Tinh thể trạng thái vô định hình của một chất rắn. Video bài học "Trạng thái kết tinh của vật chất

Ở trạng thái rắn, hầu hết các chất đều có cấu trúc tinh thể. Có thể dễ dàng xác minh điều này bằng cách tách một mảnh vật chất ra và kiểm tra vết đứt gãy. Thông thường, khi vỡ (ví dụ, trong đường, lưu huỳnh, kim loại), các mặt tinh thể nhỏ nằm ở các góc khác nhau có thể nhìn thấy rõ ràng, sáng lấp lánh do sự phản xạ ánh sáng khác nhau của chúng. Trong trường hợp các tinh thể rất nhỏ, cấu trúc tinh thể của chất có thể được thiết lập bằng kính hiển vi.

Mỗi chất thường tạo thành tinh thể một cách hoàn hảo hình thức nhất định. Ví dụ, natri clorua kết tinh ở dạng hình khối (Hình. 59, một), phèn - ở dạng bát diện (Hình. 59, b) natri nitrat - ở dạng lăng kính (Hình. 59, Trong) vân vân. Dạng tinh thể là một trong những tính chất đặc trưng vật liệu xây dựng.

Cơm. 59.

một- natri clorua; b- phèn chua; Trong- natri nitrat

Việc phân loại các dạng tinh thể dựa trên sự đối xứng của các tinh thể. Các trường hợp đối xứng khác nhau của các khối đa diện tinh thể được đề cập chi tiết trong các khóa học tinh thể học. Ở đây chúng tôi sẽ chỉ chỉ ra rằng toàn bộ các dạng tinh thể có thể được giảm xuống còn bảy nhóm, hoặc hệ thống tinh thể,đến lượt nó, được chia thành các lớp.

Nhiều chất, đặc biệt là sắt, đồng, kim cương, natri clorua, kết tinh trong hình khối hệ thống. Các dạng đơn giản nhất của hệ này là khối lập phương, khối bát diện, khối tứ diện. Magie, kẽm, nước đá, thạch anh kết tinh thành lục giác hệ thống. Các dạng chính của hệ thống này là lăng kính lục giác và kim tự tháp bipyramid.

Tinh thể tự nhiên, cũng như tinh thể nhân tạo, hiếm khi tương ứng chính xác các dạng lý thuyết. Thông thường, khi chất nóng chảy đông đặc lại, các tinh thể kết hợp với nhau, và do đó hình dạng của mỗi chất trong số chúng không hoàn toàn chính xác. Khi giải phóng nhanh một chất ra khỏi dung dịch, các tinh thể cũng thu được, hình dạng của chúng bị biến dạng do sự phát triển không đồng đều trong các điều kiện kết tinh.

Tuy nhiên, cho dù tinh thể phát triển không đồng đều như thế nào, cho dù hình dạng của nó bị biến dạng như thế nào, thì các góc mà các mặt tinh thể hội tụ chất đã cho, vẫn như cũ. Đây là một trong những định luật cơ bản của tinh thể học - định luật hằng số của các góc hợp diện. Do đó, về kích thước góc nhị diện trong một tinh thể, có thể thiết lập hệ tinh thể nào và tinh thể đã cho thuộc lớp nào.

Đặc điểm của thể tinh thể không giới hạn ở hình dạng của tinh thể. Mặc dù chất trong tinh thể là hoàn toàn đồng nhất, nhưng nhiều chất tính chất vật lý- độ bền, độ dẫn nhiệt, mối quan hệ với ánh sáng, v.v. - không phải lúc nào cũng giống nhau theo các hướng khác nhau bên trong tinh thể. Đây tính năng quan trọng chất kết tinh gọi là dị hướng.

Ví dụ, chúng tôi cắt theo các hướng khác nhau từ một tinh thể lập phương muối mỏ hai thanh có cùng độ dày (Hình 60) và xác định khả năng chống đứt của các thanh này. Hóa ra để làm gãy thanh thứ hai, cần một lực lớn hơn 2,5 lần để làm thanh thứ nhất bị gãy. Rõ ràng, độ bền của tinh thể muối mỏ theo phương vuông góc với các mặt của khối lập phương nhỏ hơn 2,5 lần so với phương của các đường chéo.

Cơm. 60.

một- theo hướng vuông góc với các mặt của hình lập phương; b- theo hướng của đường chéo của một trong các mặt của khối lập phương

Trong nhiều tinh thể, sự khác biệt giữa cường độ theo các hướng khác nhau rất lớn đến mức khi va chạm hoặc vỡ, chúng tách ra dọc theo các mặt phẳng vuông góc với các mặt phẳng mà cường độ là nhỏ nhất. Tính chất này của tinh thể được gọi là sự phân cắt. Một ví dụ về biểu hiện của sự phân cắt có thể là các tinh thể mica, như đã biết, phân tách thành các tấm mỏng nhất.

Một sự khác biệt tự nhiên trong cấu trúc của hầu hết các vật liệu rắn (trừ đơn tinh thể), so với các chất lỏng và đặc biệt là thể khí (trọng lượng phân tử thấp), là tổ chức đa bậc của chúng phức tạp hơn (xem Bảng 4.1 và Hình 4.3). Điều này là do sự giảm cộng hóa trị và sự gia tăng tính kim loại và ion của các liên kết đồng đẳng và hạt nhân của các nguyên tố thuộc cấu trúc vi mô của chúng (xem Hình 6.2 và 6.6 và Bảng 6.1-6.7), dẫn đến sự gia tăng số lượng của các yếu tố trong cấu trúc của vật chất và vật chất và một sự thay đổi tương ứng trạng thái tổng hợp của nó. Khi nghiên cứu hệ thống phân cấp cấu trúc của vật liệu rắn, cần phải hiểu sự thống nhất và sự khác biệt trong các cấp tổ chức cơ cấu vật liệu kim loại và phi kim loại rắn, có tính đến mức độ trật tự về thể tích vật liệu của các nguyên tố tạo thành chúng. Ý nghĩa đặc biệt có sự khác biệt về cấu trúc của thể rắn và vật thể vô định hình, bao gồm khả năng hình thành của vật liệu kết tinh, trái ngược với vật thể vô định hình. toàn bộ dòng hơn cấu trúc phức tạp so với cấp độ hóa học electron-hạt nhân cơ bản của các cấu trúc.

