Какими свойствами обладают кристаллические тела
Подробности
Просмотров: 1022
Твердые тела отличаются постоянством формы и объема и делятся на кристаллические и аморфные.
Кристаллические тела
Кристаллические тела (кристаллы) — это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают упорядоченные положения в пространстве.
Частицы кристаллических тел образуют в пространстве правильную кристаллическую пространственную решетку.
Каждому химическому веществу, находящемуся в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая решетка, которая задает физические свойства кристалла.
Знаете ли вы?
Много лет назад в Петербурге на одном из неотапливаемых складов лежали большие запасы белых оловянных блестящих пуговиц. И вдруг они начали темнеть, терять блеск и рассыпаться в порошок. За несколько дней горы пуговиц превратились в груду серого порошка. «Оловянная чума» — так к прозвали эту «болезнь» белого олова.
А это была всего лишь перестройка порядка атомов в кристаллах олова. Олово, переходя из белой разновидности в серую, рассыпается в порошок.
И белое и серое олово — это кристаллы олова, но при низкой температуре изменяется их кристаллическая структура, а в результате меняются физические свойства вещества.
Кристаллы могут иметь различную форму и ограничены плоскими гранями.
В природе существуют:
а) монокристаллы — это одиночные однородные кристаллы, имеющие форму правильных многоугольников и обладающие непрерывной кристаллической решеткой
Монокристаллы поваренной соли:
б) поликристаллы — это кристаллические тела, сросшиеся из мелких, хаотически расположенных кристаллов.
Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру (металлы, камни, песок, сахар).
Поликристаллы висмута:
Анизотропия кристаллов
В кристаллах наблюдается анизотропия — зависимость физических свойств (механической прочности, электропроводности, теплопроводности, преломления и поглощения света, дифракции и др.) от направления внутри кристалла.
Анизотропия наблюдается в основном в монокристаллах.
В поликристаллах (например, в большом куске металла) анизотропия в обычном состоянии не проявляется.
Поликристаллы состоят из большого количества мелких кристаллических зерен. Хотя каждый из них обладает анизотропией, но за счет беспорядочности их расположения поликристаллическое тело в целом утрачивает анизотропию.
Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо — при 1530°,олово — при 232°, кварц — при 1713°, ртуть — при минус 38°.
Нарушить порядок расположения в кристалле частицы могут, только если он начал плавиться.
Пока есть порядок частиц, есть кристаллическая решетка — существует кристалл. Нарушился строй частиц — значит, кристалл расплавился — превратился в жидкость, или испарился — перешел в пар.
Аморфные тела
Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении атомов и молекул (стекло, смола, янтарь, канифоль).
В амофных телах наблюдается изотропия — их физические свойства одинаковы по всем направлениям.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства (при ударах раскалываются на куски как твердые тела) и текучесть (при длительном воздействии текут как жидкости).
При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела, а при высоких температурах — подобны очень вязким жидкостям.
Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления, а значит,и температуры кристаллизации.
При нагревании они постепенно размягчаются.
Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.
Интересно
Одно и то же вещество может встречаться и в кристаллическом и в некристаллическом виде.
В жидком расплаве вещества частицы движутся совершенно беспорядочно.
Если, например, расплавить сахар, то:
1. если расплав застывает медленно, спокойно, то частицы собираются в ровные ряды и образуются кристаллы. Так получается сахарный песок или кусковой сахар;
2. если остывание происходит очень быстро, то частицы не успевают построиться правильными рядами и расплав затвердевает некристаллическим. Так, если вылить расплавленный сахар в холодную воду или на очень холодное блюдце, образуется сахарный леденец, некристаллический сахар.
Удивительно!
С течением времени некристаллическое вещество может «переродиться», или, точнее, закристаллизоваться, частицы в них собираются в правильные ряды.
Только срок для разных веществ различен:для сахара это несколько месяцев, а для камня — миллионы лет.
Пусть леденец полежит спокойно месяца два-три.Он покроется рыхлой корочкой. Посмотрите на нее в лупу: это мелкие кристаллики сахара. В некристаллическом сахаре начался рост кристаллов. Подождите еще несколько месяцев — и уже не только корочка, но и весь леденец закристаллизуется.
Даже наше обыкновенное оконное стекло может закристаллизоваться. Очень старое стекло становится иногда совершенно мутным,потому что в нем образуется масса мелких непрозрачных кристаллов.
На стекольных заводах иногда в печи образуется «козел», то есть глыба кристаллического стекла. Это кристаллическое стекло очень прочное.Легче разрушить печь, чем выбить из нее упрямого «козла».
