Katı Nedir
Katı, maddenin dört temel halinden biridir (Diğer haller sıvı , gaz ve plazmadır. ). Bir katıda maddedeki moleküller birbirine yakındır ve kinetik enerjileri azdır. Katı bir nesne konulduğu kabının şeklini almaz, akmaz ve genleşmez. Katı bir maddedeki atomlar normal geometrik bir kafes içinde kristal bir yapıda veya amorf bir yapıda bulunabilirler. Katılarla ilgilenen fizik dalı, katı hal fiziği olarak adlandırılır. Katı hal kimyası yeni malzemelerin sentezi, tanımlanması ve kimyasal bileşimi ile ilgilenir.
Katıların Sınıflandırılması
Bir katı maddenin atomlara arasındaki kuvvetler çeşitli şekillerde olabilir. Örnek olarak;
- Sodyum klorür kristali iyonik bağlarla bir arada tutulan iyonik sodyum ve klordan oluşur.
- Elmas ve silikon atomları elektronlarını paylaşarak kovalent bağ oluştururlar.
- Metaller elektronlarını metalik bağ ile paylaşırlar.
- Çoğu organik bileşik her moleküldeki elektronik yük bulutu polarizasyonundan dolayı van der Waals kuvvetleri ile bir arada tutulur.
ÖNEMLİ NOT: Katı türleri arasındaki farklılıklar, bağlar arasındaki farklılıklardan kaynaklanmaktadır.
1. Metaller
Metaller genellikle güçlü ve yoğundur, hem elektriği hem ısıyı iyi iletirler. Ana bileşenin metal olduğu iki veya daha fazla elementin karışımı ile elde edilen yapıya alaşım denir.
Tarih öncesi çağlardan beri insanlar metalleri pek çok amaç için kullanmışlardır. Güçlü ve sağlam olmaları nedeni ile metaller, binaların ve diğer yapıların inşasında yaygın olarak kullanılmışlardır. Bunun yanı sıra, araçlarda, birçok alet yapımında, boru, yol işaretleri ve demiryolu içinde metal kullanılmaktadır. En yaygın kullanılan iki yapısal metal demir ve alüminyumdur. Dünya kabuğunda en bol bulunan metaller yine demir ve alüminyumdur. Demir, en çok %2,1 civarında karbon içerecek şekilde bir alaşım haline getirilir ve bu alaşım çelik olarak adlandırılır. Çelik saf demirden çok daha serttir.
Metaller elektriği iyi iletkenlikleri nedeni ile çok az enerji kaybı olsa da elektrikli cihazlarda uzun mesafelerde elektrik akımını iletebilirler. Elektrik şebekeleri elektrik dağıtımı için metal kabloları kullanırlar. Metallerin yüksek ısıl iletkenliği nedeni ile set üstü pişirme kapları yapımında kullanılırlar.
Metalik katılar, metalik bağ olarak adlandırılan yüksek yoğunluklu ortak elektronlarla bir arada tutulur. Bir metalde, atomlar en dıştaki değerlik elektronlarını kolaylıkla vererek pozitif iyonlar oluştururlar. Serbest elektronlar, iyonlar ve elektron bulutu arasındaki elektrostatik etkileşimlerle sıkıca bir arada tutulan katıda yayılır. Çok sayıdaki serbest elektron metallere yüksek elektriksel ve termal iletkenlik kazandırır. Serbest elektronlar, görünür ışığın geçişini engelleyerek metalleri opak, yarı parlak ve parlak hale getirir .
2. Mineraller
Mineraller, yüksek basınçlar altında çeşitli jeolojik süreçler sonucunda doğal olarak oluşan katılardır. Bir maddeyi mineral olarak sınıflandırmak için maddenin baştan sona tek tip fiziksel özelliklere sahip kristal bir yapıya sahip olması gerekir. Minerallerin bileşiminde saf elementler ve basit tuzlar veya karmaşık silikatlar bulunabilir. Kaya numunesi rastgele bir mineral ve / veya mineraloid agregasıdır ve belirli bir kimyasal bileşimi yoktur. Yerkabuğundaki kayalarının büyük çoğunluğu kuvars (kristalin SiO2 ), feldispat, mika, kloritten, kaolin, kalsit, epidot , olivin , ojit , hornblend , manyetit , hematit , limonit ve diğer birkaç mineralden oluşur. Kuvars , mika veya feldispat gibi bazı mineraller yaygın bulunurken, diğerler mineraller dünya çapında sadece birkaç yerde bulunmuştur. Şimdiye kadarki en büyük mineral grubu, alüminyum, magnezyum , demir, kalsiyum iyonları, silikon ve oksijenden oluşan silikatlar ve diğer metallerdir. Kayaçların % 95’i silikattır.