trạng thái vô định hình. Tính đặc trưng của trạng thái vô định hình (dịch từ tiếng Hy Lạp - vô hình) nằm ở sự hiện diện của một chất trong trạng thái đặc (lỏng hoặc rắn) với sự thiếu vắng trong cấu trúc của tính tuần hoàn ba chiều trong sự sắp xếp của các nguyên tố (lõi nguyên tử hoặc phân tử) tạo nên chất này. Kết quả là, các tính năng của trạng thái vô định hình là do không có đơn hàng tầm xa - sự lặp lại nghiêm ngặt theo mọi hướng của cùng một phần tử cấu tạo (hạt nhân hoặc lõi nguyên tử, nhóm lõi nguyên tử, phân tử, v.v.) qua hàng trăm, hàng nghìn chu kỳ. Đồng thời, chất ở trạng thái vô định hình có đơn hàng phạm vi ngắn- tính nhất quán trong việc sắp xếp các phần tử lân cận của kết cấu, tức là một thứ tự được quan sát ở khoảng cách có thể so sánh với kích thước của các phân tử. Theo khoảng cách, độ đặc này giảm dần và biến mất sau 0,5-1 nm. Các chất vô định hình khác với các chất tinh thể ở chỗ đẳng hướng, tức là giống như chất lỏng, chúng có cùng giá trị của một đặc tính nhất định khi được đo theo bất kỳ hướng nào trong một chất. Sự chuyển đổi của một chất vô định hình từ thể rắn thành chất lỏng không kèm theo sự thay đổi đột ngột về tính chất - đây là điều thứ hai tính năng quan trọng, phân biệt trạng thái vô định hình chất rắn từ kết tinh. Không giống như một chất kết tinh, có một nhiệt độ nóng chảy nhất định, tại đó xảy ra sự thay đổi đột ngột về tính chất, chất vô định hình được đặc trưng bởi một khoảng thời gian hóa mềm và sự thay đổi liên tục về tính chất.

Chất vô định hình kém bền hơn chất kết tinh. Về nguyên tắc, bất kỳ chất vô định hình nào cũng phải kết tinh theo thời gian và quá trình này phải tỏa nhiệt. Thông thường, dạng vô định hình và dạng tinh thể là các trạng thái khác nhau của cùng một chất hóa học hoặc vật liệu về thành phần. Vì vậy, các dạng vô định hình của một số chất hạt nhân (lưu huỳnh, selen, v.v.), oxit (B 2 Oe, Si0 2, Ge0 2, v.v.) đã được biết đến.

Tuy nhiên, nhiều vật liệu vô định hình, đặc biệt là hầu hết các polyme hữu cơ, không thể kết tinh. Trong thực tế, rất hiếm khi quan sát thấy sự kết tinh của các chất vô định hình, đặc biệt là phân tử cao, vì sự thay đổi cấu trúc bị ức chế do độ nhớt cao của các chất này. Do đó, nếu bạn không dùng đến phương pháp đặc biệt, ví dụ, tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài, quá trình chuyển đổi sang trạng thái tinh thể diễn ra với tốc độ cực kỳ thấp. Trong những trường hợp như vậy, chúng ta có thể cho rằng chất ở trạng thái vô định hình gần như hoàn toàn ổn định.

Không giống như trạng thái vô định hình vốn có trong các chất vừa ở thể lỏng hoặc nóng chảy, vừa ở thể rắn cô đặc, trạng thái thủy tinh chỉ trạng thái rắn của vật chất. Kết quả là, trong chất lỏng hoặc nấu chảy các chất có thể ở trạng thái vô định hình với bất kỳ loại kết nối ưa thích nào(cộng hóa trị, kim loại và ion) và do đó, có cấu trúc phân tử và phi phân tử. Tuy nhiên ở dạng vô định hình rắn, hay chính xác hơn, trạng thái thủy tinh chủ yếu sẽ là các chất dựa trên HMC được đặc trưng chủ yếu loại liên kết cộng hóa trị các nguyên tố trong chuỗi đại phân tử. Điều này là do trạng thái vô định hình rắn của một chất thu được là kết quả của quá trình siêu lạnh trạng thái lỏng của nó, điều này ngăn cản quá trình kết tinh và dẫn đến sự “đóng băng” của cấu trúc với một trật tự ngắn hạn của các phần tử. Lưu ý rằng sự hiện diện của các đại phân tử trong cấu trúc của vật liệu cao phân tử do ảnh hưởng của yếu tố kích thước steric (xét cho cùng, việc tạo tinh thể từ cation dễ dàng hơn từ phân tử) dẫn đến sự phức tạp thêm của quá trình kết tinh. Do đó, các polyme hữu cơ (polymetyl metacrylat, v.v.) và vô cơ (oxit silic, phốt pho, bo, v.v.) có khả năng tạo thủy tinh hoặc tạo ra trạng thái vô định hình trong vật liệu rắn. Đúng vậy, ngày nay kim loại nóng chảy ở tốc độ làm lạnh cực cao (> 10 6 ° C / s) được chuyển sang trạng thái vô định hình, thu được kim loại vô định hình hoặc kính kim loại với một tập hợp các thuộc tính mới có giá trị.

