Tahke aine kristalne amorfne olek. Videotund "Aine kristalne olek

Tahkes olekus on enamikul ainetel kristalne struktuur. Seda on lihtne kontrollida, tükeldades tükki ja uurides tekkivat luumurdu. Tavaliselt on vaheajal (näiteks suhkrus, väävlis, metallides) selgelt nähtavad väikesed erinevate nurkade all asuvad kristallpinnad, mis helendavad nende erineva valguse peegelduse tõttu. Juhtudel, kui kristallid on väga väikesed, saab aine kristallstruktuuri kindlaks teha mikroskoobi abil.

Iga aine moodustab tavaliselt suurepäraselt kristalle teatud vorm. Näiteks naatriumkloriid kristalliseerub kuubikutena (joon. 59, a), maarjas - oktaeedrite kujul (joon. 59, b) naatriumnitraat – prismade kujul (joon. 59, sisse) jne. Kristalliline vorm on üks iseloomulikud omadused ained.

Riis. 59.

a- naatriumkloriid; b- maarjas; sisse- naatriumnitraat

Kristalliliste vormide klassifikatsioon põhineb kristallide sümmeetrial. Kristallograafia kursustel käsitletakse üksikasjalikult erinevaid kristalliliste hulktahukate sümmeetria juhtumeid. Siinkohal juhime ainult tähelepanu sellele, et kogu kristallvormide mitmekesisust saab taandada seitsmeks rühmaks või kristallisüsteemid, mis omakorda jagunevad klassideks.

Paljud ained, eriti raud, vask, teemant, naatriumkloriid, kristalliseeruvad sisse kuupmeetrit süsteem. Selle süsteemi kõige lihtsamad vormid on kuup, oktaeedr, tetraeedr. Magneesium, tsink, jää, kvarts kristalliseeruvad kuusnurkne süsteem. Selle süsteemi peamised vormid on kuusnurkne prisma ja bipüramiid.

Looduslikud kristallid, aga ka kunstlikult saadud kristallid, vastavad harva täpselt teoreetilised vormid. Tavaliselt sulaaine tahkumisel kristallid ühinevad ja seetõttu pole nende kõigi kuju päris õige. Aine kiirel vabanemisel lahusest saadakse ka kristalle, mille kuju kristalliseerumistingimustes ebaühtlase kasvu tõttu moondub.

Kuid hoolimata sellest, kui ebaühtlaselt kristall areneb, ükskõik kui moonutatud on selle kuju, lähenevad nurgad, mille all kristalli tahud antud aine, samaks jääma. See on üks kristallograafia põhiseadusi - tahknurkade püsivuse seadus. Seega suuruse poolest kahetahulised nurgad kristallis on võimalik kindlaks teha, millisesse kristallisüsteemi ja millisesse klassi antud kristall kuulub.

Kristallide kehade omadused ei ole piiratud ainult kristallide kujuga. Kuigi kristallis sisalduv aine on täiesti homogeenne, on paljud selle füüsikalised omadused- tugevus, soojusjuhtivus, suhe valgusega jne - ei ole kristalli sees erinevates suundades alati ühesugused. See oluline omadus kristalsed ained helistas anisotroopia.

Kuubikukristallist lõikame näiteks eri suundades kivisool kaks sama paksusega varda (joon. 60) ja määrake nende vardade vastupidavus rebenemisele. Selgub, et teise varda purustamiseks on vaja 2,5 korda suuremat jõudu kui esimese varda murdmiseks. Ilmselgelt on kivisoola kristallide tugevus kuubi tahkudega risti olevas suunas 2,5 korda väiksem kui diagonaalide suunas.

Riis. 60.

a- kuubi tahkudega risti olevas suunas; b- kuubi ühe külje diagonaali suunas

Paljudes kristallides on eri suundade tugevuse erinevus nii suur, et löögi või purunemise korral jagunevad need mööda neid tasapindu, mis on risti, millega tugevus on minimaalne. Seda kristallide omadust nimetatakse dekoltee. Lõhustumise avaldumise näiteks võivad olla vilgukivikristallid, mis, nagu teada, jagunevad kõige õhemateks plaatideks.

Enamiku tahkete materjalide (v.a monokristallid) struktuuri loomulik erinevus võrreldes vedelate ja eriti gaasiliste (madala molekulmassiga) ainetega on nende keerukam mitmetasandiline korraldus (vt tabel 4.1 ja joonis 4.3). Selle põhjuseks on nende mikrostruktuuri elementide homo- ja heterotuumaliste sidemete kovalentsuse vähenemine ning metallilisuse ja ioonilisuse suurenemine (vt joonised 6.2 ja 6.6 ning tabelid 6.1-6.7), mis toob kaasa nende arvu suurenemise. elemendid aine ja materjali struktuuris ning vastavalt muudavad selle koondolekut. Tahkematerjalide struktuurihierarhiat uurides on vaja mõista tasandite ühtsust ja erinevusi struktuurne korraldus tahked metallist ja mittemetallist materjalid, võttes arvesse neid moodustavate elementide materjali mahu järjestusastet. Eriline tähendus omab erinevust tahkete kristalsete ja amorfsete kehade struktuuris, mis seisneb kristalsete materjalide võimes moodustada erinevalt amorfsetest kehadest. terve rida rohkem keerulised struktuurid kui struktuuride põhiline elektron-tuumakeemiline tase.

