Krystallinsk amorf tilstand av et fast stoff. Videoleksjon "Materiens krystallinske tilstand

I fast tilstand har de fleste stoffer en krystallinsk struktur. Det er lett å verifisere dette ved å dele et stykke materie og undersøke det resulterende bruddet. Vanligvis, ved en pause (for eksempel i sukker, svovel, metaller), er små krystallflater plassert i forskjellige vinkler godt synlige, og skinner på grunn av ulik refleksjon av lys av dem. I tilfeller hvor krystallene er svært små, kan krystallstrukturen til stoffet fastslås ved hjelp av et mikroskop.

Hvert stoff danner vanligvis krystaller perfekt bestemt form. For eksempel krystalliserer natriumklorid i form av terninger (fig. 59, en), alun - i form av oktaeder (fig. 59, b) natriumnitrat - i form av prismer (fig. 59, i) etc. Den krystallinske formen er en av karakteristiske egenskaper stoffer.

Ris. 59.

en- natriumklorid; b- alun; i- natriumnitrat

Klassifiseringen av krystallinske former er basert på symmetrien til krystallene. Ulike tilfeller av symmetri av krystallinske polyedre blir behandlet i detalj i krystallografikurs. Her vil vi bare påpeke at hele mangfoldet av krystallinske former kan reduseres til syv grupper, eller krystallsystemer, som igjen er delt inn i klasser.

Mange stoffer, spesielt jern, kobber, diamant, natriumklorid, krystalliserer inn kubikk system. De enkleste formene for dette systemet er kuben, oktaederet, tetraederet. Magnesium, sink, is, kvarts krystalliserer seg til sekskantet system. Hovedformene for dette systemet er det sekskantede prismet og bipyramiden.

Naturlige krystaller, så vel som krystaller oppnådd kunstig, samsvarer sjelden nøyaktig teoretiske former. Vanligvis, når det smeltede stoffet størkner, smelter krystallene sammen, og derfor er formen på hver av dem ikke helt riktig. Med rask frigjøring av et stoff fra en løsning oppnås også krystaller, hvis form er forvrengt på grunn av ujevn vekst under krystalliseringsforhold.

Uansett hvor ujevnt krystallen utvikler seg, uansett hvor forvrengt dens form, konvergerer vinklene krystallflatene. gitt stoff, forbli det samme. Dette er en av de grunnleggende lovene for krystallografi - loven om fasettvinklers konstanthet. Derfor størrelsesmessig dihedrale vinkler i en krystall er det mulig å fastslå hvilket krystallsystem og hvilken klasse en gitt krystall tilhører.

Egenskaper til krystallinske legemer er ikke begrenset til formen på krystaller. Selv om stoffet i en krystall er helt homogent, er mange av dets fysiske egenskaper- styrke, varmeledningsevne, forhold til lys osv. - er ikke alltid like i forskjellige retninger inne i krystallen. Dette viktig funksjon krystallinske stoffer kalt anisotropi.

Vi kutter for eksempel i forskjellige retninger fra en kubisk krystall havsalt to stenger av samme tykkelse (fig. 60) og bestemme motstanden til disse stengene mot brudd. Det viser seg at for å bryte den andre stangen, kreves det en kraft som er 2,5 ganger større enn å bryte den første stangen. Det er klart at styrken til steinsaltkrystaller i retningen vinkelrett på kubens overflater er 2,5 ganger mindre enn i retningen til diagonalene.

Ris. 60.

en- i retning vinkelrett på kubens overflater; b- i retning av diagonalen til en av flatene på kuben

I mange krystaller er forskjellen mellom styrken i forskjellige retninger så stor at ved støt eller brudd deler de seg langs de planene som er vinkelrett på hvor styrken er minimal. Denne egenskapen til krystaller kalles spalting. Et eksempel på manifestasjonen av spaltning kan være glimmerkrystaller, som som kjent deler seg i de tynneste platene.

En naturlig forskjell i strukturen til de fleste faste materialer (med unntak av enkeltkrystaller), sammenlignet med flytende og spesielt gassformige (lavmolekylære) stoffer, er deres mer komplekse flernivåorganisering (se tabell 4.1 og fig. 4.3). Dette skyldes en reduksjon i kovalens og en økning i metallisiteten og ionisiteten til homo- og heteronukleære bindinger til elementene i mikrostrukturen deres (se fig. 6.2 og 6.6 og tabeller 6.1-6.7), noe som fører til en økning i antallet av elementer i strukturen til materie og materiale og en tilsvarende endring av dens aggregerte tilstand. Når du studerer det strukturelle hierarkiet til faste materialer, er det nødvendig å forstå enheten og forskjellene i nivåene strukturell organisering solide metalliske og ikke-metalliske materialer, tatt i betraktning graden av orden i volumet av materialet til elementene som danner dem. Spesiell betydning har en forskjell i strukturen til faste krystallinske og amorfe legemer, som består i evnen til krystallinske materialer, i motsetning til amorfe legemer, til å danne hele linjen mer komplekse strukturer enn det grunnleggende elektron-kjernekjemiske nivået til strukturer.

