Kristalno amorfno stanje čvrste tvari. Video lekcija “Kristalno stanje tvari

U čvrstom stanju većina tvari ima kristalnu strukturu. To se lako može provjeriti tako da se komadić tvari odvoji i ispita nastali prijelom. Obično su na lomu (na primjer, u šećeru, sumporu, metalima) jasno vidljivi mali kristalni rubovi smješteni pod različitim kutovima, svjetlucavi zbog različite refleksije svjetlosti od njih. U slučajevima kada su kristali vrlo mali, kristalna struktura tvari može se odrediti pomoću mikroskopa.

Svaka tvar obično potpuno tvori kristale određeni oblik. Na primjer, natrijev klorid kristalizira u obliku kockica (sl. 59, A), stipsa - u obliku oktaedara (sl. 59, b), natrijev nitrat - u obliku prizme (slika 59, V) itd. Kristalni oblik je jedan od karakteristična svojstva tvari.

Riža. 59.

A- natrijev klorid; b- stipsa; V- natrijev nitrat

Klasifikacija kristalnih oblika temelji se na simetriji kristala. Različiti slučajevi simetrije kristalnih poliedara detaljno se raspravljaju u tečajevima kristalografije. Ovdje samo ističemo da se cjelokupna raznolikost kristalnih oblika može svesti na sedam skupina, odn kristalni sustavi, koji se pak dijele na klase.

Mnoge tvari, posebice željezo, bakar, dijamant, natrijev klorid, kristaliziraju u kubični sustav. Najjednostavniji oblici ovog sustava su kocka, oktaedar, tetraedar. Magnezij, cink, led, kvarc kristaliziraju u šesterokutan sustav. Glavni oblici ovog sustava su šesterokutna prizma i bipiramida.

Prirodni kristali, kao i kristali dobiveni umjetnim putem, rijetko se potpuno podudaraju teorijski oblici. Obično, kada se rastaljena tvar skrutne, kristali rastu zajedno, pa stoga oblik svakog od njih nije sasvim ispravan. Kada se tvar brzo oslobađa iz otopine, također se dobivaju kristali, čiji je oblik iskrivljen zbog neravnomjernog rasta u uvjetima kristalizacije.

Međutim, koliko god se kristal neravnomjerno razvijao, koliko god mu oblik bio iskrivljen, kutovi pod kojima se površine kristala susreću ove tvari, ostaju isti. Ovo je jedan od osnovnih zakona kristalografije - zakon stalnosti fasetnih kutova. Stoga, u veličini diedralni kutovi u kristalu se može ustanoviti kojem kristalnom sustavu i kojoj klasi pripada određeni kristal.

Karakteristike kristalnih tijela nisu ograničene na oblik kristala. Iako je tvar u kristalu potpuno homogena, mnogi njezini fizička svojstva- čvrstoća, toplinska vodljivost, odnos prema svjetlosti itd. - nisu uvijek isti u različitim smjerovima unutar kristala. Ovaj važna značajka kristalne tvari nazvao anizotropija.

Režimo, na primjer, u različitim smjerovima od kubičnog kristala kamena sol dvije šipke jednake debljine (slika 60) i odredi vlačnu čvrstoću tih šipki. Ispada da je za razbijanje drugog bloka potrebna sila 2,5 puta veća od razbijanja prvog bloka. Očito je da je čvrstoća kristala kamene soli u smjeru okomitom na plohe kocke 2,5 puta manja nego u smjeru dijagonala.

Riža. 60.

A- u smjeru okomitom na plohe kocke; b- u smjeru dijagonale jedne od stranica kocke

Kod mnogih kristala, razlika između čvrstoće u različitim smjerovima je tolika da se prilikom udarca ili lomljenja cijepaju duž onih ravnina okomitih na koje je snaga minimalna. Ovo svojstvo kristala naziva se dekoltea. Primjer manifestacije cijepanja su kristali tinjca, koji se, kao što je poznato, cijepaju na najtanje ploče.

Prirodna razlika u strukturi većine krutih materijala (s iznimkom monokristala), u usporedbi s tekućim, a posebno plinovitim (male molekularne težine) tvarima, njihova je složenija višerazinska organizacija (vidi tablicu 4.1 i sliku 4.3). . To je zbog smanjenja kovalencije i povećanja metaličnosti i ionizacije homo- i heteronuklearnih veza elemenata njihove mikrostrukture (vidi sl. 6.2 i 6.6 i tablice 6.1-6.7), što dovodi do povećanja broja elemenata u strukturi tvari i materijala i odgovarajuće promjene njegovog agregatnog stanja. Pri proučavanju strukturne hijerarhije čvrstih materijala potrebno je razumjeti jedinstvo i razlike u razinama strukturna organizacijačvrsti metalni i nemetalni materijali, uzimajući u obzir stupanj uređenosti volumena materijala elemenata koji ih tvore. Posebno značenje ima razliku u strukturi čvrstih kristalnih i amorfnih tijela, koja se sastoji u sposobnosti kristalnih materijala, za razliku od amorfnih tijela, da tvore cijela linija više složene strukture nego osnovna elektronsko-nuklearna kemijska razina struktura.

