ligação covalente

A ligação covalente , também chamada de ligação atômica, é baseada na diminuição da energia potencial dos estados eletrônicos . Os orbitais dos dois parceiros de ligação se sobrepõem e se deformam para permitir um arranjo com tantos estados de baixa energia quanto possível. O princípio é o mesmo que para a formação de moléculas (por exemplo, O 2 ). Elementos do quarto grupo principal ( carbono , silício , germânio ) são ligados dessa maneira. Em seguida, ele se refere ao estado dos elétrons como sp 3 - hibridização . As moléculas consistem em cadeias de ligações covalentes que influenciam umas às outras e podem ser divididas em diferentes conformações ou estereoisômeros gerais .

Ligação de metal

A ligação metálica é um caso extremo de ligação covalente. Essa ligação também se deve a uma diminuição da energia potencial dos estados eletrônicos. Só aqui a sobreposição dos orbitais dos átomos é tão grande que eles também interagem com os de seus próximos, mas um (ou até mais) vizinhos. Para um cluster , uma ordem de longo alcance que pode ser descrita por uma rede ( estrutura cristalina ) é freqüentemente a mais estável em termos de energia. Alguns elétrons são deslocalizados e não podem ser atribuídos a um núcleo atômico. Os elétrons deslocalizados podem passar energia muito rapidamente através dos plasmons . Falando figurativamente, os núcleos de íons dos átomos estão embutidos em um lago de elétrons. Como o nome sugere, os metais formam essa ligação.

Van der Waals bond

As interações de Van der Waals sempre ocorrem, mas são tão fracas que só se tornam tão perceptíveis na ausência de outros tipos de vínculo que se pode falar de verdadeiros vínculos de van der Waals. A força atrativa é um componente das interações eletrostáticas totais, que diminui com a distância recíproca à 7ª potência e é causada por momentos dipolares induzidos localmente na densidade eletrônica. Gás nobre e cristais moleculares só são mantidos juntos por eles. As interações de Van der Waals estão entre as interações de dispersão que são causadas na banda ou modelo orbital a partir de contribuições perturbativas de segunda ordem e ordem superior da repulsão intereletrônica.

Esses tipos de apego não são, de forma alguma, casos isolados que ocorrem apenas um ou outro. A transição de ligações iônicas para covalentes para metálicas é fluida. Além disso, diferentes ligações podem ocorrer lado a lado em sólidos. Grafite, por exemplo B. consiste em camadas de átomos de carbono covalentemente ligados, enquanto as camadas como um todo se mantêm unidas por meio de ligações de van der Waals. Como a última ligação é muito fraca, o grafite é usado como grafite de lápis - as ligações se rompem ao esfregar no papel. Estruturas de cristal com diferentes tipos de ligação são chamadas de heterodésmicas, aquelas com apenas um tipo de ligação são chamadas de homodésmicas. Um modelo matemático simples para a energia potencial de dois parceiros de ligação neutros (átomos ou moléculas) é o potencial de Lennard-Jones .

superfícies

Com a superfície, significa as 1–3 camadas atômicas finais na fronteira com o vácuo. A falta de parceiros de ligação para um lado geralmente resulta em relaxamento , reconstrução ou recombinação de átomos nessas camadas . Os átomos tentam adotar um estado energeticamente mais favorável , alterando o comprimento da ligação para camadas mais profundas (relaxamento) ou reorganizando suas posições e saturando ligações abertas (recombinação). O resultado são novas estruturas de superfície que podem ter uma periodicidade diferente do substrato (camadas mais profundas).

Outra característica especial é a aparência das condições da superfície . Isso significa que nas outras áreas energeticamente proibidas - as lacunas de banda - podem surgir estados de energia permitidos para os elétrons . No caso de semicondutores, esses novos estados fazem com que as fitas se dobrem e, assim, alterem a condutividade elétrica. Isso pode levar a canais de condução, que são usados ​​para transistores de efeito de campo , por exemplo .

Propriedades dos sólidos

Condutividade elétrica

Dependendo de sua condutividade elétrica , os sólidos podem ser divididos em condutores, semicondutores e não condutores. Essa classificação foi historicamente estabelecida dessa forma. No entanto, uma explicação para as diferenças de condutividade só pode ser fornecida pelo modelo de fita . Hoje em dia, portanto, a atribuição do grupo é determinada pelo tamanho do gap . A condutividade elétrica é uma das grandezas mais variáveis ​​da física, os valores possíveis se estendem por mais de 30 ordens de magnitude. A maioria dos sólidos não magnéticos mostra outro efeito surpreendente em temperaturas muito baixas: abaixo de uma temperatura crítica, a resistência elétrica desaparece completamente; este estado é chamado de fase supercondutora .