amorf tilstand. Spesifisiteten til den amorfe (oversatt fra gresk - formløs) tilstand ligger i nærværet av et stoff i kondensert (flytende eller fast) tilstand med fraværet i strukturen av tredimensjonal periodisitet i arrangementet av elementer (atomkjerner eller molekyler) som utgjør dette stoffet. Som et resultat er funksjonene til den amorfe tilstanden på grunn av fraværet lang rekkefølge - streng repetisjon i alle retninger av det samme strukturelle elementet (kjerne eller atomkjerne, gruppe av atomkjerner, molekyler osv.) over hundrevis og tusenvis av perioder. Samtidig har stoffet i amorf tilstand kort rekkevidde- konsistens i arrangementet av tilstøtende elementer i strukturen, dvs. en rekkefølge observert ved avstander som kan sammenlignes med størrelsen på molekylene. Med avstand avtar denne konsistensen og forsvinner etter 0,5-1 nm. Amorfe stoffer skiller seg fra krystallinske i isotropi, dvs. som en væske har de samme verdi av en gitt egenskap når de måles i en hvilken som helst retning innenfor et stoff. Overgangen til et amorft stoff fra fast tilstand inn i en væske er ikke ledsaget av en brå endring i egenskaper - dette er den andre viktig funksjon, som skiller amorf tilstand fast fra krystallinsk. I motsetning til et krystallinsk stoff, som har et visst smeltepunkt, hvor det skjer en brå endring i egenskaper, er et amorft stoff preget av et mykningsintervall og en kontinuerlig endring i egenskaper.

Amorfe stoffer er mindre stabile enn krystallinske. Ethvert amorft stoff skal i prinsippet krystallisere over tid, og denne prosessen bør være eksoterm. Ofte er amorfe og krystallinske former forskjellige tilstander av samme kjemiske stoff eller materiale i sammensetningen. Så amorfe former av en rekke homonukleære stoffer (svovel, selen, etc.), oksider (B 2 Oe, Si0 2, Ge0 2, etc.) er kjent.

Imidlertid mange amorfe materialer, spesielt de fleste organiske polymerer, kan ikke krystalliseres. I praksis observeres krystallisering av amorfe, spesielt høymolekylære stoffer svært sjelden, siden strukturelle endringer hemmes på grunn av den høye viskositeten til disse stoffene. Derfor, hvis du ikke tyr til spesielle metoder for eksempel ved langvarig eksponering ved høye temperaturer, skjer overgangen til den krystallinske tilstanden med ekstremt lav hastighet. I slike tilfeller kan vi anta at stoffet i amorf tilstand er nesten helt stabilt.

I motsetning til den amorfe tilstanden som er iboende i stoffer som er både i flytende eller smeltet form, og i fast kondensert form, glassaktig tilstand refererer bare til materiens faste tilstand. Som et resultat, i væske eller smeltet stoffer kan være i amorf tilstand med hvilken som helst foretrukket type tilkobling(kovalent, metallisk og ionisk) og derfor med molekylær og ikke-molekylær struktur. men i solid amorf, eller mer presist, glassaktig tilstand vil primært være HMC-baserte stoffer karakterisert overveiende kovalent bindingstype elementer i kjeder av makromolekyler. Dette skyldes det faktum at den faste amorfe tilstanden til et stoff oppnås som et resultat av underkjøling av dets flytende tilstand, noe som forhindrer krystalliseringsprosesser og fører til "frysing" av strukturen med en kort rekkefølge av elementer. Legg merke til at tilstedeværelsen av makromolekyler i strukturen til polymere materialer på grunn av påvirkningen av den steriske størrelsesfaktoren (det er tross alt lettere å lage en krystall fra kationer enn fra molekyler) fører til en ytterligere komplikasjon av krystalliseringsprosessen. Derfor er organiske (polymetylmetakrylat, etc.) og uorganiske (oksider av silisium, fosfor, bor, etc.) polymerer i stand til å danne glass eller realisere en amorf tilstand i faste materialer. Riktignok overføres metallsmelter i dag ved ultrahøye kjølehastigheter (>10 6 °C/s) til en amorf tilstand, og oppnår amorfe metaller eller metall glass med et sett med nye verdifulle eiendommer.

