Landsberg-1985-T1

кристаллы слюды, имеющие вид тонких пластинок, очень

легко разделяются на еще более тонкие пластинки. Если

разбить кристалл соли, показанный на рис. 439, б, то полу­

чатся более мел.кие кристаллы той же формы. Тела, состоя­

щие из одного или нескольких одинаково расположенных

кристаллов, легче деформируются в одном направлении,

АТ8~t~п~

CD, вырезанный в направлении, перпендикулярном к направлению АВ,

при действии той же силы F сохраняет свою форму, а при увеличении

с;{лы разрушается

чем в другом. Это, например, относится к кускам льда

(рис. 441). ПО своим механическим свойствам брусок из

озерного или речного льда похож на стопу стеклянных плас­

тин, соединенных не вполне затвердевшим клеем.

Теплопроводность некоторых кристаллов по различным

Рис. 442. а) При прикосновении раскаленной иглы к точке О тонкой

пластинки на противоположной стороне плавится парафин. 6) Пла­

стинка - кристалл гипса; площадь, на которой расплавился парафин,

имеет форму эллипса. в) Пластинка стеклянная; площадь имеет форму

круга

прикоснемся к ним накаленной иглой. Мы увидим, что вокруг иглы парафин расплавится, причем площадь, где

парафин расплавился, на кристалле имеет вид эллипса

(рис. 442), в то время как на стекле получается круг. Это и

доказывает, что, в отличие от .стекла, кристалл гипса про­

водит тепло в разных направлениях неодинаково.

, Многие кристаллы при нагревании расширяются неоди­ наково в разных направлениях. Для характ~ристикитаких

492

кристаллов в отношении теплового расширения требуется знать не один, а три коэффициента линейного расшир€;ния

(например, по трем взаимно перпендикулярным направле­ ниям). Интересно отметить, что некоторые кристалль:;: при нагревании по одним направлениям расширяются, а по

другим сжимаются (в этих направлениях коэффицие;1ТЫ

линейного расширения являются отрицательными величи­

нами; примерами таких кристаллов являются кристаллы

графита или теллура). Оптические и электрические свойства

кристаллов также зависят от направления.

Образование плоских граней у кристаллов - проявле­

ние сходного свойства кристаллов в отношении роста. Если бы кристалл рос по всем направлениям с одинаковой ско­

ростью, то, очевидно, получилось бы тело в форме шара.

Надо отметить, что зависимость свойств кристаллов от направления не всегда имеет место для всех свойств. Напри­

мер, кристалл меди, имеющий форму куба, характеризуется по всем направлениям одной и той же электропроводностью

и теплопроводностью, но упругость его зависит от направ­

ления.

В отношении различия свойств по разным направлениям кристалл напоминает собой кусок дерева. Дерево тоже лег­

ко раскалывается вдоль волокон, тогда как в направлении,

перпендикулярном к волокнам, оно

значительно более прочно. Дерево

также имеет различную теплопро­

водность в разных направлениях

(вдоль. волокон и поперек их)

и т. д. Однако между свойствами

больше. Таким образом, дерезе

неоднородно. Кусокдерева от сердцевины имеет одни свойст­ ва, годен на одни поделки; кусок, близкий к коре, имеет более плоские слои и подходит для других изделий (рис. 443). Кристаллы же - совершенно однородные rmла. У крИСе

талла нет «середины», все части куска кристалла имеют одни

и те же свойства. .

Все вышесказанное относится к монокристаллам. С по­

ликристаллическими телами дело обс'!'оит иначе. Так как

они представляют собой беспорядочные скопления много-

49.1

численных мелких кри~аллов, то однородность их значи­

тельно меньше, чем у монокристаллов. С другой стороны, в

поликристаллах не наблюдается различия в свойствах по

разным направлениям. Объясняется это тем, что по любому

направлению, проведенному внутри тела, встречается мно­

жество кристалликов, повернутых самым различным обра­ зом. Поэтому электропроводность, теплопроводность и

вообще любое свойство тела являются некоторой средней

величиной, относящейся ко всем этим МНОГОЧИС.'1енным крис­ талликам. Это среднее значение одина~ово для всех направ­ лений внутри тела.

Размеры кристалликов, из I<OТOPblX состоит поликриста.'!­

лическое тело, существенно влияют на прочность этого те­

ла. Один и тот же материал (например, сталь определенного

состава), состоящий из мелких кристалликов, обычно проч­ нее, чем тот же материал, состоящий из более КРУПНЫХ

кристалликов. Если, например, в вольфраыовой нити, IIЗ

которой изготовляют ВОЛОСОК лампы накаливания, образу­ ется кристаллик настолько большой, ч;го он займет все се­

чение нити, то ВО.'10СОК сломается ~епременно в этом месте.