trạng thái kết tinh. Trong một thể tinh thể, nó được quan sát như ở gần, và đơn hàng tầm xa sự sắp xếp của các yếu tố cấu trúc (lõi nguyên tử hoặc các hạt dưới dạng các phân tử riêng lẻ), tức là các phần tử của cấu trúc được đặt trong không gian trên khoảng cách nhất định từ nhau theo một trật tự đúng về mặt hình học, tạo thành tinh thể - cơ thể rắn có hình thức tự nhiên khối đa diện đều. Hình dạng này là kết quả của sự sắp xếp có trật tự của các phần tử trong tinh thể, tạo thành một khối không gian tuần hoàn ba chiều ở dạng mạng tinh thể. Một chất ở trạng thái tinh thể được đặc trưng bởi sự lặp lại tuần hoàn theo ba chiều của sự sắp xếp các lõi nguyên tử hoặc phân tử trong các nút của nó. Tinh thể là một trạng thái cân bằng của chất rắn. Đối với mỗi hóa học, trong điều kiện nhiệt động lực học nhất định (nhiệt độ, áp suất) ở trạng thái kết tinh, tương ứng với một cấu trúc tinh thể cộng hóa trị hoặc phân tử, kim loại và ion nhất định. Tinh thể có một hoặc một đối xứng cấu trúc khác của lõi nguyên tử (cation trong kim loại hoặc cation và anion trong tinh thể ion) hoặc phân tử, đối xứng vĩ mô tương ứng của hình thức bên ngoài, cũng như tính chất dị hướng. Dị hướng -đây là sự không giống nhau về các tính chất (cơ, lý, hóa) của một đơn tinh thể theo các hướng khác nhau của mạng tinh thể của nó. Đẳng hướng -Đây là sự giống nhau về các thuộc tính của một chất theo các hướng khác nhau của nó. Đương nhiên, những kiểu thay đổi này trong các thuộc tính của một chất được xác định bởi các chi tiết cụ thể của sự thay đổi hoặc không thay đổi trong cấu trúc của chúng. Vật liệu tinh thể thực (bao gồm cả kim loại) là cấu trúc bán đẳng hướng, những thứ kia. chúng đẳng hướng ở mức trung cấu trúc (xem Bảng 4.1) và các tính chất của chúng giống nhau theo mọi hướng. Điều này là do hầu hết các vật liệu kết tinh tự nhiên hoặc nhân tạo đều đa tinh thể chất, không phải đơn tinh thể

(giống như một viên kim cương). Chúng bao gồm một số lượng lớn cái gọi là hạt hoặc tinh thể, mà các mặt phẳng tinh thể của chúng được quay tương đối với nhau qua một góc nhất định a. Trong trường hợp này, theo bất kỳ hướng nào của cấu trúc trung gian của vật liệu, số lượng hạt xấp xỉ bằng định hướng khác nhau mặt phẳng tinh thể học, dẫn đến sự độc lập của các thuộc tính của nó so với hướng. Mỗi hạt bao gồm các phần tử riêng biệt - các khối được quay tương đối với nhau theo các góc theo thứ tự trong vài phút, điều này cũng đảm bảo tính đẳng hướng của các đặc tính của bản thân hạt nói chung.

Các trạng thái tinh thể của cùng một chất có thể khác nhau về cấu trúc và tính chất, và sau đó người ta nói rằng chất này tồn tại ở nhiều dạng biến đổi khác nhau. Sự tồn tại của một số biến đổi tinh thể trong một chất nhất định được gọi là đa hình, và sự chuyển đổi từ sửa đổi này sang sửa đổi khác - phép biến hình đa hình. Không giống như đa hình, allotropy- đây là sự tồn tại của một nguyên tố ở dạng các chất "đơn giản" khác nhau (hay chính xác hơn là hạt nhân ba chiều), bất kể chúng là gì trạng thái pha. Ví dụ, ôxy 0 2 và ôzôn O e - các dạng dị hướng oxy, tồn tại ở trạng thái khí, lỏng và tinh thể. Đồng thời, kim cương và than chì - các dạng thù hình của cacbon - đồng thời là các biến đổi tinh thể của nó, trong trường hợp này, các khái niệm "dị hướng" và "đa hình" trùng khớp với các dạng tinh thể của nó.

Thường cũng có hiện tượng đẳng cấu, trong đó hai chất có bản chất khác nhau tạo thành những tinh thể có cấu trúc giống nhau. Các chất như vậy có thể thay thế nhau trong mạng tinh thể, tạo thành các tinh thể hỗn hợp. Lần đầu tiên, hiện tượng đẳng tích được nhà khoáng vật học người Đức E. Mitscherlich chứng minh vào năm 1819 bằng cách sử dụng ví dụ về KH 2 P0 4, KH 2 As0 4 và NH 4 H 2 P0 4. Tinh thể hỗn hợp là hỗn hợp chất rắn hoàn toàn đồng nhất - đây là các dung dịch rắn thay thế. Do đó, chúng ta có thể nói rằng đẳng cấu là khả năng tạo thành các dung dịch rắn thay thế.

Theo truyền thống cấu trúc tinh thể theo truyền thống được chia thành homodesmic (phối hợp) và heterodesmic. homo-desmic cấu trúc có, ví dụ, kim cương, halogenua kim loại kiềm. Tuy nhiên, các chất kết tinh thường có dị bản kết cấu; cô ấy tính năng- sự hiện diện của các mảnh cấu trúc, trong đó các lõi nguyên tử được nối với nhau bằng các liên kết mạnh nhất (thường là cộng hóa trị). Các mảnh này có thể là nhóm hữu hạn của các phần tử, chuỗi, lớp, khung. Theo đó, cấu trúc đảo, chuỗi, phân lớp và cấu trúc khung được phân biệt. Hầu như tất cả đều có cấu trúc đảo. hợp chất hữu cơ và như vậy chất vô cơ, như các halogen, 0 2, N 2, CO 2, N 2 0 4, v.v. Các phân tử đóng vai trò đảo, do đó các tinh thể như vậy được gọi là phân tử. Thường thì các ion đa nguyên tử (ví dụ, sunfat, nitrat, cacbonat) hoạt động như các đảo. Ví dụ, tinh thể của một trong những biến đổi Se (các lõi nguyên tử được kết nối theo hình xoắn ốc vô tận) hoặc tinh thể PdCl 2, chứa các dải băng vô tận, có cấu trúc chuỗi; cấu trúc phân lớp - graphite, BN, MoS 2, v.v.; cấu trúc khung là CaTYu 3 (lõi nguyên tử của Ti và O, liên kết với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị, tạo thành một khung làm việc mở, trong đó có các lõi nguyên tử của Ca). Một số cấu trúc này được phân loại là polyme vô cơ (không chứa cacbon).