amorfne olek. Amorfse (kreeka keelest tõlkes vormitu) oleku eripära seisneb aine olemasolus kondenseeritud (vedel või tahke) olek selle struktuuris puudub kolmemõõtmeline perioodilisus selle aine moodustavate elementide (aatomituumade või molekulide) paigutuses. Selle tulemusena on amorfse oleku tunnused tingitud puudumisest pikamaa tellimus -ühe ja sama struktuurielemendi (tuum või aatomituum, aatomituumade rühm, molekulid jne) range kordamine kõigis suundades sadade ja tuhandete perioodide jooksul. Samal ajal on amorfses olekus oleval ainel lühiajaline tellimus- järjepidevus konstruktsiooni naaberelementide paigutuses, s.o. järjestus, mida täheldatakse molekulide suurusega võrreldavatel vahemaadel. Distantsiga see konsistents väheneb ja kaob 0,5-1 nm pärast. Amorfsed ained erinevad kristalsetest isotroopsuse poolest, s.t. nagu vedelik, on neil aine igas suunas mõõdetuna sama omaduse väärtus. Amorfse aine üleminek alates tahkes olekus vedelikku ei kaasne omaduste järsk muutus - see on teine oluline omadus, mis eristab amorfne olek tahke kristalsest. Erinevalt kristalsest ainest, millel on teatud sulamistemperatuur, mille juures toimub järsk omaduste muutus, iseloomustab amorfset ainet pehmenemisintervall ja pidev omaduste muutumine.

Amorfsed ained on vähem stabiilsed kui kristalsed. Iga amorfne aine peaks põhimõtteliselt aja jooksul kristalliseeruma ja see protsess peaks olema eksotermiline. Sageli on amorfsed ja kristalsed vormid koostiselt sama keemilise aine või materjali erinevad olekud. Niisiis on teada mitmete homonukleaarsete ainete (väävel, seleen jne), oksiidide (B 2 Oe, Si0 2, Ge0 2 jne) amorfsed vormid.

Siiski paljud amorfsed materjalid, eriti enamikku orgaanilisi polümeere, ei saa kristalliseeruda. Praktikas täheldatakse amorfsete, eriti suure molekulmassiga ainete kristalliseerumist väga harva, kuna nende ainete kõrge viskoossuse tõttu on struktuurimuutused pärsitud. Seega, kui te ei kasuta spetsiaalsed meetodid Näiteks pikaajalise kõrge temperatuuriga kokkupuute korral toimub üleminek kristallisse olekusse äärmiselt madala kiirusega. Sellistel juhtudel võime eeldada, et amorfses olekus aine on peaaegu täielikult stabiilne.

Erinevalt amorfsest olekust, mis on omane ainetele, mis on nii vedelal või sula kujul kui ka tahkel kondenseerunud kujul, klaasjas olek viitab ainult aine tahkele olekule. Selle tulemusena in vedel või sulanud ained võivad olla amorfses olekus mis tahes eelistatud ühendusega(kovalentne, metalliline ja ioonne) ning seetõttu molekulaarse ja mittemolekulaarse struktuuriga. Kuid tahkes amorfses või täpsemalt, klaasjas olek on peamiselt HMC-põhised ained, mida iseloomustatakse valdavalt kovalentse sideme tüüp elemendid makromolekulide ahelates. Selle põhjuseks on asjaolu, et aine tahke amorfne olek saadakse selle vedela oleku ülejahutuse tulemusena, mis takistab kristalliseerumisprotsesse ja viib struktuuri "külmumiseni" elementide lühiajalise järjestusega. Pange tähele, et makromolekulide olemasolu polümeersete materjalide struktuuris steerilise suuruse teguri mõju tõttu (lõppude lõpuks on katioonidest lihtsam luua kristalle kui molekulidest) põhjustab kristallisatsiooniprotsessi täiendavaid tüsistusi. Seetõttu on orgaanilised (polümetüülmetakrülaat jne) ja anorgaanilised (räni, fosfori, boori jt oksiidid) polümeerid võimelised moodustama klaase või realiseerima tahketes materjalides amorfset olekut. Tõsi, tänapäeval viiakse ülikõrgetel jahutuskiirustel (>10 6 °C/s) metallisulamid amorfsesse olekusse, saades amorfsed metallid või metallist klaas koos hulga uute väärtuslike omadustega.