Иногда кристаллики, срастаясь между собой, образуют

волокна. Это способствует увеличению прочноети. Мы видим

теперь, что строение поликристаллического те.'1а иыеет

огромное значение для техники.

Итак, поликристаллическое телО' с беспорядочно распо­

ложенными кристалликами по своим свойствам похоже на

некристаллическое тело. Это было одной из причин, почему

раньше считали, что кристаллическое состояние не очень

распространено в природе. В 1912 г. был открыт новый

способ исследования строения тел - при помощи рентге­

н.овских лучей. Эти:v! методом было установлено, что подав­

ляющее количество окружающих нас тел - все металлы,

все минералы, растительные волокна, белковые вещества,

сажа и т. д.- состоит из кристаллов, иногда настолько,

мелких, что их нельзя рассмотреть даже в микроскоп,

дающий большое увеличение.

?264.1. Рассмотрите в сильную лупу изломы разных металлов:

•чугуна, меди н т. п. Найднте в них грани мелких кристаллов,

составляющих данный кусок металла.

§265_ Аморфные тела. Второй вид твердого состояния -

аморфное состояние - резко отличается от'кристаллическо­

го. В телах, находящихся в аморфном состоянии, нельзя

обнаружить даже очень малые области, внутри которых

наблюдалась бы зависимость физических СВОЙСТВ от направ-

494

ления. Тепловые, электрические и оптические свойства

аморфных тел оказываются сове.ошеино не зависящими от

направления.

В аморфном состоянии могут находиться и такие вещест­ ва, которые обычно имеют кристаллическое строение. Так,

например, кристалл кварца, если его расплавить (это про­ исходит при температуре 1700 ОС), при охлаждении образует так называемый плавленый кварц, имеЮЩl:lЙ меньшую плот­

ность, чем кристаллический, и обладающий свойствами,

совершенно ОдИнаковыми по всем направлениям, притом

сильно отличающимися от свойств кристаллического квар­

ца. У кристаллического кварца коэффициенты линейного

расширения для двух взаимно перпендикулярных направ­

лений равны 1,3 ·10-~ и 8 ·10-6 K-~, а у плавленого кварца коэффициент линейного расширения для всех направлений

один и тот же: 4 ·10-1 K-l.

Теплопроводности кристаллического кварца для тех же направлений разнятся почти в два раза, в то время как у плавленого кварца теплопроводность для всех направлений

одна и та же, причем он в двадцать рщ~ меньше наименьших

теплопроводностей кристаллического кварца. Различие в

теплопроводности аморфного и кристаллического кварца

при низких температурах становится еще более значитель­

ным. Аморфное состояние вещества, вообще ГОВОрЯ, - неус­

тойчивое состояние. ПО прошествии некоторого времени

аморфное вещество переходит в кристаллическое. Нередко,

однако, время это бывает весьма значительным и измеряется

годами и десятилетиями.

Наиболее важный пример аморфного состояния представ­

ляет собой стекло (аморфный сплав силикатов). Аморфными

являются канифоль, сахарный леденец и многие другие тела. Все эти вещества с течением времени мутнеют (стекло «расстеКЛОБывается», леденец «засахаривается» И т. п.).

Это помутнение связано с появлеНJlем внутри стекла или

леденца мелких кристалликов, оптические свойства которых иные, чем окружающей их а."dорфноЙ среды.

§ 266. Кристаллическая решетка. Как объясняет свойства

кристаллов молекулярная теория? В начале XIX века впервые было высказано предположение, что внешне пра­ вильная форма кристаллов обусловлена внутренне правилъ­

ным расположением частиц, из которых состоят кристаллы,

т. е. атомов. На основании исследований посредством рент­

геНОВСКИХ,~ей было выяснено, что это предположение

справедливо.

Частицы, составляющие кристаллы, расположены друг

относительно друга в определенном порядке, на определен­

ных расстояниях друг от друга. Конечно, вследствИе тепло­

вого движения расстояния между частицами все время

немного меняются, но можно говорить о некотором среднем

для. каждой температуры расстоянии. Совокупность узлов,

т. е'. точек, соответствующих средним положениям частиц,

составляющих кристалл, называют nростра1-lстве1-l1-l0Й ре­

шеткой этого кристалла.