3. Seramikler
Seramik katılar genel olarak kimyasal elementlerin oksitleri olan inorganik bileşiklerden oluşurlar. Kimyasal olarak inerttirler. Genellikle asidik veya kostik bir ortamdaki kimyasal erozyona dayanıklıdırlar. Seramikler genellikle 1000 ila 1600 °C (1800 ila 3000 °F) arasında değişen yüksek sıcaklıklara dayanabilirler (Nitrürler , borürler ve karbürler gibi oksit olmayan inorganik malzemeler istisnadır.).
Geleneksel seramik hammaddeler kaolinit gibi kil minerallerdir. Yeni malzemeler ise alüminyum oksit ( alümina ) içerir. Gelişmiş seramik olarak sınıflandırılan modern seramik malzemeler; silisyum karbür ve tungsten karbürdür. Alümina ve bileşikleri gibi çoğu seramik malzeme, ince tozlardan oluşur ve görünür ışığın dalga boyuna benzer ışık saçan merkezlerle doldurulmuş ince taneli polikristalin bir mikro yapı oluştururlar. Bu nedenle, bu maddeler genellikle opak malzemelerdir. Son dönemlerde nano ölçekli (sol-jel ) teknolojiler ile yüksek güçlü lazer uygulamaları için şeffaf alümina ve alümina bileşikleri gibi şeffaf polikristalin seramikler üretilmiştir. Son teknoloji ile üretilen seramikler tıp, elektrik ve elektronik endüstrilerinde de kullanılmaktadır. Seramik malzemeler kırılgandır, serttir, sıkıştırmada güçlüdür ve kesme ve gerilmede zayıftır.
Seramik;
- Zirkonyumu sertleştirmek için
- Endüstriyel kesme aletlerinin imalatı için
- Büyük kalibreli tüfeklerde ateş edebilmek için
- Kurşun geçirmez yelek imalatı için
- Seramik bilyalı rulmanlar için
- çelik yatakların oksidasyona duyarlı olduğu ıslak ortamlarda paslanmayı önlemek için kullanılır.
Cam seramikler
Cam seramikler, hem termal şoka karşı yüksek dirençli hem de sıvılara karşı son derece düşük geçirgenliğe sahip tencere ve set üstü ocak yapımında kullanılır. Belli bir noktada (Yaklaşık % 70 kristal içeriğinde), cam seramik sıfıra yakın net bir termal genleşme katsayısına sahiptir. Bu tip cam-seramikler mükemmel mekanik özellikler sergiler ve 1000 ° C’ye kadar tekrarlanan ve hızlı sıcaklık değişikliklerini sürdürebilirler.
4. Organik Katılar
Organik kimya, flor , klor , brom, iyot ,nitrojen , oksijen ve halojenler gibi herhangi bir sayıda diğer elementleri içerebilen karbon ve hidrojen bileşiklerinin kimyasal sentez yolu ile yapısını, özelliklerini, bileşimini, reaksiyonlarını ve hazırlanmasını inceler. Organik katılar; ahşap, parafin mumu, naftalin, çeşitli polimerler ve plastiklerden oluşur.
Ahşap
Ahşap, bir lignin matrisine gömülü selüloz liflerinden oluşan doğal organik bir malzemedir. Mekanik özelliklerle ilgili olarak lifler gerilme kuvveti açısından güçlüdür ve lignin matrisi sıkıştırmaya karşı dirençlidir. Ahşap esaslı malzemeler, her ikisi de rafine hamurdan oluşturulan ambalaj ve kağıt imalatı için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Polimerler
Organik kimyada karbonun molekülleri tek tek kendine birbirine bağlayarak oluşturduğu bir zincir veya ağ yapısına polimer denir. Bu işlem polimerizasyon olarak adlandırılır, temel bileşik ise bir monomerdir. Polimerler temel olarak yapay olarak üretilen endüstriyel polimerler (sentetik polimerler (plastikler)) ve doğal olarak bulunan biyopolimerler olarak ikiye ayrılır.
Kompozit Malzemeler
Kompozit malzemeler, genellikle biri seramik olan iki veya daha fazla makroskopik faz içeren maddelerdir. Televizyon setleri, plastik cep telefonları kılıfları yerli kompozit örnekleridendir. Bu plastik kılıflar genellikle , mukavemet, hacim veya elektro-statik dağılımı sağlamak için kalsiyum karbonat tebeşir, talk , cam elyaflar veya karbon elyafların eklendiği akrilonitril bütadien stiren (ABS) gibi termoplastik bir matris içeren kompozitlerden oluşur.
