52.Структура твердых тел

Большинство окружающих нас твердых тел – вещества в твердом состоянии .Специальная область физики – физика твердого тела – занимается изучение строения и свойств твердых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники. Мы с вами тоже живем на поверхности твердого тела – земного шара, в домах, построенных из твердых тел. Наше тело, хотя и содержит около 65% воды (мозг – 80%) – тоже твердое тело. Орудия труда сделаны из твердых тел. Знать свойства твердых тел необходимо.

 Из курса физики 7 класса вы знаете о том, что твердые тела сохраняют форму и объем, благодаря строгому расположению молекул. По химии вы изучали строение различных кристаллических решеток, также мы с вами знакомились с таким понятием, как аморфное тело.

Задача сегодняшнего урока – собрать все наши знания о твердых телах воедино и сформировать общую картину о строении и свойствах твердых тел.

По характеру относительного расположения частиц, твердые тела делятся на три вида:

1. кристаллические

2. аморфные

3. композиты

Давайте с вами рассмотрим в отдельности каждый вид.

Кристаллические тела

Если рассмотреть при помощи лупы или микроскопа крупинки соли, то можно заметить, что они ограничены плоскими гранями. Наличие таких граней – признак нахождения тела в кристаллическом состоянии.

Кристаллы - это твёрдые тела, атомы или молекулы которых занимают определённые, упорядоченные положения в пространстве. Кристаллы одного и того же вещества имеют разнообразную форму. Углы между отдельными гранями кристаллов одинаковы. Некоторые формы кристаллов симметричны. Цвет кристаллов различен, — очевидно, это зависит от примесей.

Кристаллические тела, как известно, имеют определенную температуру плавления, неизменную при постоянном давлении. Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обладает симметрией. В кристаллах можно найти различные элементы симметрии. Плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии. На первый взгляд кажется, что число видов симметрии может быть бесконечно большим. В 1867 г. русский инженер А. В. Гадолин впервые доказал, что кристаллы могут обладать лишь 32 видами симметрии. Убедимся в симметрии кристаллика снега - снежинки.

Симметрия кристаллов и другие их свойства, о которых мы будем говорить далее, привели к важной догадке о закономерностях в расположении частиц, составляющих кристалл. Может кто-нибудь из вас попытается ее сформулировать?

Частицы в кристалле располагаются так, что они образуют определенную правильную форму, решетку.

Частицы в кристалле образуют правильную пространственную решетку. Пространственные решетки различных кристаллов различны. Перед вами модель пространственной решетки поваренной соли. (Демонстрирует модель.) Шарики одного цвета имитируют ионы натрия, шарики другого цвета — ионы хлора. Если соединить эти узлы прямыми линиями, то образуется пространственная решетка, аналогичная представленной модели. В каждой пространственной решетке можно выделить некоторые повторяющиеся элементы ее структуры, иначе говоря, элементарную ячейку. К наиболее простым элементарным ячейкам относятся куб, объемно-центрированный куб, гранецентрированный куб, гексагональная призма. Основы кристаллохимического анализа, т.е. способа определения химического состава вещества по форме его кристаллов (по значению угла между гранями),разработал выдающийся русский ученый Е.С. Федоров (1853-1919). Он внес большой вклад в развитие науки о кристаллах – кристаллографии. Федоров доказал, что может существовать только 230 различных форм кристаллов, все из которых на сегодняшний день известны.

Для наглядного представления внутренней структуры кристалла используют его изображение с помощью кристаллической решётки. Различают несколько типов кристаллов, которые определяются характером взаимодействия атомов и молекул, образующих кристалл:

1) ионные 2) атомные  3) металлические  4) молекулярные

Этот материал вы довольно подробно изучали  в курсе химии 8 класса, поэтому мы только вспомним, как образуются эти кристаллы.

Ионные кристаллы. В узлах решетки находятся положительно и отрицательно заряженные ионы. Эти кристаллы обладают значительной прочностью. К их числу относится большинство неорганических соединений, например соли.

Атомные кристаллы. Кристаллические решетки образуются путем плотной упаковки атомов, чаще всего одинаковых (при взаимодействии одинаковых атомов ионы не образуются). Эти вещества наиболее прочны, отличаются большой прочностью и тугоплавкостью. Типичные примеры таких кристаллов – алмаз, графит, германий.