Amorfno stanje. Specifičnost amorfnog (u prijevodu s grčkog - bezoblično) stanja leži u prisutnosti tvari u kondenzirano (tekuće ili kruto) stanje s odsutnošću u svojoj strukturi trodimenzionalne periodičnosti u rasporedu elemenata (kostura atoma ili molekula) koji čine ovu tvar. Kao rezultat toga, značajke amorfnog stanja su zbog odsutnosti dalekosežni poredak - striktna ponovljivost u svim smjerovima istog strukturnog elementa (jezgre ili atomskog kostura, skupine atomskih kostura, molekula itd.) tijekom stotina i tisuća razdoblja. Pritom tvar u amorfnom stanju ima zatvori red- dosljednost u rasporedu susjednih konstruktivnih elemenata, tj. poredak promatran na udaljenostima usporedivim s veličinom molekula. Ova se konzistencija smanjuje s udaljenošću i nestaje nakon 0,5-1 nm. Amorfne tvari razlikuju se od kristalnih tvari po izotropiji, tj. poput tekućine, imaju iste vrijednosti danog svojstva kada se mjere u bilo kojem smjeru unutar tvari. Prijelaz amorfne tvari iz kruto stanje u tekućinu nije praćeno naglom promjenom svojstava - ovo je drugo važan znak, razlikovanje amorfno stanje čvrsta od kristalnog. Za razliku od kristalne tvari, koja ima određeno talište, pri kojem dolazi do nagle promjene svojstava, amorfnu tvar karakterizira interval omekšavanja i kontinuirana promjena svojstava.

Amorfne tvari manje su stabilne od kristalnih. Svaka amorfna tvar, u načelu, mora kristalizirati tijekom vremena, a taj proces mora biti egzoterman. Često su amorfni i kristalni oblici različita stanja iste kemijske tvari ili materijala. Tako su poznati amorfni oblici niza homonuklearnih tvari (sumpora, selena itd.), oksida (B 2 Oe, Si0 2, Ge0 2 itd.).

Istovremeno, mnogi amorfni materijali, posebice, većina organskih polimera ne može kristalizirati. U praksi se vrlo rijetko opaža kristalizacija amorfnih, osobito visokomolekularnih tvari, budući da su strukturne promjene inhibirane zbog visoke viskoznosti tih tvari. Stoga, ako ne pribjegnete posebne metode, na primjer, kod dugotrajnog izlaganja visokoj temperaturi, prijelaz u kristalno stanje događa se iznimno malom brzinom. U takvim slučajevima možemo pretpostaviti da je tvar u amorfnom stanju gotovo potpuno stabilna.

Za razliku od amorfnog stanja svojstvenog tvarima koje se nalaze u tekućem ili rastaljenom obliku iu čvrstom kondenziranom obliku, staklasto stanje odnosi se samo na čvrsto stanje materije. Kao rezultat toga, u tekućina ili rastopljeni tvari mogu biti u amorfnom stanju s bilo kojom željenom vrstom veze(kovalentni, metalni i ionski) i stoga s molekularnom i nemolekularnom strukturom. Međutim u čvrstom amorfnom, ili preciznije, - staklasto stanje prvenstveno će sadržavati tvari temeljene na pomorskim snagama, karakterizirane pretežno tip kovalentne veze elementi u lancima makromolekula. To je zbog činjenice da se čvrsto amorfno stanje tvari dobiva kao rezultat prehlađenja njenog tekućeg stanja, što ometa procese kristalizacije i dovodi do "smrzavanja" strukture s redom kratkog dometa u rasporedu elementi. Imajte na umu da prisutnost makromolekula u strukturi polimernih materijala, zbog utjecaja faktora prostorne veličine (uostalom, lakše je stvoriti kristal od kationa nego od molekula), dovodi do dodatne komplikacije procesa kristalizacije. . Stoga su organski (polimetil metakrilat, itd.) i anorganski (oksidi silicija, fosfora, bora, itd.) polimeri sposobni oblikovati stakla ili ostvariti amorfno stanje u čvrstim materijalima. Istina, danas se metalne taline pri ultra visokim brzinama hlađenja (>10 6 °C/s) pretvaraju u amorfno stanje, dobivajući amorfni metali ili metalne naočale s kompleksom novih vrijednih svojstava.