krystallinsk tilstand. I et krystallinsk legeme observeres det som nær, og lang rekkefølge arrangement av strukturelle elementer (atomkjerner eller partikler i form av individuelle molekyler), dvs. elementer av strukturen er plassert i plass på viss avstand fra hverandre i en geometrisk riktig rekkefølge, danner krystaller - solide kropper som har naturlig form vanlige polyedre. Denne formen er en konsekvens av det ordnede arrangementet av elementer i krystallen, som danner en tredimensjonalt periodisk romlig stabling i formen krystallgitter. Et stoff i en krystallinsk tilstand er preget av periodisk repetisjon i tre dimensjoner av arrangementet av atomkjerner eller molekyler i nodene. En krystall er en likevektstilstand av faste stoffer. Til hver kjemisk, som er under gitte termodynamiske forhold (temperatur, trykk) i krystallinsk tilstand, tilsvarer en viss krystallinsk kovalent eller molekylær, metallisk og ionisk struktur. Krystaller har en eller annen strukturell symmetri av atomkjerner (kationer i et metall eller kationer og anioner i ioniske krystaller) eller molekyler, den tilsvarende makroskopiske symmetrien til den ytre formen, samt anisotropi av egenskaper. Anisotropi - dette er ulikheten mellom egenskapene (mekaniske, fysiske, kjemiske) til en enkelt krystall i forskjellige retninger av krystallgitteret. Isotropi - Dette er likheten mellom egenskapene til et stoff i dets forskjellige retninger. Naturligvis bestemmes disse endringsmønstrene i egenskapene til et stoff av detaljene ved endringen eller ikke-endringen i deres struktur. Ekte krystallinske materialer (inkludert metaller) er kvasi-isotropiske strukturer, de. de er isotrope på mesostrukturelt nivå (se tabell 4.1) og egenskapene deres er like i alle retninger. Dette er fordi de fleste naturlige eller kunstige krystallinske materialer er polykrystallinsk stoffer, ikke enkeltkrystaller

(som en diamant). De består av et stort antall såkalte korn eller krystallitter, hvis krystallografiske plan er rotert i forhold til hverandre gjennom en viss vinkel a. I dette tilfellet, i hvilken som helst retning av materialets mesostruktur, omtrent det samme antall korn med annen orientering krystallografiske plan, noe som fører til uavhengigheten av dens egenskaper fra retningen. Hvert korn består av separate elementer - blokker som roteres i forhold til hverandre i vinkler i størrelsesorden flere minutter, noe som også sikrer isotropien til egenskapene til selve kornet som helhet.

Krystallinske tilstander av samme stoff kan variere i struktur og egenskaper, og da sier de at dette stoffet finnes i ulike modifikasjoner. Eksistensen av flere krystallinske modifikasjoner i et gitt stoff kalles polymorfisme, og overgangen fra en modifikasjon til en annen - polymorf transformasjon. I motsetning til polymorfisme, allotropi- dette er eksistensen av et element i form av forskjellige "enkle" (eller mer presist homonukleære) stoffer, uavhengig av deres fasetilstand. For eksempel oksygen 0 2 og ozon O e - allotropiske former oksygen, som eksisterer i gassform, flytende og krystallinsk tilstand. Samtidig er diamant og grafitt - allotropiske former for karbon - samtidig dens krystallinske modifikasjoner, i dette tilfellet faller begrepene "allotropi" og "polymorfisme" sammen for dens krystallinske former.

Ofte er det også et fenomen isomorfisme, der to stoffer av ulik natur danner krystaller med samme struktur. Slike stoffer kan erstatte hverandre i krystallgitteret, og danner blandede krystaller. For første gang ble fenomenet isomorfisme demonstrert av den tyske mineralogen E. Mitscherlich i 1819 ved å bruke eksemplet KH 2 P0 4, KH 2 As0 4 og NH 4 H 2 P0 4. Blandede krystaller er perfekt homogene blandinger av faste stoffer - disse er substitusjonelle faste løsninger. Derfor kan vi si at isomorfisme er evnen til å danne substitusjonelle faste løsninger.

Tradisjonelt krystallstrukturer tradisjonelt delt inn i homodesmisk (koordinerende) og heterodesmisk. homo-demisk struktur har for eksempel diamant, halogenider alkalimetaller. Imidlertid har oftere krystallinske stoffer heterodesmisk struktur; henne trekk- tilstedeværelsen av strukturelle fragmenter, innenfor hvilke atomkjernene er forbundet med de sterkeste (vanligvis kovalente) bindingene. Disse fragmentene kan være endelige grupperinger av elementer, kjeder, lag, rammer. Følgelig skilles øy-, kjede-, lagdelte og rammestrukturer. Nesten alle har øystrukturer. organiske forbindelser og lignende uorganiske stoffer, som halogener, 0 2, N 2, CO 2, N 2 0 4 osv. Molekyler spiller rollen som øyer, derfor kalles slike krystaller molekylære. Ofte fungerer polyatomiske ioner (for eksempel sulfater, nitrater, karbonater) som øyer. For eksempel har krystaller av en av Se-modifikasjonene (atomkjernene er forbundet i endeløse spiraler) eller PdCl 2-krystaller, som inneholder endeløse bånd, en kjedestruktur; lagdelt struktur - grafitt, BN, MoS 2, etc.; rammestrukturen er CaTYu 3 (atomkjernene til Ti og O, forent av kovalente bindinger, danner en åpen ramme, i hulrommene som atomkjernene til Ca er plassert). Noen av disse strukturene er klassifisert som uorganiske (karbonfrie) polymerer.

