حالة بلورية غير متبلورة من مادة صلبة. درس فيديو "الحالة البلورية للمادة

في الحالة الصلبة ، معظم المواد لها بنية بلورية. من السهل التحقق من ذلك عن طريق تقسيم قطعة من المادة وفحص الكسر الناتج. عادة ، عند الاستراحة (على سبيل المثال ، في السكر والكبريت والمعادن) ، تكون الوجوه البلورية الصغيرة الموجودة في زوايا مختلفة مرئية بوضوح ، ولامعة بسبب الانعكاس المختلف للضوء بواسطتها. في الحالات التي تكون فيها البلورات صغيرة جدًا ، يمكن إنشاء التركيب البلوري للمادة باستخدام المجهر.

عادة ما تشكل كل مادة بلورات بشكل مثالي شكل معين. على سبيل المثال ، يتبلور كلوريد الصوديوم في شكل مكعبات (شكل 59 ، أ)،الشب - في شكل ثماني السطوح (الشكل 59 ، ب)نترات الصوديوم - على شكل مناشير (الشكل 59 ، في)إلخ. الشكل البلوري هو واحد من الخصائص المميزةمواد.

أرز. 59.

أ- كلوريد الصوديوم؛ ب- الشب في- نترات الصوديوم

يعتمد تصنيف الأشكال البلورية على تناظر البلورات. يتم التعامل مع حالات مختلفة من التناظر متعدد السطوح البلورية بالتفصيل في دورات علم البلورات. سنشير هنا فقط إلى أنه يمكن اختزال المجموعة الكاملة للأشكال البلورية إلى سبع مجموعات ، أو أنظمة الكريستال ،والتي بدورها تنقسم إلى فئات.

تتبلور العديد من المواد ، خاصة الحديد والنحاس والماس وكلوريد الصوديوم مكعبالنظام. أبسط أشكال هذا النظام هي المكعب ، ثماني السطوح ، رباعي السطوح. يتبلور المغنيسيوم والزنك والجليد والكوارتز سداسي الشكلالنظام. الأشكال الرئيسية لهذا النظام هي المنشور السداسي و bipyramid.

نادرًا ما تتوافق البلورات الطبيعية وكذلك البلورات التي تم الحصول عليها بشكل مصطنع تمامًا الأشكال النظرية. عادة ، عندما تتصلب المادة المنصهرة ، تتحد البلورات معًا ، وبالتالي فإن شكل كل منها ليس صحيحًا تمامًا. مع الإطلاق السريع للمادة من المحلول ، يتم أيضًا الحصول على بلورات ، يكون شكلها مشوهًا بسبب النمو غير المتكافئ في ظل ظروف التبلور.

ومع ذلك ، بغض النظر عن مدى تطور البلورة بشكل غير متساو ، وبغض النظر عن مدى تشوه شكلها ، فإن الزوايا التي تتقارب عندها الوجوه البلورية مادة معينة، لا يزال كما هو. هذا هو أحد القوانين الأساسية لعلم البلورات - قانون ثبات زوايا الوجه.لذلك ، من حيث الحجم زوايا ثنائية السطوحفي البلورة ، من الممكن تحديد أي نظام بلوري وإلى أي فئة تنتمي بلورة معينة.

لا تقتصر ملامح الأجسام البلورية على شكل البلورات. على الرغم من أن المادة في البلورة متجانسة تمامًا ، إلا أن العديد منها الخصائص الفيزيائية- القوة ، والتوصيل الحراري ، والعلاقة بالضوء ، وما إلى ذلك - ليست هي نفسها دائمًا في اتجاهات مختلفة داخل البلورة. هذه ميزة مهمة المواد البلوريةاتصل تباين الخواص.

نقطع ، على سبيل المثال ، في اتجاهات مختلفة من الكريستال المكعب الملح الصخريقضيبان من نفس السماكة (الشكل 60) وتحديد مقاومة هذه القضبان للتمزق. اتضح أنه لكسر الشريط الثاني ، يلزم وجود قوة أكبر بمقدار 2.5 مرة من كسر العمود الأول. من الواضح أن قوة بلورات الملح الصخري في الاتجاه العمودي على أوجه المكعب أقل بمقدار 2.5 مرة من اتجاه الأقطار.

أرز. 60.

أ- في الاتجاه العمودي على وجوه المكعب ؛ ب- في اتجاه قطري أحد وجوه المكعب

في العديد من البلورات ، يكون الفرق بين القوة في اتجاهات مختلفة كبيرًا لدرجة أنه عند الاصطدام أو الانكسار ، ينقسمون على طول تلك المستويات المتعامدة التي تكون القوة فيها ضئيلة. هذه الخاصية من البلورات تسمى انقسام.مثال على مظهر الانقسام يمكن أن يكون بلورات الميكا ، والتي ، كما هو معروف ، تنقسم إلى أنحف الصفائح.

الاختلاف الطبيعي في بنية معظم المواد الصلبة (باستثناء البلورات المفردة) ، بالمقارنة مع المواد السائلة وخاصة الغازية (الوزن الجزيئي المنخفض) ، هو تنظيمها متعدد المستويات الأكثر تعقيدًا (انظر الجدول 4.1 والشكل 4.3). ويرجع ذلك إلى انخفاض في التساهم وزيادة في الفلزية والأيونية للروابط المتجانسة وغير المتجانسة لعناصر بنيتها المجهرية (انظر الشكلين 6.2 و 6.6 والجداول 6.1-6.7) ، مما يؤدي إلى زيادة العدد من العناصر في بنية المادة والمادة وتغيير مماثل لحالتها الإجمالية. عند دراسة التسلسل الهرمي الهيكلي للمواد الصلبة ، من الضروري فهم الوحدة والاختلافات في المستويات التنظيم الهيكليالمواد المعدنية الصلبة وغير المعدنية ، مع مراعاة درجة الترتيب في حجم مادة العناصر المكونة لها. معنى خاصله اختلاف في بنية الأجسام البلورية الصلبة وغير المتبلورة ، والتي تتكون في قدرة المواد البلورية ، على عكس الأجسام غير المتبلورة ، على التكوين سطر كاملأكثر الهياكل المعقدةمن المستوى الكيميائي الأساسي للإلكترون النووي للهياكل.

