Кристалічні та аморфні тіла і їх властивості


У твердих тілах частинки (молекули, атоми і іони) розташовані настільки близько один до одного, що сили взаємодії між ними не дозволяють їм розлітатися. Ці частинки можуть лише здійснювати коливальні рухи навколо положення рівноваги. Тому тверді тіла зберігають форму і об’єм.

За своєю молекулярною структурою тверді тіла розділяються на кристалічні і аморфні.

На відміну від кристалічних твердих тіл, в розташуванні частинок в аморфному тілі немає строгого порядку.

Хоча аморфні тверді тіла здатні зберігати форму, кристалічної решітки у них немає. Деяка закономірність спостерігається лише для молекул і атомів, розташованих по сусідству. Такий порядок називається ближнім порядком. Він не повторюється в усіх напрямках і не зберігається на великих відстанях, як у кристалічних тіл.

Приклади аморфних тіл – скло, бурштин, штучні смоли, віск, парафін, пластилін та ін

Особливості аморфних тіл

Атоми в аморфних тілах здійснюють коливання навколо точок, які розташовані хаотично. Тому структура цих тіл нагадує структуру рідин. Але частки в них менш рухливі. Час їх коливання навколо положення рівноваги більше, ніж в рідинах. Перескакування атомів в інше положення також відбуваються набагато рідше.

Як ведуть себе при нагріванні тверді кристалічні тіла? Вони починають плавитися при певній температурі плавлення. І деякий час одночасно знаходяться в твердому і рідкому стані, поки не розплавиться вся речовина.

аморфні тіла

У аморфних тіл певної температури плавлення немає. При нагріванні вони не плавляться, а поступово розм’якшуються.

Покладемо шматок пластиліну поблизу нагрівального приладу. Через якийсь час він стане м’яким. Це відбувається не миттєво, а протягом деякого інтервалу часу.

Так як властивості аморфних тіл схожі з властивостями рідин, то їх розглядають як переохолоджені рідини з дуже великою в’язкістю (застиглі рідини). При звичайних умовах текти вони не можуть. Але при нагріванні перескакування атомів в них відбуваються частіше, зменшується в’язкість, і аморфні тіла поступово розм’якшуються. Чим вище температура, тим менше в’язкість, і поступово аморфне тіло стає рідким.

Звичайне скло – це аморфне тверде тіло. Його отримують, розплавляючи оксид кремнію, соду і вапно. Нагрівши суміш до 1400оС, отримують рідку склоподібну масу. При охолодженні рідке скло не твердне, як кристалічні тіла, а залишається рідиною, в’язкість якої збільшується, а зменшується плинність. При звичайних умовах воно здається нам твердим тілом. Але насправді це рідина, яка має велику в’язкість і плинність, настільки малу, що вона ледь розрізняється самими надчуттєвими приладами.

Аморфний стан речовини нестійкий. З часом з аморфного стану воно поступово переходить у кристалічний. Цей процес різних речовин проходить з різною швидкістю. Ми бачимо, як покриваються кристалами цукру льодяники. Для цього потрібно не дуже багато часу.

А для того щоб кристали утворилися в звичайному склі, часу повинно пройти чимало. При кристалізації скло втрачає свою міцність, прозорість, каламутніє, стає крихким.

Ізотропність аморфних тіл

У кристалічних твердих тілах фізичні властивості різняться в різних напрямках. А в аморфних тілах вони по всіх напрямках однакові. Це явище називають ізотропністю.

Аморфне тіло однаково проводить електрику і тепло у всіх напрямках, однаково заломлює світло. Звук також однаково поширюються в аморфних тілах за всіма напрямами.

Властивості аморфних речовин використовуються в сучасних технологіях. Особливий інтерес викликають металеві сплави, які не мають кристалічної структури і відносяться до аморфних твердих тіл. Їх називають металевим склом. Їх фізичні, механічні, електричні та інші властивості відрізняються від аналогічних властивостей звичайних металів в кращу сторону.

Так, в медицині використовують аморфні сплави, міцність яких перевищує міцність титану. З них роблять гвинти або пластини, якими з’єднують зламані кістки. На відміну від титанових деталей кріплення цих матеріалів поступово розпадається і з часом замінюється кістковим матеріалом.

Застосовують високоміцні сплави при виготовленні металорізальних інструментів, арматури, пружин, деталей механізмів.

У Японії розроблений аморфний сплав, що володіє високою магнітною проникністю. Застосувавши його в осердях трансформаторів замість текстурованих листів трансформаторної сталі, можна знизити втрати на вихрові струми в 20 разів.

Аморфні метали володіють унікальними властивостями. Їх називають матеріалом майбутнього.

