Tahke aine: määratlus, omadused, sulamine ja sublimatsioon

Tahke aine on üks kolmest üldisest olekust. Tahkete ainete molekulid on tihedalt seotud ja paiknevad enamasti määratud kohtadel, nad saavad peamiselt ainult vibreerida ümber oma tasakaalupunkti. See tähendab, et tahkistel ainetel on tavaliselt kindel kuju ja kindel maht — kuju muutub ainult jõu mõjul. See erineb vedelikest ja gaasidest, mille osakesed liiguvad vabamalt ja juhuslikult; seda laadi liikumist nimetatakse voolamiseks.

Kui tahke aine muutub vedelaks, nimetatakse seda sulamiseks. Vedelikud võivad muutuda taas tahkeks jäätumise teel. Mõned tahked ained, näiteks kuivjää (tahkes olekus süsinikdioksiid), võivad muutuda otse gaasiliseks ilma vahepealse vedeliku staadiumita; seda protsessi nimetatakse sublimatsiooniks.

Struktuur ja tüübid

Tahked ained jagunevad laias laastus kaheks: kristallilised ja amorfsed. Kristallilistes tahkistes (nt metallid, soolad, mineraalid) on osakeste (aatomite, ioonide või molekulide) paigutus püsiva ja korduva kestruktuurina ehk kristallvõreena. Amorfsed tahked ained (nt klaas, mõned plastid) ei oma pikaltkestevat korduvat struktuuri ja käituvad mõningal määral vedeliku ja tahke piirimail (näiteks klaasi puhul räägitakse tihti klaasi sulamistemperatuurist või klaasi üleminekust).

Tahkete ainete peamised omadused

• Kuju ja maht: enamik tahkeid aineid säilitab kuju ja mahu ilma konteineri abita.
• Tihedus: tahked ained on tavaliselt tihedamad kui samast ainest vedelik või gaas.
• Mehaaniline käitumine: kõvadus, elastus, plastilisus, rabedus ja sitkus on omadused, mis määravad, kuidas aine reageerib jõule.
• Soojuslikud omadused: soojusjuhtivus, soojusmahutavus ja termiline laienemine mõjutavad, kuidas tahke aine soojuse suhtes käitub.
• Elektrilised ja magnetilised omadused: tahked ained võivad olla juhid (metallid), pooljuhid (silicon) või isolaatorid (keraamika, klaas); mõned on ferromagnetilised.
• Optilised omadused: läbipaistvus, värvus ja läikeomadused sõltuvad aine struktuurist ja side tüübist.

Faasiüleminekud: sulamine, jäätumine, sublimatsioon ja depositsioon

Faasiüleminekuid iseloomustab energia (soojus) lisamine või eemaldamine. Sulamine on protsess, kus tahke aine võtab soojust vastu ja muutub vedelaks — see toimub sulamistemperatuuril. Vastupidine protsess on jäätumine. Paljudel puhtadel ainetel on terav ja kindel sulamistemperatuur; amorfsetel materjalidel on sageli laiem üleminekuvahemik või klaasi üleminek.

Sublimatsioon on otsene faasiüleminek tahkest gaasilisse olekusse (nt kuivjää), ja vastupidine protsess (gaasist tahkeks) on depositsioon. Faasidiagrammid aitavad kirjeldada, millisel temperatuuril ja rõhul toimuvad erinevad üleminekud (nt trippunkt, kus kooseksisteerivad tahke, vedela ja gaasilise faasid).

Metallid, ioonilised ja kovalentsed tahked ained

Tahkeid aineid võib klassifitseerida ka sideme tüübi järgi:

• Metallilised tahked ained: elektronpilve tõttu head soojus- ja elektrijuhid; aluseid on lihtne vormida (plastilisus) — nt raud, vask.
• Ioonilised tahked ained: tugevad elektrostatilised sidemed, tavaliselt kõvad ja rabedad ning kõrgelt sulavad — nt NaCl.
• Kovalentsed võre-tahked ained: aatomid ühendatud tugevatel kovalentsetel sidemetel, on väga kõvad ja kõrge sulamistemperatuuriga — nt teemant, ränioksiid (kvarts).
• Molekulaarsed tahked ained: osakesed hoiavad koos nõrkade intermolekulaarsete jõududega (nt jää, jahu), mistõttu neil on madalamad sulamistemperatuurid.

Kasutusvaldkonnad ja tähtsus

Tahked ained on igapäevaelus ja tehnoloogias üliolulised: ehitusmaterjalid (betoon, teras), elektroonika (pooljuhtkristallid), optika (klaas, kristallid), meditsiin (ravimid tahkes vormis) ja palju muud. Materjaliteadus uurib tahkete ainete struktuuri ja omadusi, et arendada uusi tugevamaid, kergemaid või paremini juhivaid materjale.

Näited

• Kristallilised: sool (NaCl), hõbe, jää, kvarts.
• Amorfsed: klaas, mitmed plastid.
• Sublimeeruvad: kuivjää (CO2), jood (teatud tingimustel).

Kokkuvõtlikult: tahke aine eristub oma struktuuri ja piiratud osakeste liikumise poolest, mis annab talle kindla kuju ja mahu ning mitmekesised mehaanilised, termilised ja elektrilised omadused, mida kasutatakse laialdaselt teaduses ja tehnikas.

Tahkete ainete liigid

Aatomite vahelised jõud tahkes kehas võivad võtta mitmeid vorme. Näiteks naatriumkloriidi (keedusoola) kristall koosneb ioonilisest naatriumist ja kloorist, mida hoiavad koos ioonsed sidemed. Teemanti või räni puhul jagavad aatomid elektrone ja moodustavad kovalentsed sidemed. Metallides jagatakse elektrone metallilises sidemetes. Mõned tahked ained, nagu enamik orgaanilisi ühendeid, hoitakse koos "van der Waalsi jõududega", mis tulenevad iga molekuli elektronlaengupilve polarisatsioonist. Tahkete ainete tüüpide erinevused tulenevad nende sidemete erinevustest.

Metallid

Enamik metalle on tugevad, tihedad ja head elektri- ja soojusjuhid. Perioodilises tabelis on metallid need elemendid, mis asuvad boorist kuni polooniumini ulatuvast diagonaaljoonest vasakul. Kahe või enama elemendi segusid, mille suur komponent on metall, nimetatakse sulamiteks.

Inimesed on kasutanud metalle mitmel otstarbel juba eelajaloolistest aegadest alates. Metallide tugevus ja töökindlus on viinud nende laialdase kasutamiseni hoonete ja muude asjade valmistamisel, samuti enamikus sõidukites, paljudes tööriistades, torudes, liiklusmärkides ja raudteerööbastes. Raud ja alumiinium on kaks kõige sagedamini kasutatavat metalli. Need on ka kõige levinumad metallid maakoores. Raua kasutatakse kõige sagedamini sulamina, terase kujul, mis sisaldab kuni 2,1% süsinikku, mis teeb selle palju kõvemaks kui puhta raua.

Kuna metallid on head elektrijuhid, on nad väärtuslikud elektrilistes tööriistades ja elektrivoolu ülekandmisel pikkade vahemaade taha väikese energiakaduga. Sellepärast toetuvad elektrivõrgud elektri saamiseks metallkaablitele. Näiteks kodused elektrisüsteemid on heade juhtmete kasutamise tõttu ühendatud vasega. Enamiku metallide kõrge soojusjuhtivus muudab need kasulikuks ka pliidi toiduvalmistamisvahenditeks.

Mineraalid

Mineraalid on looduslikud tahked ained, mis on moodustunud paljude geoloogiliste protsesside käigus kõrge rõhu all. Selleks, et ainet saaks pidada tõeliseks mineraaliks, peab sellel olema kristallstruktuur, mille füüsikalised omadused on läbivalt ühesugused. Mineraalid erinevad oma koostise poolest alates puhtast elemendist ja lihtsatest sooladest kuni väga keeruliste silikaatideni, millel on tuhandeid teadaolevaid vorme. Seevastu kivimiproov on mineraalide ja/või mineraloidide juhuslik kogum, millel puudub konkreetne keemiline koostis. Enamikus maakoores esinevates kivimites on kvarts (kristalliline SiO₂ ), põlevkivi, vilgumik, vilgukivi, kloriit, kaoliin, kaltsiit, epidoot, oliviin, augiit, sarvkivi, magnetiit, hematiit, limoniit ja mõned muud mineraalid. Mõned mineraalid, nagu kvarts, vilgukivi või põlevkivi, on levinud, samas kui teisi on leitud vaid üksikutes kohtades maailmas. Ülekaalukalt suurim mineraalide rühm on silikaadid (enamik kivimeid koosneb ≥95% ulatuses silikaatidest), mis koosnevad suures osas ränist ja hapnikust, samuti alumiiniumi, magneesiumi, raua, kaltsiumi ja muude metallide ioonidest.

New Yorgi Chrysleri hoone, maailma kõrgeima terasele toestatud tellisehitise tipp.


Erinevate mineraalide kollektsioon.

Otsing