מצב מוצק: מאפיינים, תכונות, סוגים, דוגמאות - מַדָע - 2025

המצב המוצק הוא אחת הדרכים העיקריות בהן החומר מצטבר ליצירת גופים מרוכזים או מוצקים. קרום כדור הארץ כולו, שמשאיר את הים והאוקיאנוסים, הוא קונגלומרט קפיצי של מוצקים. דוגמאות לאובייקטים במצב מוצק הם ספר, אבן או גרגרי חול.

אנו יכולים לתקשר עם מוצקים בזכות הדחיית האלקטרונים שלנו עם אלה מהאטומים או המולקולות שלהם. שלא כמו נוזלים וגזים, כל עוד הם אינם רעילים קשים, ידינו אינן יכולות לעבור בהן, אלא להתפורר או לספוג אותן.

פסל העץ של סוס זה עשוי מפולימרים טבעיים מגובשים מאוד. מקור: Pxhere.

בדרך כלל הרבה יותר קל לטפל או לאחסן מוצקים מאשר נוזל או גז. אלא אם כן חלקיקיו מחולקים דק, זרם רוח לא ישא אותו לכיוונים אחרים; הם קבועים במרחב המוגדר על ידי האינטראקציות הבין-מולקולריות של האטומים, היונים או המולקולות שלהם.

מושג סולידי

המוצק הוא מצב של חומר בו יש נפח וצורה קשיחים; החלקיקים היוצרים חומרים או חפצים במצב מוצק קבועים במקום אחד, הם אינם ניתנים לדחיסה בקלות.

מצב זה של החומר הוא המגוון והעשיר ביותר מבחינת הכימיה והפיזיקה. יש לנו מוצקים יוניים, מתכתיים, אטומיים, מולקולריים וקוואלנטים, לכל אחד יחידה מבנית משלו; כלומר עם גבישים משלה. כאשר מצב הצבירה שלהם אינו מאפשר להם להקים מבנים פנימיים מסודרים, הם הופכים לאמורפיים ומורכבים.

חקר המצב המוצק מתכנס בעיצוב וסינתזה של חומרים חדשים. לדוגמא, עץ, מוצק טבעי, שימש גם כחומר נוי ולבניית בתים.

חומרים מוצקים אחרים מאפשרים ייצור מכוניות, מטוסים, אוניות, חלליות, כורים גרעיניים, מוצרי ספורט, סוללות, זרזים וחפצים ומוצרים רבים אחרים.

מאפיינים כלליים של מוצקים

קפיץ ועץ, רכיבי קליפר, דוגמה של מוצק

המאפיינים העיקריים של מוצקים הם:

-הם הגדירו מסה, נפח וצורות. לגז, למשל, אין סוף או התחלה, מכיוון שאלו תלויים במכולה שאוחסן אותו.

-הם מאוד צפופים. מוצקים נוטים להיות צפופים יותר מנוזלים וגזים; למרות שיש כמה חריגים לכלל, במיוחד כאשר משווים נוזלים ומוצקים.

המרחקים המפרידים בין חלקיקיו הם קצרים. המשמעות היא שהם הפכו מאוד מגובשים או דחוסים בנפח שלהם.

-האינטראקציות הבין-מולקולריות שלהן חזקות מאוד, אחרת הן לא היו קיימות ככאלה והן היו נמסות או סובלימציות בתנאי שטח.

הבדלים בין חלקיקי מוצק, נוזל וגז

הניידות של מוצקים בדרך כלל מוגבלת למדי, לא רק מבחינה חומרית, אלא גם מבחינה מולקולרית. חלקיקיו מוגבלים במצב קבוע, שם הם יכולים רק לרטוט, אך לא לזוז או להסתובב (בתיאוריה).

נכסים

נקודות התכה

כל המוצקים, אלא אם כן הם מתפרקים בתהליך, ובלי קשר אם הם מוליכי חום טובים או לא, יכולים לעבור למצב נוזלי בטמפרטורה מסוימת: נקודת ההתכה שלהם. כשמגיעים לטמפרטורה זו, סוף סוף מצליחים חלקיקיה לזרום ולברוח ממיקומיהם הקבועים.

נקודת התכה זו תהיה תלויה באופי המוצק, באינטראקציות שלו, במסה הטוחנית ובאנרגיית הסריג הגבישית. ככלל, מוצקים יוניים ורשתות קוולנטיות (כמו יהלום וסיליקון דו חמצני) נוטים לקבל את נקודות ההיתוך הגבוהות ביותר; ואילו המוצקים המולקולריים, הנמוכים ביותר.

התמונה הבאה מראה כיצד קוביית קרח (מצב מוצק) הופכת למצב נוזלי:

סטוכיומטריה

חלק גדול מהמוצקים הם מולקולריים, מכיוון שהם תרכובות שהאינטראקציות הבין-מולקולריות שלהם מאפשרות להתאחד בצורה כזו. עם זאת, רבים אחרים הם יוניים או חלקיים יוניים, כך שהיחידות שלהם אינן מולקולות, אלא תאים: מערכת אטומים או יונים המסודרים בצורה מסודרת.

