В твердом состоянии большинство веществ имеет кристаллическое строение. В этом легко убедиться, расколов кусок вещества и рассмотрев полученный излом. Обычно на изломе (например, у сахара, серы, металлов) хорошо заметны расположенные под разными углами мелкие грани кристаллов, поблескивающие вследствие различного отражения ими света. В тех случаях, когда кристаллы очень малы, кристаллическое строение вещества можно установить при помощи микроскопа.

Каждое вещество обычно образует кристаллы совершенно определенной формы. Например, хлорид натрия кристаллизуется в форме кубов (рис. 59,а), квасцы - в форме октаэдров (рис. 59,б), нитрат натрия - в форме призм (рис. 59, в) и т. д. Кристаллическая форма - одно из характерных свойств вещества.

Классификация кристаллических форм основана на симметрии кристаллов. Различные случаи симметрии кристаллических многогранников подробно разбираются в курсах кристаллографии. Здесь укажем только, что все разнообразие кристаллических форм может быть сведено к семи группам, или кристаллическим системам, которые, в свою очередь, подразделяются на классы.

Рис. 59. Формы кристаллов: а - хлорид натрия; б - квасцы; в - нитрат натрия.

Рис. 60. Бруски, вырезанные из кристаллов каменной соли: а - в направлении, перпендикулярном граням куба; б - в направлении диагонали одной из граней куба.

Многие вещества, в частности железо, медь, алмаз, хлорид натрия, кристаллизуются в кубической системе. Простейшими формами этой системы являются куб, октаэдр, тетраэдр. Магний, цинк, лед, кварц кристаллизуются в гексагональной системе. Основные формы этой системы-шестигранные призма и бипирамида.

Природные кристаллы, а также кристаллы, получаемые искусственным путем, редко в точности соответствуют теоретическим формам. Обычно при затвердевании расплавленного вещества кристаллы срастаются вместе и потому форма каждого из них оказывается не вполне правильной. При быстром выделении вещества из раствора тоже получаются кристаллы, форма которых искажена вследствие неравномерного роста в условиях кристаллизации.

Однако как бы неравномерно ни происходило развитие кристалла, как бы ни была искажена его форма, углы, под которыми сходятся грани кристалла данного вещества, остаются одними и теми же. Это один из основных законов кристаллографии - закон постоянства гранных углов. Поэтому по величине двугранных углов в кристалле можно установить, к какой кристаллической системе и к какому классу относится данный кристалл.

Особенности кристаллических тел не ограничиваются только формой кристаллов. Хотя вещество в кристалле совершенно однородно, многие из его физических свойств - прочность, теплопроводность, отношение к свету и др. - не всегда одинаковы по различным направлениям внутри кристалла. Эта важная особенность кристаллических веществ называется анизотропией.

Вырежем, например, в различных направлениях из кубического кристалла каменной соли два одинаковой толщины бруска (рис. 60) и определим сопротивление этих брусков разрыву. Оказывается, что для разрыва второго бруска требуется сила в 2,5 раза большая, чем для разрыва первого бруска. Очевидно, что прочность кристаллов каменной соли в направлении, перпендикулярном граням куба, в 2,5 раза меньше, чем в направлении диагоналей.

Во многих кристаллах различие между прочностью по разным направлениям настолько велико, что при ударе или разламывании они раскалываются по тем плоскостям, перпендикулярно к которым прочность минимальна. Это свойство кристаллов называется спайностью. Примером проявления спайности могут служить кристаллы слюды, раскалывающейся, как известно, на тончайшие пластинки.

Вперед >>>

Рис. 59. Формы кристаллов: а - хлорид натрия; б - квасцы; в - нитрат натрия.

<<< Назад

Вперед >>>

Агрегатные состояния вещества.

В этом разделе мы рассмотрим агрегатные состояния , в которых пребывает окружающая нас материя и силы взаимодействия между частицами вещества, свойственные каждому из агрегатных состояний.

1. Состояние твёрдого тела ,

2. Жидкое состояние и

Газообразное состояние.