kristalne olek. Kristallilises kehas vaadeldakse seda kui lähedal, ja pikamaa tellimus struktuurielementide paigutus (aatomi tuumad või osakesed üksikute molekulide kujul), s.o. konstruktsiooni elemendid on paigutatud ruumi teatud vahemaaüksteisest geomeetriliselt õiges järjekorras, moodustades kristallid - tahked kehad, millel on loomulik vorm tavaline hulktahukas. See kuju on tingitud elementide järjestatud paigutusest kristallis, mis moodustavad vormis kolmemõõtmeliselt perioodilise ruumilise virnastuse. kristallvõre. Kristallilises olekus ainet iseloomustab aatomituumade või molekulide paigutuse perioodiline kordumine selle sõlmedes kolmes mõõtmes. Kristall on tahkete ainete tasakaaluolek. Igale keemiline, mis on antud termodünaamilistes tingimustes (temperatuur, rõhk) kristallilises olekus, vastab teatud kristallilisele kovalentsele või molekulaarsele, metallilisele ja ioonsele struktuurile. Kristallidel on üks või teine ​​aatomituumade (metallis katioonid või ioonkristallides katioonid ja anioonid) või molekulide struktuurne sümmeetria, vastav välisvormi makroskoopiline sümmeetria, aga ka omaduste anisotroopsus. Anisotroopia - see on üksikkristalli omaduste (mehaanilised, füüsikalised, keemilised) erinevused selle kristallvõre eri suundades. Isotroopia - See on aine omaduste võrdsus selle erinevates suundades. Loomulikult on need aine omaduste muutumise mustrid määratud nende struktuuri muutumise või mittemuutuse spetsiifikast. Päris kristalsed materjalid (sh metallid) on kvaasiisotroopsed struktuurid, need. nad on mesostruktuuri tasemel isotroopsed (vt tabel 4.1) ja nende omadused on igas suunas ühesugused. Seda seetõttu, et enamik looduslikke või kunstlikke kristallilisi materjale on polükristalliline ained, mitte üksikud kristallid

(nagu teemant). Need koosnevad suur hulk nö terad või kristallid, mille kristallograafilised tasapinnad on pööratud üksteise suhtes läbi teatud nurga a. Sel juhul on materjali mesostruktuuri mis tahes suunas ligikaudu sama palju teri erinev orientatsioon kristallograafilised tasapinnad, mis viib selle omaduste sõltumatuse suunast. Iga tera koosneb üksikutest elementidest – plokkidest, mida pööratakse üksteise suhtes suurusjärgus mitme minuti nurkade all, mis tagab ka tera enda kui terviku omaduste isotroopsuse.

Sama aine kristallolekud võivad struktuuri ja omaduste poolest erineda ning siis öeldakse, et see aine eksisteerib erinevates modifikatsioonides. Mitmete kristalliliste modifikatsioonide olemasolu antud aines nimetatakse polümorfism, ja üleminek ühelt modifikatsioonilt teisele - polümorfne transformatsioon. Erinevalt polümorfismist, allotroopia- see on elemendi olemasolu mitmesuguste "lihtsate" (või täpsemalt homonukleaarsete) ainete kujul, olenemata nendest. faasi olek. Näiteks hapnik 0 2 ja osoon O e - allotroopsed vormid hapnik, mis eksisteerib gaasilises, vedelas ja kristallilises olekus. Samal ajal on teemant ja grafiit - süsiniku allotroopsed vormid - samaaegselt selle kristalsed modifikatsioonid, antud juhul kattuvad mõisted "allotroopia" ja "polümorfism" selle kristalsete vormide puhul.

Sageli on ka nähtus isomorfism, milles kaks erineva olemusega ainet moodustavad ühesuguse struktuuriga kristalle. Sellised ained võivad kristallvõres üksteist asendada, moodustades segakristalle. Esimest korda demonstreeris isomorfismi fenomeni Saksa mineraloog E. Mitscherlich 1819. aastal KH 2 P0 4, KH 2 As0 4 ja NH 4 H 2 P0 4 näitel. Segakristallid on täiesti homogeensed tahkete ainete segud – need on asenduslahused. Seetõttu võime öelda, et isomorfism on võime moodustada asendustahkeid lahuseid.

Traditsiooniliselt kristallstruktuurid traditsiooniliselt jaguneb homodesmiliseks (koordineerivaks) ja heterodesmiliseks. homo-desmiline struktuuris on näiteks teemant, halogeniide leelismetallid. Kuid sagedamini on kristallilistel ainetel heterodesmiline struktuur; teda iseloomulik- struktuursete fragmentide olemasolu, mille sees aatomituumad on ühendatud tugevaimate (tavaliselt kovalentsete) sidemetega. Need fragmendid võivad olla elementide, ahelate, kihtide, raamide lõplikud rühmad. Vastavalt sellele eristatakse saare-, kett-, kihi- ja raamkonstruktsioone. Peaaegu kõigil on saarestruktuurid. orgaanilised ühendid ja selline anorgaanilised ained, nagu halogeenid, 0 2, N 2, CO 2, N 2 0 4 jne. Molekulid täidavad saarte rolli, seetõttu nimetatakse selliseid kristalle molekulaarseteks. Sageli toimivad mitmeaatomilised ioonid (näiteks sulfaadid, nitraadid, karbonaadid) saartena. Näiteks on ühe Se modifikatsiooni kristallid ahela struktuuriga (aatomi tuumad on ühendatud lõputute spiraalidena) või PdCl 2 kristallid, milles on lõputult paelad; kihiline struktuur - grafiit, BN, MoS 2 jne; raami struktuur on CaTYu 3 (kovalentsete sidemetega ühendatud Ti ja O aatomisüdamikud moodustavad ažuurse raami, mille tühikutes asuvad Ca aatomisüdamikud). Mõned neist struktuuridest on klassifitseeritud anorgaanilisteks (süsinikuvabadeks) polümeerideks.