Исследовав его, ученые создали новый очень прочный материал из стекла — ситалл. Это стеклокристаллический материал, полученный в результате объёмной кристаллизации стекла.
Любопытно!
Могут существовать разные кристаллические формы одного и того же вещества.
Например, углерод.
Графит — это кристаллический углерод. Из графита сделаны стержни карандашей, которые оставляют след на бумаге при легком надавливании. Структура графита слоиста. Слои графита легко сдвигаются, поэтому чешуйки графита пристают к бумаге при письме.
Но существует и другая форма кристаллического углерода — алмаз.
Так расположены атомы углерода в кристалле графита (слева) и алмаза (справа).
Алмаз — самый твердый на земле минерал.
Алмазом режут стекло и распиливают камни, применяют для бурения глубинных скважинах, полируют сверхтвердые сплавы, алмазы необходимы для производства тончайшей металлической проволоки диаметром до тысячных долей миллиметра, например, вольфрамовых нитей для электроламп.
Молекулярная физика. Термодинамика — Класс!ная физика
Основные положения МКТ. Масса и размер молекул. Количество вещества. —
Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. —
Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. —
Температура. Тепловое равновесие. Абсолютная шкала температур. —
Уравнение состояния идеального газа. —
Изопроцессы. Газовые законы. —
Взаимные превращения жидкостей и газов. Влажность воздуха. —
Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела.
Твердыми являются кристаллические и аморфные тела. Кристалл — так в древности называли лед. А потом стали называть кристаллом кварц и горный хрусталь, считая эти минералы окаменевшим льдом. Кристаллы бывают природными и искусственными (синтетическими). Они используются в ювелирной промышленности, оптике, радиотехнике и электронике, в качестве опор для элементов в сверхточных приборах, как сверхтвердый абразивный материал.
Кристаллические тела характеризуются твердостью, имеют строго закономерное положение в пространстве молекул, ионов или атомов, в результате чего образуется трехмерная периодическая кристаллическая решетка (структура). Внешне это выражается определенной симметрией формы твердого тела и его определенными физическими свойствами. Во внешней форме кристаллические тела отражают симметрию, свойственную внутренней «упаковке» частиц. Это определяет равенство углов между гранями всех кристаллов, состоящих из одного и того же вещества.
В них равными будут и расстояния от центра до центра между соседствующими атомами (если они расположены на одной прямой, то это расстояние будет одинаковым на всей протяженности линии). Но для атомов, лежащих на прямой с другим направлением, расстояние между центрами атомов будет уже иным. Этим обстоятельством объясняется анизотропия. Анизотропность — главное, чем отличаются кристаллические тела от аморфных.
Более 90% твердых тел можно отнести к кристаллам. В природе они существуют в виде монокристаллов и поликристаллов. Монокристаллы — одиночные, грани которых представлены правильными многоугольниками; для них характерно наличие непрерывной кристаллической решетки и анизотропии физических свойств.
Поликристаллы — тела, состоящие из множества мелких кристаллов, «сросшихся» между собой несколько хаотично. Поликристаллами являются металлы, сахар, камни, песок. В таких телах (например, фрагмент металла) анизотропия обычно не проявляется из-за беспорядочного расположения элементов, хотя отдельно взятому кристаллу этого тела свойственна анизотропия.
Другие свойства кристаллических тел: строго определенная температура кристаллизации и плавления (наличие критических точек), прочность, упругость, электропроводность, магнитопроводность, теплопроводность.
Аморфные — не имеющие формы. Так дословно переводится это слово с греческого. Аморфные тела созданы природой. Например, янтарь, воск, вулканическое стекло. К созданию искусственных аморфных тел причастен человек — стекло и смолы (искусственные), парафин, пластмассы (полимеры), канифоль, нафталин, вар. Аморфные вещества не имеют кристаллической решетки вследствие хаотичного расположения молекул (атомов, ионов) в структуре тела. Поэтому физические свойства для какого-либо аморфного тела изотропны — одинаковы во всех направлениях. Для аморфных тел не существует критической точки температуры плавления, они постепенно размягчаются при нагревании и переходят в вязкие жидкости. Аморфным телам отведено промежуточное (переходное) положение между жидкостями и кристаллическими телами: при низких температурах они твердеют и становятся упругими, кроме того, могут раскалываться при ударе на бесформенные куски. При высоких температурах эти же элементы проявляют пластичность, становясь вязкими жидкостями.