escada
Quase todos os metais são condutores eletricamente bons e não possuem gap. Os elétrons de condução se comportam como se pudessem se mover livremente no sólido. No entanto, conforme a temperatura aumenta, a condutividade diminui, o que pode ser explicado pelo aumento do impacto dos elétrons com as vibrações da rede.
semicondutor
A característica mais marcante da condutividade dos semicondutores é sua forte dependência de parâmetros internos (grau de pureza ) e também externos ( temperatura ). No caso de semicondutores puros (intrínsecos), a condutividade aumenta acentuadamente com o aumento da temperatura - muitas vezes em uma ordem de magnitude com uma diferença de cerca de 20 K. Além dos elétrons, os chamados elétrons defeituosos , também chamados de buracos, também contribuem para a condutividade. As densidades de portadores de carga de buracos e elétrons são as mesmas em semicondutores intrínsecos, mas a proporção pode ser alterada em um lado por contaminação direcionada ( dopagem ). O intervalo de banda é da ordem de 0,1 a ≈ 4 eV .
Não condutores
Os isoladores praticamente não conduzem corrente elétrica em condições normais. Mesmo uma alta tensão externa induz apenas correntes muito baixas em portadores de carga no dielétrico. Um gap maior que 4 eV, uma alta tensão de ruptura e pontos de fusão são característicos.

Deformabilidade

Em contraste com líquidos e gases , as partículas no estado sólido de agregação são apenas minimamente deslocáveis ​​entre si - de acordo com sua estrutura fina semelhante a um cristal . Essas deformações são difíceis de modelar nos mínimos detalhes, mas seguem leis claras sobre milhões ou trilhões de partículas . Estão relacionados com a elasticidade e seus módulos , bem como com a forma e dimensão do corpo a ser deformado.

Um sólido idealizado que é usado como modelo de um sólido na mecânica clássica é o corpo rígido . Não está sujeito a quaisquer deformações, mas não ocorre na natureza . Na maioria dos casos, é um bom modelo para os objetos reais em nosso ambiente. O corpo sólido real, por outro lado, geralmente não tem uma deformabilidade simples, mas dependente da direção . Isso lida com a física do estado sólido, por exemplo.

Reatividade

Comparadas às reações em solução, as reações de estado sólido são geralmente caracterizadas por barreiras de ativação muito altas . A razão é o mecanismo de reação pelo qual as reações de estado sólido ocorrem: as lacunas na estrutura do cristal se movem como em um "quebra-cabeça deslizante". Para isso, a estrutura cristalina tem que ser deformada, o que gera uma grande quantidade de energia.

Outras propriedades

Outros atributos típicos dos sólidos são sua condutividade para calor ou corrente elétrica . Essas duas propriedades geralmente estão intimamente ligadas.

Sólido em altas pressões

Sob a ação de altas pressões, os sólidos mudam da fase normal com mudanças nas propriedades para uma fase de alta pressão, ou surgem outras modificações da substância. Exemplos disso são a conversão de grafite em diamante a uma pressão de mais de 60  kbar ou a conversão de α- nitreto de boro em β-nitreto de boro (borazon). A uma pressão de mais de 150 kbar, o silício mostra uma queda drástica na resistência e se transforma em uma modificação metálica de alta pressão com uma estrutura do tipo β-estanho. A rede de cloreto de sódio dos haletos de potássio se transforma na rede de cloreto de césio a uma pressão acima de 20 kbar . Em geral, quando a pressão é exercida, as partículas do sólido movem-se para um empacotamento mais próximo, combinado com um aumento no número de coordenação . As ligações covalentes freqüentemente tornam-se ligações metálicas com elétrons deslocalizados. Os processos de alta pressão são adequados para a produção ou crescimento de cristais de compostos, que são então metaestáveis mesmo sob pressão normal , por exemplo, para produzir diamantes artificiais.

literatura

  • Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Textbook of Experimental Physics. Volume 6: sólidos. 2ª edição revisada. Walter de Gruyter Verlag, Berlin 2005, ISBN 3-11-017485-5 .
  • Markus Schwoerer, Hans Christoph Wolf: Organic Molecular Solids. Introdução à física dos sistemas pi. Viley-VCH Verlag, Weinheim 2005, ISBN 3-527-40539-9 .

Veja também

Links da web

Evidência individual

  1. ^ Química do ABC de Brockhaus. FA Brockhaus Verlag, Leipzig 1965, página 405.
  2. ^ Egon Wiberg , Nils Wiberg : Livro de texto da química inorgânica . 101., verbo. e forte exp. Edição. Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 .
  3. ↑ Gama Klaus-Jürgen: Química do estado sólido a altas pressões . fita 10 , não. 6 , 1976, p. 180-188 , doi : 10.1002 / ciuz.19760100604 .