Vastavalt aatomituumade (homodesmiliste struktuuride puhul) või struktuursete fragmentide (heterodesmiliste struktuuride korral) vahelise sideme olemusele eristatakse: kovalentset (näiteks SiC, teemant), ioonilist, metallilist (metallid). ja intermetallilised ühendid) ja molekulaarsed kristallid. Viimase rühma kristallid, milles struktuurifragmendid on omavahel seotud molekulidevahelise interaktsiooni teel, on kõige rohkem esindajaid.

Sest kovalentne monokristallidele nagu teemant, karborund jne on iseloomulik tulekindlus, kõrge kõvadus ja kulumiskindlus, mis tuleneb tugevusest ja suunast kovalentne side kombinatsioonis nende kolmemõõtmelise ruumilise struktuuriga (polümeerkehad).

Iooniline kristallid on moodustised, milles mikrostruktuurielementide adhesioon vastasioonide kujul on tingitud peamiselt ioonsetest keemilistest sidemetest. Ioonkristallide näideteks on leelis- ja leelismuldmetallide halogeniidid, mille kristallvõre saitides on vaheldumisi positiivselt laetud metallide katioonid ja negatiivselt laetud halogeeni anioonid (Na + Cl -, Cs + Cl -, Ca + F^, joonis 7.1).

Riis. 7.1.

AT metallist kristallid aatomituumade adhesioon metallikatioonide kujul on tingitud peamiselt metallilistest mittesuunalistest keemilistest sidemetest. Seda tüüpi kristallid on iseloomulikud metallidele ja nende sulamitele. Kristallvõre sõlmedes on aatomisüdamikud (katioonid), mis on omavahel ühendatud OE-ga (elektrongaas). Metallist kristalsete kehade ehitust käsitletakse üksikasjalikumalt allpool.

molekulaarsed kristallid koosneb molekulidest seotud sõber teiste van der Waalsi jõududega või vesinikside. Molekulide sees toimib tugevam kovalentne side (C to domineerib C ja ja C m üle). Molekulaarsete kristallide faasimuutused (sulamine, sublimatsioon, polümorfsed üleminekud) toimuvad reeglina üksikuid molekule hävitamata. Enamik molekulaarkristalle on orgaaniliste ühendite (nt naftaleen) kristallid. Molekulaarsed kristallid moodustavad ka selliseid aineid nagu H2, halogeene nagu J 2, N 2, 0 2, S g, binaarsed ühendid tüüpi H 2 0, C0 2, N 2 0 4, metallorgaanilised ühendid ja mõned kompleksühendid. Molekulaarkristallide hulka kuuluvad ka sellised kristallid nagu looduslikud polümeerid nagu valgud (joonis 7.2) ja nukleiinhapped.

Polümeerid, nagu juba eespool mainitud, viitavad reeglina ka ainetele, mis moodustavad molekulaarseid kristalle. Kui aga makromolekulide pakend on volditud või fibrillaarse konformatsiooniga, oleks õigem rääkida kovalentsed molekulaarsed kristallid(joonis 7.3).

Riis. 7.2.

Riis. 7.3.

See on tingitud asjaolust, et piki ühte võreperioodi (näiteks periood koos polüetüleeni puhul, mille makromolekulid on volditud konformatsioonis, moodustades lamelli), mõjuvad tugevad keemilised (joon. 7.3), peamiselt kovalentsed sidemed. Samal ajal koos kahe teise võreperioodiga (näiteks perioodid b ja koos samades volditud polüetüleeni kristallides), mõjuvad juba nõrgemad molekulidevahelise interaktsiooni jõud.

Kristallide jagamine nendesse rühmadesse on suures osas meelevaldne, kuna kristallide sideme olemuse muutudes toimuvad järk-järgulised üleminekud ühest rühmast teise. Näiteks metallidevaheliste ühendite - metallide omavaheliste ühendite - hulgas võib eristada ühendite rühma, milles metallikomponendi vähenemine keemiline side ning kovalentsete ja ioonsete komponentide vastav kasv viib kolesterooli moodustumiseni vastavalt klassikalistele valentsidele. Selliste ühendite näideteks on elementidega magneesiumiühendid peamine alarühm IV ja V rühm Perioodiline süsteem, mis on üleminekuks metallide ja mittemetallide (Mg 2 Si, Mg 2 Ge, Mg 2 Sn, Mg 2 Pb, Mg 3 As 2, Mg 3 Sb 7, Mg 3 Bi 7) vahel põhilistele iseloomulikud tunnused mida tavaliselt nimetatakse:

• nende heterotuumakristallvõre erineb lähteühendite homonukleaarvõredest;
• nende puhul säilib tavaliselt komponentide lihtne mitmekordne suhe, mis võimaldab väljendada nende koostist lihtsa valemiga A sh B;? , kus A ja B on vastavad elemendid; t ja P - algarvud;
• heteronukleaarseid ühendeid iseloomustab erinevalt algsetest ühenditest uus struktuur ja omadused.

kristallis konstruktsioonielemendid(ioonid, aatomituumad, molekulid), mis moodustavad kristalli, paiknevad korrapäraselt erinevates suundades (joon. 7 La). Tavaliselt esitatakse kristallide struktuuri ruumiline kujutis skemaatiliselt (joon. 7.45), märkides raskuskeskmed täppidega. konstruktsioonielemendid, sealhulgas võre omadused.