Theo bản chất của liên kết giữa các lõi nguyên tử (trong trường hợp cấu trúc homodesmic) hoặc giữa các mảnh cấu trúc (trong trường hợp cấu trúc dị nguyên tử), người ta phân biệt: cộng hóa trị (ví dụ, SiC, kim cương), ion, kim loại (kim loại và các hợp chất liên kim) và tinh thể phân tử. Tinh thể thuộc nhóm cuối cùng, trong đó các mảnh cấu trúc được liên kết với nhau bằng tương tác giữa các phân tử, có số lượng đại diện lớn nhất.

Vì cộng hóa trị các tinh thể đơn lẻ như kim cương, carborundum, v.v. được đặc trưng bởi độ chịu nhiệt, độ cứng cao và khả năng chống mài mòn, là hệ quả của độ bền và hướng liên kết cộng hóa trị kết hợp với cấu trúc không gian ba chiều của chúng (các thể polyme).

Ionic tinh thể là sự hình thành trong đó sự kết dính của các phần tử cấu trúc vi mô ở dạng phản chủ yếu là do các liên kết ion hóa học. Một ví dụ về tinh thể ion là các halogenua của kim loại kiềm và kiềm thổ, trong các vị trí mạng tinh thể của chúng có xen kẽ các cation kim loại mang điện tích dương và các anion halogen mang điện tích âm (Na + Cl -, Cs + Cl -, Ca + F ^, Hình 7.1).

Cơm. 7.1.

TẠI tinh thể kim loại sự kết dính của lõi nguyên tử dưới dạng cation kim loại chủ yếu là do các liên kết hóa học không định hướng của kim loại. Loại này tinh thể là đặc trưng của kim loại và hợp kim của chúng. Tại các nút của mạng tinh thể có các lõi nguyên tử (cation) liên kết với nhau bằng OE (electron khí). Cấu trúc của các thể tinh thể kim loại sẽ được thảo luận chi tiết hơn dưới đây.

tinh thể phân tửđược tạo thành từ các phân tử bạn bè ràng buộc với lực lượng van der Waals khác hoặc liên kết hydro. Liên kết cộng hóa trị mạnh hơn hoạt động bên trong phân tử (C chiếm ưu thế hơn C và và C m). Các chuyển đổi pha của tinh thể phân tử (nóng chảy, thăng hoa, chuyển đổi đa hình) xảy ra theo quy luật mà không có sự phá hủy các phân tử riêng lẻ. Hầu hết các tinh thể phân tử là tinh thể của các hợp chất hữu cơ (ví dụ naphtalen). Tinh thể phân tử cũng tạo thành các chất như H 2, các halogen như J 2, N 2, 0 2, S g, hợp chất nhị phân loại H 2 0, C0 2, N 2 0 4, hợp chất cơ kim và một số phức chất. Tinh thể phân tử cũng bao gồm các tinh thể như polyme tự nhiên như protein (Hình 7.2) và axit nucleic.

Polyme, như đã đề cập ở trên, theo quy luật, cũng dùng để chỉ các chất tạo thành tinh thể phân tử. Tuy nhiên, trong trường hợp khi đóng gói các đại phân tử có dạng gấp khúc hoặc dạng sợi, sẽ đúng hơn nếu nói về tinh thể phân tử cộng hóa trị(Hình 7.3).

Cơm. 7.2.

Cơm. 7.3.

Điều này là do thực tế là dọc theo một trong các chu kỳ mạng (ví dụ: giai đoạn Với trong trường hợp polyetylen, các đại phân tử của chúng ở dạng gấp khúc, tạo thành phiến), hóa chất mạnh (Hình 7.3), chủ yếu là cộng hóa trị, các liên kết hoạt động. Đồng thời, dọc theo hai chu kỳ mạng khác (ví dụ, giai đoạn b và Với trong cùng một tinh thể polyetylen gấp khúc), lực tương tác giữa các phân tử đã yếu hơn.

Việc phân chia tinh thể thành các nhóm này chủ yếu là tùy ý, vì có sự chuyển đổi dần dần từ nhóm này sang nhóm khác khi bản chất của liên kết trong tinh thể thay đổi. Ví dụ, giữa các hợp chất liên kim - hợp chất của các kim loại với nhau - người ta có thể phân biệt một nhóm hợp chất trong đó thành phần kim loại giảm dần liên kết hóa học và sự tăng trưởng tương ứng của các thành phần cộng hóa trị và ion dẫn đến sự hình thành cholesterol phù hợp với các giá trị cổ điển. Ví dụ về các hợp chất như vậy là hợp chất magiê với các nguyên tố nhóm con chính Nhóm IV và V Hệ thống định kỳ, là chất chuyển tiếp giữa kim loại và phi kim loại (Mg 2 Si, Mg 2 Ge, Mg 2 Sn, Mg 2 Pb, Mg 3 As 2, Mg 3 Sb 7, Mg 3 Bi 7), thành chính tính năng đặc trưng thường được gọi là:

mạng tinh thể hạt nhân của chúng khác với mạng tinh thể hạt nhân của các hợp chất mẹ;
trong mối liên hệ của chúng, một tỷ lệ bội đơn giản của các thành phần thường được bảo toàn, điều này có thể biểu thị thành phần của chúng bằng một công thức đơn giản A sh B ;? , trong đó A và B là các phần tử tương ứng; t và P - số nguyên tố;
các hợp chất hạt nhân được đặc trưng bởi một chất lượng mới về cấu trúc và tính chất, trái ngược với các hợp chất ban đầu.

trong pha lê các nguyên tố cấu trúc(các ion, lõi nguyên tử, phân tử) tạo thành một tinh thể được sắp xếp đều đặn theo các hướng khác nhau (Hình 7 La). Thông thường, một hình ảnh không gian về cấu trúc của các tinh thể được trình bày dưới dạng giản đồ (Hình 7.45), đánh dấu các trọng tâm bằng các chấm các nguyên tố cấu trúc, bao gồm các đặc điểm mạng tinh thể.