Kristalno stanje. U kristalnom tijelu promatra se kao blizu, dakle poredak dugog dometa raspored strukturnih elemenata (kostura atoma ili čestica u obliku pojedinačnih molekula), t.j. konstruktivni elementi postavljaju se u prostor na određenu udaljenost jedan od drugog u geometrijski pravilnom redoslijedu, tvoreći kristali - krutine imajući prirodni oblik pravilni poliedri. Ovaj oblik je posljedica uređenog rasporeda elemenata u kristalu, tvoreći trodimenzionalni periodični prostorni raspored u obliku kristalna rešetka. Tvar u kristalnom stanju karakterizira periodična ponovljivost u tri dimenzije položaja atomskih kostura ili molekula u njezinim čvorovima. Kristal je ravnotežno stanje čvrstih tijela. Svakome kemijski, koji je u kristalnom stanju pod danim termodinamičkim uvjetima (temperatura, tlak), odgovara određenoj kristalnoj kovalentnoj ili molekularnoj, metalnoj i ionskoj strukturi. Kristali imaju jednu ili drugu strukturnu simetriju atomskih kostura (kationi u metalu ili kationi i anioni u ionskim kristalima) ili molekula, odgovarajuću makroskopsku simetriju vanjskog oblika, kao i anizotropiju svojstava. Anizotropija - ovo je različitost svojstava (mehaničkih, fizičkih, kemijskih) jednog kristala u različitim smjerovima njegove kristalne rešetke. izotropija - To je istovjetnost svojstava tvari u različitim smjerovima. Naravno, ovi obrasci promjena svojstava tvari određeni su specifičnostima promjene ili nepromjene njihove strukture. Pravi kristalni materijali (uključujući metale) su kvaziizotropne strukture, oni. oni su izotropni na mezostrukturnoj razini (vidi tablicu 4.1) i njihova svojstva su ista u svim smjerovima. To je zato što je većina prirodnih ili umjetnih kristalnih materijala polikristalni tvari, a ne monokristali

(vrsta dijamanta). Sastoje se od velika količina takozvani žitarica ili kristaliti, kristalografske ravnine koje su jedna u odnosu na drugu zakrenute za određeni kut a. U ovom slučaju, u bilo kojem smjeru mezostrukture materijala nalazi se približno isti broj zrna sa drugačija orijentacija kristalografske ravnine, što dovodi do neovisnosti njegovih svojstava o smjeru. Svako zrno sastoji se od pojedinačnih elemenata - blokova, koji se međusobno okreću pod kutovima od nekoliko minuta, što također osigurava izotropiju svojstava samog zrna kao cjeline.

Kristalna stanja iste tvari mogu se razlikovati po strukturi i svojstvima, pa onda kažu da ta tvar postoji u raznim modifikacijama. Postojanje nekoliko kristalnih modifikacija određene tvari naziva se polimorfizam, i prijelaz s jedne modifikacije na drugu - polimorfna transformacija. Za razliku od polimorfizma, alotropija- je postojanje elementa u obliku raznih "jednostavnih" (ili, točnije, homonuklearnih) tvari, bez obzira na njihovu fazno stanje. Na primjer, kisik 0 2 i ozon O e - alotropski oblici kisik, koji postoji u plinovitom, tekućem i kristalnom stanju. U isto vrijeme, dijamant i grafit - alotropski oblici ugljika - istovremeno su njegove kristalne modifikacije, u ovom slučaju koncepti "alotropije" i "polimorfizma" podudaraju se za njegove kristalne oblike.

Fenomen se također često opaža izomorfizam, u kojoj dvije tvari različite prirode tvore kristale iste strukture. Takve tvari mogu zamijeniti jedna drugu u kristalnoj rešetki, tvoreći miješane kristale. Fenomen izomorfizma prvi je pokazao njemački mineralog E. Mitscherlich 1819. godine na primjeru KH 2 P0 4, KH 2 As0 4 i NH 4 H 2 P0 4. Miješani kristali su potpuno homogene smjese čvrstih tvari – oni su supstitucijske čvrste otopine. Stoga možemo reći da je izomorfizam sposobnost stvaranja supstitucijskih čvrstih otopina.

Tradicionalno kristalne strukture tradicionalno se dijele na homodezmičke (koordinacijske) i heterodezmičke. Homo-desmičko imaju strukturu, na primjer, dijamant, halogenidi alkalijski metali. Međutim, mnogo češće kristalne tvari imaju heterodesmički struktura; nju karakteristika- prisutnost strukturnih fragmenata, unutar kojih su atomski kosturi povezani najjačim (obično kovalentnim) vezama. Ti fragmenti mogu biti konačne skupine elemenata, lanaca, slojeva, okvira. Prema tome, razlikuju se otočne, lančane, slojevite i okvirne strukture. Gotovo svi imaju otočnu strukturu organski spojevi i takve anorganske tvari, poput halogena, 0 2, N 2, C0 2, N 2 0 4 itd. Ulogu otoka imaju molekule, pa se zato takvi kristali nazivaju molekularnim. Često poliatomski ioni (na primjer, sulfati, nitrati, karbonati) djeluju kao otoci. Na primjer, kristali jedne od modifikacija Se imaju lančanu strukturu (kosturi atoma povezani su u beskonačne spirale) ili kristali PdCl 2 koji sadrže beskonačne vrpce; slojevita struktura - grafit, BN, MoS 2 itd.; struktura okvira - CaTYu 3 (atomski kosturi Ti i O, ujedinjeni kovalentnim vezama, tvore otvoreni okvir, u čijim se prazninama nalaze atomski kosturi Ca). Neke od ovih struktura klasificiraju se kao anorganski polimeri (bez ugljika).