حالة غير متبلورة. تكمن خصوصية الحالة غير المتبلورة (المترجمة من اليونانية - عديم الشكل) في وجود مادة في الحالة المكثفة (السائلة أو الصلبة)مع عدم وجود دورية ثلاثية الأبعاد في هيكلها في ترتيب العناصر (النوى الذرية أو الجزيئات) التي تتكون منها هذه المادة. نتيجة لذلك ، ترجع ميزات الحالة غير المتبلورة إلى الغياب طلب بعيد المدى -التكرار الصارم في جميع الاتجاهات لنفس العنصر الهيكلي (النواة أو النواة الذرية ، مجموعة النوى الذرية ، الجزيئات ، إلخ) على مدى مئات وآلاف الفترات. في الوقت نفسه ، تحتوي المادة في الحالة غير المتبلورة ترتيب قصير المدى- الاتساق في ترتيب العناصر المجاورة للهيكل ، أي وهو أمر لوحظ على مسافات مماثلة لحجم الجزيئات. مع المسافة ، يقل هذا الاتساق ويختفي بعد 0.5-1 نانومتر. تختلف المواد غير المتبلورة عن تلك البلورية في الخواص ، أي مثل السائل ، فإن لها نفس قيمة خاصية معينة عند قياسها في أي اتجاه داخل مادة ما. انتقال مادة غير متبلورة من الحالة الصلبةإلى سائل لا يرافقه تغيير مفاجئ في الخصائص - هذه هي الثانية ميزة مهمةالذي يميز حالة غير متبلورة صلبمن بلوري. على عكس المادة البلورية ، التي لها نقطة انصهار معينة ، حيث يحدث تغيير مفاجئ في الخصائص ، تتميز المادة غير المتبلورة بفاصل تليين وتغيير مستمر في الخصائص.

المواد غير المتبلورة أقل ثباتًا من المواد البلورية. يجب ، من حيث المبدأ ، أن تتبلور أي مادة غير متبلورة بمرور الوقت ، ويجب أن تكون هذه العملية طاردة للحرارة. غالبًا ما تكون الأشكال غير المتبلورة والبلورية حالات مختلفة لنفس المادة أو المادة الكيميائية في التركيب. لذلك ، فإن الأشكال غير المتبلورة لعدد من المواد متجانسة النواة (الكبريت ، السيلينيوم ، إلخ) ، الأكاسيد (B 2 Oe ، Si0 2 ، Ge0 2 ، إلخ) معروفة.

ولكن العديد من مواد غير متبلورة، على وجه الخصوص معظم البوليمرات العضوية ، لا يمكن بلورتها. في الممارسة العملية ، يتم ملاحظة تبلور المواد غير المتبلورة ، وخاصة المواد الجزيئية العالية ، في حالات نادرة جدًا ، حيث يتم منع التغييرات الهيكلية بسبب اللزوجة العالية لهذه المواد. لذلك إذا كنت لا تلجأ إلى طرق خاصة، على سبيل المثال ، للتعرض المطول لدرجات الحرارة المرتفعة ، فإن الانتقال إلى الحالة البلورية يستمر بمعدل منخفض للغاية. في مثل هذه الحالات ، يمكننا أن نفترض أن المادة في الحالة غير المتبلورة مستقرة تمامًا تقريبًا.

على عكس الحالة غير المتبلورة المتأصلة في المواد التي تكون في صورة سائلة أو منصهرة ، وفي صورة مكثفة صلبة ، حالة زجاجيةيشير فقط إلى الحالة الصلبة للمادة. نتيجة لذلك ، في سائلأو منصهريمكن أن تكون المواد في حالة غير متبلورة مع أي نوع مفضل من الاتصال(التساهمية والمعدنية والأيونية) وبالتالي ذات البنية الجزيئية وغير الجزيئية. لكن في صلب غير متبلور، أو بشكل أكثر دقة ، حالة زجاجية سوف تكون في المقام الأول من المواد القائمة على HMC وتتميز في الغالب نوع الرابطة التساهميةعناصر في سلاسل الجزيئات الكبيرة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الحالة الصلبة غير المتبلورة للمادة يتم الحصول عليها نتيجة التبريد الفائق لحالتها السائلة ، مما يمنع عمليات التبلور ويؤدي إلى "تجميد" الهيكل بترتيب قصير المدى للعناصر. لاحظ أن وجود الجزيئات الكبيرة في بنية المواد البوليمرية بسبب تأثير عامل الحجم الفراغي (بعد كل شيء ، من الأسهل تكوين بلورة من الكاتيونات أكثر من الجزيئات) يؤدي إلى تعقيد إضافي لعملية التبلور. لذلك ، فإن البوليمرات العضوية (بولي ميثيل ميثاكريلات ، إلخ) وغير العضوية (أكاسيد السيليكون والفوسفور والبورون ، إلخ) قادرة على تكوين الزجاج أو تحقيق حالة غير متبلورة في المواد الصلبة. صحيح أن المعدن يذوب اليوم بمعدلات تبريد عالية جدًا (> 10 6 درجة مئوية / ثانية) يتم نقله إلى حالة غير متبلورة ، والحصول على معادن غير متبلورةأو زجاج معدنيمع مجموعة من الخصائص القيمة الجديدة.

