Главная | Обратная связь

Физические типы кристаллов.

Твердыми телами называются тела, которые обладают постоянством формы и объема. Различают кристаллические и аморфные твердые тела. Подавляющее большинство твердых тел в природе имеет кристаллическое строение (например, почти все минералы, металлы).

Рассмотрим отличительные особенности кристаллического состояния.

1. Самой характерной чертой кристаллических веществ является свойство анизотропии. Она заключается в зависимости ряда физических свойств (например, механических, тепловых, электрических, оптических) от направления. Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, называются изотропными. Газы, почти все жидкости и аморфные тела изотропны. Аморфные тела ведут себя как жидкости, но только потерявшие свойство текучести. Некоторые вещества могут находиться и в кристаллическом, и в аморфном состоянии. Например, сера, которая в кристаллическом состоянии имеет минимальную энергию, поэтому кристаллическое состояние у серы устойчиво, а аморфное – нет.

Существует большая группа веществ, которые аморфными не являются, но обладают свойством изотропии. Это поликристаллические вещества. К ним относятся все металлы. Поликристалл состоит из плотно расположенных кристалликов. Изотропия объясняется беспорядком в расположении этих кристалликов. Большие одиночные кристаллы, которые получают из расплава или раствора, называются монокристаллами. Идеальный монокристалл можно представить себе как периодическую структуру, называемую кристаллической решеткой.

2. Второй характерный признак, отличающий кристаллы от аморфных тел, – это поведение при расплавлении. Пусть тело равномерно нагревается и количество подводимого тепла постоянно. Тогда графически поведение кристалла и аморфного будет выглядеть так, как изображено на рис.28.1.

3. Кристаллические тела имеют правильную геометрическую форму, а аморфные нет. Если же форма кристалла нарушена условиями роста и механической обработки, то принадлежность образца к кристаллам может быть определена по следующим особенностям: 1) поверхность скола есть плоскость; 2) постоянство углов между плоскостями скола.

В зависимости от рода частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, и характера сил взаимодействия (притяжения) между ними кристаллы разделяются на четыре типа: ионные, атомные, молекулярные, металлические. Силы отталкивания обусловлены деформациями электронных оболочек ионов, атомов, молекул, то есть имеют единую природу для всех типов кристаллов.

1. Ионными называют кристаллы, в узлах которых находятся ионы чередующихся знаков. Силы притяжения обусловлены электростатическим притяжением зарядов. Связь, обусловленная кулоновскими силами притяжения между разноименными заряженными ионами, называется ионной (или гетерополярной). В ионной решетке нельзя выделить отдельные молекулы: кристалл представляет собой как бы одну гигантскую молекулу. Примерами ионных кристаллов являются такие соединения как NaCl, CsCl, MgO, CaO .

2. Атомными называют такие кристаллы, в узлах кристаллической решетки которых расположены атомы. Силы притяжения обусловлены существующими между атомами ковалентными связями (или гомеополярными). Эти связи имеют квантово-механическое происхождение (когда два электрона принадлежат двум атомам и они неразличимы). Примеры ковалентных кристаллов – алмаз и графит (два различных состояния углерода), кремний, германий, некоторые неорганические соединения (ZnS, BeO и др.)

3. Молекулярные кристаллы – в узлах кристаллической решетки расположены нейтральные молекулы. Силы притяжения в них обусловлены силами Ван-дер-Ваальса, то есть незначительным смещением электронов в электронных оболочках атомов. Примеры молекулярных кристаллов – кристаллы инертных газов (Ne, Ar, Kr, Xe), лед, сухой лед СО₂, а также газы О₂, N₂ в твердом состоянии. Ван-дер-ваальсовы силы довольно слабые, поэтому молекулярные кристаллы легко деформируются и разрушаются.

4. Решетки металлов – в узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла, то есть элементы, потерявшие 2 или 3 электрона. Эти электроны находятся в движении и образуют своего рода идеальный газ электронов, которые удерживаются в электростатическом поле, создаваемом решеткой положительно заряженных ионов металлов. Это т.н. электроны проводимости. Они обусловливают электропроводность металлов. Кроме того, по структуре металлы являются поликристаллическими, этим объясняется шероховатая поверхность скола.

Кроме вышеуказанных типов связей между частицами в кристаллах возможны смешанные связи. Различные комбинации взаимодействий создают многообразие в строении кристаллов.