Частицами, из которых состоят кристаллы, в некоторых

случаях являются электрически заряженные частицы­

J.OHb.l. Ионами называют атомы (или группы атомов), поте­

рявшие или, наоборот, присоединившие к себе один, два

или больше электронов. Если атом потерял электроны, он

ке кристалла хлористого натрия

того натрия (ПО8'аренной со-

ли), Молекулу этого вещества мы представляем себе состоящей из одного атома хлора и

одного атома натрия (NaCI). Такими являются эти молеку­

лы в парах соли. Экспериментальное исследование показа­

ло, что в твердом кристалле нет молекул NаС! в том смысле,

как это упоминалось выше. Кристаллическая решетка хло­

ристого натрия состоит не из молекул хлористого натрия,

а из чередующихся ионов хлора и натрия (рис. 444). Каж­

дый ион натрия окружен шестью ионами хлора, расположен­

ными по трем ВЗЩ:IМНО перпендикулярным направлениям,

а каждый ион хлора в свою очередь окружен шестью ионами

натрия.

Подобные решетки имеют многие соли, состоящие из двух атомов (бромистое и хлористое серебро, йодистый ка­

лий, многие сернистые металлы и т. д.). Расстояния между

средними положениями ионов в решетках разных веществ

неодинаковы. У хлористого натрия расстояние между сосед­

ними ионами равно 2,81·10-tО м, у хлористого серебра

496

2,77·10-10 м, У йодистого калия 3,54·10-10 м и т. д.*).

Существуют и более сложные ионные кристаллы. Так. на­

пример, решетка исландского шпата (СаСОа) состоит из

ионов СаН и ионов CO~-.

Кроме ионных кристаллов, существуют также кристаJl"

лы, состоящие из незаряженных частиц - атомОВ или ~!O­

лекул. Например, решетка алмаза состоит из атомов угде­

рода, решетка кристаллов льда - из молекул воды (Н2О),

решетка нафталина - из больших молекулярных групп

(С10Нв) и т. д. Расстояния между атомами таких кристаЛ"10В

также порядка 10-10 м.

далеко не всегда атомы или ионы расположены в решет­

ке, представляющейсовокупность кубов (кубические решет­

ки), как это имеет место у NaC! и др. Большинство решеток

Рис. 445. Пространственная решетка кристаллов льда: а) вид сверху; 6) вид сбоку. Шарики изображают атомы кислорода; положения ато~IOВ

водорода не показаны

имеет гораздо более сложный вид. Примером является ре­ шетка льда (рис. 445). Как же объяснить зависимость физи­

ческих свойств кристаллов от направления?

Пусть на рис.. 446, i1 кружки изображают атомы жидкос­ ти (например, ртути), расположенные в некоторой плоскос­ ти. Выберем некоторый атом А и проведем через него пря­

мые линии по разным направлениям. Ясно, что благодаря

полной хаотичности расположения атомов на одинаковых отрезках любой из этих прямых будет находиться практи­

чески одно и то же число атомов. Это значит, что при хаоти­

ческом расположении атомов все направления равноправны.

молярная масса равна 0,143 кг/моль, а плотность 5,56·103 кг/м3• Следо­

вательно, \ м3 содержит 5,56 ·\03 : О, \43=38 880 моль. 1 моль соли со­

держит 6,02·\023 молекул, т. е. \2,04·1023 атомов. Значит, число ато­

мов в 1 м3 равно 38 880·\2,04·1023=4,68·1028. Вдоль каждого ребра ку-

ба объема \ мВ расположено V4,68.I02S-З,60.\09 атомов. Следователь­

491

Не то будет, если мы произведем такое же построение

при лравильном расположении атомов, характерном для

кристалла, например таком, какое изображено на рис.

446, б.. Видно, что прямые, проведенные по wаправлениям

Рис. 446. а) Беспорядочное расположение частиц в жидкости. Любая прямая (ВВ, се, DD, . . ;), проведенная через молекулу А, встречает одинаковое число частиц (они отмечены черными кружками). б) Упоря­ доченное раСПD.'Iожение атомов в кристалле. Различные прямые (ВВ,

се, DD, . ..), проведенные через моЛекулу А, встречают различное

число атомов

ЕВ или се, встретят много атомов, по направлению DD-

несколько меньше, а по направлению ЕЕ - совсем мало. Это и объясняет, почему физические свойства кристалла

498

талла. Кое-где решеТI{а искажена, имеются участки, где

атом@ расположены в беспорядке, кое-где присутствуют

вкрапления посторонних атомов. Эти местные искажения

играют немаловажную роль для объяснения некоторых

свойств реальных кристаллов.