Tasapinnad paralleelsed koordinaattasandid, mis asub eemal a, b, cüksteisest, jagage kristall paljudeks võrdseteks ja paralleelseteks rööptahukateks. Väiksemat neist nimetatakse elementaarrakk, nende kombinatsioon moodustab ruumilise kristallvõre. Rööptahuka tipud on ruumilise võre sõlmed, nende sõlmedega langevad kokku nende elementide raskuskeskmed, millest kristall on ehitatud.

Ruumilised kristallivõred kirjeldavad täielikult kristalli struktuuri. Kristallvõre ühikelemendi kirjeldamiseks kasutatakse kuut suurust: kolm segmenti, võrdne vahemaadega lähimasse elementaarosakesed piki koordinaattelgesid a, b, c, ja kolm nurka nende segmentide vahel a, (3, y.

Nende suuruste vahelised suhted määravad raku kuju, sõltuvalt sellest, millest kõik kristallid jagunevad seitsmeks süsteemiks (tabel 7.1).

Kristallvõre ühikelemendi suurust hinnatakse segmentide järgi a, b, s. Neid nimetatakse võreperioodid. Teades võreperioode, on võimalik määrata elemendi aatomituuma raadius. See raadius võrdub poolega võres olevate osakeste vahelisest väikseimast kaugusest.

Võre keerukuse astet hinnatakse konstruktsioonielementide arv,ühe elementaarraku kohta. Lihtsas ruumivõres (vt joonis 7.4) on lahtris alati üks element. Igas lahtris on kaheksa tippu, kuid

Riis. 7.4. Elementide paigutus kristallis: a- pilt koos elemendi aatomituuma ruumala paigutusega; b - elementaarraku ruumikujutis ja selle parameetrid

Tabel 7.1

Kristallsüsteemide omadused

iga ülaosas olev element viitab omakorda kaheksale lahtrile. Seega on sõlmest iga lahtri osani V 8 maht ja lahtris on kaheksa sõlme ning seetõttu on lahtris üks struktuurielement.

Keerulistes ruumivõredes on raku kohta alati rohkem kui üks struktuurielement, mis on kõige levinumad olulisemates puhastes metalliühendites (joon. 7.5).

Bcc võres kristalliseeruvad järgmised metallid: Fe a, W, V, Cr, Li, Na, K jne. Fcc-s kristalliseeruvad Fe y, Ni, Co a, Cu, Pb, Pt, Au, Ag jne. võre.hcp võres kristalliseeruvad Mg, Ti a, Co p, Cd, Zn jne.

Süsteem, periood ja konstruktsioonielementide arv,ühikuraku kohta võimaldavad täielikult kujutada viimaste asukohta kristallis. Mõnel juhul kasutatakse kristallvõre täiendavaid omadusi, mis tulenevad selle geomeetriast ja peegeldavad elemendi pakkimistihedust.

Riis. 7.5. Kristallvõre komplekssete elementaarrakkude tüübid: a - BCC; 6 - HCC; sisse- taaraosakeste hcp kristallis. Need omadused on CF ja kompaktsuse tegur.

Lähimate võrdse kaugusega elementaarosakeste arv määrab kooskõlastusnumber. Näiteks lihtsa kuupvõre puhul on CF 6 (Kb); kehakeskse kuubi (bcc) võres iga aatomituuma jaoks on selliste naabrite arv võrdne kaheksaga (K8); näokeskse kuupvõre (fcc) puhul on CF-arv 12 (K 12).

Kõigi elementaarosakeste mahu suhe ühe elementaarraku kohta kogu elementaarraku ruumalasse määrab kompaktsuse tegur. Lihtsa kuupvõre puhul on see koefitsient 0,52, bcc - 0,68 ja fcc - 0,74.

• Sirotkin R.O. Morfoloogia mõju lahuses kristalliseerunud polüetüleenide saagiskäitumisele: doktoritöö, Põhja-Londoni ülikool. - London, 2001.

Kristalli olek ained, mida iseloomustab kaugjärjekorra olemasolu osakeste (aatomite, molekulide) paigutuses. Kristallilises olekus on ka lühimaakord, mida iseloomustab konstant kooskõlastusnumbrid, ja kemikaalide pikkused ühendused. Lühiajalise järjestuse karakteristikute muutumatus kristallisse olekusse viib struktuursete rakkude kokkulangemiseni nende translatsioonilise nihke ajal ja struktuuri kolmemõõtmelise perioodilisuse tekkeni (vt. Kristallid).

Tänu maksimaalsele järjestusele iseloomustab kristallilist olekut miinimum sisemine energia ja on termodünaamiliselt tasakaalus olek antud parameetrite juures – rõhk, temperatuur, koostis (juhul, kui tahked lahused) ja teised. Rangelt võttes ei saa päris korrastatud kristallilist olekut realiseerida, selle lähendamine toimub siis, kui temperatuur kaldub 0 K-ni (nn ideaalkristall). tõelised kehad kristallilises olekus sisaldavad alati mõnda defektid mis rikuvad nii lähi- kui ka kaugmaakorda. Eriti palju on täheldatud tahketes lahustes, kus üksikud osakesed ja nende rühmad asuvad statistiliselt ruumis erinevatel positsioonidel.

