Cietviela — vielas stāvoklis ar noteiktu formu un cieši saistītām molekulām

Cietviela — uzzini par vielas stāvokli, molekulu ciešo saistību, noteiktu formu, kušanu, sasalšanu un sublimāciju ar skaidriem piemēriem un ilustrācijām.

Autors: Leandro Alegsa Izveides datums: 2022. gada 18. jūnijs Pēdējā atjaunināšana: 2025. gada 21. oktobris

Cietā viela ir viens no trim kopējiem vielas stāvokļiem. Cietvielu molekulas ir cieši saistītas, tās var tikai vibrēt. Tas nozīmē, ka cietām vielām ir noteikta forma, kas mainās tikai tad, kad tiek pielietots spēks. Tas atšķiras no šķidrumiem un gāzēm, kas pārvietojas nejauši, un šo procesu sauc par plūsmu.

Struktūra un veidi

Cietvielas var būt kristāliskas vai amorfas. Kristāliskajās vielās atomi vai molekulas veido regulāru, periodisku režģi (piemēram, sāls kristāli, metāli, kvarcs). Amorfas cietvielas, piemēram, stikls vai daudzas plastmasas, nav sakārtotas tādā ilgtermiņa kārtībā — to struktūra ir tuvāka šķidrumam, tomēr molekulas nepārvietojas brīvi.

Cietvielas pēc starpmolekulāro saišu veida var iedalīt plašākos tipos:

Joniskās cietvielas (piem., sāls) — atomi savienoti ar jonu saitēm.
Kovalentās/tīklenes cietvielas (piem., diamants, kvarcs) — atomi saistīti stingrās ķēdēs vai tīklos.
Metāliskās cietvielas (piem., dzelzs, varš) — brīvie elektroni nodrošina labu elektrisko un siltumvadītspēju.
Molekulārās cietvielas (piem., cukurs, ledus) — atsevišķas molekulas turas kopā ar vājas ģeķu vai van der Vaalss spējām.

Raksturīgās īpašības

Cietvielām parasti piemīt:

Noteikta forma un tilpums — tās neplūst kā šķidrumi un gāzes.
Zema spiedes saspiežamība — lielākā daļa cietvielu ir grūti saspiest.
Elastība un cietība — dažas cietvielas elastīgi atgriežas sākotnējā formā (elastīgums), citas deformējas vai lūst (plastiskums, trauslums).
Siltumvadītspēja un elektriskā vadītspēja — atkarīga no elektroniskās struktūras (piem., metāli labi vada elektrību, bet dielektriki nē).
Termiskā izplešanās — temperatūras pieaugumā cietvielu izmēri parasti palielinās.

Molekulārā perspektīva un fāžu pārejas

Molekulas cietvielā vibrē ap savām līdzsvara pozīcijām; palielinoties temperatūrai, svārstību amplitūda pieaug, līdz saišu spēks vairs nespēj noturēt regulāro struktūru — tas noved pie kušanas.

Kad cieta viela kļūst par šķidrumu, to sauc par kušanu. Šķidrumi kļūst cieti, sasalstot. Dažas cietvielas, piemēram, sausais ledus, var pārvērsties gāzē, pirms tam nekļūstot šķidras. To sauc par sublimāciju.

Fāžu pārejās svarīgi jēdzieni ir kušanas punkts (temperatūra, kurā cieta viela kļūst par šķidrumu), kausēšanas siltums (siltuma daudzums, kas nepieciešams pārejai), kā arī analogs lielums sasalšanai. Ir arī reversās pārejas (depozīcija — gāze tieši pārvēršas par cietvielu) un citi procesi, piemēram, polimorfisms (vienas vielas dažādas kristāliskās formas).

Piemēri un pielietojums

Bieži sastopami cietvielu piemēri: metāli (dzelzs, alumīnijs), minerāli (granīts, kvarcs), minerālsāls un cukurs, ledus, stikls un dažādas plastmasas. Cietvielu īpašības tiek plaši izmantotas inženierijā, celtniecībā, elektronikas ierīcēs un ikdienas priekšmetos — no būvmateriāliem līdz mikroshēmām.