זה המקום בו הנוסחאות של מוצקים כאלה חייבים לכבד את נייטרליות המטענים, תוך ציון הרכבם ויחסיהם הסטויו-מטריים. לדוגמא, המוצק שהנוסחה ההיפותטית שלו היא A ₂ B ₄ O ₂ מעידה על כך שיש לו אותו מספר אטומי A כמו O (2: 2), בעוד שיש לו כפליים מספר אטומי B (2: 4).

שימו לב שתסני-המשנה של הנוסחה A ₂ B ₄ O ₂ הם מספרים שלמים, מה שמראה שמדובר במוצק סטואו-מטרי. ההרכב של מוצקים רבים מתואר על ידי נוסחאות אלה. המטענים על A, B ו- O חייבים להסתכם באפס, כי אחרת היה חיוב חיובי או שלילי.

עבור מוצקים כדאי במיוחד לדעת לפרש את הנוסחאות שלהם שכן בדרך כלל קומפוזיציות הנוזלים והגזים פשוטים יותר.

ליקויים

מבני המוצקים אינם מושלמים; הם מציגים פגמים או פגמים, גבישיים ככל שיהיו. זה לא המקרה עם נוזלים, וגם לא עם גזים. אין אזורים של מים נוזליים שאפשר לומר מראש שהם "ניתקים" מסביבתם.

פגמים כאלה אחראים לכך שהמוצקים הם קשים ופריכים, מראים תכונות כמו פיוטואלקטריות ופיזואלקטריות, או חדלים מלהרכיב מוגדרים; כלומר מדובר במוצקים שאינם סטואיציומטריים (למשל A _0.4 B _1.3 O _0.5 ).

תגובתיות

מוצקים בדרך כלל פחות מגיבים מנוזלים וגזים; אך לא בגלל סיבות כימיות, אלא מהעובדה שהמבנים שלהם מונעים מגיבים להתנפל על החלקיקים שבתוכם, ומגיבים תחילה עם אלו שעל פני השטח שלהם. לכן, התגובות הכרוכות במוצקים נוטות להיות איטיות יותר; אלא אם כן הם מופרכים.

כאשר מוצק הוא בצורת אבקה, לחלקיקים הקטנים יותר יש שטח או משטח גדול יותר להגיב. זו הסיבה שמוצקים עדינים מתויגים לרוב כריגנטים שעלולים להיות מסוכנים, מכיוון שהם יכולים להתלקח במהירות, או להגיב במרץ במגע עם חומרים או תרכובות אחרות.

פעמים רבות המוצקים מומסים במדיום תגובה כדי להומוגניזציה של המערכת ולבצע סינתזה בתשואה גבוהה יותר.

גוּפָנִי

למעט נקודת ההיתוך והליקויים, מה שנאמר עד כה מתאים יותר לתכונות הכימיות של מוצקים מאשר לתכונות הפיזיקליות שלהם. הפיזיקה של חומרים ממוקדת באופן עמוק באופן בו אור, צליל, אלקטרונים וחום מתקשרים עם מוצקים, האם הם גבישיים, אמורפיים, מולקולריים וכו '.

כאן נכנס למה שמכונה מוצקים פלסטיים, אלסטיים, קשיחים, אטומים, שקופים, מוליכים-על, פוטואלקטריים, מיקרופוריים, פרומגנטיים, מבודדים או מוליכים למחצה.

בכימיה, למשל, חומרים שאינם סופגים קרינה אולטרה סגולה או אור נראה הם מעניינים, מכיוון שהם משמשים לייצור תאי מדידה עבור ספקטרופוטומטר UV-Vis. אותו דבר קורה עם קרינת אינפרא אדום, כשאתה רוצה לאפיין תרכובת על ידי השגת ספקטרום ה- IR שלו, או ללמוד את התקדמות התגובה.

המחקר והמניפולציה של כל המאפיינים הפיזיים של מוצקים דורשים מסירות עצומה, כמו גם הסינתזה והעיצוב שלהם, בבחירת "חתיכות" של בנייה אורגנית, ביולוגית, אורגנית או אורגנו-מתכתית לחומרים חדשים.

סוגים ודוגמאות

מכיוון שישנם כמה סוגים של מוצקים כימית, יצוינו דוגמאות ייצוגיות בנפרד עבור כל אחת מהן.

מוצקים גבישיים

מצד אחד ישנם מוצקים גבישיים. אלמנטים אלה מאופיינים מכיוון שהמולקולות המרכיבות אותם מוגדרות באותו אופן, החוזר על עצמו כדפוס לאורך הגביש. כל תבנית נקראת תא יחידה.

מוצקים גבישיים מאופיינים גם בכך שיש להם נקודת התכה מוגדרת; משמעות הדבר היא, בהתחשב באחידות סידור המולקולות שלה, ישנו אותו מרחק בין כל תא יחידה, המאפשר למבנה כולו להשתנות כל הזמן תחת אותה טמפרטורה.

דוגמאות למוצקים גבישיים יכולים להיות מלח וסוכר.