Na temelju prirode veze između atomskih kostura (u slučaju homodezmičkih struktura) ili između strukturnih fragmenata (u slučaju heterodezmičkih struktura) razlikuju se: kovalentne (npr. SiC, dijamant), ionske, metalne (metali i intermetalni spojevi) i molekularni kristali. Kristali posljednje skupine, u kojima su strukturni fragmenti povezani međumolekulskim međudjelovanjem, imaju najveći broj predstavnika.

Za kovalentni monokristali poput dijamanta, karborunda i dr. odlikuju se vatrostalnošću, visokom tvrdoćom i otpornošću na trošenje, što je posljedica čvrstoće i usmjerenosti kovalentna veza u kombinaciji s njihovom trodimenzionalnom prostornom strukturom (polimerna tijela).

ionski kristali su tvorevine u kojima je adhezija elemenata mikrostrukture u obliku protuiona prvenstveno posljedica ionskih kemijskih veza. Primjer ionskih kristala su halogenidi alkalijskih i zemnoalkalijskih metala u čijim se mjestima kristalne rešetke izmjenjuju pozitivno nabijeni metalni kationi i negativno nabijeni halogeni anioni (Na + Cl -, Cs + Cl -, Ca + F^, sl. 7.1).

Riža. 7.1.

U metalni kristali kohezija atomskih kostura u obliku metalnih kationa uglavnom je posljedica metalnih neusmjerenih kemijskih veza. Ovaj tip kristali su karakteristični za metale i njihove legure. U čvorovima kristalne rešetke nalaze se atomske jezgre (kationi) međusobno povezane elektronskim plinom (elektronski plin). O strukturi metalnih kristalnih tijela bit će detaljnije riječi u nastavku.

Molekularni kristali formirana od molekula srodni prijatelj s prijateljem van der Waalsovim snagama ili vodikova veza. Unutar molekula postoji jača kovalentna veza (C k prevladava nad C i i C m). Fazne transformacije molekularnih kristala (taljenje, sublimacija, polimorfni prijelazi) odvijaju se u pravilu bez razaranja pojedinačnih molekula. Većina molekularnih kristala su kristali organskih spojeva (na primjer, naftalen). Molekularni kristali također tvore tvari kao što je H 2, halogene kao što su J 2, N 2, 0 2, S g, binarni spojevi tipa H 2 0, C0 2, N 2 0 4, organometalni spojevi i neki kompleksni spojevi. Molekularni kristali također uključuju kristale takvih prirodni polimeri, poput proteina (slika 7.2) i nukleinskih kiselina.

Polimeri, kao što je već spomenuto, u pravilu se također odnose na tvari koje tvore molekularne kristale. Međutim, u slučaju kada pakiranje makromolekula ima presavijenu ili fibrilarnu konformaciju, ispravnije bi bilo govoriti o kovalentni molekularni kristali(Slika 7.3).

Riža. 7.2.

Riža. 7.3.

To je zbog činjenice da duž jedne od perioda rešetke (na primjer, perioda S u slučaju polietilena, čije su makromolekule u presavijenoj konformaciji, tvoreći lamelu), djeluju jake kemijske (sl. 7.3), uglavnom kovalentne, veze. U isto vrijeme, uz dvije druge periode rešetke (na primjer, periode b I S u istim presavijenim polietilenskim kristalima) djeluju slabije međumolekularne međumolekularne sile.

Podjela kristala u te skupine uglavnom je proizvoljna, jer postoje postupni prijelazi iz jedne skupine u drugu kako se priroda veze u kristalu mijenja. Na primjer, među intermetalnim spojevima - spojevima metala međusobno - možemo razlikovati skupinu spojeva u kojima je smanjenje metalne komponente kemijska veza i odgovarajuće povećanje kovalentne i ionske komponente dovode do stvaranja kolesterola u skladu s klasičnim valencijama. Primjeri takvih spojeva su spojevi magnezija s elementima glavna podskupina IV i V grupa Periodni sustav elemenata, koji su prijelazni između metala i nemetala (Mg 2 Si, Mg 2 Ge, Mg 2 Sn, Mg 2 Pb, Mg 3 As 2, Mg 3 Sb 7, Mg 3 Bi 7), do glavnog karakteristične značajke koji obično uključuju sljedeće:

• njihova heteronuklearna kristalna rešetka razlikuje se od homonuklearne rešetke matičnih spojeva;
• u njihovoj kombinaciji obično se čuva jednostavan višestruki omjer komponenata, što omogućuje da se njihov sastav izrazi jednostavnom formulom A w B;? , gdje su A i B odgovarajući elementi; T I P - primarni brojevi;
• heteronuklearne spojeve karakterizira nova kvaliteta strukture i svojstava u odnosu na izvorne spojeve.