Будова кристалічних тіл

Кристалічними називають такі тверді тіла, молекули, атоми чи іони в яких розташовуються в строго певному геометричному порядку, утворюючи в просторі структуру, яка називається кристалічною решіткою. Цей порядок періодично повторюється по всім напрямкам в тривимірному просторі. Він зберігається на великих відстанях і не обмежений у просторі. Його називають дальнім порядком.

кристалічна гратка

Типи кристалічних граток

Кристалічна решітка – це математична модель, за допомогою якої можна уявити, як розташовані частинки в кристалі. Подумки поєднавши в просторі прямими лініями точки, в яких розташовані ці частинки, ми отримаємо кристалічну решітку.

Відстань між атомами, розташованими у вузлах цієї сітки, називається параметром гратки.

В залежності від того, які частинки розташовані у вузлах, кристалічні решітки бувають молекулярні, атомні, іонні і металеві.

Від типу кристалічної решітки залежать такі властивості кристалічних тіл, як температура плавлення, пружність, міцність.

При підвищенні температури до значення, при якому починається плавлення твердої речовини, відбувається руйнування кристалічної решітки. Молекули отримують більше свободи, і тверда кристалічна речовина переходить в рідку стадію. Чим міцніші зв’язки між молекулами, тим вище температура плавлення.

Молекулярна решітка (гратка)

молекулярна решітка (гратка)

В молекулярних решітках зв’язки між молекулами не міцні. Тому за звичайних умов такі речовини знаходяться в рідкому або газоподібному стані. Твердий стан для них можливий тільки при низьких температурах. Температура їх плавлення (переходу з твердого стану в рідкий) також низька. А при звичайних умовах вони знаходиться в газоподібному стані. Приклади – йод (I2), «сухий лід» (двоокис вуглецю СО2).

Атомна решітка (гратка)

Атомнаа решітка (гратка)

В речовинах, які мають атомну кристалічну решітку, зв’язки між атомами міцні. Тому самі речовини дуже тверді. Плавляться при високій температурі. Атомну кристалічну решітку мають кремній, германій, бор, кварц, оксиди деяких металів і найтвердіша в природі речовина – алмаз.

Іонна решітка (гратка)

Іонна решітка (гратка)

До речовин з іонною кристалічною решіткою відносяться луги, більшість солей, оксиди типових металів. Так як сила тяжіння іонів дуже велика, то ці речовини здатні плавитися тільки при дуже високій температурі. Їх називають тугоплавкими. Вони володіють високою міцністю і твердістю.

Металева решітка (гратка)

металева решітка (гратка)

У вузлах металевої решітки, яку мають всі метали і їх сплави, розташовані атоми і іони. Завдяки такій будові метали володіють хорошою ковкістю і пластичністю, високою тепло – і електропровідністю.

Найчастіше форма кристала – правильний багатогранник. Грані і ребра таких многогранників завжди залишаються постійними для конкретної речовини.

Одиночний кристал називають монокристалом. Він має правильну геометричну форму, безперервну кристалічну решітку.

Приклади природних монокристалів – алмаз, рубін, гірський кришталь, кам’яна сіль, ісландський шпат, кварц. В штучних умовах монокристали отримують в процесі кристалізації, коли охолоджуючи до певної температури розчини або розплави, виділяють з них тверді речовини у формі кристалів. При повільній швидкості кристалізації ограновування таких кристалів має природну форму. Таким способом в спеціальних промислових умовах отримують, наприклад, монокристали напівпровідників або діелектриків.

Дрібні кристалики, безладно зрощені один з одним, називаються полікристалами. Найяскравіший приклад полікристала – камінь граніт. Всі метали також є полікристалами.

Анізотропія кристалічних тіл

У кристалах частинки розташовані з різною щільністю за різними напрямками. Якщо ми з’єднаємо прямою лінією атоми в одному з напрямків кристалічної гратки, то відстань між ними буде однаковою на всьому цьому напрямку. В будь-якому іншому напрямку відстань між атомами теж постійна, але її величина може відрізнятися від відстані в попередньому випадку. Це означає, що на різних напрямках між атомами діють різні за величиною сили взаємодії. Тому і фізичні властивості речовини за цими напрямками будуть відрізнятися. Це явище називається анізотропією – залежністю властивостей речовини від напрямку.

анізотропія речовини

Електропровідність, теплопровідність, пружність, показник заломлення та інші властивості кристалічної речовини різняться в залежності від напрямку в кристалі. По-різному в різних напрямках проводиться електричний струм, по-різному речовина нагрівається, по-різному переломлюються світлові промені.

У полікристалах явище анізотропії не спостерігається. Властивості речовини залишаються однаковими за всіма напрямами.