Особенности кристаллической и аморфной структуры.

Кристаллическая структура – упорядоченное расположение микрочастиц на строгом расстоянии и под определенном углом.В кристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела. Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества. Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества. В каждой пространственной решетке можно выделить структурный элемент минимального размера, который называется элементарной ячейкой. Вся кристаллическая решетка может быть построена путем параллельного переноса (трансляции) элементарной ячейки по некоторым направлениям.Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Аморфная структура – хаотичное расположение ионов, атомов и молекул в материале.Среди твердых тел встречаются такие, в изломе которых нельзя обнаружить никаких признаков кристаллов. Например, если расколоть кусок обыкновенного стекла, то излом окажется гладким и, в отличие от изломов кристаллов, ограничен не плоскими, а овальными поверхностями. Подобная же картина наблюдается при раскалывании кусков смолы, клея и некоторых других веществ. Такое состояние вещества называют аморфным. Различие между кристаллическими и аморфными структурами особенно резко проявляется в их отношении к нагреванию. В то время как кристаллы каждого вещества при строго определенной температуре происходит переход из жидкого состояния в твердое, аморфные тела не имеют определенной температуры плавления. При нагревании аморфное тело постепенно размягчается, начинает растекаться и становится жидким. При охлаждении оно также постепенно затвердевает. В связи с отсутствием определенной температуры плавления аморфные тела обладают и другой особенностью: многие из них подобно жидкостям текучи, т. е. при длительном действии сравнительно небольших сил постепенно изменяют свою форму. Например, кусок смолы, положенный на плоскую поверхность, в теплом помещении растекается, принимая форму диска.Ещё одной особенностью является упорядоченность в расположении частиц только на очень малых участках.

 

Вопрос

Типы кристаллических решеток.

Кристаллическая решетка – пространственная сетка, в узлах которых располагются ионы, молекулы и атомы. В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток:1)ионные (кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными. Их образуют вещества с ионной связью),2)атомные (кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называются атомными. Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями), 3)молекулярные (кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных), называются молекулярными) Молекулы в таких решетках соединены между собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами. Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, их растворы почти не проводят электрический ток. Число неорганических веществ с молекулярной решеткой невелико.4)металлические (металлическими называют решётки, в узлах которых находятся атомы и ионы металла) Для металлов характерны физические свойства: пластичность, ковкость, металлический блеск, высокая электро- и теплопроводность Кристаллы могут быть разных форм. Их делят на 6 систем. Это деление зависит от наличия в кристаллах оси симметрии, их количества, размера и расположения.Системы:1) кубическая2) тетраганальная3) ромбическая (3 оси симметрии, перпендикулярных друг другу, но все разной длины)4) иксогональная (4 оси симметрии, 3 из которых равны и образуют угол в 60 град.)5) моноклинная (3 оси симметрии, 2 оси перпендикулярны, а 3 ось перпендикулярна только ко одной)6) триклинная (3 оси симметрии, все разной длины и под разными углами)

 

Вопрос

Дефекты кристаллических решеток и их влияние на свойства материалов

. Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное по­вторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла ха­рактерно наличие большого количества де­фектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти де­фекты оказывают существенное влияние на свойства материала. Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.1. Точечные дефекты характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диамет­ров. К точечным дефектам относятся: а) вакансия (свободные места в узлах кристал­лической решетки)б) замещающий атомв) внедренный атомТочечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление. 2. Линейные дефекты (лишняя полуплоскость) характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации. Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристал­лическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряже­ний: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже растянута. Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дисло­каций может достигать большой величины. 3. Поверхностые дефекты (возникают, когда кристаллизация идет в замкнутом объеме, где кристаллы сближаются и врастают друг в друга)

Вопрос 6

Типы связей: ионная, ковалентная, металлическая, вандервальсовская. Зависимость материалов от типа связей. 1) ионная Ионная связь – частный случай ковалентной, когда образовавшаяся электронная пара полностью принадлежит более электроотрицательному атому, становящемуся анионом. Основой для выделения этой связи в отдельный тип служит то обстоятельство, что соединения с такой связью можно описывать в электростатическом приближении, считая ионную связь обусловленной притяжением положительных и отрицательных ионов. Взаимодействие ионов противоположного знака не зависит от направления, а кулоновские силы не обладают свойством насыщености. Поэтому каждый ион в ионном соединении притягивает такое число ионов противоположного знака, чтобы образовалась кристаллическая решетка ионного типа. В ионном кристалле нет молекул. Каждый ион окружен определенным числом ионов другого знака (координационное число иона). Ионные пары могут существовать в газообразном состоянии в виде полярных молекул.Распространенные строительные материалы этого типа – гипс и ангидрит – имеют невысокую прочность и твердость, они неводостойки 2) ковалентная Ковалентная связь – наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредством обменного механизма, когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или по донорно-акцепторному механизму, если электронная пара передается в общее пользование одним атомом (донором) другому атому (акцептору). Такие материалы отличаются очень высокой механической прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки. 3) металлическая Металлическая связь возникает в результате частичной делокализации валентных электронов, которые достаточно свободно движутся в решетке металлов, электростатически взаимодействуя с положительно заряженными ионами. Силы связи не локализованы и не направлены, а делокализированные электроны обусловливают высокую тепло- и электропроводность. Вещества, обладающие металлической связью, часто сочетают прочность с пластичностью, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей. 4) вандервальсовская Наиболее универсальный вид межмолекулярной связи, обусловлен дисперсионными силами (индуцированный диполь – индуцированный диполь), индукционным взаимодействием (постоянный диполь – индуцированный диполь) и ориентационным взаимодействием (постоянный диполь – постоянный диполь). Вещества, обладающие вандервальсовской связью, - это газы. Они всегда стремятся занять доступный объем, легко сжимаемы и обладают относительно небольшой плотностью