الحالة البلورية. في الجسم البلوري ، لوحظ على أنه قرب، و طلب بعيد المدىترتيب العناصر الهيكلية (النوى الذرية أو الجسيمات في شكل جزيئات فردية) ، أي يتم وضع عناصر الهيكل في الفضاء مسافة معينةمن بعضها البعض بترتيب صحيح هندسيًا ، وتشكيل بلورات -الأجسام الصلبة التي لديها شكل طبيعي متعددات الوجوه العادية. هذا الشكل هو نتيجة للترتيب المنظم للعناصر في البلورة ، والتي تشكل تكديسًا مكانيًا دوريًا ثلاثي الأبعاد في الشكل شعرية الكريستال.تتميز المادة في الحالة البلورية بالتكرار الدوري في ثلاثة أبعاد لترتيب النوى الذرية أو الجزيئات في عقدها. البلورة هي حالة توازن للمواد الصلبة. لكل المواد الكيميائية، والتي تخضع لظروف ديناميكية حرارية معينة (درجة الحرارة ، الضغط) في حالة بلورية ، يتوافق مع بنية تساهمية بلورية معينة أو جزيئية ، معدنية وأيونية. تحتوي البلورات على تناظر بنيوي واحد أو آخر من النوى الذرية (الكاتيونات في معدن أو الكاتيونات والأنيونات في البلورات الأيونية) أو الجزيئات ، التناظر العياني المقابل للشكل الخارجي ، بالإضافة إلى تباين الخصائص. تباين الخواص -هذا هو الاختلاف في الخصائص (الميكانيكية والفيزيائية والكيميائية) لبلورة واحدة في اتجاهات مختلفة لشبكتها البلورية. الخواص -هذا هو تشابه خواص مادة في اتجاهاتها المختلفة. بطبيعة الحال ، يتم تحديد أنماط التغيير في خصائص المادة من خلال خصائص التغيير أو عدم التغيير في هيكلها. المواد البلورية الحقيقية (بما في ذلك المعادن) هي هياكل شبه الخواص ،أولئك. فهي متناحية الخواص على مستوى البنية المتوسطة (انظر الجدول 4.1) وخصائصها هي نفسها في جميع الاتجاهات. وذلك لأن معظم المواد البلورية الطبيعية أو الاصطناعية متعدد البلوراتالمواد ، وليس بلورات واحدة

(مثل الماس). تتكون من عدد كبيرما يسمى بقولياتأو بلورات ،التي يتم تدوير مستوياتها البلورية بالنسبة لبعضها البعض من خلال زاوية معينة أ. في هذه الحالة ، في أي اتجاه للبنية المتوسطة للمادة ، تقريبًا نفس عدد الحبوب مع توجهات مختلفةالمستويات البلورية ، مما يؤدي إلى استقلالية خصائصها عن الاتجاه. تتكون كل حبة من عناصر فردية - كتل يتم تدويرها بالنسبة لبعضها البعض بزوايا تصل إلى عدة دقائق ، مما يضمن أيضًا تماثل خصائص الحبوب نفسها ككل.

يمكن أن تختلف الحالات البلورية لنفس المادة في التركيب والخصائص ، ثم يقولون أن هذه المادة موجودة في تعديلات مختلفة. يسمى وجود العديد من التعديلات البلورية في مادة معينة تعدد الأشكال،والانتقال من تعديل إلى آخر - تحول متعدد الأشكال.على عكس تعدد الأشكال ، التآصل- هذا هو وجود عنصر في شكل مواد "بسيطة" مختلفة (أو بشكل أدق ، مواد متجانسة النوى) ، بغض النظر عن حالة المرحلة. على سبيل المثال ، الأكسجين 0 2 والأوزون O e - أشكال متآصلةالأكسجين الموجود في الحالات الغازية والسائلة والبلورية. في نفس الوقت ، الماس والجرافيت - الأشكال المتآصلة للكربون - هي في نفس الوقت تعديلاته البلورية ، وفي هذه الحالة يتطابق مفهوما "التآثر" و "تعدد الأشكال" مع أشكاله البلورية.

غالبًا ما توجد ظاهرة أيضًا تماثلحيث تكون مادتان من طبيعة مختلفة بلورات من نفس البنية. يمكن لمثل هذه المواد أن تحل محل بعضها البعض في الشبكة البلورية ، وتشكل بلورات مختلطة. لأول مرة ، تم توضيح ظاهرة التماثل من قبل عالم المعادن الألماني E.Mitscherlich في عام 1819 باستخدام مثال KH 2 P0 4 و KH 2 As0 4 و NH 4 H 2 P0 4. البلورات المختلطة عبارة عن مخاليط متجانسة تمامًا من المواد الصلبة - هذه هي الحلول الصلبة البديلة.لذلك ، يمكننا القول أن التماثل هو القدرة على تكوين حلول صلبة بديلة.

تقليديا الهياكل البلوريةينقسم تقليديا إلى متماثل (تنسيق) وغير متجانسة. مثلي الجنسهيكل لها ، على سبيل المثال ، الماس ، هاليدات الفلزات القلوية. ومع ذلك ، في كثير من الأحيان لديها المواد البلورية غير متجانسةبنية؛ لها خاصية- وجود شظايا هيكلية ، يتم من خلالها ربط النوى الذرية بأقوى الروابط (التساهمية عادة). يمكن أن تكون هذه الأجزاء عبارة عن مجموعات محدودة من العناصر ، والسلاسل ، والطبقات ، والإطارات. وفقًا لذلك ، تتميز هياكل الجزر والسلسلة والطبقات والإطار. تحتوي جميعها تقريبًا على جزر. مركبات العضويةو هكذا مواد غير عضوية، مثل الهالوجينات ، 0 2 ، N 2 ، CO 2 ، N 2 0 4 ، إلخ. تلعب الجزيئات دور الجزر ، لذلك تسمى هذه البلورات الجزيئية. غالبًا ما تعمل الأيونات المتعددة الذرات (على سبيل المثال ، الكبريتات والنترات والكربونات) كجزر. على سبيل المثال ، بلورات أحد تعديلات Se (النوى الذرية متصلة في حلزونات لا نهاية لها) أو بلورات PdCl 2 ، التي تحتوي على شرائط لا نهاية لها ، لها بنية سلسلة ؛ هيكل متعدد الطبقات - الجرافيت ، BN ، MoS 2 ، إلخ ؛ بنية الإطار هي CaTYu 3 (تشكل النوى الذرية لـ Ti و O ، متحدة بواسطة روابط تساهمية ، إطارًا مخرمًا ، في الفراغات التي توجد بها النوى الذرية لـ Ca). تصنف بعض هذه الهياكل على أنها بوليمرات غير عضوية (خالية من الكربون).