Молекулярные кристаллы. В узлах решетки находятся молекулы вещества, связь между которыми обеспечивается силами молекулярного взаимодействия.эти кристаллы наименее прочны, плавятся при очень низкой температуре (твердые гелий, водород, азот), легко испаряются (нафталин).

Металлические кристаллы. Во всех узлах решетки расположены положительные ионы металла. Наличие свободных электронов в металле обеспечивает хорошую электропроводность и теплопроводность этих веществ.

Дефекты кристаллов

Все сказанное выше о строении кристаллов, строго говоря, относится только так говоря к идеальным кристаллам. Всякий же реальный кристалл не имеет совершенной структуры и обладает рядом нарушений пространственной решетки, которые называются дефектами в кристалле. В частности, в реальных кристаллах часть узлов решетки может оказаться не занятой частицами, заполненной чужеродными атомами или ионами или чужеродные атомы могут внедриться где-то между узлами решетки. Из-за этого нарушается дальний порядок в упаковке атомов или других частиц кристалла.

Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом. (Кварц, алмаз)

Большинство кристаллических тел состоит из множества расположенных беспорядочно мелких кристаллов, которые срослись между собой. Такие тела называются поликристаллами. (Металлы, сахар, поваренная соль)

Размеры кристаллов поликристаллического типа могут меняться с течением времени. Мелкие кристаллы железа переходят в крупные, этот процесс ускоряется при ударах  и сотрясениях, он происходит в стальных мостах, железнодорожных рельсах, от этого прочность сооружения с течением времени уменьшается.

Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях. Это свойство называется полиморфизмом. У льда известно до десяти модификаций. Полиморфизм углерода – графит и алмаз. Между алмазом и графитом оказывается много общего, хотя на первый взгляд это общее трудно увидеть. Алмаз необычно тверд, прозрачен, не проводит электрический ток (диэлектрик), обработанные алмазы — драгоценность, известны в быту как бриллианты.

Графит мягок, легко расслаивается, непрозрачен, электропроводен и не похож на драгоценный камень. А между тем и алмаз, и графит — это чистый углерод. Различие свойств алмаза и графита связано только с различием кристаллических решеток. При определенных условиях возможен переход вещества из одной кристаллической модификации в другую. Если нагреть графит до температуры 2000—2500 К под давлением 10⁹ Па, то произойдет перестройка кристаллической решетки, в результате чего графит превратится в алмаз. Так получают искусственные алмазы.

Поликристаллические тела изотропны, т.е. обнаруживают одинаковые свойства по всем направлениям. Это объясняется тем, что кристаллы, из которых состоит поликристаллическое тело, анизотропны, но вследствии их хаотичной ориентации, ни одно из направлений не отличается от других. В тех случаях, когда необходима высокая изотропность материала, он должен быть как можно более мелкокристаллическим.

Кроме кристаллических тел существуют - аморфные тела.

Аморфные тела

Аморфные тела - это твёрдые тела, где сохраняется только ближний порядок в расположении атомов. (Кремнезём, смола, стекло, канифоль, сахарный леденец).

Аморфные тела изотропны. Признаком аморфного тела является неправильная форма поверхности при изломе. Аморфные тела после длительного промежутка времени все же теряют свою форму под действием силы тяжести. При повышении температуры это происходит быстрее. Аморфное состояние неустойчиво, происходит переход в кристаллическое (стекло мутнеет). Беспорядок в расположении атомов аморфных тел приводит к тому, что среднее расстояние между атомами по разным направлениям одинаково, поэтому они изотропны. Сходство с жидкостями объясняется тем, что атомы и молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют время «оседлой жизни» определенной температуры плавления нет, поэтому аморфные тела можно рассматривать как переохлажденные жидкости  с очень большой вязкостью. Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов приводит к тому, что вещество в аморфном состоянии имеет меньшую плотность, чем в кристаллическом.