I henhold til arten av bindingen mellom atomkjerner (når det gjelder homodesmiske strukturer) eller mellom strukturelle fragmenter (i tilfelle av heterodesmiske strukturer), skilles det ut: kovalent (for eksempel SiC, diamant), ionisk, metallisk (metaller). og intermetalliske forbindelser) og molekylære krystaller. Krystaller av den siste gruppen, der strukturfragmentene er koblet sammen ved intermolekylær interaksjon, har det største antallet representanter.

Til kovalent enkeltkrystaller som diamant, karborundum osv. kjennetegnes av ildfasthet, høy hardhet og slitestyrke, som er en konsekvens av styrken og retningen kovalent binding i kombinasjon med deres tredimensjonale romlige struktur (polymerlegemer).

Ionisk krystaller er formasjoner der adhesjonen av mikrostrukturelementer i form av motioner hovedsakelig skyldes ioniske kjemiske bindinger. Et eksempel på ioniske krystaller er halogenidene av alkali- og jordalkalimetaller, i krystallgitteret hvor det er vekslende positivt ladede metallkationer og negativt ladede halogenanioner (Na + Cl -, Cs + Cl -, Ca + F^, Fig. 7.1).

Ris. 7.1.

PÅ metallkrystaller adhesjonen av atomkjerner i form av metallkationer skyldes hovedsakelig metalliske ikke-retningsbestemte kjemiske bindinger. Denne typen krystaller er karakteristisk for metaller og deres legeringer. Ved nodene til krystallgitteret er det atomkjerner (kationer) forbundet med OE (elektrongass). Strukturen til metalliske krystallinske legemer vil bli diskutert mer detaljert nedenfor.

molekylære krystaller består av molekyler bundet venn med en annen van der Waals styrker eller Hydrogenbinding. En sterkere kovalent binding virker inne i molekylene (C til råder over C og og C m). Fasetransformasjoner av molekylære krystaller (smelting, sublimering, polymorfe overganger) skjer som regel uten ødeleggelse av individuelle molekyler. De fleste molekylære krystaller er krystaller av organiske forbindelser (f.eks. naftalen). Molekylære krystaller danner også stoffer som H 2, halogener som J 2, N 2, 0 2, S g, binære forbindelser type H 2 0, C0 2, N 2 0 4, organometalliske forbindelser og noen komplekse forbindelser. Molekylære krystaller inkluderer også krystaller som f.eks naturlige polymerer som proteiner (Figur 7.2) og nukleinsyrer.

Polymerer, som allerede nevnt ovenfor, refererer som regel også til stoffer som danner molekylære krystaller. Imidlertid, i tilfellet når pakkingen av makromolekyler har en foldet eller fibrillær konformasjon, ville det være mer riktig å snakke om kovalente molekylære krystaller(Fig. 7.3).

Ris. 7.2.

Ris. 7.3.

Dette skyldes det faktum at langs en av gitterperiodene (for eksempel perioden Med i tilfelle av polyetylen, hvis makromolekyler er i en foldet konformasjon, danner en lamell), virker sterke kjemiske (fig. 7.3), hovedsakelig kovalente, bindinger. Samtidig langs to andre gitterperioder (for eksempel perioder b og Med i de samme foldede polyetylenkrystallene), virker allerede svakere krefter av intermolekylær interaksjon.

Inndelingen av krystaller i disse gruppene er stort sett vilkårlig, siden det er gradvise overganger fra en gruppe til en annen ettersom bindingens natur i krystallen endres. For eksempel, blant intermetalliske forbindelser - forbindelser av metaller med hverandre - kan man skille en gruppe forbindelser der en reduksjon i metallkomponenten kjemisk forbindelse og den tilsvarende veksten av de kovalente og ioniske komponentene fører til dannelsen av kolesterol i samsvar med de klassiske valensene. Eksempler på slike forbindelser er magnesiumforbindelser med grunnstoffer hovedundergruppe IV og V grupper Periodisk system, som er overgang mellom metaller og ikke-metaller (Mg 2 Si, Mg 2 Ge, Mg 2 Sn, Mg 2 Pb, Mg 3 As 2, Mg 3 Sb 7, Mg 3 Bi 7), til hoved karakteristiske trekk som vanligvis omtales som:

• deres heteronukleære krystallgitter skiller seg fra de homonukleære gitterne til moderforbindelsene;
• i deres forbindelse er det vanligvis bevart et enkelt multiplum forhold mellom komponenter, noe som gjør det mulig å uttrykke deres sammensetning med en enkel formel A sh B;? , hvor A og B er de tilsvarende elementene; t og P - primtall;
• heteronukleære forbindelser er preget av en ny kvalitet på struktur og egenskaper, i motsetning til de opprinnelige forbindelsene.

i krystall strukturelle elementer(ioner, atomkjerner, molekyler) som danner en krystall er ordnet regelmessig i forskjellige retninger (fig. 7) La). Vanligvis presenteres et romlig bilde av strukturen til krystaller skjematisk (fig. 7.45), som markerer tyngdepunktene med prikker strukturelle elementer, inkludert gitteregenskaper.