Теперь вы знаете, что такое кристаллические тела!
В зависимости от внутреннего строения твердые тела бывают либо кристаллическими, либо аморфными. Молекулы и атомы кристаллов расположены в определенной, повторяющейся последовательности на больших расстояниях, сохраняя так называемый дальний порядок. Атомы и молекулы в аморфных телах размещены неупорядоченно, для них характерен ближний порядок со строением аналогичным жидкому состоянию вещества. Рассмотрим основные отличия кристаллических тел от аморфных, которые проявляются в их физических свойствах.
Твердые тела
Все твердые тела обладают следующими общими свойствами:
- Способностью долгое время сохранять форму и объем (геометрические размеры);
- Наличием упругих сил, которые возникают при небольших изменениях объема от внешнего воздействия (сжатия, растяжения или сдвига).
Рис. 1. Примеры решеток кристаллических и аморфных тел – кварц аморфный и кристаллический.
Современные ученые исследуют пространственное расположение атомов и молекул в твердых телах с помощью электронных микроскопов, которые позволяют получить изображение объекта с сильным увеличением (до 106 раз). Первый электронный микроскоп был изобретен в 30-х годах прошлого века. В 2018 г. с помощью последних версий этого прибора было получено разрешение 0,39 ангстрем. Напомним, что 1 ангстрем равен 10-8 см. В большинстве кристаллов это соответствует шагу атомной решетки.
Аморфные тела
Смола, воск, графит, изделия из стекла и янтаря, пластмассы — все это примеры аморфных тел (от греч.слова Amorphous — бесформенный, некристаллический).
Отсутствие дальнего порядка в расположении частиц вещества у аморфных тел приводит к тому, что их физические свойства одинаковы во всех направлениях. Такие тела называют изотропными (слово “изотропный” составлено из двух греческих слов: isos — ровный, tropos — направление). Изотропность физических свойств аморфных тел является следствием хаотичного расположения составляющих их молекул и атомов.
Характерной особенностью аморфных тел является отсутствие определенной температуры плавления, то есть отсутствует четкий переход от твердого состояния к жидкому: при нагревании аморфное тело становится только более текучим.
Кристаллические тела
Твердые тела, в которых молекулы и атомы расположены упорядоченно и образуют периодически повторяющуюся структуру, называются кристаллами. Физические свойства кристаллов (упругие, механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические) в разных направлениях неодинаковы. Такое свойство называется анизотропностью. Анизотропия кристаллов объясняется тем, что при упорядоченном расположении частиц расстояния между ними и силы взаимодействия (притяжения и отталкивания) оказываются неодинаковыми в разных направлениях.
Различают кристаллические тела двух видов: монокристаллы и поликристаллы. Главным признаком монокристаллов является повторяющееся внутреннее строение (структура) во всем объеме тела.
Поликристалл — это совокупность (набор) сросшихся друг с другом, хаотически ориентированных, небольших кристаллов. Каждый маленький кристалл обладает свойствами анизотропии, но их совокупность — поликристалл — изотропен.
Рис. 2. Монокристаллы и поликристаллы.
Часто встречаются кристаллические тела одинаковые по своему химическому составу, но обладающие очень разные физические свойства. Самый известный пример — это углерод, имеющий две модификации: графит и алмаз. Разное строение кристаллических решеток является причиной того, что алмаз имеет рекордные показатели твердости, а графит из-за его мягкости используется в качестве грифелей для карандашей.
Рис. 3. Графит и алмаз.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что кристаллические и аморфные тела кроме общих признаков, которые относят их к твердым телам, имеют совершенно разные физические свойства. Аморфные тела обладают изотропными свойствами, а для кристаллов характерна анизотропия физических параметров. Кристаллические тела делятся на монокристаллы и поликристаллы.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4. Всего получено оценок: 233.
КРИСТАЛЛОГРАФИЯ
СИММЕТРИЯ
Лекция 1
Лекция 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ И СВОЙСТВАХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ
Содержание
1.1. Кристаллография как наука.
1.2. Виды твёрдых тел.
1.3. Отличительные особенности кристаллических и аморфных тел.
1.4. Особые свойства кристаллов.
1.5. Виды связей в кристаллах.
1.6. Силы взаимодействия частиц.
1.7. Кристаллическая решётка. Элементарная ячейка.
1.8. Индексы Миллера.
1.9. Рентгеноструктурный анализ.