Часто выделяют четвёртое агрегатное состояние – плазму .

Иногда, состояние плазмы считают одним из видов газообразного состояния.

Плазма - частично или полностью ионизированный газ , чаще всего существующий при высоких температурах.

Плазма является самым распространённым состоянием вещества во вселенной, поскоьку материя звёд пребывает именно в этом состоянии.

Для каждого агрегатного состояния характерны особенности в характере взаимодействия между частицами вещества, что влияет на его физические и химические свойства.

Каждое вещество может пребывать в разных агрегатных состояниях. При достаточно низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии . Но по мере нагрева они становятся жидкостями , затем газами . При дальнейшем нагревании они ионизируются (атомы теряют часть своих электронов) и переходят в состояние плазмы .

Газообразное состояние (от нидерл. gas, восходит к др.-греч. Χάος ) характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами.

Образующие газ молекулы или атомы хаотически движутся и при этом преобладающую часть времени находятся на больших (в сравнении с их размерами) растояниях друг от друга. Вследствие этого силы взаимодействия между частицами газа пренебрежимо малы .

Основной особенностью газа является то, что он заполняет все доступное пространство, не образуя поверхности. Газы всегда смешиваются. Газ - изотропное вещество , то есть его свойства не зависят от направления.

При отсутствии сил тяготения давление во всех точках газа одинаково. В поле сил тяготения плотность и давление не одинаковы в каждой точке, уменьшаясь с высотой. Соответственно, в поле сил тяжести смесь газов становится неоднородной. Тяжелые газы имеют тенденцию оседать ниже, а более легкие - подниматься вверх.

Газ имеет высокую сжимаемость - при увеличении давления возрастает его плотность. При повышении температуры расширяются.

При сжатии газ может перейти в жидкость , но конденсация происходит не при любой температуре, а при температуре, ниже критической температуры. Критическая температура является характеристикой конкретного газа и зависит от сил взаимодействия между его молекулами. Так, например, газ гелий можно ожижить только при температуре, ниже от 4,2 К .

Существуют газы, которые при охлаждении переходят в твердое тело, минуя жидкую фазу. Превращения жидкости в газ называется испарением, а непосредственное превращение твердого тела в газ - сублимацией .

Твёрдое тело

Состояние твёрдого тела в сравнении с другими агрегатными состояниямихарактеризуется стабильностью формы .

Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела .

Кристаллическое состояние вещества

Стабильность формы твёрдых тел связана с тем, что большинство, находящихся в твёрдом состоянии имеет кристалическое строение .

В этом случае расстояния между частицами вещества малы, а силы взаимодействия между ними велики, что и определяет стабильность формы .

В кристаллическом строении многих твёрдых тел легко убедиться, расколов кусок вещества и рассмотрев полученный излом. Обычно на изломе (например, у сахара, серы, металлов и пр.) хорошо заметны расположенные под разными углами мелкие грани кристаллов, поблескивающие вследствии различного отражения ими света.

В тех случаях, когда кристаллы очень малы, кристаллическое строение вещества можно установить при помощи микроскопа.

Формы кристаллов

Каждое вещество образует кристаллы совершенно определённой формы.

Разнообразие кристаллических форм может быть сведено к семи группам:

1. Триклинная (параллелепипед),

2.Моноклинная (призма с параллелограммом в основании),

3. Ромбическая (прямоугольный параллелепипед),

4. Тетрагональная (прямоугольный параллелепипед с квадратом в основании),

5. Тригональная ,

6. Гексагональная (призма с основанием правильного центрированного
шестиугольника),

7. Кубическая (куб).

Многие вещества, в частности железо, медь, алмаз, хлорид натрия кристализуются вкубической системе . Простейшими формами этой системы являются куб, октаэдр, тетраэдр .

Магний, цинк, лёд, кварц кристализуются в гексагональной системе . Основные формы этой системы – шестигранные призмы и бипирамида .

Природные кристаллы, а также кристаллы, получаемые искусственным путём, редко в точности соответствуют теоретическим формам. Обычно при затвердевании расплавленного вещества кристаллы срастаются вместе и потому форма каждого из них оказывается не вполне правильной.

