Естественным отличием строения большинства твердых материалов (за исключением монокристаллов), в сравнении с жидкими и особенно газообразными (низкомолекулярными) веществами, является их более сложная многоуровневая организация (см. табл. 4.1 и рис. 4.3). Это связано с уменьшением ковалентности и ростом ме- талличности и ионности гомо- и гетероядерных связей элементов их микроструктуры (см. рис. 6.2 и 6.6 и табл. 6.1-6.7), что приводит к росту числа элементов в структуре вещества и материала и соответствующему изменению его агрегатного состояния. При изучении структурной иерархии твердых материалов необходимо понимать единство и различия в уровнях структурной организации твердых металлических и неметаллических материалов с учетом степени упорядоченности в объеме материала элементов, их образующих. Особое значение имеет разница в структуре твердых кристаллических и аморфных тел, заключающаяся в способности кристаллических материалов, в отличие от аморфных тел, образовывать целый ряд более сложных структур, чем базовый электронно-ядерный химический уровень структур.
Аморфное состояние. Специфика аморфного (в пер. с греч. - бесформенного) состояния заключается в нахождении вещества в конденсированном (жидком или твердом) состоянии с отсутствием в его структуре трехмерной периодичности в расположении элементов (атомных остовов или молекул), составляющих это вещество. В результате особенности аморфного состояния обусловлены отсутствием дальнего порядка - строгой повторяемости во всех направлениях одного и того же элемента структуры (ядра или атомного остова, группы атомных остовов, молекулы и т.п.) на протяжении сотен и тысяч периодов. В то же время у вещества в аморфном состоянии существует ближний порядок - согласованность в расположении соседних элементов структуры, т.е. порядок, соблюдаемый на расстояниях, сравнимых с размерами молекул. С расстоянием эта согласованность уменьшается и через 0,5- 1 нм исчезает. Аморфные вещества отличаются от кристаллических изотропностью, т.е. подобно жидкости они имеют одинаковые значения данного свойства при измерении в любом направлении внутри вещества. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств - это второй важный признак, отличающий аморфное состояние твердого вещества от кристаллического. В отличие от кристаллического вещества, имеющего определенную температуру плавления, при которой происходит скачкообразное изменение свойств, аморфное вещество характеризуется интервалом размягчения и непрерывным изменением свойств.
Аморфные вещества менее устойчивы, чем кристаллические. Любое аморфное вещество в принципе с течением времени должно кристаллизоваться, и этот процесс должен быть экзотермическим. Часто аморфные и кристаллические формы - это различные состояния одного и того же по составу химического вещества или материала. Так, известны аморфные формы ряда гомоядерных веществ (серы, селена и др.), оксидов (В 2 О э, Si0 2 , Ge0 2 и др.).
Вместе с тем многие аморфные материалы, в частности большинство органических полимеров, закристаллизовать не удается. На практике кристаллизация аморфных, особенно высокомолекулярных, веществ наблюдается очень редко, так как структурные изменения затормаживаются из-за большой вязкости этих веществ. Поэтому, если не прибегать к специальным методам, например к длительному высокотемпературному воздействию, переход в кристаллическое состояние протекает с крайне малой скоростью. В подобных случаях можно считать, что вещество в аморфном состоянии практически вполне устойчиво.
В отличие от аморфного состояния, присущего веществам, находящимся как в жидком или расплавленном виде, так и в твердом конденсированном, стеклообразное состояние относится только к твердому агрегатному состоянию вещества. В результате в жидком или расплавленном аморфном состоянии могут находиться вещества с любым преимущественным типом связи (ковалентным, металлическим и ионным) и, следовательно, и с молекулярной и немолекулярной структурой. Однако в твердом аморфном , или точнее,- стеклообразном состоянии будут в первую очередь находиться вещества на основе ВМС, характеризуемые преимущественно ковалентным типом связи элементов в цепях макромолекул. Это связано с тем, что твердое аморфное состояние вещества получают в результате переохлаждения его жидкого состояния, что препятствует процессам кристаллизации и приводит к «замораживанию» структуры с ближним порядком расположения элементов. Отметим, что наличие макромолекул в структуре полимерных материалов ввиду влияния сте- рического - размерного фактора (ведь из катионов легче создать кристалл, чем из молекул) приводит к дополнительному усложнению процесса кристаллизации. Поэтому органические (полиметилметакрилат и т.д.) и неорганические (оксиды кремния, фосфора, бора и т.д.) полимеры способны образовывать стекла или реализовать аморфное состояние в твердых материалах. Правда, сегодня и расплавы металлов при сверхвысоких скоростях охлаждения (>10 6 °С/с) переводят в аморфное состояние, получая аморфные металлы или металлические стекла с комплексом новых ценных свойств.