КРИСТАЛЛОГРАФИЯ КАК НАУКА
Кристаллография– наука об атомно-молекулярном строении, симметрии, физических свойствах, образовании и росте кристаллов. Как самостоятельная наука существует с середины XVIII века. Сначала она развивалась как геометрическая кристаллография в тесной связи с минералогией, которая устанавливала закономерности огранки природных кристалликов, имеющих естественную форму правильных многогранников (Р. Гаюи). Затем появилась теория симметрии внешней формы кристаллов (А.В. Гадолини).
Геометрическая кристаллографияопределяет совокупность методов описания кристаллов и закономерности их огранки. В этой теории возникла гипотеза об упорядоченном трёхмерно-периодическом расположении частиц в кристалле с образованием кристаллической решётки (О. Браве, Е.С. Фёдоров, А. Шёнфлис).
Экспериментальными исследованиями дифракции рентгеновских лучей на кристаллах было подтверждено решёточное строение кристаллов и положено начало структурной кристаллографии(М. Лауэ). В качестве основных структурная кристаллографияиспользует метод рентгеноструктурного анализа, электроно- и нейтронографии, а также методы оптической и электронной спектроскопии. В результате всех исследований к настоящему времени определена структура более 105химических веществ.
Предметом кристаллохимии является изучение законов взаимного расположения атомов и молекул в кристаллах, их химических связей и плотнейших упаковок, а также явлений изо- и полиморфизма.
Кристаллооптика занимается вопросами прохождения света через прозрачные анизотропные кристаллы, сформулировала многие закономерности взаимного влияния симметрии и анизотропии физических свойств.
Кристаллофизикарассматривает в едином русле форму, симметрию и физические свойства кристаллов; занимается вопросами исследования механических, оптических, электрических, магнитных и других свойств кристаллов. В этой части кристаллография смыкается с физикой твёрдого тела.
В кристаллографии изучаются разнообразные дефекты построения идеальной кристаллической решётки: точечные, линейные (дислокации), поверхностные и объёмные. Многие из них появляются в результате роста кристалла или при внешнем воздействии на кристалл напряжением, облучением и т. д.
Для современной кристаллографиихарактерно дальнейшее изучение атомной и дефектной структур кристаллов, процессов их роста, поиск новых свойств и материалов. Основная задача кристаллографии как науки на сегодняшний день – получение новых материалов с важными физическими свойствами. К решению этой задачи необходимо подходить комплексно, рассматривая атомную структуру, анизотропию свойств, взаимодействие кристаллов с окружающей средой в их взаимодействии.
В современной кристаллографии исследуются строение и свойства различных агрегатов из микрокристалликов (поликристаллов, текстур, керамик), а также вещества с атомной упорядоченностью, близкой к кристаллической (жидкокристаллические вещества, полимерные и композиционные материалы).
Симметричные и структурные закономерности, изучаемые в кристаллографии, используются при рассмотрении общих закономерностей строения и свойств аморфных тел и жидкостей, полимеров, квазикристаллов, макромолекул, надмолекулярных аморфно-кристаллических, а также биологических структур. Поэтому современная кристаллография представляет собой обобщённую кристаллографию,математический аппарат которой основан на дискретной геометрии, теории групп, тензорном исчислении и теории преобразований Фурье.
ВИДЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Твёрдое телосостоит из большого числа частиц. Этими частицами могут быть атомы, атомные остатки, ионы, молекулы, макромолекулы. Концентрация частиц в твёрдых телах высока: (1026 – 1029) м-3 . Расстояния между частицами составляют несколько нанометров.
Структуру твёрдых телисследуют дифракционными методами, основанными на дифракции рентгеновских лучей, электронов, нейтронов, используя при этом стандартные установки: рентгеновский дифрактометр, электронный микроскоп, ионный проектор и др. Физика твёрдого тела и кристаллография имеют прямое отношение к нанотехнологиям (рис. 1.1). Нанотехнологии разрабатываются на эффектах, возникающих на уровне атомных размеров.
Свойства твёрдых телобъясняются многими факторами и зависят от химического состава вещества, типа частиц, их внутреннего расположения, типа химической связи между частицами.
Свойства кристаллов широко применяются в оптике, акустике, радиоэлектронике, металловедении, металлургии, химии, медицине. Твёрдые тела встречаются в природе в виде кристаллических и аморфных тел, а также полимеров. В физике к твёрдым телам относят только кристаллические тела.
