§I.3.7 строение и некоторые свойства твёрдых тел

Твёрдыми телами называются тела, которые обладают постоянством формы и объёма. Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела.

Аморфные твёрдые тела (вар, стекло и др.) представляют собой переохлаждённые жидкости и не обладают чётко выраженными свойствами кристаллов.

Кристаллы имеют вид многогранника, иногда правильной геометрической формы и периодически повторяющееся на протяжении всего кристалла расположение составляющих его частиц – кристаллическую решётку. Кристаллы ограничены упорядоченно расположенными друг относительно друга плоскими гранями, которые сходятся в рёбрах и вершинах. Крупные одиночные кристаллы, имеющие форму многогранников, называются монокристаллами. Их форма определяется химическим составом кристалла. Характерной особенностью монокристаллов является их анизотропия (анизотропия кристаллов) - зависимость ряда физических свойств (механических, тепловых, электрических, оптических) от направлений в кристалле. Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, называются изотропными.

Поликристаллы имеют мелкокристаллическую структуру – состоят из большого числа сросшихся мелких, хаотически расположенных кристаллов (кристаллические зёрна, кристаллиты). В поликристаллах анизотропия наблюдается только для отдельных мелких кристалликов, но их различная ориентация приводит к тому, что свойства поликристалла по всем направлениям в среднем одинакова.

Каждая частица в кристаллической решётке испытывает силы межмолекулярного взаимодействия. Равновесное расположение всех частиц твёрдого тела в узлах кристаллической решётки (точки, в которых расположены частицы, а точнее - точки, относительно которых частицы совершают колебания) соответствует минимуму свободной энергии кристалла и наиболее устойчивому его состоянию. При этом частицы в узлах решётки располагаются на некоторых равновесных расстояниях друг от друга, называемых периодом кристаллической решётки.

Существует два признака для классификации кристаллов: кристаллографический и физический.

Кристаллографический признак кристаллов. В этом случае важна только пространственная периодичность в расположении частиц.

Кристаллическая решётка может обладать различными видами симметрии. Симметрия кристаллической решётки – её свойство совмещаться с собой при некоторых пространственных перемещениях, например параллельных переносах, поворотах, отражениях или их комбинациях и т.д.

С переносной симметрией в трёхмерном пространстве связывают понятие трёхмерной периодической структуры – пространственной решётки, или решётки Бравэ. Всякая пространственная решётка может быть составлена повторением в трёх различных направлениях одного и того же структурного элемента – элементарной ячейки. Для описания элементарных ячеек пользуются кристаллографическими осями координат, которые проводят параллельно рёбрам элементарной ячейки, а начало координат выбирают в левом углу передней грани элементарной ячейки.

Физический признак кристаллов. В зависимости от вида частиц, помещающихся в узлах кристаллической решётки, и от характера сил взаимодействия между частицами различают четыре типа кристаллических решёток и соответственно четыре типа кристаллов: ионные, атомные, металлические и молекулярные.

Ионные кристаллы. В узлах кристаллической решётки помещаются ионы разных знаков. Силы взаимодействия между ними являются электростатическими (кулоновскими). Связь, обусловленная электростатическими силами притяжения между разноимённо заряженными ионами, называется гетерополярной или ионной. Типичными примерами ионных кристаллов являются: углекислый кальций, каменная соль (NaCl) и др. соли.

Атомные кристаллы. В узлах кристаллической решётки помещаются нейтральные атомы. Связь, объединяющая в кристалле (а также и в молекуле) нейтральные атомы, называется гомеополярной или ковалентной. Силы взаимодействия при такой связи имеют также электрический (но не кулоновский) характер. Объяснение этих сил может быть дано только на основе квантовой механики. Примером атомных кристаллов может служить алмаз.

Такую же решётку, как у алмаза, имеют типичные полупроводники – германий и кремний. Для этой решётки характерно то, что каждый атом окружён четырьмя равноотстоящими от него соседями, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Каждый из четырёх валентных электронов входит в электронную пару, связывающую данный атом с одним из соседей.

Металлические кристаллы. (Na, Cu, Al и др.). В узлах кристаллической решётки находятся положительные ионы, образовавшиеся после отщепления от атомов внешних (валентных) электронов, образующих электронный газ коллективизированных свободных частиц.

Особая металлическая связь является специфическим видом химической связи и возникает между ионами кристаллической решётки и электронным газом. Электроны «стягивают» положительные ионы (в основном электростатическими силами) и уравновешивают отталкивание между ионами. При расстояниях между ионами, равных периоду кристаллической решётки, образуется устойчивое состояние металлического кристалла.

Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решётки помещаются определённым образом ориентированные молекулы. Силы связи между молекулами в кристалле имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящие к отклонению газов от идеальности, в связи с чем, их называют ван-дер-ваальсовскими силами. Молекулярные решётки образуют, например, вода (H₂O), углекислота (CO₂), азот (N₂), кислород (О₂) и водород (Н₂). Таким образом, обычный лёд, а также сухой лёд (твёрдая углекислота) представляют собой молекулярные кристаллы.