Кристаллическое состояние. В кристаллическом теле наблюдается как ближний , так и дальний порядок расположения элементов структуры (атомные остовы или частицы в виде индивидуальных молекул), т.е. элементы структуры размещаются в пространстве на определенном расстоянии друг от друга в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы - твердые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников. Эта форма является следствием упорядоченного расположения в кристалле элементов, образующих трехмерно-периодическую пространственную укладку в виде кристаллической решетки. Вещество в кристаллическом состоянии характеризуется периодической повторяемостью в трех измерениях расположения в ее узлах атомных остовов или молекул. Кристалл является равновесным состоянием твердых тел. Каждому химическому веществу, находящемуся при данных термодинамических условиях (температуре, давлении) в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая ковалентная или молекулярная, металлическая и ионная структуры. Кристаллы обладают той или иной структурной симметрией атомных остовов (катионов в металле либо катионов и анионов в ионных кристаллах) или молекул, соответствующей ей макроскопической симметрией внешней формы, а также анизотропией свойств. Анизотропность - это неодинаковость свойств (механических, физических, химических) монокристалла в различных направлениях его кристаллической решетки. Изотропность - это одинаковость свойств вещества в различных ее направлениях. Естественно, что эти закономерности изменения свойств вещества определяются спецификой изменения или неиз- менения их структуры. Реальные кристаллические материалы (включая металлы) являются квазиизотропными структурами, т.е. они изотропны на мезоструктурном уровне (см. табл. 4.1) и их свойства одинаковы во всех направлениях. Это связано с тем, что большинство природных или искусственных кристаллических материалов являются поликристаллическими веществами, а не монокристаллами
(типа алмаза). Они состоят из большого количества так называемых зерен или кристаллитов, кристаллографические плоскости которых повернуты относительно друг друга на некоторый угол а. При этом в любом направлении мезоструктуры материала располагается примерно одинаковое количество зерен с различной ориентацией кристаллографических плоскостей, что приводит к независимости его свойств от направления. Каждое зерно состоит из отдельных элементов - блоков, которые повернуты относительно друг друга на углы порядка нескольких минут, что также обеспечивает изотропность свойств уже самого зерна в целом.
Кристаллические состояния одного и того же вещества могут различаться строением и свойствами, и тогда говорят, что данное вещество существует в различных модификациях. Существование нескольких кристаллических модификаций у данного вещества называется полиморфизмом, а переход из одной модификации в другую - полиморфным превращением. В отличие от полиморфизма, аллотропия - это существование элемента в виде различных «простых» (или, точнее, гомоядерных) веществ независимо от их фазового состояния. Например, кислород 0 2 и озон О э - аллотропные формы кислорода, существующие в газообразном, жидком и кристаллическом состояниях. В то же время алмаз и графит - аллотропные формы углерода - являются одновременно и его кристаллическими модификациями, в этом случае понятия «аллотропия» и «полиморфизм» совпадают для его кристаллических форм.
Нередко также наблюдается явление изоморфизма, при котором два разных по природе вещества образуют кристаллы одинаковой структуры. Такие вещества могут замещать друг друга в кристаллической решетке, образуя смешанные кристаллы. Впервые явление изоморфизма было продемонстрировано немецким минералогом Э. Мичерлихом в 1819 г. на примере КН 2 Р0 4 , KH 2 As0 4 и NH 4 H 2 P0 4 . Смешанные кристаллы являются совершенно однородными смесями твердых веществ - это твердые растворы замещения. Поэтому можно сказать, что изоморфизм - это способность образовывать твердые растворы замещения.