U kristalu konstruktivni elementi(ioni, atomski kosturi, molekule) koji tvore kristal pravilno su raspoređeni u različitim smjerovima (Sl. 7. La). Obično se prostorna slika kristalne strukture prikazuje shematski (sl. 7.45), označavajući težišta točkama konstruktivni elementi, uključujući karakteristike rešetke.

Ravnine paralelne koordinatne ravnine, koji se nalazi na udaljenosti a, b, c jedan od drugoga, podijelite kristal na mnogo jednakih i paralelno orijentiranih paralelopipeda. Najmanji od njih se zove jedinična ćelija, njihova kombinacija tvori prostornu kristalna rešetka. Vrhovi paralelopipeda su čvorovi prostorne rešetke; centri gravitacije elemenata od kojih je kristal izgrađen podudaraju se s tim čvorovima.

Prostorne kristalne rešetke u potpunosti opisuju strukturu kristala. Za opisivanje jedinične ćelije kristalne rešetke koristi se šest veličina: tri segmenta, jednaka udaljenostima do najbližeg elementarne čestice po koordinatnim osima a, b, c, i tri kuta između ovih odsječaka a, (3, y.

Odnosi između tih veličina određuju oblik ćelije, ovisno o čemu se svi kristali dijele na sedam sustava (tablica 7.1).

Veličina jedinične ćelije kristalne rešetke procjenjuje se segmentima a, b, c. Zovu se periodi rešetke. Poznavajući periode rešetke, možete odrediti polumjer atomske jezgre elementa. Taj polumjer jednak je polovici najmanje udaljenosti između čestica u rešetki.

Stupanj složenosti rešetke prosuđuje se prema broj strukturnih elemenata, po jediničnoj ćeliji. U jednostavnoj prostornoj rešetki (vidi sliku 7.4) uvijek postoji jedan element po ćeliji. Svaka ćelija ima osam vrhova, ali

Riža. 7.4. Raspored elemenata u kristalu: A- slika s postavljanjem volumena atomskog kostura elementa; b - prostorna slika jedinične ćelije i njezini parametri

Tablica 7.1

Karakteristike kristalnih sustava

svaki element na vrhu pripada, pak, osam ćelija. Dakle, od čvora, svaka ćelija ima Y 8 volumena, au ćeliji je ukupno osam čvorova, pa prema tome postoji jedan strukturni element po ćeliji.

U složenim prostornim rešetkama uvijek postoji više od jednog strukturnog elementa po ćeliji, koji su najčešći u najvažnijim spojevima čistih metala (slika 7.5).

Sljedeći metali kristaliziraju u bcc rešetki: Fea, W, V, Cr, Li, Na, K itd. Fey, Ni, Coa, Cu, Pb, Pt, Au, Ag itd. kristaliziraju u fcc rešetki Mg , Ti a, Co p, Cd, Zn itd. kristaliziraju u hcp rešetki.

Sustav, razdoblje i broj strukturnih elemenata, po jediničnoj ćeliji, omogućuju nam da u potpunosti zamislimo položaj potonjeg u kristalu. U nizu slučajeva koriste se dodatne karakteristike kristalne rešetke, određene njezinom geometrijom i odražavaju gustoću pakiranja elemenata.

Riža. 7.5. Vrste složenih jediničnih ćelija kristalnih rešetki: A - OCC; 6 - HCC; V- HCP spremnik čestica u kristalu. Takve karakteristike su CN i koeficijent zbijenosti.

Broj najbližih ekvidistantnih elementarnih čestica određuje koordinacijski broj. Na primjer, za jednostavnu kubičnu rešetku CN će biti 6 (Kb); u rešetki tjelesno centrirane kocke (BCC), za svaku atomsku jezgru broj takvih susjeda bit će jednak osam (K8); za čeono centriranu kubičnu rešetku (FCC) CN broj je 12 (K 12).

Određuje omjer volumena svih elementarnih čestica po jedinici ćelije prema ukupnom volumenu elementarne ćelije faktor kompaktnosti. Za jednostavnu kubičnu rešetku ovaj koeficijent je 0,52, za bcc - 0,68 i fcc - 0,74.

• Sirotkin R.O. Učinak morfologije na ponašanje popuštanja polietilena kristaliziranih u otopini: doktorska disertacija, Sveučilište Sjeverni London. - London, 2001. (monografija).

Kristalno stanje tvari, karakterizira prisutnost dalekosežnog reda u rasporedu čestica (atoma, molekula). U kristalnom stanju također postoji poredak kratkog dometa, koji je karakteriziran konstantom koordinacijske brojeve, i kemijske duljine. veze. Invarijantnost karakteristika reda kratkog dometa u kristalnom stanju dovodi do podudarnosti strukturnih stanica tijekom njihovog translatornog kretanja i stvaranja trodimenzionalne periodičnosti strukture (vidi Kristali).