§ 267. Криста,ллизация. Если в морозный день подышать

на покрытое инеем окно !I этим заставить иней растаять,

то после этого можно наблюдать, как растут иглы ле-дяных

кристаллов. Их образование начинается от какого-нибудь

уже готового кристалла льда; при росте ледяных игл обра­

зуются ответвления в стороны и при этом всегда под одним

и тем же углом. Когда ле­

дяные иглы соприкасают­

ся между собой, они сра­ стаются, образуя узор, со­

стоящий из многих кри­

стаЛ.1I!КОВ (рис. 448).

Рис. 449. Возгонка

кристаллов йода

Подобно росту кристалликов льда происходит рост уШD­

гих других кристаллов из расплавленного состояния (из

расплава). Кроме образования кристаллов из расплава,

можно наблюдать образование кристаллов .из растворов

(напр~мер, выпадение кристаллов азотнокислого калия из

раствора его в воде). Иногда кристаллы образуются прямо

из паров, а не из ЖИДКОСj;И. В ЭТО~l случае они бывают

особенно правильны. ПРИCl1ером этого является образование

инея и снежинок из водяных паров воздуха. Легко наблю-

4\19

дать образование кристалликов йода из паров йода. Поло­ жим два-три кристаллика йода в пробирку и нагреем на пламени то место пробирки, где они лежат (рис. 449). Мы увидим, что кристаллики йода не плавятся, а сразу ИСПqрЯ­

ются (как говорят, возгоняются или сублимируют), образуя

темнобурые пары йода. Затем на холодных местах пробирки получится темный налет. В лупу можно рассмотреть, что

это - множество мелких кристалликов йода. Они образо­

вались из паров йода, который, не переходя в жидкоесостоя­

ние, перешел сразу в твердое - кристаллическое.

§ 268. Плавление и отвердевание. Рассмотрим плавление и отвердевание кристаллических и аморфных тел. Смесь

кристалл - расплав неоднородна: существует резкая раз­

ница между кристаллом и расплавом. Если кристаллы не

слишком мелки, то всегда можно Бидеть, где образовался

кристалл и где еще остался расплав. Это совсем не похоже на застывание аморфных тел. Когда застывает смола, то

она густеет постепенно и одинаково во всех своих частях.

Аморфное тело. застывая. остается однородным.

Важное различие между свойствами кристаллических и аморфных веществ относится к температуре застывания.

Вынесем на мороз сосуд с водой и опустим в него термометр.

т

"

r

Мы увидим, что вода быстро остынет до О ас. Затем начнется

образование льда. Чтобы не дать образоваться корке из льда, будем помешивать воду. Все время, пока образуется лед, температура смеси воды и льда будет держаться равной

О ас. Затем, когда вся вода замерзнет, получившийся лед начнет охлаждаться ниже нуля. Внеся этот сосуд обратно

в теплую комнату, заметим, что температура льда повыша­

ется до О ос, затем держится равной О ос, пока весь лед не

500

растает, и только после этого температура воды в сосуде

поднимается выше этой температуры.

Подобные явления наблюдаются ПрИ затвердевании и плавлении всех чистых кристаллических веществ. Если, на­

пример, наблюдать, как меН5:ется с течением времени .. тем­

пература расплавленного нафталина, и построить график,

показывающий эту зависимость, то получим линию с гори­

зонтальной частью (рис. 450). Эта горизонтальная часть соответствует смеси кристаллов нафталина и расплава. При

затвердевании же некристаллических тел, например смолы,

температура понижается непрерывно, нигде не задержива­

ясь (рис. 451). Отсюда можно вывести заключение, что при

затвердевании аморфных веществ не происходит перехода

вещества в новое состояние. Затвердевание смолы или стек­ ла - только постепенное загустевание их. Стекло можно

рассматривать как очень густую жидкость.

Итак, кристаллические вещества имеют определенные те.мnературы плавления и отвердевания (точки плавления).

Аморфные тела размягчаются при повышении температуры

постепенно. В табл. 15 приведе:rы точки плавления некото­

рых веществ.

?268.1. Насыпьте немного нафталина в пробирку и опустите ее в

•кипяток. При этом нафталин расплавится. Вынув пробирку из

кипятка, опустите в нафталин лабораторный термометр и запи­

сьшайте температуру через каждые полминуты. Как по этим

данным определить температуру плавления нафталина?

§ 269. Удельная теплота плавления. Мы видели, что сосуд

со льдом и водой, внесенный в теплую комнату, не нагре­

вается до тех пор, пока весь лед не растает. При этом из льда

при О ос получается вода при той же температуре. В это

время к смеси лед - вода притекает теплота и, следова-

501