Однако как бы неравномерно не происходило развитие кристалла, как бы ни была искажена его форма, углы, под которыми сходятся грани кристалла у одного и того же вещества остаются постоянными.

Анизотропия

Особенности кристаллических тел не ограничиваются только формой кристаллов. Хотя вещество в кристалле совершенно однородно, многие из его физических свойств – прочность, теплопроводность, отношение к свету и др. – не всегда одинаковы по различным направлениям внутри кристалла. Эта важная особенность кристаллических веществ называется анизотропией .

Внутреннее строение кристаллов. Кристаллические решётки.

Внешняя форма кристалла отражает его внутреннее строение и обусловлена правильным расположением частиц, составляющих кристалл, - молекул, атомов или ионов.

Это расположение можно представить в виде кристаллической решётки – пространственного каркаса, образованного пересекающимися прямыми линиями. В точках пересечения линий – узлах решётки – лежат центры частиц.

В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решётки, и от того, какие силы взаимодействия между ними преобладают в данном кристалле, различают следующие виды кристаллических решёток :

1. молекулярные ,

2. атомные ,

3. ионные и

4. металлические .

Молекулярные и атомные решётки присущи веществам с ковалентной связью, ионные – ионным соединениям, металические – металам и их сплавам.

· Атомные кристаллические решётки

В узлах атомных решёток находятся атомы . Они связаны друг с другомковалентной связью .

Веществ, обладающих атомными решётками, сравнительно мало. К ним принадлежаталмаз, кремний и некоторые неорганические соединения.

Эти вещества характеризуются высокой твёрдостью, они тугоплавки и нерастворимы практически ни в каких растворителях. Такие их свойства объясняются прочностьюковалентной связи .

· Молекулярные кристаллические решётки

В узлах молекулярных решёток находятся молекулы . Они связаны друг с другоммежмолекулярными силами .

Веществ с молекулярной решёткой очень много. К ним принадлежат неметаллы , за исключением углерода и кремния, все органические соединения с неионной связью имногие неорганические соединения .

Силы межмолекулярного взаимодействия значительно слабее сил ковалентной связи, поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую твёрдость, легкоплавки и летучи.

· Ионные кристаллические решётки

В узлах ионных решёток располагаются, чередуясь положительно и отрицательно заряженные ионы . Они связаны друг с другом силамиэлектростатического притяжения .

К соединениям с ионной связью, образующим ионные решётки, относится большинство солей и небольшое число оксидов .

По прочности ионные решётки уступают атомным, но превышают молекулярные.

Ионные соединения имеют сравнительно высокие температуры плавления. Летучесть их в большинстве случаев не велика.

· Металлические кристаллические решётки

В узлах металлических решёток находятся атомы металла, между которыми свободно движутся общие для этих атомов электроны .

Механические свойства тел могут существенно различаться. Например, кристаллы поваренной соли в разных направлениях обладают разной прочностью, тогда как у куска смолы прочность одинакова во всех направлениях. Оказалось, что эти различия происходят от различия внутренней структуры веществ.

Кристаллические вещества – вещества, атомы и молекулы которых образуют периодически повторяющуюся внутреннюю структуру.

Анизотропность – зависимость физических свойств вещества от направления.

· Кристаллы анизотропны.

Кристаллическая решетка – пространственная сеть связей, узлы которой совпадают с центрами атомов или молекул вещества.

· Кристаллическая решетка служит для наглядного изображения внутренней структуры кристалла.

Кристаллические вещества: металлы, минералы, кристаллы солей и др.

Аморфные (изотропные) вещества – вещества, физические свойства которых одинаковы во всех направлениях.

· В аморфных веществах кристаллической решетки нет и по своему внутреннему устройству они подобны жидкостям.

Аморфные вещества: смолы, стекло, пластмассы и др.

Дальний порядок

Исследования показали, что кристаллическая решётка имеет периодически повторяющуюся структуру.