Zbog svog najvećeg reda, kristalno stanje karakterizira minimum unutarnja energija i predstavlja termodinamičko ravnotežno stanje pod zadanim parametrima - tlak, temperatura, sastav (u slučaju čvrste otopine) itd. Strogo govoreći, potpuno uređeno kristalno stanje se zapravo ne može postići, približavanje mu se događa kada temperatura teži 0 K (tzv. idealni kristal). Prava tijela u kristalnom stanju uvijek sadrže neku količinu defekti, kršeći poredak i kratkog i dugog dometa. To posebno vrijedi za čvrste otopine, u kojima pojedine čestice i njihove skupine statistički zauzimaju različite položaje u prostoru.

Zbog trodimenzionalne periodičnosti atomska struktura Glavne značajke su homogenost svojstava i simetrija, što se posebno izražava u činjenici da pod određenim uvjetima nastanka kristali poprimaju oblik poliedra (vidi rast). Neka svojstva na i blizu površine kristala značajno se razlikuju od svojstava unutar kristala, posebice zbog narušavanja simetrije. Sastav i, sukladno tome, svojstva mijenjaju se u cijelom volumenu kristala zbog neizbježne promjene sastava medija kako kristal raste. Dakle, homogenost svojstava, kao i prisutnost dalekosežnog reda, odnosi se na karakteristike "idealnog" kristalnog stanja

Većina tijela u kristalnom stanju su polikristalna i predstavljaju srasline veliki broj mali kristaliti (zrna) - površine veličine 10 -1 -10 -3 mm, nepravilnog oblika i drugačije usmjereni. Zrna su međusobno odvojena međukristalnim slojevima u kojima je poremećen poredak čestica. Do koncentracije nečistoća dolazi i u međukristalnim slojevima tijekom kristalizacije. Zbog slučajne orijentacije zrna, polikristalno tijelo kao cjelina (volumen koji sadrži dosta zrna) može biti izotropno, na primjer, dobiveno kristalnom sedimentacijom. . Međutim, obično se u procesu, a posebno u plastici, pojavljuje tekstura - prednosti, orijentacija kristalnih zrna u određenom smjeru, što dovodi do anizotropije svojstava.

Zbog kristalnog stanja, jednokomponentni sustav može reagirati na više polja koja se nalaze u području relativno niskih i povišenih temperatura. Ako postoji samo jedno polje kristalnog stanja i tvar se kemijski ne raspada s porastom temperature, tada polje kristalnog stanja graniči s poljima plina duž linija taljenja i sublimacije - kondenzacije, odnosno tekućine i plina (para) može biti u metastabilnom (prehlađenom) stanju u polju postoji kristalno stanje, dok kristalno stanje ne može biti u polju ili pari, odnosno kristalna tvar se ne može pregrijati iznad tališta ili sublimacije. Neki (mezogeni) zagrijavanjem prelaze u tekuće kristalno stanje (vidi. Tekući kristali ). Ako na dijagramu jednokomponentnog sustava postoje dva ili više polja kristalnog stanja, ta polja graniče duž linije polimorfnih transformacija. Kristalna tvar se može pregrijati ili prehladiti ispod temperature polimorfne transformacije. U ovom slučaju, kristalno stanje koje se razmatra može biti u polju drugih kristalnih modifikacija i metastabilno je.

Dok tekućina i para zbog postojanja kritična točka na liniji isparavanja mogu kontinuirano pretvarati jedna u drugu, pitanje mogućnosti kontinuirane međusobne transformacije kristalnog stanja nije konačno riješeno. Za neke tvari moguće je procijeniti kritične parametre - tlak i temperaturu pri kojima su DH pl i DV pl jednaki nuli, odnosno kristalno stanje i tekućina se termodinamički ne razlikuju. Ali u stvarnosti takva transformacija nije primijećena ni za jednu od njih (vidi. Kritično stanje).

Tvar se može prebaciti iz kristalnog stanja u neuređeno stanje (amorfno ili staklasto), koje ne zadovoljava minimum slobodna energija, ne samo promjenama parametara stanja (tlak, temperatura, sastav), već i utjecajem Ionizirana radiacija ili fino mljevenje. Kritična veličina čestice, pri kojoj više nema smisla govoriti o kristalnom stanju, je približno 1 nm, tj. istog reda kao i veličina jedinične ćelije.

Agregatna stanja tvari.

U ovom odjeljku ćemo pogledati agregatna stanja, u kojem se nalazi materija koja nas okružuje i sile međudjelovanja između čestica materije svojstvene svakom od agregatnih stanja.

1. Stanje čvrstog tijela,

2. Tekuće stanje I

Plinovito stanje.

Često se razlikuje četvrto agregatno stanje - plazma.

Ponekad se stanje plazme smatra vrstom plinovitog stanja.

Plazma - djelomično ili potpuno ionizirani plin, najčešće postoje na visokim temperaturama.

Plazma je najčešće stanje materije u svemiru, budući da je u tom stanju materija zvijezda.