Жидкие кристаллы

В 1889 году австрийским ботаником Ф. Рейницером и немецким физиком О. маном были открыты органические вещества, которые обладают свойством жидкости - текучестью, но сохраняют определенную упорядоченность в расположении молекул и анизотропию свойств, характерную для монокристаллов. Эти вещества полу ли название жидких кристаллов.

Как же могут существовать жидкие кристаллы, совмещающие в себе прямо противоположные свойства жидкости и металла? Дело в том, что жидкость, оставаясь в целом изотропной, может состоять из анизотропных молекул. Молекулы, из которых. состоит жидкость, имеют удельную форму в виде палочек. Каждая отдельная молекула в этом случае - анизотропна. Например, она может пропускать свет, который распространяется вдоль палочки, и поглощать его, если он распространяется поперек направления. Но в жидкости все молекулы-палочки расположены хаотически,и в среднем свет поглощается, проходя по разным направлениям, одинаково.

Такую ситуацию можно представить, если высыпать коробок спичек в таз с водой и хорошо перемешать их. Тогда мы увидим, что поверхность воды со спичками будет изотропной, т. е. по любому направлению мы пересечем приблизительно одинаковое количество спичек, как вдоль, так и поперек их длины.

Представим теперь, что каждая спичка обладает магнитными свойствами, подоб­но магнитной стрелке. Поместим таз в силовое магнитное поле, направленное вдоль поверхности воды. Тогда все спички своими головами вытянутся в одну сторону, и поверхность приобретет анизотропные свойства - направления вдоль и поперек спи­чек будут обладать различными свойствами. Приобретя анизотропные свойства, жид­кость сохранила свои основные свойства:

Воду со спичками можно перелить в другой таз, и она примет форму того сосуда, в который ее нальют, спички могут свободно двигаться.

Аналогичные процессы происходят и в некоторых жидкостях, состоящих из ани­зотропных молекул. Под действием внешних воздействий, в частности, электричес­кого поля, тонкие слои такой жидкости приобретают анизотропные свойства, которое модно использовать в технике. Например, помещая такую жидкость в тонкий зазор толщиной в 0,1-0,01 мм между двумя стеклянными пластинами, на которых в одном направлении нацарапаны микроскопические бороздки, добиваются того, что все мо­лекулы выстраиваются вдоль этих бороздок. Такая плоская сборная пластинка (ячейка) хорошо пропускает падающий на нее свет. Если при помощи прозрачных электродов создать на отдельных ее участках электрическое поле, то ориентация молекул в этих местах изменится и изменится способность пропускать свет.

Для переориентации молекул в тонком слое жидкого кристалла требуются очень малые затраты электрической энергии, и этот процесс происходит достаточно быстро - за сотые и даже тысячные доли секунды. При помощи слабых электрических сигналов можно управлять тем, как слой жидкого кристалла пропускает свет.

Такой принцип реализован в буквенно-цифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы, термометры), его используют для создания экранов телевизоров, плоских дисплеев компьютеров информационных стендов на железнодорожных вокзалах и в аэропортах.

Некоторые жидкие кристаллы меняются при изменении температуры. Это свойство используют в медицине для определения участков тела с повышенной температурой и в технике для контроля качества микросхем.

Реальные процессы, которые происходят в жидкокристаллических ячейках, значительно сложнее и многообразнее, чем описанная выше модель.

Поэтому в настоящее время жидкие кристаллы интенсивно исследуются учеными, а инженеры находят все более широкие и интересные возможности их применения в самых разнообразных устройствах.

Композиты

Созданы композиционные материалы, механические свойства которых превосходят естественные материалы. Композиционные материалы (композиты)  состоят из матрицы и наполнителей. В качестве матрицы применяются полимерные, металлические, углеродные или керамические материалы. Наполнители могут состоять из нитевидных кристаллов, волокон или проволоки. В частности,  к композиционным материалам относят железобетон и железографит.

Железобетон - один из основных видов строительных материалов. Он представляет собой сочетание бетона и стальной арматуры.

Железографит - металлокерамический материал, состоящий из железа (95-98%) и графита (2-5 %). Из него изготавливают подшипники, втулки для разных машин и механизмов.

Стеклопластик - также композиционный материал, представляющий собой смесь длинных волокон и отвердевшей смолы.