Yarı İletkenler
Yarı iletkenler metalik iletkenler ile metalik olmayan yalıtkanlar arasında bir elektrik direnci ve iletkenliğine sahip olan malzemelerdir. Yarı iletken malzemelerden yapılan cihazlar, radyo, bilgisayarlar, telefonlar, transistör, güneş pilleri , olar fotovoltaik paneller, diyotlar ve entegre devrelerdir. S, ışığı doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren büyük yarı iletken cihazlardır.
Silikon, germanyum ve galyum arsenit yaygın kullanılan yarı iletken malzemelerdir.
Nanomalzemeler
Birçok katı nanometrik boyutlara küçüldüklerinde farklı özellikler gösterir. Örnek olarak genellikle sarı altın ve gri silikondan oluşan nanopartiküller kırmızı renklidir. Nanopartiküllerin yüksek yüzey alanı,enerji alanındaki belirli uygulamaların kullanımı için oldukça işlevsel hale getirir. Platin metalleri, otomotiv yakıt katalizörlerinde, proton değişim membranlarında (PEM) yakıt hücrelerini iyileştirmek amacı ile kullanılırlar. Silikon nanopartiküller, genişleme / büzülme döngüsü sırasında lityum iyon pillerin depolama kapasitesini önemli ölçüde arttırır.
Katı Maddelerin Fiziksel Özellikleri
Kimyasal bir maddenin elementlerinin veya bileşiklerinin fiziksel özellikleri koku, renk, hacim, yoğunluk, erime noktası, kaynama noktası, ısı kapasitesi, oda sıcaklığında fiziksel biçim ve şekli ile belirlenirken katı maddelerin fiziksel özellikleri sertlik, gözeneklilik, kırılma tokluğu gibi özellikler ile belirlenir.
Mekanik
Mekanik özellik, maddenin mukavemetini ve deformasyona karşı dirençleri gibi özellikleri tanımlar. Mekanik özellikler; esneklik ve plastiklik, çekme dayanımı, basınç dayanımı, kesme dayanımı, kırılma tokluğu, süneklik (kırılgan malzemelerde düşük) ve girinti sertliğidir.
Katı bir maddenin orijinal şeklinden herhangi bir derece sapmasına deformasyon denir. Deformasyonun orijinal boyuta oranına ise gerinim denir. Uygulanan gerilim yeterince düşükse hemen hemen tüm katı malzemeler gerilme ile doğrudan orantılı olacak şekilde davranır ( Hooke yasası ). Oranın katsayısına, esneklik modülü veya Young modülü denir.
Termal
Katıların termal enerjisi olduğun için atomları düzenli (veya düzensiz) bir kafes titreşim hareketi yaparlar. Kristal veya camsı bir ağdaki titreşimlerin spektrumu, katıların kinetik teorisinin temelini oluşturur. Katılar bir malzemenin enerjiyi ısı (veya termal kafes titreşimleri) biçiminde depolama kapasitesi olan belirli bir ısı kapasitesine sahiptirler.
Elektrik
Elektriksel özellikler iletkenlik , direnç, empedans ve kapasitansdır. Metaller ve alaşımlar elektriği iyi iletirler, camlar ve seramikler yalıtkandır. Metallerdeki iletkenlik elektronlardan kaynaklanır.
Elektromanyetik
Piezoelektrik, kristallerin uygulanan mekanik strese tepki olarak voltaj üretme gücüdür. Piezoelektrik etkisi dışarıdan uygulanan bir voltaja maruz kalındığında piezoelektrik kristallerin şekil değiştirebilmesi ile tersine çevrilebilir. Kauçuk, yün, saç, ağaç lifi ve ipek gibi polimer malzemeler genellikle elektretler gibi davranır.
Optik
Malzemelerin görünür ışığı iletmesi (örneğin cam) veya yansıtması(örneğin metaller) özelliğine optik denir. Optik dalgalar entegre optik devrelerde bileşen olarak veya optik iletişim sistemlerinde iletim ortamı oluşturmak amacı ile kullanılır.
Opto-elektronik
Işıkla ilgili elektronik araçları veya sistemleri geliştiren bunlar üzerinde araştırma yapan fotoniğin alt bir dalıdır. Güneş pillerinin en bilinen örnektir. Uzak alan güç sistemleri, Dünya yörüngesinde dönen uydular ve uzay sondaları, elde taşınan hesap makineleri, kol saatleri, uzak telsiz telefonlar ve su pompalama uygulamaları gibi şebekeden elektrik gücünün bulunmadığı durumlarda bu teknoloji oldukça fazla kullanılmaktadır.