Kopsavilkums

Cietviela ir vielas stāvoklis, kurā daļiņas ir cieši saistītas un vairāk vai mazāk ierobežotas vietā, radot noteiktu formu un raksturīgas mehāniskas, termiskas un elektriskas īpašības. Izpratne par cietvielu struktūru palīdz saprast to uzvedību temperatūras izmaiņu, mehāniskas iedarbības un tehnoloģisku procesu laikā.

Diagramma, kurā parādīts, kā molekulas izvietotas cietā vielā.

Cietvielu veidi

Spēki starp atomu atomiem cietā vielā var izpausties dažādos veidos. Piemēram, nātrija hlorīda (parastās sāls) kristāls sastāv no jonu nātrija un hlora, kurus satur jonu saites. Dimanta vai silīcija atomi dalās ar elektroniem un veido kovalentās saites. Metālos elektronus dalās metāliskajās saitēs. Dažas cietvielas, piemēram, lielākā daļa organisko savienojumu, tur kopā ar van der Valsa spēkiem, ko rada katras molekulas elektroniskā lādiņa mākoņa polarizācija. Atšķirības starp cietvielu veidiem rodas no atšķirībām starp to saitēm.

Metāli

Lielākā daļa metālu ir stipri, blīvi un labi elektrības un siltuma vadītāji. Periodiskajā tabulā to elementu masa, kas atrodas pa kreisi no diagonālās līnijas, kura novilkta no bora līdz polonijam, ir metāli. Divu vai vairāku elementu maisījumus, kuros lielākā sastāvdaļa ir metāls, sauc par sakausējumiem.

Cilvēki jau kopš aizvēsturiskiem laikiem metālus ir izmantojuši dažādiem mērķiem. Metālu izturība un uzticamība ir ļāvusi tos plaši izmantot ēku un citu priekšmetu ražošanā, kā arī lielākajā daļā transportlīdzekļu, daudzos darbarīkos, caurulēs, ceļa zīmēs un dzelzceļa sliedēs. Divi visbiežāk izmantotie metāli ir dzelzs un alumīnijs. Tie ir arī visizplatītākie metāli Zemes garozā. Dzelzs visbiežāk tiek izmantota kā sakausējums - tērauds, kas satur līdz 2,1 % oglekļa, padarot to daudz cietāku par tīru dzelzi.

Tā kā metāli ir labi elektrības vadītāji, tie ir vērtīgi elektriskajos instrumentos un elektriskās strāvas pārnešanai lielos attālumos ar nelieliem enerģijas zudumiem. Tāpēc elektrotīkli izmanto metāla kabeļus, lai saņemtu elektroenerģiju. Piemēram, mājsaimniecību elektriskās sistēmas ir savienotas ar vara vadiem, jo tie labi vada elektrību. Lielākās daļas metālu augstā siltumvadītspēja padara tos noderīgus arī plīts gatavošanas piederumiem.

Minerāli

Minerāli ir dabiskas cietvielas, kas veidojušās daudzos ģeoloģiskos procesos augstā spiedienā. Lai vielu uzskatītu par īstu minerālu, tai jābūt kristāliskajai struktūrai ar viendabīgu fizikālo struktūru. Minerālu sastāvs atšķiras no tīriem elementiem un vienkāršiem sāļiem līdz ļoti sarežģītiem silikātiem ar tūkstošiem zināmu formu. Turpretī iežu paraugs ir nejaušs minerālu un/vai mineraloīdu kopums, un tam nav specifiska ķīmiskā sastāva. Lielākajā daļā Zemes garozas iežu ir kvarcs (kristālisks SiO₂ ), laukšpats, vizlas, vizla, hlorīts, kaolīns, kalcīts, epidots, olivīns, augīts, hornblends, magnetīts, hematīts, limonīts un daži citi minerāli. Daži minerāli, piemēram, kvarcs, vizla vai laukšpats, ir plaši izplatīti, bet citi ir sastopami tikai dažās pasaules vietās. Līdz šim lielākā minerālu grupa ir silikāti (lielākā daļa iežu ir ≥ 95 % silikātu), kas sastāv galvenokārt no silīcija un skābekļa, kā arī alumīnija, magnija, dzelzs, kalcija un citu metālu joniem.

Ņujorkas "Chrysler Building" - pasaulē augstākā ķieģeļu celtne ar tērauda balstiem.