Вопрос 7

Способы формирования структуры веществ и материалов. К структурообразующим элементам относится следующее.

1. Элементарные частицы – это мельчайшие частицы материи: фотоны, электроны, позитроны, мюзоны, нейтрино, протоны, нейтроны, антипротоны, антинейтроны, гипероны. Между ними действуют силы различной интенсивности и радиуса действия: сильные – электромагнитные и слабые – гравитационные.

2. Атомы –это сложные образования, построенные из элементарных частиц. Свойства атома зависят от заряда ядра и строения электронных оболочек (орбиталей), точнее электронных облаков, отличающихся размером и формой. Атомы всех элементов могут соединяться друг с другом или другими атомами, образуя следующие частицы: ионы, свободные радикалы, молекулы.

3. Ионы –образуются из атомов или молекул при отрыве и удалении электронов (ион “+”) или при их присоединении (ион “-”)

NaCl «Na+ + Cl-.

4. Свободные радикалы – это осколки молекул, высокоактивные неустойчивые частицы, возникающие при распаде молекул с ковалентной связью между атомами и обладающие неспаренными электронами.

5. Молекулы –наименьшие частицы индивидуального вещества, способные к самостоятельному существованию, состоящие из одинаковых или различных атомов и обладающие основными свойствами. Молекулы рассматривают как "многоатомный атом", в котором электроны находятся на молекулярных орбитах, охватывающих все ядра атомов в молекуле, и молекулярные орбитали занимают весь объем молекулы. В целом это относительно устойчивое электрически нейтральное образование.

6. Комплексные соединения и комплексные ионы – это соединения сложного состава, у которых можно выделить центральный атом (комплексообразователь) и непосредственно связанные с ним молекулы или ионы (лиганды)

Ka [Fe+ + + (CN)₆ «3K+ + [Fe (CN)₆] - ^{- -} ;

[Cu (NH₃)₄] SO₄ «Cu+ + (NH₃) + SO₄- ^- .

7. Элементарные кристаллические решетки* (ячейки) –простейшие структурные единицы кристалла.

8. Коллоидные частицы – это частицы твердых, жидких веществ размером 10⁹–10^{-7 м.}

9. Дисперсные частицы – это частицы твердых и жидких веществ размером 10^-7–10^{-6 м.}

10. Углеводороды с молекулярной массой < 5000 – масла, смолы, асфальты.

11. Углеводороды с молекулярной массой > 5000 – олигомеры, полимеры (-CH₂-CH₂-)_n и др.

12. Кристаллы, кристаллиты и зерна – твердые тела, имеющие упорядоченное взаимное расположение образующих их частиц – атомов, ионов, молекул. Кристаллиты (зерна) имеют искаженную кристаллическую решетку, неправильную форму кристалла, без характерной кристаллической огранки. К ним относятся дендриты, кристаллические зерна металлических слитков, горных пород, минералов.

13. Твердые частицы – частицы крупных размеров (> 3Ч 10^{-4 м).}

14. Поры, пустоты и т.д.

Этот список можно продолжить. Важно отметить, что в формировании материала на более низких уровнях принимают участие наполнители, заполнители, добавки, которые, с одной стороны, сформированы перечисленными структурообразующими элементами, а с другой – сами играют огромную роль. Таким образом, строение материала характеризуется многоступенчатостью, многообразием структурных элементов и уровней, форм связи между структурообразующими одного и различных уровней.

Структурообразующие элементы имеют различное строение, форму, размеры, по-разному взаимодействуют между собою и располагаются в пространстве, обусловливая тем самым структуру материала, его свойства и, как следствие, области его применения. Поэтому структуру материала изучают на различных уровнях. Величина и число уровней определяются точностью существующих методов исследований и изучаемыми свойствами.

Вопрос 8