Кристалічні та аморфні тіла. Рідкі кристали

Ми звикли вважати, що більшість речовин звичайно бувають твердими, рідкими або газоподібними. Наприклад, лід ми вважаємо твердим тілом, воду - рідиною, а водяну пару - газом. Однак сьогодні встановлено, що при нагріванні до певної температури будь-яке кристалічне тверде тіло плавиться, тобто перетворюється на рідину.

Як відомо, молекулярно-кінетична теорія будови речовини заснована на трьох твердженнях:

--------------- 11. усяка речовина складається з частинок - молекул або атомів --------------------- ------------------ 2 .частинки здійснюють хаотичний тепловий рух---------------------------------------; - -------------- 3 .частинки взаємодіють одна з одною--------------.

Тепловий рух молекул характеризується їх середньою кінетичною енергією. Вона, як відомо, визначає температуру тіл. Взаємодія молекул характеризується потенціальною енергією. Вона залежить від відстані між молекулами. У твердих кристалічних тілах молекули розташовані в певному порядку й можуть лише здійснювати коливальний рух біля положення рівноваги. У рідинах молекули розташовані хаотично, хоча й близько одна від одної. Рух молекул у рідині - коливально-поступальний. Молекули рухаються й взаємодіють одночасно, отже, вони мають і кінетичну, і потенціальну енергії. Тому, чи бути тілу твердим, рідким або газоподібним, залежить від співвідношення обох видів енергії. А зміна цього співвідношення й приводить до переходу речовини з одного стану в інший. Мікрочастинки твердого тіла, утворюючи кристалічну решітку, хаотично коливаються навколо деяких середніх положень рівноваги, які називаються вузлами кристалічної решітки. Значна потенціальна енергія їх взаємодії перешкоджає зміні середньої відстані між ними. Наслідком цього є збереження твердими тілами їх форми та об'єму. Отже, речовина знаходиться у твердому стані тоді, коли середня потенціальна енергія взаємного притягання молекул значно більша від їх кінетичної енергії. Якщо з’єднати центри положень рівноваги атомів твердого тіла, то вийде правильна просторова сітка, яка називається кристалічною.Внутрішній порядок у розташуванні атомів кристалів впливає на формування правильних зовнішніх геометричних форм.

Наприклад, якщо за допомогою лупи розглянути сіль, цукор, соду, сніжинки, то можна побачити, що їх окремі частинки представляють собою тіла, обмежені плоскими гранями. Ці грані формують між собою певні кути, які у різних речовин є різними. Наявність таких граней свідчить, що речовина знаходиться у кристалічному стані. Тверді тіла, які мають впорядковане розташування у просторі своїх частинок, що періодично повторюється, називаються кристалами. Кристали – це тверді тіла, атоми й молекули яких займають певне, упорядковане положення в просторі

Інколи тіло представляє собою один кристал, в випадку, наприклад, із крупинкою цукрового піску. Такі тіла звуться монокристалами. Монокристали мають форму правильних багатогранників.

Форми кристалів: 1 - ромбічна піраміда, 2 - тригональна піраміда, 3 - ромбічна діпіраміда, 4 - тригональна діпіраміда, 5 - ромбічна призма, 6 - тригональна призма, 7 - ромбічний тетраедр, 8 - тетраедр, 9 - куб, 10 - октаедр.

Монокристали є анізотропними - їх фізичні властивості залежать від напрямку всередині кристалу. Анізотропія – залежність від вибраного в кристалі напрямку.

Сніжинки.

Сніжинки є полікристалами, тобто сукупністю великої кількості дрібних кристалів, що зрослися між собою.

У окремих випадках тіла є сукупністю значної кількості дрібних кристалів, що зрослися між собою. Такі тіла називаються полікристалами. Прикладами полікристалів можуть бути цукор-рафінад, шматок будь-якого металу, сніжинки. Полікристали через хаотичність орієнтацій монокристалів мають ізотропні (однакові у всіх напрямках) фізичні властивості.

Частинки, із яких складається кристал, утворюють в просторі правильну кристалічну (просторову) решітку. Основою кристалічної решітки є елементарна комірка певної геометричної форми, у вершинах якої – вузлах кристалічної решітки - розташовані частинки (атоми, молекули, іони).

 

 

Розрізняють кристали:

• іонні, коли у вузлах решітки знаходяться позитивно й негативно заряджені іони;
• атомні, коли у вузлах розміщені атоми, які утворюють з сусідніми атомами ковалентні зв’язки;
• молекулярні, коли у вузлах знаходяться нейтральні молекули, а зв’язок між ними здійснюється через дію міжмолекулярних сил;
• металічні, коли у вузлах розміщені позитивно заряджені іони металу, а зовнішні (валентні) електрони стають колективізованими і рухаються між іонами, утворюючи електронний газ.

Одною з найпростіших просторових граток іонного кристалу є гратка хлористого натрію HCl (кухонної солі), яка складається з іонів натрію і хлору. Кожний іон натрію оточують шість іонів хлору, розташованих в трьох взаємно перпендикулярних напрямках, а кожний іон хлору оточують шість іонів натрію.

Кристалічна гратка кухонної солі

Плавлення твердих кристалічних речовин відбувається при певній температурі, яка називається температурою плавлення. При температурі плавлення речовина одночасно може існувати в твердому і рідкому станах.

У аморфних тіл (смоли, скло, пластмаси, віск) періодичність у розміщенні атомів відсутня, спостерігається лише часткова впорядкованість сусідніх атомів,тобто ближній порядок в розташуванні частинок. Аморфні тіла характеризуються ізотропними властивостями і не мають встановленої температури плавлення. Вони не плавляться, а розм’якшуються, поступово змінюючи свій стан, але весь час залишаються однорідними при збільшенні температури. З твердого стану аморфні тіла поступово переходять у м’який, а потім у стан густої рідини. Чим нижча температура, тим більше наближуються аморфні тіла за своїми властивостями до твердих тіл. Тому аморфний стан можна розглядати як переохолоджену рідину.

Різницю у будові кристалів і аморфних тіл зручно простежити на прикладі оксиду кремнію Si02 - речовини, яка може існувати як в кристалічному, так й у аморфному станах.

Кристали SiO2 - це кварц, який має правильну внутрішню структуру; у розміщенні частинок кварцу спостерігається дальній порядок.

Будова кристалічного стану оксиду кремнію

Аморфний стан Si02 - кварцеве скло; його частинки з’єднані між собою по-різному, дальній порядок у їх розміщенні відсутній.

Будова аморфного стану оксиду кремнію