وفقًا لطبيعة الرابطة بين النوى الذرية (في حالة الهياكل المتجانسة) أو بين الأجزاء الهيكلية (في حالة الهياكل غير المتجانسة) ، هناك تمييز: التساهمية (على سبيل المثال ، SiC ، الماس) ، الأيوني ، المعدني (المعادن) والمركبات بين المعادن) والبلورات الجزيئية. تحتوي بلورات المجموعة الأخيرة ، التي ترتبط فيها الأجزاء الهيكلية بالتفاعل بين الجزيئات ، على أكبر عدد من الممثلين.

إلى عن على تساهميةتتميز البلورات المفردة مثل الماس ، والكاربورندوم ، وما إلى ذلك ، بالحراريات والصلابة العالية ومقاومة التآكل ، والتي تنتج عن القوة والاتجاه الرابطة التساهميةبالاقتران مع هيكلها المكاني ثلاثي الأبعاد (أجسام البوليمر).

أيونيالبلورات هي تشكيلات يكون فيها التصاق عناصر البنية المجهرية في شكل معاكسات ناتجًا بشكل أساسي عن الروابط الكيميائية الأيونية. مثال على البلورات الأيونية هي هاليدات الفلزات القلوية والأرضية القلوية ، في المواقع الشبكية البلورية التي توجد فيها كاتيونات معدنية متناوبة شحنة موجبة وأنيونات هالوجين سالبة الشحنة (Na + Cl -، Cs + Cl -، Ca + F ^، الشكل 7.1).

أرز. 7.1

في بلورات معدنيةيعود التصاق النوى الذرية في شكل كاتيونات معدنية في الغالب إلى روابط كيميائية معدنية غير اتجاهية. هذا النوعتعتبر البلورات من خصائص المعادن وسبائكها. في عقد الشبكة البلورية توجد نوى ذرية (كاتيونات) مترابطة بواسطة OE (غاز الإلكترون). سيتم مناقشة هيكل الأجسام البلورية المعدنية بمزيد من التفصيل أدناه.

بلورات جزيئيةتتكون من جزيئات صديق مقيدمع قوات فان دير فال أخرى أو رابطة الهيدروجين. تعمل الرابطة التساهمية الأقوى داخل الجزيئات (يسود C على C و C م). تحدث تحولات الطور للبلورات الجزيئية (الذوبان ، التسامي ، التحولات متعددة الأشكال) ، كقاعدة عامة ، دون تدمير الجزيئات الفردية. معظم البلورات الجزيئية هي بلورات من المركبات العضوية (مثل النفثالين). تشكل البلورات الجزيئية أيضًا مواد مثل H 2 ، والهالوجينات مثل J 2 ، N 2 ، 0 2 ، S g ، مركبات ثنائيةالنوع H 2 0 ، C0 2 ، N 2 0 4 ، المركبات العضوية المعدنية وبعض المركبات المعقدة. تشمل البلورات الجزيئية أيضًا بلورات مثل البوليمرات الطبيعيةمثل البروتينات (الشكل 7.2) والأحماض النووية.

البوليمرات ، كما سبق ذكره أعلاه ، كقاعدة عامة ، تشير أيضًا إلى المواد التي تشكل بلورات جزيئية. ومع ذلك ، في حالة احتواء تعبئة الجزيئات الكبيرة على شكل مطوي أو ليفي ، سيكون من الأصح الحديث عن بلورات جزيئية تساهمية(الشكل 7.3).

أرز. 7.2

أرز. 7.3.

هذا يرجع إلى حقيقة أنه على طول إحدى فترات الشبكة (على سبيل المثال ، الفترة معفي حالة البولي إيثيلين ، تكون الجزيئات الكبيرة منه في شكل مطوي ، وتشكل صفيحة) ، تعمل مادة كيميائية قوية (الشكل 7.3) ، بشكل أساسي ، روابط تساهمية. في نفس الوقت ، على طول فترتين شعرية أخريين (على سبيل المثال ، فترات بو معفي نفس بلورات البولي إيثيلين المطوية) ، تعمل قوى التفاعل بين الجزيئات الأضعف بالفعل.

يعتبر تقسيم البلورات إلى هذه المجموعات عشوائيًا إلى حد كبير ، نظرًا لوجود انتقالات تدريجية من مجموعة إلى أخرى حيث تتغير طبيعة الرابطة في البلورة. على سبيل المثال ، من بين المركبات بين المعادن - مركبات المعادن مع بعضها البعض - يمكن للمرء أن يميز مجموعة من المركبات التي يكون فيها انخفاض في المكون المعدني رابطة كيميائيةوالنمو المقابل للمكونات التساهمية والأيونية يؤدي إلى تكوين الكوليسترول وفقًا للتكافؤ الكلاسيكي. أمثلة على هذه المركبات هي مركبات المغنيسيوم مع العناصر المجموعة الفرعية الرئيسيةالمجموعات الرابعة والخامسة النظام الدوري، وهي انتقالية بين المعادن وغير المعدنية (Mg 2 Si ، Mg 2 Ge ، Mg 2 Sn ، Mg 2 Pb ، Mg 3 As 2 ، Mg 3 Sb 7 ، Mg 3 Bi 7) ، إلى الرئيسي السمات المميزةوالتي يشار إليها عادة باسم:

• تختلف الشبكة البلورية غير المتجانسة الخاصة بها عن المشابك المتجانسة النواة للمركبات الأم ؛
• في علاقتها ، عادة ما يتم الاحتفاظ بنسبة متعددة بسيطة من المكونات ، مما يجعل من الممكن التعبير عن تكوينها بواسطة صيغة بسيطة A sh B ؛؟ ، حيث A و B هما العناصر المقابلة ؛ رو ف - الأعداد الأولية;
• تتميز المركبات غير المتجانسة بجودة هيكلية وخصائص جديدة ، على عكس المركبات الأصلية.

