6.2. Твердые тела
Твердое состояние вещества определяются тем, что энергия взаимодействия его частиц выше кинетической энергии их движения:
Евзаим. > Екин.
Твердые вещества могут находиться в амфорном или кристаллическом состояниях.
Вещества в амфорном состоянии не имеют упорядоченный структуры. Подобно жидкости у них наблюдается только ближний порядок. некоторые из них очень медленно текут. Например, при длительном сроке службы оконные стекла внизу толще, чем в верхней части. В амфорном состоянии также могут находиться многие полимеры, смолы, простые вещества (Sе Si, Ag и др.), оксиды (SiO2, B2O3 и др.), сульфаты, карбонаты и др.
Аморфные вещества – изотропны, т.е. имеют одинаковые свойства во всех направлениях.
Подавляющие большинство твердых тел находятся в кристаллическом состоянии. Кристаллическое состояние характеризуется дальним порядком, т.е. трехмерной периодичностью структуры по всему объему твердого тела. Регулярное расположение частиц в твердом теле изображается в виде решетки, в узлах которой находятся те или иные частицы:
Кристаллические вещества плавятся при определенной температуре, называемой температурой плавления.
Кристаллы характеризуются энергией и постоянной кристаллической решетки.
В зависимости от природы частиц, образующих кристалл, и характера связи между ними различают четыре основные типа кристаллических веществ, или кристаллических решеток: атомную, ионную, металлическую и молекулярную.
Рис. Основные типы структур кристаллических решеток: а – атомная; б – ионная,
в – металлическая; г – молекулярная
В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы одинаковых или различных элементов. Примеры: алмаз, кварц, кремний и др.
Ионные кристаллические решетки построены из положительно и отрицательно заряженных ионов, между которыми действуют электростатические (кулоновские) силы притяжения. Например, NaCl, (NH4)2SO4.
Металлическая кристаллическая решетка состоит катионов металла, между которыми относительно свободно перемещаются валентные электроны. Пример: все металлы.
В узлах молекулярной кристаллической решетки расположены молекулы, связанные между собой слабыми межмолекулярными связями. Например, I2, лед и др.
Важнейшей характеристикой любой кристаллической решетки является ее энергия. Энергия кристаллической решетки – это энергия, необходимая для разрушения одного моля кристалла и удаления частиц за пределы их взаимодействия. Наибольшая энергия кристаллической решетки характерная для ионных и атомных кристаллов, меньшая – для металлических и еще меньшая – для молекулярных кристаллов.
Наименьшей структурой единицей кристалла, которая выражает все свойства его симметрии, является элементарная ячейка. Различают семь видов кристаллических систем: кубическая, тетрагональная, гексагональная, ромбическая, ромбоэдрическая, моноклинная, триклинная и 14 типов элементарных ячеек.
Рис. . Основные системы кристаллов:
1-3 – кубические; 4, 5 – тетрагональные; 6 – гексагональная; 7-10 – ромбические; 11 – ромбоэдрическая; 12, 13 – моноклинные; 14 – триклинная