Дальний порядок – строение вещества, при котором по любому направлению расстояние между любой парой соседних частиц одинаково.

· Идеальные кристаллические структуры обладают дальним порядком.

· При изменении условий агрегатное состояние вещества может измениться, поэтому в физике твёрдое тело – тело, имеющее кристаллическое строение и обладающее дальним порядком.

4.6.2. Типы связей в кристаллах.
Виды кристаллических структур

Типы кристаллов и кристаллических решеток изучает наука кристаллография . Геометрически кристаллические решётки представляют собой призмы или пирамиды с правильным многоугольником в основании: По типу связей частиц выделены кристаллические структуры:

1) атомная – в узлах находятся нейтральные атомы, объединяемые ковалентными связями (алмаз, графит, кремний и др.);

2) ионная – в узлах находятся положительные и отрицательные ионы, удерживаемые силами электрического взаимодействия (Na + Cl – и др.);

3) молекулярная – в узлах находятся нейтральные молекулы, между которыми действуют силы межмолекулярного взаимодействия (нафталин, твёрдый азот, сухой лед , лед и др.);

4) металлическая – в узлах находятся положительно заряженные ионы металла, между узлами движутся свободные электроны.

Плавление и кристаллизация

При нагревании аморфного тела (п.4.6) амплитуда движения его молекул возрастает, тело становится пластичным (мягким, а затем и жидким). При охлаждении подвижность молекул снижается, вещество затвердевает. При этом внутренняя структура вещества не меняется. Эти процессы сопровождаются плавным изменением температуры.

Кристаллические вещества (п.4.6.2) находятся в твёрдом состоянии, пока атомы не обладают энергией движения, достаточной для преодоления электрических сил, удерживающих кристаллическую решётку. При достаточном нагревании колебания атомов возрастают, дальний порядок и кристаллическая решётка разрушаются, твёрдое тело превращается в жидкость.

· Температура плавления зависит от вещества и повышается при увеличении внешнего давления.

· При плавлении внутренняя энергия вещества увеличивается.

Температура кристаллизации равна температуре плавления, а удельная теплотакристаллизации равна удельной теплоте плавления (п.3.1.5).

Процесс кристаллизации начинается вокруг примесей, пылинок и др. нарушений чистоты вещества, которые становятся центрами кристаллизации.

· Некоторые вещества (состоящие из удлинённых палочкообразных молекул) при определённых условиях имеют структурные свойства, промежуточные между кристаллом и жидкостью. Их называют жидкими кристаллами . При охлаждении жидкие кристаллы превращаются в твёрдые.

График фазовых переходов

Зависимость температуры Т от времени t для различных фазовых состояний вещества имеет вид:

– начальная (конечная) температура твердого тела;

– температура плавления (кристаллизации) вещества;

– температура парообразония (конденсации);

– максимальная температура;

– теплота нагревания (охлаждения) твердого тела;

– теплота плавления (кристализации);

- теплота нагревания (охлаждения) жидкости;

– теплота парообразования (конденсации);

– теплота нагревания (охлаждения) газа.

Электромагнетизм

Многие явления природы (вспышка молнии, взаимодействия магнитов, атомов в твёрдых телах и пр.) можно объяснить только с точки зрения электромагнетизма .

Электромагнетизм – раздел физики, в котором изучаются электрические и магнитные явления .

· В электромагнетизме явления природы объясняют с помощью понятий электрического заряда (п.5.1.1.1), электрического (п.5.1.1.5) и магнитного (п.5.2.1) полей .

Электрические явления – совокупность явлений, связанных с существованием, движением и взаимодействием электрических зарядов, осуществляемым посредством электрического поля.

Магнитные явления – совокупность явлений, связанных с взаимодействиями между электрическими токами (п.5.1.2.1), между электрическими токами и магнитами и между магнитами, осуществляемыми посредством магнитного поля.

Традиционно электромагнетизм делят на два раздела:

1. Электричество – раздел электромагнетизма, в котором изучаются электрические явления.

2. Магнетизм – раздел электромагнетизма, в котором изучаются магнитные явления.