في الكريستال العناصر الهيكلية(الأيونات ، النوى الذرية ، الجزيئات) التي تشكل بلورة يتم ترتيبها بانتظام في اتجاهات مختلفة (الشكل 7 لا).عادة ، يتم تقديم صورة مكانية لتركيب البلورات بشكل تخطيطي (الشكل 7.45) ، مع تمييز مراكز الجاذبية بالنقاط العناصر الهيكلية، بما في ذلك خصائص الشبكة.

طائرات موازية تنسيق الطائرات، وتقع على مسافة أ ، ب ، جمن بعضها البعض ، قسّم البلورة إلى عدة خطوط متوازية ومتوازية المنحى. أصغر منهم يسمى خلية أوليةمزيجهم يشكل مكاني شعرية الكريستال.رؤوس خط متوازي السطوح هي عقد الشبكة المكانية ؛ تتطابق مراكز ثقل العناصر التي تُبنى منها البلورة مع هذه العقد.

تصف المشابك البلورية المكانية تمامًا بنية البلورة. لوصف خلية الوحدة للشبكة البلورية ، يتم استخدام ست كميات: ثلاثة أجزاء ، يساوي المسافاتالى الاقرب الجسيمات الأوليةعلى طول محاور الإحداثيات أ ، ب ، ج ،وثلاث زوايا بين هذه الأجزاء أ ، (3 ، ص.

تحدد النسب بين هذه الكميات شكل الخلية ، اعتمادًا على تقسيم جميع البلورات إلى سبعة أنظمة (الجدول 7.1).

يتم تقدير حجم خلية الوحدة للشبكة البلورية بواسطة المقاطع عضلات المعدة.يطلق عليهم فترات شعرية.من خلال معرفة فترات الشبكة ، من الممكن تحديد نصف قطر النواة الذرية لعنصر ما. نصف القطر هذا يساوي نصف أصغر مسافة بين الجسيمات في الشبكة.

يتم الحكم على درجة تعقيد الشبكة بواسطة عدد العناصر الهيكلية ،لكل خلية ابتدائية واحدة. في الشبكة المكانية البسيطة (انظر الشكل 7.4) ، يوجد دائمًا عنصر واحد لكل خلية. كل خلية لها ثمانية رؤوس ، لكن

أرز. 7.4. ترتيب العناصر في بلورة: أ- صورة مع وضع حجم النواة الذرية للعنصر ؛ ب -الصورة المكانية لخلية أولية ومعلماتها

الجدول 7.1

خصائص الأنظمة البلورية

كل عنصر في الأعلى يشير بدوره إلى ثماني خلايا. وبالتالي ، من العقدة إلى حصة كل خلية ، يوجد حجم V 8 ، وهناك ثماني عقد في الخلية ، وبالتالي ، يوجد عنصر هيكلي واحد لكل خلية.

في المشابك المكانية المعقدة ، يوجد دائمًا أكثر من عنصر هيكلي واحد لكل خلية ، وهي الأكثر شيوعًا في أهم المركبات المعدنية النقية (الشكل 7.5).

تتبلور المعادن التالية في الشبكة المخفية: Fe a ، W ، V ، Cr ، Li ، Na ، K ، إلخ. Fe y ، Ni ، Co a ، Cu ، Pb ، Pt ، Au ، Ag ، إلخ. تتبلور في fcc تتبلور Mg ، Ti a ، Co p ، Cd ، Zn ، إلخ في شبكة hcp.

النظام والفترة وعدد العناصر الهيكلية ،لكل وحدة خلية تجعل من الممكن تمثيل موقع الأخير في البلورة بشكل كامل. في بعض الحالات ، يتم استخدام خصائص إضافية للشبكة البلورية ، نظرًا لشكلها الهندسي وتعكس كثافة التعبئة للعنصر

أرز. 7.5 أنواع الخلايا الأولية المعقدة من المشابك البلورية: أ -نسخة مخفية الوجهة. 6 - HCC. في- hcp الجسيمات الفارغة في الكريستال. هذه الخصائص هي CF وعامل الاكتناز.

يحدد عدد أقرب جسيمات أولية متساوية البعد رقم التنسيق.على سبيل المثال ، بالنسبة للشبكة المكعبة البسيطة ، سيكون CF 6 (Kb) ؛ في شعرية المكعب المتمركز حول الجسم (bcc) لكل نواة ذرية ، سيكون عدد هؤلاء الجيران مساويًا لثمانية (K8) ؛ بالنسبة للشبكة المكعبة المتمركزة على الوجه (fcc) ، يكون رقم CF هو 12 (K 12).

تحدد نسبة حجم جميع الجسيمات الأولية لكل خلية أولية إلى الحجم الكامل للخلية الأولية عامل الاكتناز.بالنسبة للشبكة المكعبة البسيطة ، يكون هذا المعامل 0.52 ، بالنسبة إلى bcc - 0.68 و fcc - 0.74.

• سيروتكين ر. تأثير التشكل على سلوك إنتاج المحلول المتبلور بولي إيثيلين: أطروحة دكتوراه ، جامعة شمال لندن. - لندن 2001.

دولة الكريستالالمواد ، التي تتميز بوجود ترتيب بعيد المدى في ترتيب الجسيمات (الذرات والجزيئات). في الحالة البلورية ، يوجد أيضًا ترتيب قصير المدى يتميز بالثابت أرقام التنسيقوأطوال المواد الكيميائية روابط. يؤدي ثبات خصائص الترتيب قصير المدى في الحالة البلورية إلى تزامن الخلايا الهيكلية أثناء إزاحتها الانتقالية وتشكيل دورية ثلاثية الأبعاد للهيكل (انظر. البلورات).