Máy bay song song mặt phẳng tọa độ, nằm ở khoảng cách xa a, b, c từ nhau, chia tinh thể thành nhiều cặp song song bằng nhau và định hướng song song. Cái nhỏ nhất trong số chúng được gọi là tế bào cơ bản, sự kết hợp của chúng tạo thành một không gian mạng tinh thể. Các đỉnh của hình bình hành là các nút của mạng tinh thể không gian; trọng tâm của các phần tử mà tinh thể được tạo ra trùng với các nút này.

Mạng tinh thể không gian mô tả hoàn toàn cấu trúc của một tinh thể. Để mô tả ô đơn vị của mạng tinh thể, sáu đại lượng được sử dụng: ba đoạn, bằng khoảng cách tới nơi gần nhất Các hạt cơ bản dọc theo các trục tọa độ a, b, c, và ba góc giữa các đoạn này a, (3, y.

Tỷ lệ giữa các đại lượng này xác định hình dạng của tế bào, tùy thuộc vào đó mà tất cả các tinh thể được chia thành bảy hệ thống (Bảng 7.1).

Kích thước của ô đơn vị của mạng tinh thể được ước tính bởi các phân đoạn a, b, s. Họ được gọi là các chu kỳ mạng tinh thể. Biết các chu kỳ mạng tinh thể, có thể xác định được bán kính của lõi nguyên tử của một nguyên tố. Bán kính này bằng một nửa khoảng cách nhỏ nhất giữa các hạt trong mạng tinh thể.

Mức độ phức tạp của mạng được đánh giá bởi số lượng các yếu tố cấu trúc, trên một ô cơ bản. Trong một mạng không gian đơn giản (xem Hình 7.4), luôn có một phần tử trên mỗi ô. Mỗi ô có tám đỉnh, nhưng

Cơm. 7.4. Sự sắp xếp của các phần tử trong một tinh thể: một- hình ảnh với vị trí của thể tích lõi nguyên tử của nguyên tố; b - hình ảnh không gian của một ô cơ bản và các thông số của nó

Bảng 7.1

Đặc điểm của hệ tinh thể

lần lượt mỗi phần tử ở trên cùng tham chiếu đến tám ô. Do đó, từ nút đến phần chia của mỗi ô có V 8 thể tích, và có tám nút trong ô, và do đó, mỗi ô có một phần tử cấu trúc.

Trong mạng tinh thể không gian phức tạp, luôn có nhiều hơn một phần tử cấu trúc trên mỗi ô, chúng thường gặp nhất trong các hợp chất kim loại nguyên chất quan trọng nhất (Hình 7.5).

Các kim loại sau đây kết tinh trong mạng tinh thể bcc: Fe a, W, V, Cr, Li, Na, K, v.v ... Fe y, Ni, Co a, Cu, Pb, Pt, Au, Ag, v.v ... kết tinh trong fcc Mg, Ti a, Co p, Cd, Zn, vv kết tinh trong mạng tinh thể hcp.

Hệ thống, thời kỳ và số lượng các yếu tố cấu trúc, trên mỗi ô đơn vị làm cho nó có thể biểu diễn đầy đủ vị trí của ô sau trong tinh thể. Trong một số trường hợp, các đặc tính bổ sung của mạng tinh thể được sử dụng, do hình dạng hình học của nó và phản ánh mật độ đóng gói của phần tử

Cơm. 7,5. Các loại tế bào cơ bản phức tạp của mạng tinh thể: một - BCC; 6 - HCC; Trong- hcp của các hạt vụn trong tinh thể. Các đặc điểm này là yếu tố CF và độ nén.

Số lượng các hạt cơ bản cách đều nhau gần nhất xác định số phối hợp. Ví dụ, đối với một mạng tinh thể lập phương đơn giản, CF sẽ là 6 (Kb); trong mạng tinh thể của một khối lập phương có tâm (bcc) đối với mỗi lõi nguyên tử, số lượng các vùng lân cận như vậy sẽ bằng tám (K8); đối với mạng tinh thể lập phương tâm mặt (fcc), số CF là 12 (K 12).

Tỷ lệ giữa thể tích của tất cả các hạt cơ bản trên một ô cơ bản trên toàn bộ thể tích của ô cơ bản xác định hệ số đầm chặt.Đối với một mạng tinh thể lập phương đơn giản, hệ số này là 0,52, đối với bcc - 0,68 và fcc - 0,74.

Sirotkin R.O. Ảnh hưởng của hình thái học đến tính chất chảy của dung dịch polyetylen kết tinh: Luận án Tiến sĩ, Đại học Bắc Luân Đôn. - Luân Đôn, 2001.

Trạng thái tinh thể chất, được đặc trưng bởi sự hiện diện của dãy dài trật tự trong sự sắp xếp của các hạt (nguyên tử, phân tử). Ở trạng thái tinh thể, cũng có một bậc ngắn hạn, được đặc trưng bởi không đổi số phối hợp, và độ dài của hóa chất kết nối. Sự bất biến của các đặc tính của trật tự phạm vi ngắn thành trạng thái tinh thể dẫn đến sự trùng khớp của các tế bào cấu trúc trong quá trình dịch chuyển của chúng và sự hình thành tuần hoàn ba chiều của cấu trúc (xem. Tinh thể).