Kolmemõõtmelise perioodilisuse tõttu aatomi struktuur põhitunnusteks on homogeensus ja omadused ning sümmeetria, mis väljendub eelkõige selles, et teatud moodustumise tingimustes omandavad kristallid polüeedrite kuju (vt kasv). Mõned omadused kristalli pinnal ja selle läheduses erinevad oluliselt nendest kristalli sees olevatest omadustest, eelkõige sümmeetria purunemise tõttu. Koostis ja vastavalt ka omadused muutuvad kogu kristalli ruumala ulatuses, mis on tingitud keskkonna koostise vältimatust muutumisest kristalli kasvades. Seega viitab omaduste homogeensus ja kaugjärjestuse olemasolu "ideaalse" kristalse oleku omadustele.

Enamik kristallilises olekus olevaid kehasid on polükristallilised ja on omavahel seotud suur hulk väikesed kristalliitid (terad) - lõigud suurusega 10 -1 -10 -3 mm, ebakorrapärane kuju ja erinevalt orienteeritud. Terad on üksteisest eraldatud teradevaheliste kihtidega, milles osakeste järjekord on häiritud. Teradevahelistes kihtides toimub lisandite kontsentratsioon ka kristalliseerumisel. Tänu terade juhuslikule orientatsioonile võib polükristalliline keha tervikuna (üsna palju teri sisaldav maht) olla isotroopne, näiteks saadud kristallilisega viimasega. . Kuid tavaliselt tekib protsessi käigus ja eriti plastiline tekstuur. - eelised, kristalliterade orientatsioon teatud suunas, mis viib omaduste anisotroopsuseni.

Kristallilise oleku tõttu võivad mitmed suhteliselt madalate ja kõrgendatud temperatuuride piirkonnas asuvad väljad reageerida ühekomponendilisele süsteemile. Kui kristallilise oleku väli on ainult üks ja aine ei lagune temperatuuri tõustes keemiliselt, siis kristallilise oleku väli piirneb väljade ja gaasiga mööda sulamise ja sublimatsiooni - vastavalt kondenseerumise ning vedeliku ja gaasi joont. (aur) võib olla väljal metastabiilses (ülejahutatud) olekus, kristallilises olekus, samas kui kristalliline olek ei saa olla väljas ega aurus, st kristallilist ainet ei saa ülekuumendada sulamis- või sublimatsioonitemperatuurist kõrgemal. Mõned (mesogeenid) muutuvad kuumutamisel vedelkristalliks (vt joonis 1). vedelkristallid ). Kui ühekomponendilise süsteemi diagrammil on kaks või enam kristalse oleku välja, piirnevad need väljad polümorfsete teisenduste joonel. Kristallilist ainet saab ülekuumendada või jahutada alla polümorfse transformatsiooni temperatuuri. Sel juhul võib vaadeldav kristalne olek olla muude kristallide modifikatsioonide valdkonnas ja on metastabiilne.

Kuigi vedeliku ja auru olemasolu tõttu kriitiline punkt aurustusliinil saab pidevalt üksteiseks teisendada, pole lõplikult lahendatud küsimust kristalse oleku pideva vastastikuse teisenemise võimalikkusest. Mõnede ainete puhul on võimalik hinnata kriitilisi parameetreid - rõhku ja temperatuuri, mille juures DH pl ja DV pl on võrdne nulliga, st kristalne olek ja vedelik on termodünaamiliselt eristamatud. Kuid tegelikult ei täheldatud sellist transformatsiooni ühegi neist (vt joonis 1). Kriitiline olukord).

Kristallilisest olekust aine võib üle viia ebakorrapärasesse olekusse (amorfne või klaasjas), mis ei vasta miinimumile tasuta energiat, mitte ainult oleku parameetrite (rõhk, temperatuur, koostis) muutmisega, vaid ka löögiga ioniseeriv kiirgus või peeneks jahvatamiseks. Osakeste kriitiline suurus, mille juures pole enam mõtet kristalsest olekust rääkida, on ligikaudu 1 nm, s.o. samas järjekorras kui ühiklahtri suurus.

Koondseisundid ained.

Selles jaotises vaatleme koondseisundid, milles asub meid ümbritsev aine ja aineosakeste vastasmõju jõud, mis on iseloomulikud igale agregaatolekule.

1. Tahkes olekus,

2. vedel olek ja

gaasiline olek.

Sageli eristatakse neljandat agregatsiooni olekut - plasma.

Mõnikord peetakse plasma olekut üheks gaasilise oleku tüübiks.

Plasma – osaliselt või täielikult ioniseeritud gaas, esineb enamasti kõrgetel temperatuuridel.

Plasma on aine kõige levinum olek universumis, kuna tähtede aine on selles olekus.

Kõigi jaoks agregatsiooni olek aine osakeste vahelise interaktsiooni olemuse iseloomulikud tunnused, mis mõjutavad selle füüsikalisi ja keemilisi omadusi.