نظرًا لأقصى ترتيب لها ، تتميز الحالة البلورية بحد أدنى الطاقة الداخليةوهي حالة توازن ديناميكي حراري عند معلمات معينة - الضغط ودرجة الحرارة والتركيب (في حالة حلول صلبة) وغيرها ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، لا يمكن حقًا تحقيق حالة بلورية مرتبة تمامًا ؛ يحدث التقريب لها عندما تميل درجة الحرارة إلى 0 كلفن (ما يسمى البلورة المثالية). أجساد حقيقيةفي الحالة البلورية تحتوي دائمًا على بعض عيوبالتي تنتهك النظام قصير المدى وطويل المدى. يتم ملاحظة الكثير بشكل خاص في المحاليل الصلبة ، حيث تحتل الجسيمات الفردية ومجموعاتها بشكل إحصائي مواقع مختلفة في الفضاء.

بسبب الدورية ثلاثية الأبعاد التركيب الذريالسمات الرئيسية هي التجانس والخصائص والتماثل ، والتي يتم التعبير عنها ، على وجه الخصوص ، في حقيقة أنه في ظل ظروف معينة من التكوين ، تأخذ البلورات شكل متعدد السطوح (انظر النمو). تختلف بعض الخصائص الموجودة على سطح البلورة وبالقرب منها اختلافًا كبيرًا عن هذه الخصائص داخل البلورة ، على وجه الخصوص ، بسبب كسر التناظر. تتغير التركيبة ، وبالتالي الخصائص ، في جميع أنحاء حجم البلورة بسبب التغيير الحتمي في تكوين الوسط مع نمو البلورة. وبالتالي ، فإن تجانس الخصائص ، بالإضافة إلى وجود نظام بعيد المدى ، يشير إلى خصائص الحالة البلورية "المثالية"

معظم الأجسام في الحالة البلورية تكون متعددة البلورات وتكون نواتج بينية عدد كبيربلورات صغيرة (حبيبات) - أقسام بحجم 10-1-10 -3 مم ، ذو شكل غير منتظموموجهة بشكل مختلف. يتم فصل الحبيبات عن بعضها بواسطة طبقات بين الخلايا الحبيبية ، حيث يتم إزعاج ترتيب الجزيئات. في الطبقات الحبيبية ، يحدث تركيز الشوائب أيضًا أثناء التبلور. نظرًا للتوجه العشوائي للحبوب ، يمكن أن يكون الجسم متعدد البلورات ككل (الحجم الذي يحتوي على عدد كبير بما يكفي من الحبوب) متناحًا ، على سبيل المثال ، يتم الحصول عليه من البلورات مع الأخير. . ومع ذلك ، عادة في هذه العملية ، وخاصة البلاستيك ، ينشأ نسيج. - المزايا ، اتجاه الحبيبات البلورية في اتجاه معين ، مما يؤدي إلى تباين الخواص.

بسبب الحالة البلورية ، يمكن للعديد من الحقول الموجودة في المنطقة ذات درجات الحرارة المنخفضة نسبيًا والحقول المرتفعة أن تستجيب لنظام مكون واحد. إذا كان هناك حقل واحد فقط للحالة البلورية ولم تتحلل المادة كيميائيًا مع زيادة درجة الحرارة ، فإن مجال حدود الحالة البلورية في الحقول والغاز على طول خطوط الانصهار والتسامي - التكثيف ، على التوالي ، والسائل والغاز (بخار) يمكن أن يكون في حالة مستقرة (فائقة التبريد) في الحقل ، الحالة البلورية ، بينما لا يمكن أن تكون الحالة البلورية في الحقل أو البخار ، أي لا يمكن تسخين المادة البلورية فوق درجة حرارة الانصهار أو التسامي. يتحول بعض (mesogens) إلى حالة بلورية سائلة عند تسخينها (انظر الشكل. بلورات سائلة ). إذا كان هناك حقلين أو أكثر للحالة البلورية على الرسم التخطيطي لنظام مكون واحد ، فإن هذه الحقول تحد على طول خط التحويلات متعددة الأشكال. يمكن أن تكون المادة البلورية شديدة التسخين أو التبريد الفائق تحت درجة حرارة التحول متعدد الأشكال. في هذه الحالة ، يمكن أن تكون الحالة البلورية المدروسة في مجال التعديلات البلورية الأخرى وتكون ثابتة.

بينما السائل والبخار بسبب وجوده نقطة حرجةعلى خط التبخر يمكن تحويلها بشكل مستمر إلى بعضها البعض ، ولم يتم حل مسألة إمكانية التحول المتبادل المستمر للحالة البلورية بشكل نهائي. بالنسبة لبعض المواد ، من الممكن تقدير المعلمات الحرجة - الضغط ودرجة الحرارة ، حيث يكون DH pl و DV pl مساويًا للصفر ، أي أن الحالة البلورية والسائل لا يمكن تمييزهما ديناميكيًا حراريًا. لكن في الواقع ، لم يلاحظ مثل هذا التحول لأي منهم (انظر الشكل. الوضع الحرج).

يمكن أن تنتقل مادة من الحالة البلورية إلى حالة مضطربة (غير متبلورة أو زجاجية) لا تلبي الحد الأدنى طاقة حرة، ليس فقط عن طريق تغيير معلمات الحالة (الضغط ، درجة الحرارة ، التركيب) ، ولكن أيضًا عن طريق التأثير إشعاعات أيونيةأو طحن جيد. حجم الجسيم الحرج ، الذي لم يعد من المنطقي الحديث عن الحالة البلورية ، حوالي 1 نانومتر ، أي بنفس ترتيب حجم خلية الوحدة.

الدول المجمعةمواد.

في هذا القسم ، سوف ننظر في الدول الإجمالية، حيث تكمن المادة من حولنا وقوى التفاعل بين جسيمات المادة ، وهي سمة لكل حالة من الحالات الكلية.

1. الحالة الصلبة,

2. الحالة السائلة و

الحالة الغازية.

غالبًا ما يتم تمييز حالة التجميع الرابعة - بلازما.

في بعض الأحيان ، تعتبر حالة البلازما أحد أنواع الحالة الغازية.