Do thứ tự tối đa của nó, trạng thái tinh thể được đặc trưng bởi mức tối thiểu năng lượng bên trong và là trạng thái cân bằng nhiệt động lực học tại các thông số đã cho - áp suất, nhiệt độ, thành phần (trong trường hợp giải pháp rắn) và những thứ khác. Nói một cách chính xác, một trạng thái tinh thể có trật tự hoàn toàn thực sự không thể thực hiện được; một sự xấp xỉ với nó diễn ra khi nhiệt độ có xu hướng về 0 K (cái gọi là tinh thể lý tưởng). cơ thể thậtở trạng thái tinh thể luôn chứa một số khuyết tật vi phạm cả trật tự tầm ngắn và tầm xa. Đặc biệt nhiều quan sát được trong các dung dịch rắn, trong đó các hạt riêng lẻ và các nhóm của chúng chiếm các vị trí khác nhau trong không gian.

Vì tính tuần hoàn ba chiều cấu trúc nguyên tử các đặc điểm chính là tính đồng nhất và các tính chất và tính đối xứng, được thể hiện, đặc biệt, trong thực tế là trong những điều kiện hình thành nhất định, các tinh thể có dạng khối đa diện (xem sự phát triển). Một số đặc tính trên bề mặt của tinh thể và gần nó khác biệt đáng kể so với những đặc tính này bên trong tinh thể, cụ thể là do sự phá vỡ đối xứng. Thành phần và theo đó, các tính chất thay đổi trong suốt thể tích của tinh thể do sự thay đổi không thể tránh khỏi trong thành phần của môi trường khi tinh thể lớn lên. Do đó, tính đồng nhất của các thuộc tính, cũng như sự hiện diện của trật tự phạm vi dài, đề cập đến các đặc điểm của trạng thái tinh thể "lý tưởng"

Hầu hết các cơ thể ở trạng thái tinh thể là đa tinh thể và là các thể sinh trưởng xen kẽ một số lượng lớn tinh thể nhỏ (hạt) - phần có kích thước theo thứ tự 10 -1 -10 -3 mm, hình dạng không đều và định hướng khác nhau. Các hạt được ngăn cách với nhau bởi các lớp giữa các hạt, trong đó trật tự của các hạt bị xáo trộn. Trong các lớp giữa các hạt, nồng độ tạp chất cũng xảy ra trong quá trình kết tinh. Do sự định hướng ngẫu nhiên của các hạt, thể tích đa tinh thể nói chung (thể tích chứa một số lượng đủ lớn các hạt) có thể là đẳng hướng, ví dụ, thu được với tinh thể cuối cùng. . Tuy nhiên, thông thường trong quá trình này, và đặc biệt là nhựa, một kết cấu phát sinh. - thuận lợi, sự định hướng của các hạt tinh thể theo một hướng nhất định, dẫn đến tính chất dị hướng.

Do trạng thái tinh thể, một số trường nằm trong vùng có nhiệt độ tương đối thấp và vùng cao có thể phản ứng với một hệ thống đơn thành phần. Nếu chỉ có một trường ở trạng thái tinh thể và chất không bị phân hủy hóa học khi nhiệt độ tăng dần, thì trường của trạng thái tinh thể tiếp giáp với trường và khí dọc theo đường nóng chảy và thăng hoa - ngưng tụ, và lỏng và khí. (hơi) có thể ở trạng thái siêu bền (siêu lạnh) trong trường, trạng thái kết tinh, trong khi trạng thái tinh thể không thể ở trường hoặc hơi, tức là chất kết tinh không thể quá nóng trên nhiệt độ nóng chảy hoặc thăng hoa. Một số (mesogens) chuyển thành trạng thái tinh thể lỏng khi bị nung nóng (xem Hình. tinh thể lỏng ). Nếu có hai hoặc nhiều trường ở trạng thái tinh thể trên biểu đồ của hệ thống một thành phần, các trường này nằm dọc theo đường biến đổi đa hình. Chất kết tinh có thể quá nhiệt hoặc siêu lạnh dưới nhiệt độ biến đổi đa hình. Trong trường hợp này, trạng thái tinh thể được coi là có thể nằm trong lĩnh vực biến đổi tinh thể khác và có thể di căn.

Trong khi chất lỏng và hơi do tồn tại điểm quan trọng trên đường bay hơi có thể liên tục chuyển hóa lẫn nhau, câu hỏi về khả năng chuyển hóa lẫn nhau liên tục của trạng thái tinh thể cuối cùng vẫn chưa được giải quyết. Đối với một số chất, có thể ước tính các thông số tới hạn - áp suất và nhiệt độ, tại đó DH pl và DV pl bằng 0, tức là trạng thái tinh thể và chất lỏng không thể phân biệt được về mặt nhiệt động lực học. Nhưng trong thực tế, một sự biến đổi như vậy không được quan sát thấy đối với bất kỳ trường hợp nào trong số chúng (xem Hình. Tình huống nghiêm trọng).

Một chất từ trạng thái kết tinh có thể chuyển sang trạng thái rối loạn (vô định hình hoặc thủy tinh) không thỏa mãn tối thiểu năng lượng miễn phí, không chỉ bằng cách thay đổi các thông số của trạng thái (áp suất, nhiệt độ, thành phần), mà còn do tác động bức xạ ion hóa hoặc xay mịn. Kích thước hạt tới hạn, mà ở đó không còn có ý nghĩa khi nói về trạng thái tinh thể, là khoảng 1 nm, tức là có cùng thứ tự với kích thước ô đơn vị.

Trạng thái tổng hợp vật liệu xây dựng.

Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét tổng hợp các trạng thái, trong đó vật chất xung quanh chúng ta cư trú và lực tương tác giữa các hạt vật chất, đặc trưng của mỗi trạng thái tổng hợp.

1. Thể rắn,

2. trạng thái lỏng và

Thể khí.

Thường thì trạng thái tổng hợp thứ tư được phân biệt - huyết tương.

Đôi khi, trạng thái plasma được coi là một trong những loại trạng thái khí.

Plasma - khí bị ion hóa một phần hoặc toàn bộ, thường xuất hiện ở nhiệt độ cao.

Huyết tương là trạng thái phổ biến nhất của vật chất trong vũ trụ, vì vật chất của các ngôi sao ở trạng thái này.