מוצקים אמורפיים

מוצקים אמורפיים מאופיינים בכך שהקונפורמציה של המולקולות שלהם אינה מגיבה לדפוס אלא משתנה על פני השטח כולו.

מכיוון שאין דפוס כזה, נקודת ההיתוך של מוצקים אמורפיים אינה מוגדרת, בניגוד לתבניות גבישיות, מה שאומר שהוא נמס בהדרגה ובטמפרטורות שונות.

דוגמאות למוצקים אמורפיים יכולים להיות זכוכית ורוב הפלסטיק.

איוניק

מוצקים יוניים מאופיינים בכך שיש להם קטיונים ואנונים, אשר קשורים זה בזה על ידי משיכה אלקטרוסטטית (מליטה יונית). כאשר היונים קטנים, המבנים המתקבלים הם בדרך כלל תמיד גבישיים (תוך התחשבות במומים שלהם). בין כמה מוצקים יוניים שיש לנו:

-NaCl (Na ⁺ Cl ^- ), נתרן כלוריד

-MgO (Mg ²⁺ O ^2- ), תחמוצת מגנזיום

-CaCO ₃ (Ca ²⁺ CO ₃ ^2- ), סידן פחמתי

-CuSO ₄ (Cu ²⁺ SO ₄ ^2- ), סולפט נחושת

-KF (K ⁺ F ^- ), אשלגן פלואוריד

-NH ₄ Cl (NH ₄ ⁺ Cl ^- ), אמוניום כלוריד

-ZnS (Zn ²⁺ S ^2- ), אבץ גופרתי

-Fe (C ₆ H ₅ COO) ₃ , בנזואט ברזל

מַתַכתִי

כפי ששמם מעיד, מדובר במוצקים שיש להם אטומים מתכתיים המתקשרים דרך הקשר המתכתי:

-כסף

-זהב

-עוֹפֶרֶת

-פליז

-בְּרוֹנזָה

-זהב לבן

-נֶתֶך בְּדִיל וְעוֹפֶרֶת

-סטלים

-דורומין

שימו לב שסגסוגות נחשבות כמובן כמוצקים מתכתיים, כמובן.

אָטוֹמִי

מוצקים מתכתיים הם גם אטומיים, שכן בתיאוריה אין קשרים קוולנטיים בין אטומים מתכתיים (MM). עם זאת, גזים אצילים נחשבים למעשה למינים אטומיים, מכיוון שרק כוחות הפיזור של לונדון שולטים בהם.

לכן, למרות שהם אינם מוצקים בעלי יישום גבוה (וקשים להשגה), גזים אצילים מגובשים הם דוגמאות למוצקים אטומיים; כלומר: הליום, ניאון, ארגון, קריפטון וכו ', מוצקים.

מולקולרית ופולימרית

מולקולות יכולות לקיים אינטראקציה דרך כוחות ואן דר וול, שם המוני המולקולרי שלהם, רגעי הדיפול, קשרי מימן, מבנים וגיאומטריות ממלאים תפקיד חשוב. ככל שהאינטראקציות הללו חזקות יותר, כך גדל הסיכוי שהם יהיו במצב יציב.

מצד שני, אותה הנמקה חלה על פולימרים, אשר בגלל המסה המולקולרית הגבוהה שלהם הם כמעט תמיד מוצקים, וכמה מהם אמורפיים; מכיוון שהיחידות הפולימריות שלה מתקשות לסדר את עצמן בצורה מסודרת ליצירת גבישים.

לפיכך, יש לנו כמה מוצקים מולקולריים ופולימריים כדלקמן:

-קרח יבש

-סוכר

-יוֹד

-חומצה בנזואית

אצטמיד

-גופרית רומבית

-חומצת פלמיטית

-פולרנוס

-התאמה

-קָפֵאִין

נפתלין

- עץ ונייר

-משי

-טפלון

-פוליאתילן

-קלר

-בקליט

-פוליוויניל כלוריד

קלקר

-פוליפרופילן

חלבונים

-חפיסת שוקולד

רשתות קוולנטיות

לבסוף, יש לנו רשתות קוולנטיות בין מוצקי ההיתוך הקשים והגבוהים ביותר. חלק מהדוגמאות הן:

-גרָפִיט

-יהלום

-קְוָרץ

-סיליציום קרביד

בורון ניטריד

-לומיניום פוספיד

-גלניום ארסניד

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
3. ויקיפדיה. (2019). כימיה במצב מוצק. התאושש מ: en.wikipedia.org
4. Elsevier BV (2019). כימיה של מצב מוצק. ScienceDirect. התאושש מ: sciencedirect.com
5. ד"ר מיכאל לופאסו. (sf). הערות הרצאה על כימיה של מצב מוצק. התאושש מ: unf.edu
6. שואלים. (2019). מאפיינים כלליים של מצב מוצק. התאושש מ: askiitians.com
7. דייויד ווד. (2019). כיצד אטומים ומולקולות יוצרים מוצקים: דפוסים וקריסטלים. לימוד. התאושש מ: study.com