البلازما - غاز مؤين جزئيًا أو كليًا، غالبًا ما توجد في درجات حرارة عالية.

بلازماهي حالة المادة الأكثر شيوعًا في الكون ، لأن مادة النجوم في هذه الحالة.

للجميع حالة التجميعالسمات المميزة في طبيعة التفاعل بين جسيمات المادة ، مما يؤثر على خواصها الفيزيائية والكيميائية.

يمكن أن تكون كل مادة في حالات تجميع مختلفة. عندما يكفي درجات الحرارة المنخفضةجميع المواد في الحالة الصلبة. ولكن مع ارتفاع درجة حرارتها ، تصبح السوائل، ومن بعد غازات. عند مزيد من التسخين ، تتأين (تفقد الذرات بعض إلكتروناتها) وتنتقل إلى الحالة بلازما.

الحالة الغازية(من الهولندية. gas ، يعود إلى لغة يونانية أخرى. Χάος ) تتميز جدا روابط ضعيفةبين الجسيمات المكونة لها.

تتحرك الجزيئات أو الذرات المكونة للغاز بشكل عشوائي ، وفي نفس الوقت تكون كبيرة (مقارنة بأحجامها) على مسافات عن بعضها البعض في معظم الأوقات. بذلك قوى التفاعل بين جزيئات الغاز لا تذكر.

السمة الرئيسية للغازهو أنه يملأ كل المساحة المتاحة دون تشكيل سطح. تختلط الغازات دائمًا. الغاز مادة متناحية الخواص، أي أن خصائصه لا تعتمد على الاتجاه.

في حالة عدم وجود الجاذبية الضغطنفس الشيء في جميع النقاط في الغاز. في مجال قوى الجاذبية ، تختلف الكثافة والضغط عند كل نقطة ، وتتناقص مع الارتفاع. وفقًا لذلك ، في مجال الجاذبية ، يصبح خليط الغازات غير متجانس. غازات ثقيلةتميل إلى الاستقرار أكثر وأكثر رئتين- لترتفع.

الغاز لديه انضغاطية عالية- عندما يزداد الضغط تزداد كثافته. مع ارتفاع درجة الحرارة ، فإنها تتمدد.

عند الضغط ، يمكن أن يتحول الغاز إلى سائل.، لكن التكثيف لا يحدث في أي درجة حرارة ، ولكن عند درجة حرارة أقل من درجة الحرارة الحرجة. حرارة حرجةهي خاصية مميزة لغاز معين وتعتمد على قوى التفاعل بين جزيئاته. لذلك ، على سبيل المثال ، الغاز الهيليوميمكن تسييله فقط في درجات حرارة أقل 4.2 ك.

هناك غازات تنتقل ، عند تبريدها ، إلى جسم صلب ، متجاوزة المرحلة السائلة. يسمى تحول السائل إلى غاز بالتبخر ، ويسمى التحول المباشر للمادة الصلبة إلى غاز تسامي.

صلب

الحالة الصلبةبالمقارنة مع حالات التجميع الأخرى يتميز باستقرار الشكل.

يميز بلوريو المواد الصلبة غير المتبلورة.

الحالة البلورية للمادة

شكل الاستقرار المواد الصلبةيرجع ذلك إلى حقيقة أن معظم الحالة الصلبة لها البنية البلورية.

في هذه الحالة ، تكون المسافات بين جزيئات المادة صغيرة ، وقوى التفاعل بينها كبيرة ، مما يحدد ثبات الشكل.

من السهل التحقق من التركيب البلوري للعديد من المواد الصلبة عن طريق تقسيم قطعة من المادة وفحص الكسر الناتج. عادة ، عند الاستراحة (على سبيل المثال ، في السكر ، والكبريت ، والمعادن ، وما إلى ذلك) ، تكون الوجوه البلورية الصغيرة الموجودة في زوايا مختلفة مرئية بوضوح ، ولامعة بسبب الانعكاس المختلف للضوء بواسطتها.

في الحالات التي تكون فيها البلورات صغيرة جدًا ، يمكن إنشاء التركيب البلوري للمادة باستخدام المجهر.

أشكال الكريستال

كل مادة تتشكل بلوراتشكل محدد تماما.

يمكن تلخيص تنوع الأشكال البلورية في سبع مجموعات:

1. ثلاثي الميل(متوازٍ) ،

2.أحادي الميل(المنشور مع متوازي الأضلاع في القاعدة) ،

3. معيني (مكعباني شبيه بالمكعب),

4. رباعي الزوايا(مستطيل متوازي السطوح مع مربع في القاعدة) ،

5. ثلاثي الزوايا,

6. سداسي الشكل(المنشور مع قاعدة اليمين في المنتصف
سداسي الزوايا)،

7. مكعب(مكعب).

تتبلور العديد من المواد ، خاصة الحديد والنحاس والماس وكلوريد الصوديوم نظام مكعب. أبسط أشكال هذا النظام هي مكعب ، ثماني السطوح ، رباعي السطوح.

المغنيسيوم والزنك والجليد والكوارتز تتبلور في نظام سداسي. الأشكال الرئيسية لهذا النظام هي المنشورات سداسية و bipyramid.

نادراً ما تتوافق البلورات الطبيعية ، وكذلك البلورات التي تم الحصول عليها بشكل مصطنع ، مع الأشكال النظرية تمامًا. عادة ، عندما تصلب المادة المنصهرة ، تنمو البلورات معًا وبالتالي فإن شكل كل منها ليس صحيحًا تمامًا.

ومع ذلك ، بغض النظر عن مدى تطور البلورة بشكل غير متساو ، وبغض النظر عن مدى تشوه شكلها ، تظل الزوايا التي تتقارب عندها الوجوه البلورية في نفس المادة ثابتة.