Cho tất cả mọi người trạng thái tổng hợp các tính năng đặc trưng trong bản chất của sự tương tác giữa các phần tử của một chất, ảnh hưởng đến các tính chất vật lý và hóa học của nó.

Mỗi chất có thể ở các trạng thái tập hợp khác nhau. Khi đủ nhiệt độ thấp tất cả các chất có trong thể rắn. Nhưng khi chúng nóng lên, chúng trở nên chất lỏng, sau đó khí. Khi tiếp tục đun nóng, chúng ion hóa (các nguyên tử mất một số electron) và chuyển sang trạng thái huyết tương.

Thể khí(từ tiếng Hà Lan. gas, quay trở lại tiếng Hy Lạp khác. Χάος ) được đặc trưng bởi rất mối quan hệ yếu kém giữa các hạt cấu thành của nó.

Các phân tử hoặc nguyên tử tạo thành khí di chuyển ngẫu nhiên và đồng thời, chúng ở khoảng cách lớn (so với kích thước của chúng) cách xa nhau trong phần lớn thời gian. Bằng cách ấy lực tương tác giữa các hạt khí không đáng kể.

Tính năng chính của khí là nó lấp đầy tất cả không gian có sẵn mà không tạo thành bề mặt. Các chất khí luôn luôn trộn lẫn. Chất khí là chất đẳng hướng, nghĩa là, các thuộc tính của nó không phụ thuộc vào hướng.

Trong trường hợp không có trọng lực sức ép giống nhau ở tất cả các điểm trong chất khí. Trong trường lực hấp dẫn, mật độ và áp suất không giống nhau tại mỗi điểm, giảm dần theo độ cao. Theo đó, trong trường trọng lực, hỗn hợp khí trở nên không đồng nhất. khí nặng có xu hướng giải quyết thấp hơn và nhiều hơn phổi- đi lên.

Khí có khả năng nén cao- khi áp suất tăng, khối lượng riêng của nó tăng lên. Khi nhiệt độ tăng, chúng nở ra.

Khi bị nén, một chất khí có thể chuyển thành chất lỏng., nhưng sự ngưng tụ không xảy ra ở bất kỳ nhiệt độ nào, mà ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn. Nhiệt độ nguy hiểm là một đặc tính của một chất khí cụ thể và phụ thuộc vào lực tương tác giữa các phân tử của nó. Vì vậy, ví dụ, khí đốt helium chỉ có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ thấp hơn 4,2 nghìn.

Có những chất khí khi nguội đi sẽ chuyển sang thể rắn, bỏ qua pha lỏng. Sự biến đổi của chất lỏng thành chất khí được gọi là sự bay hơi, và sự biến đổi trực tiếp từ chất rắn thành chất khí được gọi là thăng hoa.

Chất rắn

Thể rắn so với các trạng thái tổng hợp khác đặc trưng bởi sự ổn định hình dạng.

Phân biệt kết tinh và chất rắn vô định hình.

Trạng thái tinh thể của vật chất

Hình dạng ổn định chất rắn do thực tế là hầu hết các trạng thái rắn có Cấu trúc tinh thể.

Trong trường hợp này, khoảng cách giữa các hạt của chất nhỏ, và lực tương tác giữa chúng lớn, điều này quyết định tính ổn định của dạng.

Có thể dễ dàng xác minh cấu trúc tinh thể của nhiều chất rắn bằng cách tách một phần vật chất và kiểm tra vết đứt gãy. Thông thường, khi vỡ (ví dụ, trong đường, lưu huỳnh, kim loại, v.v.), các mặt tinh thể nhỏ nằm ở các góc khác nhau có thể nhìn thấy rõ ràng, sáng lấp lánh do sự phản xạ ánh sáng khác nhau của chúng.

Trong trường hợp các tinh thể rất nhỏ, cấu trúc tinh thể của chất có thể được thiết lập bằng kính hiển vi.

Các dạng tinh thể

Mỗi chất tạo thành pha lê hình thức xác định hoàn hảo.

Sự đa dạng của các dạng tinh thể có thể được tóm tắt trong bảy nhóm:

1. Triclinic(song song),

2.Phòng khám đa khoa(lăng trụ có đáy là hình bình hành),

3. Hình thoi (hình khối),

4. tứ giác(hình chữ nhật song song với một hình vuông ở đáy),

5. Tam giác,

6. Lục giác(lăng trụ có đáy là tâm bên phải
Hình lục giác),

7. hình khối(khối lập phương).

Nhiều chất, đặc biệt là sắt, đồng, kim cương, natri clorua, kết tinh trong hệ thống lập phương. Các dạng đơn giản nhất của hệ thống này là khối lập phương, khối bát diện, khối tứ diện.

Magiê, kẽm, nước đá, thạch anh kết tinh trong hệ thống lục giác. Các hình thức chính của hệ thống này là lăng kính lục giác và bipyramid.

Các tinh thể tự nhiên, cũng như các tinh thể nhân tạo, hiếm khi tương ứng chính xác với các dạng lý thuyết. Thông thường, khi chất nóng chảy đông đặc lại, các tinh thể phát triển cùng nhau và do đó hình dạng của mỗi chất trong số chúng không hoàn toàn chính xác.

Tuy nhiên, cho dù tinh thể phát triển không đồng đều như thế nào, cho dù hình dạng của nó bị biến dạng như thế nào, thì các góc mà các mặt tinh thể hội tụ trong cùng một chất vẫn không đổi.

Dị hướng

Đặc điểm của thể tinh thể không giới hạn ở hình dạng của tinh thể. Mặc dù chất trong tinh thể là hoàn toàn đồng nhất, nhưng nhiều tính chất vật lý của nó - độ bền, độ dẫn nhiệt, quan hệ với ánh sáng, v.v. - không phải lúc nào cũng giống nhau theo các hướng khác nhau trong tinh thể. Đặc điểm quan trọng này của các chất kết tinh được gọi là dị hướng.

Cấu trúc bên trong của tinh thể. Mạng tinh thể.