Planene er parallelle koordinere fly, plassert på avstand a, b, c fra hverandre, del krystallen i mange like og parallelle orienterte parallellepipeder. Den minste av dem kalles elementær celle, deres kombinasjon danner en romlig krystallgitter. Toppene til parallellepipedet er nodene til det romlige gitteret; tyngdepunktene til elementene som krystallen er bygget fra, faller sammen med disse nodene.

Romlige krystallgitter beskriver fullstendig strukturen til en krystall. For å beskrive enhetscellen til krystallgitteret brukes seks mengder: tre segmenter, lik avstandene til nærmeste elementærpartikler langs koordinataksene a, b, c, og tre vinkler mellom disse segmentene a, (3, y.

Forholdene mellom disse mengdene bestemmer cellens form, avhengig av hvilke alle krystaller er delt inn i syv systemer (tabell 7.1).

Størrelsen på enhetscellen til krystallgitteret estimeres av segmentene a, b, s. De kalles gitterperioder. Når du kjenner gitterperiodene, er det mulig å bestemme radiusen til atomkjernen til et element. Denne radien er lik halvparten av den minste avstanden mellom partikler i gitteret.

Graden av kompleksitet av gitteret bedømmes etter antall strukturelle elementer, per en elementær celle. I et enkelt romlig gitter (se fig. 7.4) er det alltid ett element per celle. Hver celle har åtte hjørner, men

Ris. 7.4. Arrangement av elementer i en krystall: en- bilde med plassering av volumet til atomkjernen til elementet; b - romlig bilde av en elementær celle og dens parametere

Tabell 7.1

Kjennetegn ved krystallinske systemer

hvert element øverst refererer på sin side til åtte celler. Fra noden til andelen av hver celle er det således V8-volum, og det er åtte noder i cellen, og derfor er det ett strukturelt element per celle.

I komplekse romlige gitter er det alltid mer enn ett strukturelt element per celle, som er mest vanlig i de viktigste rene metallforbindelsene (fig. 7.5).

Følgende metaller krystalliserer i bcc-gitteret: Fe a, W, V, Cr, Li, Na, K osv. Fe y, Ni, Co a, Cu, Pb, Pt, Au, Ag osv. krystalliserer i fcc gitter Mg, Ti a, Co p, Cd, Zn osv. krystalliserer i hcp-gitteret.

System, periode og antall strukturelle elementer, per enhetscelle gjør det mulig å fullt ut representere plasseringen av sistnevnte i krystallen. I noen tilfeller brukes ytterligere egenskaper til krystallgitteret, på grunn av dets geometri og gjenspeiler pakkingstettheten til elementet

Ris. 7.5. Typer komplekse elementære celler av krystallgitter: en - BCC; 6 - HCC; i- hcp av tara partikler i en krystall. Disse egenskapene er CF og kompakthetsfaktor.

Antall nærmeste ekvidistante elementarpartikler bestemmer koordinasjonsnummer. For eksempel, for et enkelt kubisk gitter, vil CF være 6 (Kb); i gitteret til en kroppssentrert kube (bcc) for hver atomkjerne vil antallet slike naboer være lik åtte (K8); for et ansiktssentrert kubisk gitter (fcc) er CF-tallet 12 (K 12).

Forholdet mellom volumet av alle elementærpartikler per en elementærcelle og hele volumet av elementærcellen bestemmer kompakthetsfaktor. For et enkelt kubisk gitter er denne koeffisienten 0,52, for bcc - 0,68 og fcc - 0,74.

• Sirotkin R.O. Effekten av morfologi på utbytteadferden til løsningskrystalliserte polyetylener: PhD-avhandling, University of North London. - London, 2001.

Krystalltilstand stoffer, preget av tilstedeværelsen av lang rekkefølge i arrangementet av partikler (atomer, molekyler). I den krystallinske tilstanden er det også en kortdistanseorden, som er preget av konstant koordinasjonsnummer, og lengder av kjemikalier forbindelser. Invariansen av egenskapene til kortdistanseordenen inn i den krystallinske tilstanden fører til sammenfall av strukturelle celler under deres translasjonsforskyvning og dannelsen av en tredimensjonal periodisitet av strukturen (se. Krystaller).