Кости человека и животных представляют собой композиционный материал, состоящий из двух совершенно различных компонентов: коллагена и минерального вещества.

Коллаген – один из главных компонентов соединительной ткани (из него в основном состоят наши сухожилия). Большая часть минерального компонента кости – соли кальция. Атомы кальция составляют 22% от общего количества атомов кости. В остальных тканях тела их количество равно 12-13%. Если кость подержать достаточно долго в 5% растворе уксусной кислоты, то весь минеральный компонент станет эластичным. Кость можно будет свернуть в кольцо, как резиновый жгут.

Кристаллические решетки

Как мы уже знаем, вещество может существовать в трех агрегатных состояниях: газообразном, твердом ижидком. Кислород, который при обычных условиях находится в газообразном состоянии, при температуре -194° С преобразуется в жидкость голубоватого цвета, а при температуре -218,8° С превращается в снегообразную массу с кристаллами синего цвета.

Температурный интервал существования вещества в твердом состоянии определяется температурами кипения и плавления. Твердые вещества бывают кристаллическими и аморфными.

У аморфных веществ нет фиксированной температуры плавления – при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в текучее состояние. В таком состоянии, например, находятся различные смолы, пластилин.

Кристаллические вещества отличаются закономерным расположением частиц, из которых они состоят: атомов, молекул и ионов, – в строго определенных точках пространства. Когда эти точки соединяются прямыми линиями, создается пространственный каркас, его называют кристаллической решеткой. Точки, в которых находятся частицы кристалла, называют узлами решетки.  

В узлах воображаемой нами решетки могут находиться ионы, атомы и молекулы. Эти частицы совершают колебательные движения. Когда температура увеличивается, размах этих колебаний тоже возрастает, что приводит к тепловому расширению тел.В зависимости от разновидности частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и металлические.

Ионными называют такие кристаллические решетки, в узлах которых расположены ионы. Их образуют вещества с ионной связью, которой могут быть связаны как простые ионы Na+, Cl- , так и сложные SO24-, OH-. Таким образом, ионные кристаллические решетки имеют соли, некоторые оксиды и гидроксилы металлов, т.е. те вещества, в которых существует ионная химическая связь. Рассмотрим кристалл хлорида натрия, он состоит из положительно чередующихся ионов Na+ и отрицательных CL-, вместе они образуют решетку в виде куба. Связи между ионами в таком кристалле чрезвычайно устойчивы. Из-за этого вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой прочностью и твердостью, они тугоплавки и нелетучи.

Атомными кристаллическими решетками называют такие кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы. В подобных решетках атомы соединяются между собой очень крепкими ковалентными связями. К примеру, алмаз – одно из аллотропных видоизменений углерода.

Вещества с атомной кристаллической решеткой не сильно распространены в природе. К ним относятся кристаллический бор, кремний и германий, а также сложные вещества, например такие, в составе которых есть оксид кремния (IV) – SiO₂: кремнезем, кварц, песок, горный хрусталь.

Подавляющее большинство веществ с атомной кристаллической решеткой имеют очень высокие температуры плавления (у алмаза она превышает 3500° С), такие вещества прочны и тверды, практически не растворимы.

Молекулярными называют такие кристаллические решетки, в узлах которых расположены молекулы. Химические связи в этих молекулах могут быть также, как полярными (HCl, H₂0), так и неполярными (N₂, O₃). И хотя атомы внутри молекукл связаны очень крепкими ковалентными связями, между самими молекулами действует слабые силы межмолекулярного притяжения. Именно поэтому вещества с молекулярными кристаллическими решетками характеризуются малой твердостью, низкой температурой плавления, летучестью.

Примерами таких веществ могут послужить твердая вода – лед, твердый оксид углерода (IV) – «сухой лед», твердые хлороводород и сероводород, твердые простые вещества, образованные одно – (благородные газы), двух – (H₂, O₂, CL₂, N₂, I₂), трех – (O₃), четырех – (P₄), восьмиатомными (S₈) молекулами. Подавляющее большинство твердых органических соединений обладают молекулярными кристаллическими решетками (нафталин, глюкоза, сахар).

Деформация твердых тел