Правильная геометрическая форма кристаллических тел. Кристаллические тела

4. . 5. . 6. . 7. .

Каждый может легко разделить тела на твердые и Жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) - это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах - это аморфные. Особую группу твердых тел составляют такие, для которых зависимость температуры от времени нагревания представлена на рисунке 12. Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением. Кристаллические тела - это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решеткой . Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами. Монокристалл обладает единой кристаллической решеткой во всем объеме.

Анизотропия монокристаллов заключается в зависимости их физических свойств от направления. Поликристалл представляет собой соединение мелких, различным образом ориентированных монокристаллов (зерен) и не обладает анизотропией свойств. Большинство твердых тел имеют поликристаллическое строение (минералы, сплавы, керамика).

Основными свойствами кристаллических тел являются: определенность температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от порядка расположения атомов, т. е. от типа кристаллической решетки.

Аморфными называют вещества, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны . Это значит, что свойства одинаковы по всем направлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует определенная температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. п.

Упругость - свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. По характеру смещения частиц твердого тела происходящие при изменении его формы деформации делятся на: растяжение - сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Для упругих деформаций справедлив закон Гук, согласно которому упругие деформации прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям. Для деформации растяжения - сжатия закон Гука имеет вид: , где - механическое напряжение, - относительное удлинение, - абсолютное удлинение, - модуль Юнга (модуль упругости). Упругость обусловлена взаимодействием и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.

Твёрдое тело является одним из четырёх фундаментальных состояний материи, кроме жидкости, газа и плазмы. Оно характеризуется структурной жёсткостью и устойчивостью к изменению формы или объёма. В отличие от жидкости, твёрдый объект не течёт, не принимает форму контейнера, в который его помещают. Твёрдое тело не расширяется, чтобы заполнить весь доступный объём, как это делает газ.
Атомы в твёрдом теле тесно связаны друг с другом, находятся в упорядоченном состоянии в узлах кристаллической решётки (это металлы, обычный лёд, сахар, соль, алмаз), или располагаются нерегулярно, не имеют строгой повторяемости в структуре кристаллической решётки (это аморфные тела, такие как оконное стекло, канифоль, слюда или пластмасса).

Кристаллические тела

Кристаллические твёрдые тела или кристаллы имеют отличительную внутреннюю особенность - структуру в виде кристаллической решётки, в которой определённое положение занимают атомы, молекулы или ионы вещества.
Кристаллическая решётка приводит к существованию особенных плоских граней у кристаллов, которые отличают одно вещество от другого. При воздействии рентгеновских лучей, каждая кристаллическая решётка излучает характерный рисунок, который можно использовать для идентификации вещества. Грани кристаллов пересекаются под определёнными углами, отличающими одно вещество от другого. Если кристалл расщепить, то новые грани будут пересекаться под теми же углами, что у исходного.

Они имеют два характерных свойства: изотропность и отсутствие определённой температуры плавления.
Изотропность аморфных тел понимают, как одинаковость физических свойств вещества по всем направлениям.
В аморфном твёрдом теле расстояние до соседних узлов кристаллической решётки и количество соседних узлов изменяется по всему материалу. Поэтому, чтобы разорвать межмолекулярные взаимодействия, требуется различное количество тепловой энергии. Следовательно, аморфные вещества медленно размягчаются в широком диапазоне температур и не имеют чёткой температуры плавления.
Особенностью аморфных твёрдых тел является то, что при низких температурах они имеют свойства твёрдых тел, а при повышении температуры - свойства жидкостей.

Кристаллическими называют тела, в которых атомы и молекулы расположены в правильном геометрическом порядке, а аморфными - в которых атомы и молекулы расположены беспорядочно. С энергетической стороны имеет место принципиальное различие между кристаллическими и аморфными телами, состоящее в том, что процесс плавления и затвердевания кристаллических тел сопровождается определенным тепловым эффектом. У аморфных же тел этого теплового эффекта нет.

Характерные свойства кристаллических веществ:

а) однородность строения (однородностью кристалла назовём одинаковость узора взаимного расположения атомов во всех частях его объема);

б) анизотропия (в изотропных телах все свойства — теплопроводность, электропроводность, твёрдость царапания и т.д. — одинаковы в любом направлении, а в анизотропных телах все свойства неодинаковы в непараллельных направлениях, т.е., например, в одном направлении электрический ток проходит быстрее, в другом — медленнее);

в) симметричность.

Различие в строении кристаллических и аморфных веществ определяет и различие в их свойствах. Так, аморфные вещества, обладая большим запасом свободной энергии, химически более активны, чем кристаллические вещества такого же состава.