På grunn av sin maksimale rekkefølge er den krystallinske tilstanden preget av et minimum indre energi og er en termodynamisk likevektstilstand ved gitte parametere - trykk, temperatur, sammensetning (i tilfelle av solide løsninger Strengt tatt kan en fullstendig ordnet krystallinsk tilstand ikke virkelig realiseres, en tilnærming til den finner sted når temperaturen har en tendens til 0 K (den såkalte ideelle krystallen). ekte kropper i krystallinsk tilstand alltid inneholde noen defekter som bryter både kortdistanse- og langdistanseorden. Spesielt mye observeres i faste løsninger, der individuelle partikler og deres grupper statistisk sett inntar forskjellige posisjoner i rommet.

På grunn av den tredimensjonale periodisiteten Atomstruktur hovedtrekkene er homogenitet og egenskaper og symmetri, som spesielt kommer til uttrykk i det faktum at under visse dannelsesbetingelser tar krystaller form av polyedre (se vekst). Noen egenskaper på overflaten av krystallen og nær den er vesentlig forskjellige fra disse egenskapene inne i krystallen, spesielt på grunn av symmetribrudd. Sammensetningen og følgelig egenskapene endres gjennom hele volumet av krystallet på grunn av den uunngåelige endringen i sammensetningen av mediet når krystallen vokser. Således refererer homogeniteten til egenskaper, så vel som tilstedeværelsen av lang rekkefølge, til egenskapene til den "ideelle" krystallinske tilstanden

De fleste legemer i krystallinsk tilstand er polykrystallinske og er sammenvekster et stort antall små krystallitter (korn) - seksjoner med en størrelse i størrelsesorden 10 -1 -10 -3 mm, uregelmessig form og annerledes orientert. Kornene er separert fra hverandre av intergranulære lag, hvor rekkefølgen på partiklene er forstyrret. I de intergranulære lagene oppstår også konsentrasjonen av urenheter under krystallisering. På grunn av den tilfeldige orienteringen av kornene, kan det polykrystallinske legemet som helhet (volumet som inneholder et tilstrekkelig stort antall korn) være isotropt, for eksempel oppnådd med krystallinsk med den siste. . Men vanligvis i prosessen, og spesielt plast, oppstår en tekstur. - fordeler, orienteringen av krystallkorn i en bestemt retning, noe som fører til anisotropi av egenskaper.

På grunn av den krystallinske tilstanden kan flere felt som ligger i området med relativt lave temperaturer og forhøyede, reagere på et enkeltkomponentsystem. Hvis det bare er ett felt i den krystallinske tilstanden og stoffet ikke dekomponerer kjemisk med økende temperatur, grenser feltet til den krystallinske tilstanden til feltene og gassen langs linjene med smelting og sublimering - henholdsvis kondensasjon og væske og gass (damp) kan være i en metastabil (superkjølt) tilstand i felten, den krystallinske tilstanden, mens den krystallinske tilstanden ikke kan være i felten eller dampen, dvs. den krystallinske substansen kan ikke overopphetes over smelte- eller sublimasjonstemperaturen. Noen (mesogener) forvandles til en flytende krystalltilstand når de varmes opp (se fig. flytende krystaller ). Hvis det er to eller flere felt i den krystallinske tilstanden på diagrammet til et enkomponentsystem, grenser disse feltene langs linjen med polymorfe transformasjoner. Den krystallinske substansen kan overopphetes eller underkjøles under den polymorfe transformasjonstemperaturen. I dette tilfellet kan den betraktede krystallinske tilstanden være innen andre krystallinske modifikasjoner og er metastabil.

Mens væske og damp på grunn av eksistensen kritisk punkt på fordampningslinjen kan kontinuerlig omdannes til hverandre, spørsmålet om muligheten for en kontinuerlig gjensidig transformasjon av den krystallinske tilstanden er ikke endelig løst. For noen stoffer er det mulig å estimere de kritiske parameterne - trykk og temperatur, hvor DH pl og DV pl er lik null, dvs. den krystallinske tilstanden og væsken er termodynamisk umulig å skille. Men i virkeligheten ble en slik transformasjon ikke observert for noen av dem (se fig. Kritisk situasjon).

Et stoff fra en krystallinsk tilstand kan overføres til en forstyrret tilstand (amorf eller glassaktig) som ikke oppfyller minimumskravet gratis energi, ikke bare ved å endre tilstandens parametere (trykk, temperatur, sammensetning), men også ved påvirkning ioniserende stråling eller finmaling. Den kritiske partikkelstørrelsen, hvor det ikke lenger gir mening å snakke om den krystallinske tilstanden, er omtrent 1 nm, dvs. av samme rekkefølge som enhetscellestørrelsen.

Aggregerte tilstander stoffer.

I denne delen skal vi se på aggregerte stater, der materien rundt oss befinner seg og kreftene i samspillet mellom materiepartiklene, karakteristiske for hver av aggregattilstandene.

1. Solid State,

2. flytende tilstand og

gassformig tilstand.

Ofte skilles en fjerde aggregeringstilstand - plasma.

Noen ganger regnes plasmatilstanden som en av typene gassformig tilstand.