Za svakoga agregatno stanje karakteristične značajke u prirodi interakcije između čestica tvari, što utječe na njezina fizikalna i kemijska svojstva.

Svaka tvar može postojati u različitim agregatnim stanjima. Kad dosta niske temperature sve tvari su u kruto stanje. Ali kako se zagrijavaju postaju tekućine, onda plinovi. Daljnjim zagrijavanjem se ioniziraju (atomi gube dio elektrona) i prelaze u stanje plazma.

Plinovito stanje(od nizozemskog plina, seže do starogrčkog. Χάος ) karakterizira vrlo slabe veze između njegovih sastavnih čestica.

Molekule ili atomi koji tvore plin kreću se kaotično i većinu vremena nalaze se na velikoj (u usporedbi s njihovom veličinom) udaljenosti jedna od druge. Slijedom toga sile međudjelovanja između čestica plina su zanemarive.

Glavna značajka plina je da ispunjava sav raspoloživi prostor bez formiranja površine. Plinovi se uvijek miješaju. Plin je izotropna tvar, odnosno njegova svojstva ne ovise o smjeru.

U nedostatku gravitacijskih sila pritisak isti u svim točkama plina. U polju gravitacijskih sila gustoća i tlak nisu isti u svakoj točki, opadaju s visinom. Sukladno tome, u polju sile teže, smjesa plinova postaje nehomogena. Teški plinovi imaju tendenciju da se smjeste niže i više pluća- ići gore.

Plin ima visoku kompresibilnost- s povećanjem tlaka povećava se njegova gustoća. Kako temperatura raste, oni se šire.

Kada se komprimira, plin se može pretvoriti u tekućinu, ali do kondenzacije ne dolazi na bilo kojoj temperaturi, već na temperaturi ispod kritične. Kritična temperatura je karakteristika pojedinog plina i ovisi o silama međudjelovanja između njegovih molekula. Na primjer, plin helij može biti ukapljeno samo na nižoj temperaturi 4,2 K.

Postoje plinovi koji se, kada se ohlade, pretvaraju u krutinu, zaobilazeći tekuću fazu. Transformacija tekućine u plin naziva se isparavanje, a izravna transformacija krutine u plin naziva se sublimacija.

Čvrsto

Stanje čvrstog tijela u usporedbi s drugim agregatnim stanjima karakterizira stabilnost oblika.

razlikovati kristalan I amorfne čvrste tvari.

Kristalno agregatno stanje

Stabilnost oblika čvrste tvari je zbog činjenice da većina onih u čvrstom stanju ima kristalna struktura.

U tom su slučaju udaljenosti između čestica tvari male, a međudjelovanje sila između njih velike, što određuje stabilnost oblika.

Lako je provjeriti kristalnu strukturu mnogih krutih tvari odcjepljenjem komada tvari i ispitivanjem dobivenog prijeloma. Obično su na lomu (na primjer, u šećeru, sumporu, metalima itd.) jasno vidljivi mali kristalni rubovi smješteni pod različitim kutovima, koji svjetlucaju zbog različite refleksije svjetlosti od njih.

U slučajevima kada su kristali vrlo mali, kristalna struktura tvari može se odrediti pomoću mikroskopa.

Kristalni oblici

Svaka tvar tvori kristali potpuno određen oblik.

Raznolikost kristalnih oblika može se svesti na sedam skupina:

1. Triklinika(paralelopiped),

2.Monoklina(prizma s paralelogramom na bazi),

3. Rombični (kuboidan),

4. Tetragonalni(pravokutni paralelopiped s kvadratom na bazi),

5. Trigonalni,

6. Heksagonalni(prizma s ispravno centriranom bazom
šesterokut),

7. Kubični(kocka).

Mnoge tvari, posebice željezo, bakar, dijamant, natrijev klorid, kristaliziraju u kubni sustav. Najjednostavniji oblici ovog sustava su kocka, oktaedar, tetraedar.

Magnezij, cink, led, kvarc kristaliziraju u šesterokutni sustav. Glavni oblici ovog sustava su heksagonalne prizme i bipiramide.

Prirodni kristali, kao i kristali dobiveni umjetnim putem, rijetko točno odgovaraju teoretskim oblicima. Obično, kada se rastaljena tvar skrutne, kristali rastu zajedno i stoga oblik svakog od njih nije sasvim ispravan.

Međutim, ma koliko se kristal neravnomjerno razvijao, ma koliko mu oblik bio iskrivljen, kutovi pod kojima se susreću kristalna lica iste tvari ostaju konstantni.

Anizotropija

Karakteristike kristalnih tijela nisu ograničene na oblik kristala. Iako je tvar u kristalu potpuno homogena, mnoga njena fizikalna svojstva - čvrstoća, toplinska vodljivost, odnos prema svjetlosti itd. - nisu uvijek ista u različitim smjerovima unutar kristala. Ova važna osobina kristalnih tvari naziva se anizotropija.