Стекло или стеклообразным сплавом называют неорганический или органический продукт плавления, охлажденный до твердого состояния без кристаллизации. Другими словами, стекло - это переохлажденная жидкость.

В аморфных и стеклообразных сплавах при отсутствии дальнего порядка сохраняется ближний порядок - группировки атомных частиц, отражающих химический состав вещества. Такие группировки принято называть структурными единицами. Характерным свойством стеклообразных материалов является их прозрачность в различных областях спектра. Существуют разные разновидности стекол.

Оксидные стекла (например, оконное стекло) получены на основе Na 2 O СаО 6SiО 2 + силикаты калия, свинца (хрусталь) + оксид бора (термостойкое химическое стекло), прозрачны в видимой области спектра. Непрозрачны для ультрафиолетовых лучей.

Халькогенидные стекла (на основе халькогенов - серы, селена, теллура), прозрачные в видимой и ИК-областях спектра. Из них изготавливают приборы ночного видения, ключевые элементы памяти, используют для записи информации (в аппаратах для ксерокопирования), в голографии, для передачи изображения на дальние расстояния и в космическом пространстве, используют в качестве волноводов - волоконно-оптический кабель, термометров сопротивления для атомных реакторов.

Фторцирконатные стекла изготавливают на основе фторидов гафния, циркония с добавками других фторидов, имеют большой диапазон прозрачности - от УФ до ближней ИК области спектра.

Фосфатные стекла изготавливают на основе ортофосфата кальция - прозрачны в видимой и УФ-областях спектра (темные стекла на автомобилях).

Фуллерены - это "химически стабильные замкнутые поверхностные структуры углерода, в которых атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, регулярным образом покрывающих поверхность сферы или сфероида".

Химическая термодинамика - наука, изучающая условия устойчивости систем и законы. В химической термодинамике изучается применение законов термодинамики к химическим и физико-химическим явлениям.

В ней рассматриваются главным образом:

1) тепловые балансы процессов, включая тепловые эффекты физических и химических процессов;

2) фазовые равновесия для индивидуальных веществ и смесей;

3) химическое равновесие.

Тепловой эффект химической реакции или изменение энтальпии системы вследствие протекания химической реакции — отнесенное к изменению химической переменной количество теплоты, полученное системой, в которой прошла химическая реакция и продукты реакции приняли температуру реагентов.

Чтобы тепловой эффект являлся величиной, зависящей только от характера протекающей химической реакции, необходимо соблюдение следующих условий:

Реакция должна протекать либо при постоянном объёме Q v (изохорный процесс), либо при постоянном давлении Q p (изобарный процесс).

В системе не совершается никакой работы, кроме возможной при P = const работы расширения.

Если реакцию проводят при стандартных условиях при Т = 298,15 К = 25 С и Р = 1 атм = 101325 Па, тепловой эффект называют стандартным тепловым эффектом реакции или стандартной энтальпией реакции ΔH r O . В термохимии стандартный тепловой эффект реакции рассчитывают с помощью стандартных энтальпий образования.

Под стандартной теплотой образования понимают тепловой эффект реакции образования одного моль вещества из простых веществ, его составляющих, находящихся в устойчивых стандартных состояниях.

Например, стандартная энтальпия образования 1 моль метана из углерода и водорода равна тепловому эффекту реакции: С(тв) + 2H 2 (г) = CH 4 (г) + 74.9 кДж/моль.

Реакции, при которых теплота выделяется (энтальпия уменьшается), называются экзотермическими . Реакции, при которых теплота поглощается (энтальпия растет), называются эндотермическими . Обычно экзотермическими являются те реакции, при которых продукты обладают более прочными химическими связями, чем исходные вещества, а эндотермические — наоборот.

уравнения химических реакций с указанием теплового эффекта называют термохимическими уравнениями. Помимо теплового эффекта, в термохимических уравнениях часто указывается также фазовое состояние и полиморфная модификация веществ.

Если имеется несколько реакций, итоговый тепловой эффект рассчитывают по

Твердые тела.

В отличие от жидкостей твердые тела обладают упругостью формы .При всяких попытках изменить геометрию твердого тела в нем возникают упругие силы, препятствующие этому воздействию. Исходя из особенностей внутренней структуры твердых тел, различают кристаллические и аморфные твердые тела. Кристаллы и аморфные тела существенно различаются между собой по многим физическим свойствам.

Аморфные тела по своей внутренней структуре очень напоминают жидкости, поэтому их часто называют переохлаждёнными жидкостям . Как и жидкости, аморфные тела структурно изотропны. Их свойства не зависят от рассматриваемого направления. Объясняется это тем, что в аморфных телах, так же, как и в жидкостях сохраняется ближний порядок (координационное число), а дальний (длины и углы связей) отсутствует.Этими обеспечивается полная однородность всех макрофизических свойств аморфного тела. Типичными примерами аморфных тел являются стекла, смолы, битумы, янтарь.

Кристаллические тела, в отличие от аморфных, имеют четкую упорядоченную микроструктуру, которая сохраняется на макроуровне и проявляется внешне в виде мелких зерен с плоскими гранями и острыми ребрами, называемых кристаллами.

Распространенные в природе кристаллические тела (металлы и сплавы, сахар и поваренная соль, лед и песок, камень и глина, цемент и керамика, полупроводники и т д) обычно являются поликристаллами , состоящими из хаотично ориентированных, сросшихся между собой монокристалликов (кристаллитов ), размеры которых составляют около 1 мкм (10 -6 м) Однако иногда встречаются монокристаллы достаточно больших размеров. Например, монокристаллы горного хрусталя достигают человеческого роста В современной технике монокристаллы играют важную роль, поэтому разработана технология их искусственного выращивания.

Внутри монокристалла атомы (ионы) вещества размещаются с соблюдением дальнего порядка, в узлах четко ориентированной в пространстве геометрической структуры, получившей название кристаллической решётки Каждое вещество образует в твердом состоянии свою, индивидуальную по геометрии кристаллическую решётку. Ее форма определяется структурой молекул вещества. В решетке всегда может быть выделена элементарная ячейка , сохраняющая все её геометрические особенности, но включающая в себя минимально возможное число узлов.

Монокристаллы каждого конкретного вещества могут иметь разные размеры. Однако все они сохраняют одинаковую геометрию, которая проявляется в сохранении постоянных углов между соответствующими гранями кристалла. Если форма монокристалла будет принудительно нарушена, то он при последующем выращивании из расплава или просто при нагревании обязательно восстанавливает свою прежнюю форму. Причиной такого восстановления формы кристалла является известное условие термодинамической устойчивости - стремление к минимуму потенциальной энергии. Для кристаллов это условие сформулировано независимо друг от друга Дж У. Гиббсом, П Кюри и Г. В. Вульфом в виде принципа: поверхностная энергия кристалла должна быть минимальной .

Одной из наиболее характерных особенностей монокристаллов является анизотропия их многих физико-механических свойств. Например, твердость, прочность, хрупкость, тепловое расширение, скорость распространения упругих волн, электропроводность и теплопроводность многих кристаллов могут зависеть от направлений в кристалле. В поликристаллах анизотропия практически не проявляется только из-за хаотичной взаимной ориентации образующих их мелких монокристалликов. Она связана с тем, что в кристаллической решетке расстояния между узлами в различных направлениях в общем случае оказываются существенно разными.

Другой важной особенностью кристаллов можно считать то, что они плавятся и кристаллизуются при постоянной температуре, в полном соответствии с термодинамической теорией фазовых переходов первого рода. У аморфных твердых тел четко выраженный фазовый переход отсутствует. При нагревании они размягчаются плавно, в широком интервале изменения температуры Это означает, что у аморфных тел нет определённой регулярной структуры и при нагревании она разрушается поэтапно, тогда как кристаллы при нагревании разрушают однородную кристаллическую решетку (с её дальним порядком) строго при фиксированных энергетических условиях, а следовательно, и при фиксированной температуре.

Некоторые твёрдые вещества способны существовать устойчиво как в кристаллическом, так и в аморфном состояниях. Характерным примером может служить стекло. При достаточно быстром охлаждении расплава стекло становится очень вязким и затвердевает, не успевая приобрести кристаллическую структуру. Однако при очень медленном охлаждении, с выдержкой на определённом температурном уровне то же самое стекло кристаллизуется и приобретает специфические свойства (такие стёкла называют ситаллами ). Другим типичным примером является кварц. В природе он обычно существует в виде кристалла, а из расплава всегда образуется аморфный кварц (его так и называют плавленым кварцем ). Опыт показывает, что чем сложнее молекулы вещества и чем сильнее их межмолекулярные связи, тем легче при остывании получить твердую аморфную модификацию.

Твердые тела отличаются постоянством формы и объема и делятся на кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела

Каждому химическому веществу, находящемуся в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая решетка, которая задает физические свойства кристалла.

Знаете ли вы?
Много лет назад в Петербурге на одном из неотапливаемых складов лежали большие запасы белых оловянных блестящих пуговиц. И вдруг они начали темнеть, терять блеск и рассыпаться в порошок. За несколько дней горы пуговиц превратились в груду серого порошка. "Оловянная чума" - так к прозвали эту «болезнь» белого олова.
А это была всего лишь перестройка порядка атомов в кристаллах олова. Олово, переходя из белой разновидности в серую, рассыпается в порошок.
И белое и серое олово - это кристаллы олова, но при низкой температуре изменяется их кристаллическая структура, а в результате меняются физические свойства вещества.

Кристаллы могут иметь различную форму и ограничены плоскими гранями.

В природе существуют:
а) монокристаллы - это одиночные однородные кристаллы, имеющие форму правильных многоугольников и обладающие непрерывной кристаллической решеткой

Монокристаллы поваренной соли:

б) поликристаллы - это кристаллические тела, сросшиеся из мелких, хаотически расположенных кристаллов.
Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру (металлы, камни, песок, сахар).

Поликристаллы висмута:

Анизотропия кристаллов

В кристаллах наблюдается анизотропия - зависимость физических свойств (механической прочности, электропроводности, теплопроводности, преломления и поглощения света, дифракции и др.) от направления внутри кристалла.

Анизотропия наблюдается в основном в монокристаллах.

В поликристаллах (например, в большом куске металла) анизотропия в обычном состоянии не проявляется.
Поликристаллы состоят из большого количества мелких кристаллических зерен. Хотя каждый из них обладает анизотропией, но за счет беспорядочности их расположения поликристаллическое тело в целом утрачивает анизотропию.

Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления : железо — при 1530°,олово - при 232°, кварц - при 1713°, ртуть - при минус 38°.

Нарушить порядок расположения в кристалле частицы могут, только если он начал плавиться.

Пока есть порядок частиц, есть кристаллическая решетка - существует кристалл. Нарушился строй частиц - значит, кристалл расплавился - превратился в жидкость, или испарился - перешел в пар.

Аморфные тела

Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении атомов и молекул (стекло, смола, янтарь, канифоль).

В амофных телах наблюдается изотропия - их физические свойства одинаковы по всем направлениям.

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства (при ударах раскалываются на куски как твердые тела) и текучесть (при длительном воздействии текут как жидкости).

При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела, а при высоких температурах - подобны очень вязким жидкостям.

Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления , а значит,и температуры кристаллизации.
При нагревании они постепенно размягчаются.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.

Одно и то же вещество может встречаться и в кристаллическом и в некристаллическом виде.

В жидком расплаве вещества частицы движутся совершенно беспорядочно.
Если, например, расплавить сахар, то:

1. если расплав застывает медленно, спокойно, то частицы собираются в ровные ряды и образуются кристаллы. Так получается сахарный песок или кусковой сахар;

2. если остывание происходит очень быстро, то частицы не успевают построиться правильными рядами и расплав затвердевает некристаллическим. Так, если вылить расплавленный сахар в холодную воду или на очень холодное блюдце, образуется сахарный леденец, некристаллический сахар.

Удивительно!

С течением времени некристаллическое вещество может «переродиться», или, точнее, закристаллизоваться, частицы в них собираются в правильные ряды.

Только срок для разных веществ различен:для сахара это несколько месяцев, а для камня — миллионы лет.

Пусть леденец полежит спокойно месяца два-три.Он покроется рыхлой корочкой. Посмотрите на нее в лупу: это мелкие кристаллики сахара. В некристаллическом сахаре начался рост кристаллов. Подождите еще несколько месяцев — и уже не только корочка, но и весь леденец закристаллизуется.

Даже наше обыкновенное оконное стекло может закристаллизоваться. Очень старое стекло становится иногда совершенно мутным,потому что в нем образуется масса мелких непрозрачных кристаллов.

На стекольных заводах иногда в печи образуется «козел», то есть глыба кристаллического стекла. Это кристаллическое стекло очень прочное.Легче разрушить печь, чем выбить из нее упрямого «козла».
Исследовав его, ученые создали новый очень прочный материал из стекла - ситалл. Это стеклокристаллический материал, полученный в результате объёмной кристаллизации стекла.

Любопытно!

Могут существовать разные кристаллические формы одного и того же вещества .
Например, углерод.

Графит - это кристаллический углерод. Из графита сделаны стержни карандашей, которые оставляют след на бумаге при легком надавливании. Структура графита слоиста. Слои графита легко сдвигаются, поэтому чешуйки графита пристают к бумаге при письме.

Но существует и другая форма кристаллического углерода - алмаз .