Аморфные и кристаллические тела. Структурный анализ

Все существующие в природе твердые неорганические тела по своим свой¬ствам делятся на два класса: кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют свою форму, до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое со¬стояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. При этом температура плавления остается постоянной, а процесс плавления или кристал¬лизации происходят в течение некоторого времени при постоянном значении температуры, о чем свидетельствует горизонтальный участок представленных графиков (рис.1).
Аморфные тела («бесформенные») при нагреве размягчаются в большом температурном интервале. Они постепенно становятся вязкими, а затем пере-ходят в жидкое состояние. Критические точки на графиках отсутствуют.
Кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное. Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением эле¬ментарных частиц в пространстве, т.е. вблизи атома А  и вдали от него. Поэтому говорят о наличии в кристалле дальнего порядка упаковки. Для аморфных тел вблизи атома А также наблюдается порядок. С удалением от атома А порядок все больше нарушается. Поэтому можно говорить о наличии лишь ближнего порядка. В аморфных телах существует неупорядоченное рас¬положение элементарных частиц.

Свойства кристалла зависят от электронного строения атомов и характера их взаимодействия, от пространственного расположения элементарных частиц, химического состава, размера и формы кристаллов. Все эти детали строения кристаллов описывает понятие — структура.
Структура (в пер. с лат. в1гик1ша — строение, расположение, порядок) — совокупность устойчивых связей, обеспечивающих целостность материала и тождественность самому себе. Другими словами структура — это внутреннее строение материала. В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления используют такие понятия как тонкая структура (субструктура), микро- и макроструктура.
Макроструктура — строение, выявляемое невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы (X до 30). Исследование макрострук¬туры, несмотря на простоту, является очень ценным методом изучения мате¬риалов.
Микроструктура — характеризует мелкие структурные составляющие, наблюдение которых возможно с помощью оптических микроскопов с увели-чением от 60 до 1500-2000 раз.
Микроанализ позволяет установить размеры и форму кристаллов, их рас¬пределение, форму инородных включений и микропустот, ориентацию кри¬сталлов и т.п.
Тонкая структура — позволяет определить расположение элементарных частиц в материале и электронов в атоме.
Строение и свойства вещества на этом уровне определяются типом связей между элементарными частицами. Различают три основных типа связи: ион¬ный, ковалентный и металлический.
Образование ионной связи происходит путем передачи атомом одного эле¬мента валентного электрона атому другого элемента. Это приводит к образова¬нию положительного и отрицательного ионов, которые притягиваются друг к другу электростатически.

Образование ионной связи удобно рассмотреть на примере соединения №С1. Атом N имеет один «лишний» валентный электрон. В то же время, атому С1, имеющему семь валентных электронов, для образования устойчивой оболочки, «не хвата¬ет» одного электрона. Атом № передает свой валентный элек¬трон атому С1, в результате образуется положительный ион №+ и отрицательный ион С1-, которые притягиваясь, создают ион¬ную связь.

Ионные кристаллы обычно хрупкие, до¬вольно тугоплавкие, у них низкая тепло- и элек¬тропроводность.
Ковалентный тип связи осуществляется обобществлением (объединением) валентных электронов соседних атомов. Типичным телом с такой связью является алмаз, состоящий из ато¬мов углерода с четырьмя валентными электро¬нами. При сильном сближении атомов степень перекрытия электронных оболочек и частота об¬мена электронов местами увеличиваются на¬столько, что перестает существовать система из самостоятельных атомов. Причем электронное
облако как бы стягивает ядра, стремясь максимально приблизить их друг к дру¬гу.
При довольно высокой механической прочности связи все ковалентные кристаллы хрупкие, температура плавления, тепловые и электрические свойст¬ва колеблются у них в широком диапазоне.
Металлическая связь образуется следующим образом. На внешних оболочках
атомов металлов находится меньше че¬тырех валентных электронов, слабо связанных с атомным ядром. Поэтому при близком расположении атомов ва¬лентные электроны легко теряют связь с отдельными атомами и становятся общими, т.е. коллективизируются. При этом атомы превращаются в положи-тельно заряженные ионы, а освободив¬шиеся электроны свободно пере-мещаются
между периодически расположенными ионами, не принадлежа (в отличие от ковалентной связи) ни отдельному атому, ни какой-либо их малой группе.

Металлическая связь является ненаправленной, благодаря чему при пла¬стической деформации, связь между ионами не нарушается и разрушение не происходит. Ионы как бы плавают в облаке электронного газа, образованного
свободно перемещающимися электронами, что обусловливает высокую пла-стичность металлов. Наличие электронного газа объясняет также высокую электро- и теплопроводность элементов с металлической связью.
Возможность существования кристал¬лического состояния вещества (независимо от типа связи) обусловлена возникновени¬ем сил взаимодействия между частицами (атомами, ионами, молекулами). Когда расстояние между частицами уменьшается (рис.6), то интенсивно растут силы оттал¬кивания, при сближении частиц на рас¬стояние равное ё0, силы отталкивания и притяжения уравновешиваются, их резуль¬тирующая равна нулю; при увеличении расстояния между частицами начинают возрастать силы притяжения. Расстояние между частицами, равное ё0, — положение устойчивого равновесия, которому соот¬ветствует минимум свободной энергии F, что делает кристалл термодинамически стабильным, а сближение или удаление частиц будет сопровождаться повышением энергии. Атомы в положении рав¬новесия совершают колебательные движения с частотой порядка плитуда колебаний обычно не превышает 5.. .7% равновесного расстояния.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector