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.