Kiinteä aine: määritelmä, ominaisuudet ja esimerkit

Kiinteä aine on yksi kolmesta yleisestä aineen olomuodosta. Kiinteän aineen molekyylit ovat tiiviisti sidottuja toisiinsa, ne voivat vain värähdellä. Tämä tarkoittaa, että kiinteillä aineilla on tietty muoto, joka muuttuu vain, kun niihin kohdistetaan voima. Tämä eroaa nesteistä ja kaasuista, jotka liikkuvat satunnaisesti, ja tätä prosessia kutsutaan virtaukseksi.

Kun kiinteä aine muuttuu nesteeksi, sitä kutsutaan sulamiseksi. Nesteistä tulee kiinteitä jäätymällä. Jotkut kiinteät aineet, kuten kuivajää, voivat muuttua kaasuksi muuttumatta ensin nesteeksi. Tätä kutsutaan sublimoitumiseksi.

Rakenne ja tyypit

Kiinteiden aineiden perusominaisuuden selittää niiden sisäinen rakenne. Atomit, ionit tai molekyylit muodostavat kiinteissä järjestäytyneen verkoston tai satunnaisemman, epäjärjestäytyneen rakenteen:

• Kide eli kiteinen kiinteä: hiukkaset ovat säännöllisessä toistuvassa järjestyksessä (esim. metallit, suola, kiteinen jää). Kideillä on tyypillisesti selkeä sulamispiste ja symmetrinen kiderakenne.
• Amorfinen kiinteä eli lasimainen kiinteä: rakenne on paikallisesti epäjärjestäytynyt eikä niillä ole terävää sulamispistettä (esim. lasi, monet muovit).

Keskeiset ominaisuudet

Seuraavat ominaisuudet erottavat kiinteät aineet nesteistä ja kaasuista:

• Määrätty muoto: kiinteällä on yleensä pysyvä muoto, ellei ulkoinen voima muovaa sitä.
• Tilavuus: kiinteiden tilavuus on yleensä vakio, ne eivät virtaa kuten nesteet.
• Tiheys: kiinteillä on tyypillisesti suurempi tiheys kuin vastaavilla neste- tai kaasuvaiheilla, koska hiukkaset ovat lähempänä toisiaan.
• Vaikea puristettavuus: kiinteät ovat yleensä vähän puristuvia verrattuna kaasutilaan.
• Mekaaniset ominaisuudet: kuten kovuus, lujuus, sitkeys, haurautta, muovautuvuus ja elastisuus. Näitä kuvataan esimerkiksi Youngin modulilla ja kovuusasteikoilla (esim. Mohs).
• Lämpöominaisuudet: kiinteät laajenevat lämmössä (lämpölaajeneminen) ja johtavat lämpöä eri tavoin; metallit ovat hyviä lämmön- ja sähkönjohteita, kun taas monet keraamit ja muovit ovat eristeitä.
• Optiset ja sähköiset ominaisuudet: kiinteät voivat olla läpinäkyviä, läpinäkymättömiä, johtavia tai puolijohteita riippuen elektronirakenteesta (esim. metallit vs. puolijohteet).

Faasimuutokset ja poikkeukset

Kiinteiden faasimuutokset eivät rajoitu vain sulamiseen tai jäätymiseen. Tärkeitä ilmiöitä:

• Sulaminen (kiinteä → neste) tapahtuu, kun lämpöenergia murtaa kiderakenteen sidoksia.
• Jäätyminen (neste → kiinteä) on päinvastainen prosessi.
• Sublimoituminen (kiinteä → kaasu), kuten kuivajään (hiilidioksidin) tapauksessa.
• Deposition eli saostuminen (kaasu → kiinteä) on sublimoinnin käänteinen muoto.
• Lasimainen transitiota esiintyy amorfisissa aineissa, joissa materiaali muuttuu tahmeasta lasimaiseksi ilman selvää sulamispistettä.

Esimerkkejä kiinteistä aineista

• Metallit: rauta, kupari, alumiini — hyviä sähkön- ja lämmönjohteita, muokattavia ja usein sitkeitä.
• Keraamit ja mineraalit: kvartsia, tiili, lasi — yleensä kova ja hauras.
• Muovit ja polymeerit: polyeteeni, polypropeeni — voivat olla joustavia tai kestäviä riippuen rakenteesta.
• Luonnolliset kiinteät: puu, luu, jää — vaihtelevat ominaisuuksiltaan.
• Hiili-allotropit: timantti (erittäin kova), grafiitti (pehmeä, liukuva pinta).
• Suola ja sokeri — arkipäivän kiteisiä kiinteitä esimerkkejä.

Käyttö ja mittaus

Kiinteiden aineiden ominaisuuksia mitataan ja hyödynnetään monilla aloilla:

• Rakennusmateriaalien (betoni, teräs, kivi) lujuus ja kestävyys ovat kriittisiä rakennustekniikassa.
• Elektroniikassa puolijohteiden kiinteät ominaisuudet määrittävät komponenttien toimintaa.
• Materiaali- ja metalliteollisuudessa voidaan seostamalla ja lämpökäsittelyllä muokata kiinteän aineen ominaisuuksia (esim. seokset eli alloyt).
• Mittayksiköitä ja käsitteitä: Youngin moduli (jäykkyys), kimmomoduuli, kovuus, tiheys (kg/m³) ja sulamispiste (°C) kuvaavat ominaisuuksia.