Plasma - delvis eller fullstendig ionisert gass, oftest tilstede ved høye temperaturer.

Plasma er den vanligste materietilstanden i universet, siden materien til stjerner er i denne tilstanden.

For alle aggregeringstilstand karakteristiske trekk i naturen til interaksjonen mellom partiklene til et stoff, som påvirker dets fysiske og kjemiske egenskaper.

Hvert stoff kan være i forskjellige aggregeringstilstander. Når nok lave temperaturer alle stoffer er i fast tilstand. Men etter hvert som de varmes opp, blir de væsker, deretter gasser. Ved ytterligere oppvarming ioniserer de (atomene mister noen av elektronene sine) og går over i tilstanden plasma.

gassformig tilstand(fra nederlandsk. gass, går tilbake til annen gresk. Χάος ) preget av en veldig svake bånd mellom dets partikler.

Molekylene eller atomene som danner gassen beveger seg tilfeldig, og samtidig er de store (i sammenligning med størrelsene) avstander fra hverandre for det meste av tiden. Derved interaksjonskrefter mellom gasspartikler er ubetydelige.

Hovedtrekket til gassen er at den fyller all tilgjengelig plass uten å danne en overflate. Gasser blandes alltid. Gass er et isotropt stoff, det vil si at dens egenskaper ikke avhenger av retning.

I fravær av tyngdekraften press det samme på alle punkter i gassen. I feltet gravitasjonskrefter er ikke tetthet og trykk det samme på hvert punkt, og avtar med høyden. Følgelig, i tyngdefeltet, blir blandingen av gasser inhomogen. tunge gasser har en tendens til å legge seg lavere og mer lungene- å gå opp.

Gassen har høy komprimerbarhet- når trykket øker, øker dens tetthet. Når temperaturen stiger, utvider de seg.

Når den komprimeres, kan en gass bli til en væske., men kondens skjer ikke ved noen temperatur, men ved en temperatur under den kritiske temperaturen. Kritisk temperatur er et kjennetegn ved en bestemt gass og avhenger av kreftene i samspillet mellom dens molekyler. Så for eksempel gass helium kan bare gjøres flytende ved temperaturer under 4,2K.

Det er gasser som, når de er avkjølt, passerer inn i et fast legeme og omgår væskefasen. Transformasjonen av en væske til en gass kalles fordampning, og den direkte transformasjonen av et fast stoff til en gass kalles sublimering.

Fast

Solid State sammenlignet med andre aggregeringstilstander preget av formstabilitet.

Skille krystallinsk og amorfe faste stoffer.

Krystallinsk tilstand av materie

Formstabilitet faste stoffer på grunn av at det meste av faststoffet har krystallinsk struktur.

I dette tilfellet er avstandene mellom partiklene av stoffet små, og interaksjonskreftene mellom dem er store, noe som bestemmer stabiliteten til formen.

Det er lett å verifisere den krystallinske strukturen til mange faste stoffer ved å splitte et stykke materie og undersøke det resulterende bruddet. Vanligvis, ved en pause (for eksempel i sukker, svovel, metaller, etc.), er små krystallflater plassert i forskjellige vinkler godt synlige, og skinner på grunn av ulik refleksjon av lys av dem.

I tilfeller hvor krystallene er svært små, kan krystallstrukturen til stoffet fastslås ved hjelp av et mikroskop.

Krystall former

Hvert stoff dannes krystaller perfekt definert form.

Variasjonen av krystallinske former kan oppsummeres i syv grupper:

1. Triclinic(parallellepipedum),

2.Monoklinisk(prisme med et parallellogram ved basen),

3. Rombisk (kuboid),

4. tetragonal(rektangulært parallellepipedum med en firkant ved bunnen),

5. Trigonal,

6. Sekskantet(prisme med bunnen av høyre sentrert
sekskant),

7. kubikk(kube).

Mange stoffer, spesielt jern, kobber, diamant, natriumklorid, krystalliserer inn kubikksystem. De enkleste formene for dette systemet er terning, oktaeder, tetraeder.

Magnesium, sink, is, kvarts krystalliserer inn sekskantet system. Hovedformene for dette systemet er sekskantede prismer og bipyramide.

Naturlige krystaller, så vel som krystaller oppnådd kunstig, samsvarer sjelden nøyaktig med teoretiske former. Vanligvis, når det smeltede stoffet størkner, vokser krystallene sammen og derfor er ikke formen på hver av dem helt korrekt.

Uansett hvor ujevnt krystallen utvikler seg, uansett hvor forvrengt dens form, forblir vinklene som krystallflatene konvergerer med i samme substans konstant.

Anisotropi

Egenskaper til krystallinske legemer er ikke begrenset til formen på krystaller. Selv om stoffet i en krystall er perfekt homogen, er mange av dets fysiske egenskaper - styrke, varmeledningsevne, forhold til lys osv. - ikke alltid like i ulike retninger i krystallen. Denne viktige egenskapen til krystallinske stoffer kalles anisotropi.