Iga aine võib olla erinevates agregatsiooniseisundites. Kui piisavalt madalad temperatuurid kõik ained on sees tahkes olekus. Kuid kuumenedes muutuvad nad vedelikud, siis gaasid. Edasisel kuumutamisel nad ioniseeruvad (aatomid kaotavad osa elektronidest) ja lähevad olekusse plasma.

gaasiline olek(hollandi keelest. gas, läheb tagasi muu kreeka keelde. Χάος ), mida iseloomustab väga nõrgad sidemed seda moodustavate osakeste vahel.

Gaasi moodustavad molekulid või aatomid liiguvad juhuslikult ja samal ajal on nad suurema osa ajast üksteisest (suurusega võrreldes) kaugel. Seeläbi gaasiosakeste vahelised vastasmõjud on tühised.

Gaasi peamine omadus on see, et see täidab kogu olemasoleva ruumi ilma pinda moodustamata. Gaasid segunevad alati. Gaas on isotroopne aine st selle omadused ei sõltu suunast.

Gravitatsiooni puudumisel survet gaasi kõikides punktides sama. Gravitatsioonijõudude valdkonnas ei ole tihedus ja rõhk igas punktis samad, vaid vähenevad kõrgusega. Sellest lähtuvalt muutub gaaside segu gravitatsiooniväljas ebahomogeenseks. rasked gaasid kipuvad langema madalamale ja rohkem kopsud- üles minna.

Gaasil on kõrge kokkusurutavus- kui rõhk tõuseb, suureneb selle tihedus. Temperatuuri tõustes need laienevad.

Kokkusurumisel võib gaas muutuda vedelikuks., kuid kondenseerumine ei toimu mitte ühelgi temperatuuril, vaid kriitilisest temperatuurist madalamal temperatuuril. Kriitiline temperatuur on konkreetse gaasi omadus ja sõltub selle molekulide vastastikmõju jõududest. Nii näiteks gaas heelium saab veeldada ainult madalamatel temperatuuridel 4,2K.

On gaase, mis jahutamisel lähevad vedelast faasist mööda tahkeks kehaks. Vedeliku muundumist gaasiks nimetatakse aurustumiseks ja tahke aine otsest muundumist gaasiks nimetatakse sublimatsioon.

Tahke

Tahkes olekus võrreldes teiste agregatsiooniseisunditega iseloomustab kuju stabiilsus.

Eristama kristalne ja amorfsed tahked ained.

Aine kristalne olek

Kuju stabiilsus tahked ained tingitud asjaolust, et enamikul tahkes olekus on kristalne struktuur.

Sel juhul on aine osakeste vahelised kaugused väikesed ja nendevahelised vastasmõjujõud suured, mis määrab vormi stabiilsuse.

Paljude tahkete ainete kristallilist struktuuri on lihtne kontrollida, tükeldades tükki ja uurides tekkivat murdumist. Tavaliselt on vaheajal (näiteks suhkrus, väävlis, metallides jne) selgelt nähtavad väikesed erinevate nurkade all paiknevad kristallpinnad, mis helendavad nende erineva valguse peegelduse tõttu.

Juhtudel, kui kristallid on väga väikesed, saab aine kristallstruktuuri kindlaks teha mikroskoobi abil.

Kristallvormid

Iga aine moodustub kristallid täiuslikult määratletud vorm.

Kristallivormide mitmekesisuse võib kokku võtta seitsmesse rühma:

1. Trikliinik(parallelepiped),

2.Monokliinik(prisma, mille põhjas on rööpkülik),

3. Rombikujuline (risttahukas),

4. tetragonaalne(ristkülikukujuline rööptahukas, mille põhjas on ruut),

5. Trigonaalne,

6. Kuusnurkne(prisma parempoolse põhjaga keskel
kuusnurk),

7. kuupmeetrit(kuubik).

Paljud ained, eriti raud, vask, teemant, naatriumkloriid, kristalliseeruvad sisse kuupsüsteem. Selle süsteemi kõige lihtsamad vormid on kuubik, oktaeedr, tetraeeder.

Sisse kristalliseerub magneesium, tsink, jää, kvarts kuusnurkne süsteem. Selle süsteemi peamised vormid on kuusnurksed prismad ja bipüramiid.

Looduslikud kristallid, aga ka kunstlikult saadud kristallid, vastavad harva täpselt teoreetilistele vormidele. Tavaliselt kasvavad sulaaine tahkumisel kristallid kokku ja seetõttu pole igaühe kuju päris õige.

Kuid ükskõik kui ebaühtlaselt kristall areneb, ükskõik kui moonutatud on selle kuju, jäävad nurgad, mille all kristalli tahud samas aines koonduvad, konstantseks.

Anisotroopia

Kristallide kehade omadused ei ole piiratud ainult kristallide kujuga. Kuigi kristallis sisalduv aine on täiesti homogeenne, ei ole paljud selle füüsikalised omadused – tugevus, soojusjuhtivus, suhe valgusega jne – alati kristallis eri suundades ühesugused. Seda kristalsete ainete olulist omadust nimetatakse anisotroopia.

Kristallide sisemine struktuur. Kristallvõred.