تباين الخواص

لا تقتصر ملامح الأجسام البلورية على شكل البلورات. على الرغم من أن المادة في البلورة متجانسة تمامًا ، إلا أن العديد من خواصها الفيزيائية - القوة ، والتوصيل الحراري ، والعلاقة بالضوء ، وما إلى ذلك - ليست دائمًا هي نفسها في اتجاهات مختلفة داخل البلورة. تسمى هذه الميزة المهمة للمواد البلورية تباين الخواص.

التركيب الداخلي للبلورات. المشابك الكريستال.

شكل خارجيالكريستال يعكسه الهيكل الداخليويرجع ذلك إلى الترتيب الصحيح للجسيمات التي تتكون منها البلورة - الجزيئات أو الذرات أو الأيونات.

يمكن تمثيل هذا الترتيب على أنه شعرية الكريستال- إطار مكاني يتكون من خطوط مستقيمة متقاطعة. عند نقاط تقاطع الخطوط - عقد شعريةهي مراكز الجسيمات.

اعتمادًا على طبيعة الجسيمات الموجودة في عقد الشبكة البلورية ، وعلى قوى التفاعل السائدة بينها في بلورة معينة ، هناك الأنواع التالية المشابك الكريستال:

1. الجزيئية,

2. الذري,

3. الأيونيةو

4. معدن.

المشابك الجزيئية والذرية متأصلة في المواد ذات الرابطة التساهمية ، والأيونية - في المركبات الأيونية ، والمعدنية - في المعادن وسبائكها.

نووي المشابك الكريستال

توجد ذرات في عقد المشابك الذرية. هم مرتبطون ببعضهم البعض الرابطة التساهمية.

هناك عدد قليل نسبيًا من المواد التي تحتوي على شبكات ذرية. أنهم ينتمون إلى الماس والسيليكونوبعض المركبات غير العضوية.

تتميز هذه المواد بصلابة عالية ، فهي مقاومة للحرارة وغير قابلة للذوبان عمليًا في أي مذيبات. هذه الخصائص ترجع إلى متانتها. الرابطة التساهمية.

المشابك البلورية الجزيئية

تقع الجزيئات في عقد المشابك الجزيئية. هم مرتبطون ببعضهم البعض القوى بين الجزيئات.

المواد ذات شعرية جزيئيةالكثير من. أنهم ينتمون إلى اللافلزات، باستثناء الكربون والسيليكون ، كل شيء مركبات العضويةمع رابطة غير أيونية و العديد من المركبات غير العضوية.

تكون قوى التفاعل بين الجزيئات أضعف بكثير من قوى الروابط التساهمية ، وبالتالي فإن البلورات الجزيئية لها صلابة منخفضة وقابلة للانصهار ومتطايرة.

المشابك الكريستال الأيونية

في عقد المشابك الأيونية ، توجد أيونات موجبة وسالبة الشحنة ، بالتناوب. هم مرتبطون ببعضهم البعض بالقوى جذب كهرباء.

تشمل المركبات الأيونية التي تشكل المشابك الأيونية معظم الأملاح وعدد قليل من الأكاسيد.

بالقوة المشابك الأيونيةأدنى من الذري ، ولكن يتجاوز الجزيئي.

المركبات الأيونيةنسبيًا درجات حرارة عاليةذوبان. تقلبها في معظم الحالات ليس كبيرا.

· المشابك البلورية المعدنية

توجد في عقد المشابك المعدنية ذرات معدنية ، حيث تتحرك الإلكترونات المشتركة بين هذه الذرات بحرية.

صفحة 1

تتميز الحالة البلورية للمادة بتواتر التنسيب ثلاثي الأبعاد مواد بناء. يعتمد الانعراج على هذه الميزة. الأشعة السينيةمرت عبر البلورة ، وبالتالي تحليل حيود الأشعة السينية الكامل للبلورات.

تحدث الحالة البلورية للمادة عندما يتحقق كل من النظام قصير المدى وطويل المدى الموقف النسبيحبيبات. يمكن أن تتفاعل الروابط ، وشرائح الجزيئات الكبيرة داخل - وفيما بين الجزيئات.

تتميز الحالة البلورية للمادة بحقيقة أن الجسيمات (الذرات أو الأيونات أو الجزيئات) يتم ترتيبها ، على مسافات ثابتة من بعضها البعض ، لتشكيل شبكة منتظمة. في مادة غير متبلورةلم يلاحظ أي ترتيب صحيح في ترتيب الجسيمات.

تتميز الحالة البلورية للمادة بالترتيب الصحيح في الفضاء للجسيمات التي تتكون منها البلورة ، وتشكيل شعرية بلورية أو مكانية. تسمى مراكز الجسيمات في البلورة عقد الشبكة المكانية.

تتميز الحالة البلورية للمادة بترتيب منتظم صارم ومتكرر بشكل دوري لجميع الذرات. هذه الصورة مثالية ، وتسمى البلورة ذات الترتيب المثالي للذرات بالكمال. في البلورة الحقيقية ، هناك دائمًا انحرافات وانتهاكات للترتيب المثالي للذرات. تسمى هذه الانتهاكات بالعيوب أو العيوب.

تتميز الحالة البلورية للمادة بتواتر ثلاثي الأبعاد في وضع مواد البناء. هذه هي الميزة التي تكمن وراء حيود الأشعة السينية المنقولة عبر البلورة ، وبالتالي أساس تحليل حيود الأشعة السينية الكامل للبلورات.

تتميز الحالة البلورية للمادة بترتيب منتظم ومتكرر بشكل دوري 1 لجميع الذرات في الشبكة البلورية. تسمى البلورة ذات الترتيب المثالي للذرات بالكمال. في البلورة الحقيقية ، توجد دائمًا انحرافات وانتهاكات للترتيب المثالي للذرات. تسمى هذه الانتهاكات عيوب أو عيوب البنية البلورية.

تتميز الحالة البلورية للمادة بتوجيه محدد بدقة للجسيمات بالنسبة لبعضها البعض وتباين الخواص (ناقلية) للخصائص ، عندما تختلف خصائص البلورة (التوصيل الحراري ، قوة الشد ، إلخ) في اتجاهات مختلفة .