Unutarnja struktura kristala. Kristalne rešetke.

Vanjski oblik kristal ga odražava unutarnja struktura a nastaje zbog pravilnog rasporeda čestica koje čine kristal – molekula, atoma ili iona.

Ovaj aranžman se može prikazati kao kristalna rešetka– prostorni okvir formiran križanjem ravnih linija. Na mjestima sjecišta linija - čvorovi rešetke– leže središta čestica.

Ovisno o prirodi čestica koje se nalaze u čvorovima kristalne rešetke io tome koje sile međudjelovanja među njima prevladavaju u određenom kristalu, razlikuju se sljedeće vrste kristalne rešetke:

1. molekularni,

2. atomski,

3. ionski I

4. metalni.

Molekularne i atomske rešetke svojstvene su tvarima s kovalentnim vezama, ionske rešetke svojstvene su ionskim spojevima, a metalne rešetke svojstvene su metalima i njihovim legurama.

· Atomski kristalne rešetke

Atomi se nalaze na mjestima atomskih rešetki. One su međusobno povezane kovalentna veza.

Relativno je malo tvari s atomskom rešetkom. Oni pripadaju dijamant, silicij i neki anorganski spojevi.

Ove tvari karakterizira visoka tvrdoća, vatrostalne su i netopljive u gotovo svim otapalima. Ova svojstva se objašnjavaju njihovom snagom kovalentna veza.

Molekulske kristalne rešetke

Molekule se nalaze u čvorovima molekulskih rešetki. One su međusobno povezane međumolekularne sile.

Tvari sa molekularna rešetka tako puno. Oni pripadaju nemetali, s izuzetkom ugljika i silicija, sve organski spojevi s neionskom vezom i mnogi anorganski spojevi.

Sile međumolekularne interakcije mnogo su slabije od sila kovalentnih veza, stoga molekularni kristali imaju malu tvrdoću, topljivi su i hlapljivi.

Ionske kristalne rešetke

Pozitivno i negativno nabijeni ioni nalaze se na mjestima ionskih rešetki, izmjenjujući se. Međusobno su povezani silama elektrostatsko privlačenje.

Spojevi s ionskim vezama koji tvore ionske rešetke uključuju većina soli i nekoliko oksida.

Po snazi ionske rešetke inferiorni od atomskih, ali viši od molekularnih.

Ionski spojevi imati usporedno visoke temperature topljenje. Njihova volatilnost u većini slučajeva nije velika.

Metalne kristalne rešetke

U čvorovima metalnih rešetki nalaze se atomi metala, između kojih se slobodno kreću elektroni zajednički tim atomima.

Stranica 1

Kristalno stanje tvari karakterizira trodimenzionalna periodičnost postavljanja gradevinski materijal. Upravo se na ovoj osobini temelji difrakcija. x-zrake, prošao kroz kristal, a time i cjelokupna rendgenska difrakcijska analiza kristala.

Kristalno stanje tvari nastaje kada se ostvari i kratkodometni i dugodometni poredak relativni položajčestice. Veze i segmenti makromolekula mogu međusobno djelovati i unutar i među molekulama.

Kristalno stanje tvari karakterizira činjenica da su njezine čestice (atomi, ioni ili molekule) raspoređene na uredan način, na stalnim međusobnim udaljenostima, tvoreći pravilnu rešetku. U amorfna tvar ne uočava se pravilan red u rasporedu čestica.

Kristalno stanje tvari karakterizira pravilan raspored čestica koje čine kristal u prostoru, stvaranje kristalne ili prostorne rešetke. Centri u kojima se nalaze čestice u kristalu nazivaju se čvorovi prostorne rešetke.

Kristalno stanje tvari karakterizira strogo pravilan, periodički ponavljajući raspored svih atoma. Takva slika je idealna, a kristal s takvim idealnim rasporedom atoma nazivamo savršenim. U pravom kristalu uvijek postoje odstupanja i kršenja idealnog rasporeda atoma. Ta se kršenja nazivaju nesavršenostima ili nedostacima.

Kristalno stanje tvari karakterizira trodimenzionalna periodičnost u postavljanju građevnog materijala. To je obilježje koje je u osnovi difrakcije rendgenskih zraka koje prolaze kroz kristal, a time i temelj svih analiza rendgenske difrakcije kristala.

Kristalno stanje tvari karakterizira strogo pravilan, periodički ponavljajući raspored1 svih atoma u kristalnoj rešetki. Kristal s takvim idealnim rasporedom atoma naziva se savršenim. U pravom kristalu uvijek se otkrivaju odstupanja i kršenja idealnog rasporeda atoma. Te se nepravilnosti nazivaju nesavršenostima ili defektima u kristalnoj strukturi.

Kristalno stanje tvari karakterizira strogo definirana orijentacija čestica jedna prema drugoj i anizotropija (vektoralnost) svojstava, kada svojstva kristala (toplinska vodljivost, vlačna čvrstoća itd.) nisu ista u različitim smjerovima .