Väline vorm kristall peegeldab seda sisemine struktuur ja selle põhjuseks on kristalli moodustavate osakeste – molekulide, aatomite või ioonide – õige paigutus.

Seda paigutust saab kujutada kui kristallvõre- ruumiline raam, mis on moodustatud ristuvatest sirgjoontest. Joonte ristumispunktides - võre sõlmed on osakeste keskpunktid.

Olenevalt kristallvõre sõlmedes paiknevate osakeste olemusest ja sellest, millised vastasmõjujõud antud kristallis valitsevad, eksisteerivad järgmised tüübid kristallvõred:

1. molekulaarne,

2. aatomiline,

3. iooniline ja

4. metall.

Molekulaar- ja aatomvõre on omane kovalentse sidemega ainetele, ioonsed - ioonsetes ühendites, metallilised - metallidele ja nende sulamitele.

tuumaenergia kristallvõred

Aatomivõrede sõlmedes on aatomid. Need on omavahel ühendatud kovalentne side.

Aineid, millel on aatomvõre, on suhteliselt vähe. Nad kuuluvad teemant, räni ja mõned anorgaanilised ühendid.

Neid aineid iseloomustab kõrge kõvadus, nad on tulekindlad ja praktiliselt lahustumatud lahustites. Need omadused tulenevad nende vastupidavusest. kovalentne side.

Molekulaarkristallvõred

Molekulid asuvad molekulaarvõre sõlmedes. Need on omavahel ühendatud molekulidevahelised jõud.

Ained koos molekulaarvõre palju. Nad kuuluvad mittemetallid, välja arvatud süsinik ja räni, kõik orgaanilised ühendid mitteioonse sidemega ja palju anorgaanilisi ühendeid.

Molekulidevahelise interaktsiooni jõud on palju nõrgem kui kovalentsete sidemete jõud, seetõttu on molekulaarsed kristallid madala kõvadusega, sulavad ja lenduvad.

Ioonilised kristallvõred

Ioonvõre sõlmedes paiknevad positiivselt ja negatiivselt laetud ioonid vaheldumisi. Need on omavahel jõudude kaudu ühendatud elektrostaatiline külgetõmme.

Ioonsed ühendid, mis moodustavad ioonvõre, hõlmavad enamik sooli ja väike arv oksiide.

Tugevuse järgi ioonvõred halvem kui aatomi, kuid ületab molekulaarset.

Ioonilised ühendid on suhteliselt kõrged temperatuurid sulamine. Nende volatiilsus ei ole enamikul juhtudel suur.

· Metallist kristallvõred

Metallvõre sõlmedes on metalliaatomid, mille vahel nendele aatomitele ühised elektronid vabalt liiguvad.

1. lehekülg

Aine kristallilist olekut iseloomustab paigutuse kolmemõõtmeline perioodilisus ehitusmaterjal. Sellel tunnusel põhineb difraktsioon. röntgenikiirgus läbis kristalli ja seega kogu kristallide röntgendifraktsioonianalüüsi.

Aine kristalne olek tekib siis, kui realiseeritakse nii lühi- kui ka pikamaa järjestus suhteline asend osakesed. Lingid, makromolekulide segmendid võivad interakteeruda nii molekulide sees kui ka intermolekulaarselt.

Aine kristallilist olekut iseloomustab asjaolu, et selles olevad osakesed (aatomid, ioonid või molekulid) on järjestatud, üksteisest konstantsetel kaugustel, moodustades korrapärase võre. AT amorfne aine osakeste paigutuses õiget järjekorda ei täheldata.

Aine kristallilist olekut iseloomustab kristalli moodustavate osakeste õige paigutus ruumis, kristallilise ehk ruumilise võre moodustumine. Kristalli osakeste keskpunkte nimetatakse ruumivõre sõlmedeks.

Aine kristallilist olekut iseloomustab kõigi aatomite rangelt korrapärane, perioodiliselt korduv paigutus. Selline pilt on ideaalne ja sellise ideaalse aatomite paigutusega kristalli nimetatakse täiuslikuks. Päris kristallis on alati kõrvalekaldeid ja aatomite ideaalse paigutuse rikkumisi. Neid rikkumisi nimetatakse puudusteks või defektideks.

Aine kristallilist olekut iseloomustab kolmemõõtmeline perioodilisus ehitusmaterjali paigutuses. Just see omadus on kristalli kaudu edastatavate röntgenkiirte difraktsiooni aluseks ja seega kogu kristallide röntgendifraktsioonianalüüsi aluseks.

Aine kristallilist olekut iseloomustab kõigi kristallvõre aatomite rangelt korrapärane, perioodiliselt korduv paigutus1. Sellise ideaalse aatomite paigutusega kristalli nimetatakse täiuslikuks. Reaalses kristallis leitakse alati kõrvalekaldeid ja aatomite ideaalse paigutuse rikkumisi. Neid rikkumisi nimetatakse kristallstruktuuri puudusteks või defektideks.

Aine kristallilist olekut iseloomustab osakeste rangelt määratletud orientatsioon üksteise suhtes ja omaduste anisotroopsus (vektorilisus), kui kristalli omadused (soojusjuhtivus, tõmbetugevus jne) ei ole eri suundades samad. .