Innvendig struktur av krystaller. Krystallgitter.

Ekstern form krystallen reflekterer det intern struktur og skyldes riktig arrangement av partiklene som utgjør krystallen - molekyler, atomer eller ioner.

Denne ordningen kan representeres som krystallgitter- en romlig ramme dannet av kryssende rette linjer. Ved skjæringspunktene mellom linjene - gitternoder er sentrene til partiklene.

Avhengig av arten av partiklene som befinner seg i nodene til krystallgitteret, og av hvilke krefter av samspill mellom dem som råder i en gitt krystall, er det følgende typer krystallgitter:

1. molekylær,

2. atom,

3. ionisk og

4. metall.

Molekylære og atomære gitter er iboende i stoffer med en kovalent binding, ioniske - i ioniske forbindelser, metalliske - i metaller og deres legeringer.

kjernefysisk krystallgitter

Ved nodene til atomgitteret er atomer. De er knyttet til hverandre kovalent binding.

Det er relativt få stoffer som har atomgitter. De tilhører diamant, silisium og noen uorganiske forbindelser.

Disse stoffene er preget av høy hardhet, de er ildfaste og praktisk talt uløselige i løsemidler. Disse egenskapene skyldes deres holdbarhet. kovalent binding.

Molekylære krystallgitter

Molekyler er lokalisert ved nodene til molekylære gitter. De er knyttet til hverandre intermolekylære krefter.

Stoffer med molekylært gitter masse av. De tilhører ikke-metaller, med unntak av karbon og silisium, alle organiske forbindelser med ikke-ionisk binding og mange uorganiske forbindelser.

Kreftene til intermolekylær interaksjon er mye svakere enn kreftene til kovalente bindinger, derfor har molekylære krystaller lav hardhet, smeltbare og flyktige.

Ioniske krystallgitter

I nodene til ioniske gitter er positivt og negativt ladede ioner lokalisert vekslende. De er forbundet med hverandre av krefter elektrostatisk tiltrekning.

Ioneforbindelser som danner ioniske gitter inkluderer de fleste salter og et lite antall oksider.

Av styrke ioniske gitter dårligere enn atom, men overskrider molekylært.

Ioniske forbindelser har relativt sett høye temperaturer smelting. Deres volatilitet er i de fleste tilfeller ikke stor.

· Metalliske krystallgitter

Ved nodene til metallgitter er det metallatomer, mellom hvilke elektroner som er felles for disse atomene beveger seg fritt.

Side 1

Den krystallinske tilstanden til materie er preget av en tredimensjonal periodisitet av plassering byggemateriale. Det er på denne funksjonen diffraksjonen er basert. røntgenstråler passert gjennom krystallen, og derav hele røntgendiffraksjonsanalysen av krystaller.

Den krystallinske tilstanden til materie oppstår når både kort- og langdistanse-orden er realisert i relativ posisjon partikler. Linker, segmenter av makromolekyler kan interagere både innenfor - og intermolekylært.

Den krystallinske tilstanden til et stoff er preget av det faktum at partiklene (atomer, ioner eller molekyler) i den er ordnet, i konstant avstand fra hverandre, og danner et regelmessig gitter. PÅ amorf materie ingen riktig rekkefølge i arrangementet av partikler er observert.

Den krystallinske tilstanden til et stoff er preget av riktig plassering av partiklene som utgjør krystallen, dannelsen av et krystallinsk eller romlig gitter. Sentrene til partikler i krystallen kalles nodene til det romlige gitteret.

Den krystallinske tilstanden til materie er preget av et strengt regelmessig, periodisk repeterende arrangement av alle atomer. Et slikt bilde er ideelt, og en krystall med et så ideelt arrangement av atomer kalles perfekt. I en ekte krystall er det alltid avvik og brudd på det ideelle arrangementet av atomer. Disse bruddene kalles ufullkommenheter, eller defekter.

Den krystallinske tilstanden til et stoff er preget av en tredimensjonal periodisitet i plasseringen av byggemateriale. Det er denne funksjonen som ligger til grunn for diffraksjonen av røntgenstråler som sendes gjennom en krystall, og dermed grunnlaget for hele røntgendiffraksjonsanalysen av krystaller.

Den krystallinske tilstanden til materie er preget av et strengt regelmessig, periodisk repeterende arrangement1 av alle atomer i krystallgitteret. En krystall med et så ideelt arrangement av atomer kalles perfekt. I en ekte krystall finner man alltid avvik og brudd på det ideelle arrangementet av atomer. Disse bruddene kalles ufullkommenheter, eller defekter, i krystallstrukturen.

Den krystallinske tilstanden til et stoff er preget av en strengt definert orientering av partikler i forhold til hverandre og anisotropi (vektoritet) av egenskaper, når egenskapene til en krystall (varmeledningsevne, strekkstyrke, etc.) ikke er de samme i forskjellige retninger .