Yhteenveto

Kiinteä aine on aineen olomuoto, jossa hiukkaset ovat sidoksissa toisiinsa ja liike rajoittuu pääosin värähtelyyn. Kiinteillä aineilla on määrätty muoto ja tilavuus sekä monia erilaisia mekaanisia, termisiä ja sähköisiä ominaisuuksia. Rakenne (kide tai amorfinen) ja kemiallinen koostumus määräävät pitkälti, miten aine käyttäytyy ja mihin sitä voidaan käyttää.

Kiinteiden aineiden lajit

Kiinteän aineen atomien väliset voimat voivat olla monenlaisia. Esimerkiksi natriumkloridikide (keittosuola) koostuu ionisesta natriumista ja kloorista, joita pitävät yhdessä ionisidokset. Timantissa tai piissä atomit jakavat elektroneja ja muodostavat kovalenttisia sidoksia. Metalleissa elektronit jaetaan metallisidoksessa. Joitakin kiinteitä aineita, kuten useimpia orgaanisia yhdisteitä, pitävät yhdessä van der Waalsin voimat, jotka johtuvat kunkin molekyylin elektronisen varauspilven polarisaatiosta. Kiinteän aineen tyyppien väliset erot johtuvat niiden sidosten välisistä eroista.

Metallit

Useimmat metallit ovat vahvoja, tiiviitä ja hyviä sähkön ja lämmön johtimia. Boorista poloniumiin kulkevan diagonaaliviivan vasemmalla puolella olevat jaksollisen järjestelmän alkuaineiden massat ovat metalleja. Kahden tai useamman alkuaineen seoksia, joissa suuri komponentti on metalli, kutsutaan seoksiksi.

Ihmiset ovat käyttäneet metalleja moniin tarkoituksiin jo esihistoriallisista ajoista lähtien. Metallien lujuus ja luotettavuus ovat johtaneet siihen, että niitä on käytetty laajalti rakennusten ja muiden tavaroiden valmistuksessa sekä useimmissa ajoneuvoissa, monissa työkaluissa, putkissa, liikennemerkeissä ja rautatiekiskoissa. Rauta ja alumiini ovat kaksi yleisimmin käytettyä metallia. Ne ovat myös yleisimpiä metalleja maankuoressa. Rautaa käytetään yleisimmin metalliseoksena, teräksenä, jossa on jopa 2,1 prosenttia hiiltä, mikä tekee siitä paljon kovempaa kuin puhtaasta raudasta.

Koska metallit johtavat hyvin sähköä, ne ovat arvokkaita sähkötyökaluissa ja sähkövirran kuljettamisessa pitkiä matkoja ilman suuria energiahäviöitä. Tämän vuoksi sähköverkot tukeutuvat metallikaapeleihin sähkön saamiseksi. Esimerkiksi kotien sähköjärjestelmät kaapeloidaan kuparilla sen hyvän johtavuuden vuoksi. Useimpien metallien hyvä lämmönjohtavuus tekee niistä käyttökelpoisia myös lieden keittoastioissa.

Mineraalit

Mineraalit ovat luonnollisia kiinteitä aineita, jotka ovat muodostuneet monien geologisten prosessien kautta korkeissa paineissa. Jotta ainetta voitaisiin pitää todellisena mineraalina, sillä on oltava kiderakenne, jossa on kauttaaltaan yhdenmukaiset fysikaaliset ominaisuudet. Mineraalit vaihtelevat koostumukseltaan puhtaista alkuaineista ja yksinkertaisista suoloista hyvin monimutkaisiin silikaatteihin, joilla on tuhansia tunnettuja muotoja. Kallionäyte sen sijaan on satunnainen mineraalien ja/tai mineraloidien muodostama kokonaisuus, eikä sillä ole tiettyä kemiallista koostumusta. Useimmissa maankuoren kivissä on kvartsia (kiteinen SiO₂ ), maasälpää, kiillettä, kloriittia, kaoliinia, kalsiittia, epidoottia, oliviinia, augiittia, sarvivälkettä, magnetiittia, hematiittia, limoniittia ja muutamia muita mineraaleja. Jotkin mineraalit, kuten kvartsi, kiille tai maasälpä, ovat yleisiä, kun taas toisia mineraaleja on löydetty vain muutamasta paikasta maailmassa. Ylivoimaisesti suurin mineraaliryhmä ovat silikaatit (useimmat kivet ovat ≥95 % silikaatteja), jotka koostuvat suurelta osin piistä ja hapesta, mutta sisältävät myös alumiini-, magnesium-, rauta-, kalsium- ja muita metalli-ioneja.

New Yorkin Chrysler Buildingin, maailman korkeimman teräsrakenteisen tiilirakennuksen huippu.


Kokoelma erilaisia mineraaleja.

Hae kirjaimella