Hình thức bên ngoài tinh thể phản chiếu nó cơ cấu nội bộ và là do sự sắp xếp chính xác của các phần tử tạo nên tinh thể - phân tử, nguyên tử hoặc ion.

Sự sắp xếp này có thể được biểu diễn dưới dạng mạng tinh thể- khung không gian được tạo thành bởi các đoạn thẳng cắt nhau. Tại giao điểm của các đường - nút mạng là tâm của các hạt.

Tùy thuộc vào bản chất của các hạt nằm trong các nút của mạng tinh thể và lực tương tác giữa chúng chiếm ưu thế trong một tinh thể nhất định, có các loại sau mạng tinh thể:

1. phân tử,

2. nguyên tử,

3. ion và

4. kim loại.

Mạng tinh thể phân tử và nguyên tử vốn có trong các chất có liên kết cộng hóa trị, ion - trong hợp chất ion, kim loại - trong kim loại và hợp kim của chúng.

Nguyên tử mạng tinh thể

Ở các nút của mạng tinh thể nguyên tử là các nguyên tử. Chúng được kết nối với nhau liên kết cộng hóa trị.

Có tương đối ít chất có mạng tinh thể nguyên tử. Họ thuộc về kim cương, silicon và một số hợp chất vô cơ.

Những chất này được đặc trưng bởi độ cứng cao, chúng chịu lửa và thực tế không hòa tan trong bất kỳ dung môi nào. Những đặc tính này là do độ bền của chúng. liên kết cộng hóa trị.

Mạng tinh thể phân tử

Các phân tử nằm ở các nút của mạng tinh thể phân tử. Chúng được kết nối với nhau lực lượng giữa các phân tử.

Chất với mạng tinh thể phân tử nhiều. Họ thuộc về phi kim, ngoại trừ carbon và silicon, tất cả hợp chất hữu cơ với liên kết không ion và nhiều hợp chất vô cơ.

Lực tương tác giữa các phân tử yếu hơn nhiều so với lực của liên kết cộng hóa trị, do đó tinh thể phân tử có độ cứng thấp, dễ chảy và dễ bay hơi.

Mạng tinh thể ion

Trong các nút của mạng tinh thể ion, các ion tích điện dương và âm nằm xen kẽ nhau. Chúng được kết nối với nhau bằng các lực lực hút tĩnh điện.

Các hợp chất ion tạo thành mạng tinh thể ion bao gồm hầu hết các muối và một số nhỏ các oxit.

Bằng sức mạnh mạng tinh thể ion kém hơn nguyên tử, nhưng vượt quá phân tử.

Hợp chất ion có tương đối nhiệt độ cao sự tan chảy. Sự biến động của chúng trong hầu hết các trường hợp là không lớn.

· Mạng tinh thể kim loại

Tại các nút của mạng tinh thể kim loại có các nguyên tử kim loại, giữa các nguyên tử này có các electron chung cho các nguyên tử này chuyển động tự do.

Trang 1

Trạng thái tinh thể của vật chất được đặc trưng bởi tính tuần hoàn ba chiều của vị trí vật liệu xây dựng. Đó là trên đặc điểm này mà sự nhiễu xạ được dựa trên. tia x xuyên qua tinh thể, và do đó toàn bộ phân tích nhiễu xạ tia X của tinh thể.

Trạng thái tinh thể của vật chất xảy ra khi cả thứ tự phạm vi ngắn và phạm vi dài đều được thực hiện trong vị trí tương đối vật rất nhỏ. Các liên kết, các phân đoạn của các đại phân tử có thể tương tác cả bên trong - và giữa các phân tử.

Trạng thái tinh thể của một chất được đặc trưng bởi thực tế là trong nó các hạt (nguyên tử, ion hoặc phân tử) được sắp xếp theo thứ tự, ở những khoảng cách không đổi với nhau, tạo thành một mạng tinh thể đều đặn. TẠI vật chất vô định hình không quan sát thấy thứ tự chính xác trong sự sắp xếp của các hạt.

Trạng thái tinh thể của một chất được đặc trưng bởi sự sắp xếp chính xác trong không gian của các phần tử tạo nên tinh thể, sự hình thành mạng tinh thể hay không gian. Tâm của các hạt trong tinh thể được gọi là các nút của mạng tinh thể không gian.

Trạng thái tinh thể của vật chất được đặc trưng bởi sự sắp xếp lặp lại một cách nghiêm ngặt, định kỳ của tất cả các nguyên tử. Một bức tranh như vậy là lý tưởng, và một tinh thể với sự sắp xếp lý tưởng của các nguyên tử được gọi là hoàn hảo. Trong một tinh thể thực, luôn có sự sai lệch và vi phạm sự sắp xếp lý tưởng của các nguyên tử. Những vi phạm này được gọi là sự không hoàn hảo, hoặc khiếm khuyết.

Trạng thái tinh thể của một chất được đặc trưng bởi tính tuần hoàn ba chiều trong vị trí của vật liệu xây dựng. Chính đặc điểm này là cơ sở cho nhiễu xạ tia X truyền qua tinh thể, và do đó là cơ sở của toàn bộ phân tích nhiễu xạ tia X của tinh thể.

Trạng thái tinh thể của vật chất được đặc trưng bởi sự sắp xếp lặp lại một cách nghiêm ngặt, có định kỳ của tất cả các nguyên tử trong mạng tinh thể. Một tinh thể với sự sắp xếp lý tưởng của các nguyên tử được gọi là hoàn hảo. Trong một tinh thể thực, luôn luôn tìm thấy những sai lệch và vi phạm sự sắp xếp lý tưởng của các nguyên tử. Những vi phạm này được gọi là sự không hoàn hảo, hoặc khuyết tật, của cấu trúc tinh thể.

Trạng thái tinh thể của một chất được đặc trưng bởi sự định hướng xác định chặt chẽ của các hạt so với nhau và tính dị hướng (vectơ) của các thuộc tính, khi các đặc tính của tinh thể (dẫn nhiệt, độ bền kéo, v.v.) không giống nhau theo các hướng khác nhau. .