Электричество

Электростатика

Электростатика – раздел электричества, в котором изучаются взаимодействие и условия равновесия неподвижных относительно ИСО электрических зарядов.

5.1.1.1. Электрический заряд. Электромагнитные
взаимодействия. Электризация тел

Положим бумажку на стол и несколько раз с нажимом проведём по ней пластмассовой палочкой. Можно отметить, что бумажка притягивается к палочке. Значит, в результате трения они приобрели новое свойство или, как говорят, стали наэлектризованными.

Наэлектризованное тело – тело, обладающее свойствами, проявляющимися в электрических явлениях.

Необходима количественная мера свойств наэлектризованного тела.

Электрический заряд (Q; q ) – мера свойств наэлектризованных тел, проявляющихся в электрических явлениях [Q] = 1 Кл – кулон.

Взаимодействия наэлектризованных тел относят к электромагнитным взаимодействиям .

Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие между электрически заряженными телами и (или) частицами.

Электризация – процесс сообщения телу (либо перераспределения между частями тела) электрического заряда.

· Одним из способов электризации является трение.

· Из опытов известно, что существует два вида электрических зарядов. Их условно называют положительными и отрицательными.

5.1.1.2. Взаимодействие точечных электрических зарядов.
Закон сохранения электрического заряда

Точечный заряд – заряд, расположенный на теле, размеры которого пренебрежимо малы.

С высокой степенью точности заряд, расположенный на небольшом металлическом шарике, можно считать точечным.

Из опытов известно:

1) одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются;

2) наименьший (элементарный) электрический заряд, существующий в природе – заряд электрона е = Кл.

· Заряд тела q = N×е , где N – количество элементарных зарядов е в заряде q .

Электрически замкнутая система тел (ЭЗСТ) – система, тела которой не обмениваются зарядами с внешними телами.

3) Во всех ЭЗСТ выполняется закон сохранения электрического заряда : в электрически замкнутой системе тел полный электрический заряд (сумма величин положительного и отрицательного зарядов) остаётся постоянным.

Значит, электрический заряд не возникает из ничего и не исчезает бесследно и может переходить от одного тела к другому при электромагнитных взаимодействиях.

· Фундаментальный закон сохранения электрического заряда был сформулирован в 1747 г. Бенджамином Франклином (1706–1790, США).

Закон Кулона

Взаимодействие точечных зарядов можно изучать, проводя опыты с небольшими металлическими шариками, подвешенными на тонких нерастяжимых нитях.

В 1785 г. Шарль Кулон (1736–1806, Франция) установил и сформулировал закон, известный как основной закон электростатики (закон Кулона) : электрическая (кулоновская) сила F к взаимодействия двух точечных электрических зарядов q 1 и q 2 в вакууме прямо пропорциональна произведению их величин, обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды.

– коэффициент пропорциональности.

5.1.1.4. Электрическая постоянная.
Диэлектрическая проницаемость среды

В ряде случаев для упрощения расчётов k удобно представлять в виде: . Тогда .

Электрическая постоянная – коэффициент .

· Сила взаимодействия зарядов в среде меньше, чем в вакууме.

Относительная диэлектрическая проницаемость среды (e ) – величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в среде (F с) меньше, чем в вакууме ().

Тогда .

Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды – произведение e 0 ×e .

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ

Основные понятия

Кристаллическое состояние веществ - одно из самых распространенных в окружающей нас природе. Кристаллическими являются очень многие синтетические материалы, используемые в современной технике: полупроводники, ферромагнетики, сверхпрочные и жаростойкие сплавы. В связи с этим изучение кристаллического состояния является делом первостепенной научной важности.

Каковы основные признаки кристаллического состояния? Твердое вещество существует в двух формах: оно может быть кристаллическим или аморфным. Одно из характерных свойств кристаллического вещества, в отличие от аморфного, - это способность самоограняться. Кристаллы образуются по-разному: они выпадают в осадок при упаривании раствора, возникают при охлаждении расплава, при достаточно низкой температуре, они растут из паров (иней или морозные узоры на стекле). И во всех этих случаях на поверхности кристаллов самопроизвольно возникают плоские грани.