Рис. 1.1. Электронная микрофотография структуры алмаза вдоль направления [110]
Кристаллы– твёрдые тела, обладающие трёхмерной периодической атомной структурой и имеющие при равновесных условиях образования естественную форму правильных симметричных многогранников. Атомная структура кристалла описывается как совокупность повторяющихся в пространстве одинаковых элементарных ячеек, имеющих форму параллелепипеда. Кристаллы, выросшие в равновесных условиях, имеют форму правильных многогранников той или иной симметрии. Грани кристалла плоские, а рёбра между гранями — прямолинейные. Выросшие в неравновесных условиях кристаллы не имеют правильной огранки, но сохраняют кристаллическую структуру и все присущие данной структуре свойства. Неравновесные условия кристаллизации приводят к отклонениям только формы от правильного многогранника – к округлости граней и рёбер. Примерами кристаллических тел являются горный хрусталь, поваренная соль, драгоценные камни.
В кристаллахчастицы расположены правильными, симметричными, периодически повторяющимися рядами, сетками, решётками. Кристаллы вырастают в форме многогранников (рис. 1.2). Способность кристалла приобретать конкретную форму – это проявление его физических свойств, определяющихся его структурой, симметрией и химическими связями между его частицами.
Рис. 1.2. Внешний вид кристаллических тел
Кристаллические тела встречаются в природе в виде моно- и поликристаллов. Монокристаллы(большие одиночные кристаллы) получают при создании специальных условий кристаллизации (рис. 1.3).
Рис. 1.3.Монокристаллы кремния
Монокристалл состоит из блоков мозаики,размер которых в монокристалле составляет (10–6–10–8) м. Так как кристаллическая решетка в соприкасающихся блоках имеет различную ориентацию, то возникает переходный слой, в котором решетка постепенно переходит от одной ориентации, свойственной одному блоку, к другой ориентации, свойственной другому блоку. Поэтому решетка в этом слое искажена по сравнению с решеткой идеального кристалла. Поликристаллсостоит из беспорядочно ориентированных кристалликов (кристаллитов) малых размеров (рис. 1.2, справа). Размер кристаллитов порядка 10–4 м.
Аморфные тела– вещества, в атомном строении которых нет порядка: частицы расположены беспорядочно, независимо друг от друга (воск, пластилин). Отличительной особенностью аморфных тел является изотропностьвсех физических и механических свойств.
Полимерысостоят из многочисленных звеньев одинакового химического состава – макромолекул. Например, полимерным материалом является политетрафторэтилен, химическая формула которого (СF2)n, где n = 13.
К особым видам твёрдых тел относятся жидкокристаллические тела,нашедшие широкое применение в телевидении и сотовой связи, и закристаллизованные жидкости,которые обладают особыми свойствами.
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И АМОРФНЫХ ТЕЛ
Рассмотрим некоторые свойства твёрдых тел, которые характеризуют их как кристаллические или аморфные тела.
1. Кристаллыимеютупорядоченное расположение частиц на сколь угоднобольших расстояниях. Частицы расположены в узлах кристаллической решётки.Аморфные тела имеют упорядоченноерасположение частиц на небольших расстояниях (в так называемых группах) (рис.1. 4). Расположение частиц в веществе характеризуется наличием дальнего и ближнего порядков.
Рис. 1.4. Вещество H2O в двух агрегатных состояниях: воды (1) и льда (2)
2. Дальний порядок– упорядоченное расположение частиц на сколь угодно больших расстояниях от рассматриваемой частицы.
– характеризуется коэффициентом α.
Ближний порядок– упорядоченное расположение частиц на малых расстояниях от рассматриваемой частицы.
– характеризуется коэффициентом β.
| Агрегатное состояние вещества | коэффициент дальнего порядка α | коэффициент ближнего порядка β |
| кристаллические тела | 1 | 1 |
| аморфные тела | < 1 | > 0 |
| жидкости | 0 | 1 |
| газы | 0 | 0 |
3. Кристаллические и аморфные тела различаются ходом температурной зависимости температуры плавления.
4. Для кристаллов характерно наличие анизотропии. Анизотропия– зависимость свойств вещества от направления в кристалле. Например, слюда по-разному разламывается в различных направлениях. Анизотропией диэлектрической проницаемости объясняется существование в кристаллах турмалина двойного лучепреломления (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Двойное лучепреломление в кристалле турмалина
Обладают анизотропией очень многие физические и механические свойства кристаллических тел, например: теплопроводность, электропроводность, скорость света, двойное лучепреломление. Аморфные тела изотропны,у них свойства одинаковы по всем направлениям в веществе. Примером является пластилин, который легко сжимается в любых направлениях.