Вместе с тем, огранка - хотя и характерный, но не обязательный признак кристаллического вещества. В некоторых случаях грани кристаллов бывают выражены весьма нечетко. Иногда вещество состоит из таких мелких кристалликов, что грани трудно обнаружить даже под микроскопом. Кроме того, если кристалл обточить, придав ему округлую форму, лишенную граней, вещество не перестанет быть кристаллическим и свойства его останутся прежними.

Способность самоограняться - это лишь одно из проявлений более общего, наиболее важного качества кристаллов - их анизотропии (различие свойств по разным направлениям).

Если из кристалла поваренной соли, имеющего форму куба, выточить шар, а затем погрузить его в насыщенный раствор соли и медленно упаривать раствор, то кристалл начнет расти и постепенно снова примет форму куба. Этот опыт показывает, что скорость роста кристалла в разных направлениях неодинакова. Грани кристалла возникают перпендикулярно направлениям, по которым скорость роста минимальна.

Анизотропия проявляется в очень многих физических свойствах кристаллов. В отличие от кристаллических, аморфные вещества, имеющие совершенно одинаковые свойства по всем направлениям, называют изотропными. В этом отношении они подобны жидкостям и газам.

Еще одна характерная особенность кристаллов - фиксированная температура плавления. При нагревании кристаллическое вещество до определенной температуры остается твердым, а затем начинает плавиться, переходя в жидкое состояние. Пока продолжается плавление, температура не повышается. Аморфные вещества ведут себя иначе. При нагревании куска стекла он начинает постепенно размягчаться и, наконец, растекается, принимая форму сосуда. Невозможно установить, при какой температуре это произошло. Вязкость стекла уменьшается постепенно, никакой остановки в росте температуры нет.

Но самая важная особенность кристаллического вещества заключается в упорядоченном расположении его атомов.

На рисунке 2 показано внутреннее строение кристалла (а) и аморфного вещества (б) того же состава.

Рис 2. Внутренне строение кристаллического вещества

Рисунок имеет условный характер, так как в действительности атомы вещества располагаются не на плоскости, а в пространстве. Рассмотрим атомы, обозначенные черными точками. В обоих случаях окружение каждого из таких атомов почти одинаково: ближайшие соседи располагаются по вершинам треугольника, совершенно правильного при кристаллическом и почти правильного при аморфном состоянии. Значит, и в аморфном веществе имеется так называемый «ближний порядок». Но если принять во внимание не только самых близких соседей, то выяснится, что в кристалле окружение каждого атома остается одинаковым, а в аморфном веществе оно окажется разным. Поэтому говорят, что в кристаллическом теле, в отличие от аморфного, наблюдается «дальний» порядок. Следствием этого являются все особые свойства кристаллов. Естественно, что в направлении АВ, параллельном направлению некоторых связей между атомами, свойства будут не такими, как в направлении CD, вдоль которого такие связи не проходят. В аморфном веществе подобных специфических направлений мы не найдем. Так объясняется анизотропия кристаллов, в частности различная скорость роста в различных направлениях, а следовательно, и способность самоограняться.

В приведенном примере мы рассматривали вещество, которое может существовать и в аморфном и в кристаллическом состоянии. Это действительно так. При быстром охлаждении расплавленного сахара получается аморфная масса (леденец), при медленном охлаждении в образующемся твердом сахаре можно заметить поблескивающие кристаллики.

Нетрудно понять, почему так происходит. Представим себе роту солдат, которым приказано строиться. Если им дать для этого хотя бы немного времени, они успеют занять свои места, выровнять ряды. Если же после команды «строиться» будет сразу подана команда «стой», то расположение солдат так и останется беспорядочным, хотя, может быть, и наметится какая-то тенденция к порядку. Нечто подобное происходит и при затвердевании: если процесс идет медленно, частицы успевают занять отведенные им места, быстрое затвердевание не дает им такой возможности.