Традиционно кристаллические структуры традиционно делят на гомодесмические (координационные) и гетеродесмические. Гомо- десмическую структуру имеют, например, алмаз, галогениды щелочных металлов. Однако гораздо чаще кристаллические вещества имеют гетеродесмическую структуру; ее характерная черта - присутствие структурных фрагментов, внутри которых атомные остовы соединены наиболее прочными (обычно ковалентными) связями. Эти фрагменты могут представлять собой конечные группировки элементов, цепи, слои, каркасы. Соответственно выделяются островные, цепочечные, слоистые и каркасные структуры. Островными структурами обладают почти все органические соединения и такие неорганические вещества, как галогены, 0 2 , N 2 , С0 2 , N 2 0 4 и др. Роль островов играют молекулы, поэтому такие кристаллы называются молекулярными. Часто в качестве островов выступают многоатомные ионы (например, сульфаты, нитраты, карбонаты). Цепочечное строение имеют, например, кристаллы одной из модификаций Se (атомные остовы связаны в бесконечные спирали) или кристаллы PdCl 2 , в которых присутствуют бесконечные ленты; слоистую структуру - графит, BN, MoS 2 и др.; каркасную структуру - СаТЮ 3 (атомные остовы Ti и О, объединенные ковалентными связями, образуют ажурный каркас, в пустотах которого расположены атомные остовы Са). Часть из этих структур относят к неорганическим (безуглерод- ным) полимерам.
По характеру связи между атомными остовами (в случае гомо- десмических структур) или между структурными фрагментами (в случае гетеродесмических структур) различают: ковалентные (например, SiC, алмаз), ионные, металлические (металлы и интерметаллические соединения) и молекулярные кристаллы. Кристаллы последней группы, в которой структурные фрагменты связаны межмолекулярным взаимодействием, имеют наибольшее число представителей.
Для ковалентных монокристаллов типа алмаза, карборунда и др. характерны тугоплавкость, высокая твердость и износостойкость, что является следствием прочности и направленности ковалентной связи в сочетании с их трехмерной пространственной структурой (полимерные тела).
Ионные кристаллы представляют собой образования, в которых сцепление элементов микроструктуры в виде противоионов обусловлено преимущественно ионными химическими связями. Примером ионных кристаллов являются галогениды щелочных и щелочноземельных металлов, в узлах кристаллической решетки которых находятся чередующиеся положительно заряженные катионы металла и отрицательно заряженные анионы галогена (Na + Cl - , Cs + Cl - , Ca + F^, рис. 7.1).
Рис. 7.1.
В металлических кристаллах сцепление атомных остовов в виде катионов металла обусловлено преимущественно металлическими ненаправленными химическими связями. Данный тип кристаллов характерен для металлов и их сплавов. В узлах кристаллической решетки находятся атомные остовы (катионы), связанные между собой ОЭ (электронным газом). Подробнее структура металлических кристаллических тел будет рассмотрена далее.
Молекулярные кристаллы образованы из молекул, связанных друг с другом ван-дер-ваальсовыми силами или водородной связью. Внутри молекул действует более прочная ковалентная связь (С к преобладает над С и и С м). Фазовые превращения молекулярных кристаллов (плавление, возгонка, полиморфные переходы) происходят, как правило, без разрушения отдельных молекул. Большинство молекулярных кристаллов - кристаллы органических соединений (например, нафталин). Молекулярные кристаллы образуют также такие вещества, как Н 2 , галогены типа J 2 , N 2 , 0 2 , S g , бинарные соединения типа Н 2 0, С0 2 , N 2 0 4 , металлоорганические соединения и некоторые комплексные соединения. К молекулярным кристаллам относятся также кристаллы таких природных полимеров, как белки (рис. 7.2) и нуклеиновые кислоты.
Полимеры, как уже было указано выше, как правило, также относятся к веществам, образующим молекулярные кристаллы. Однако в случае, когда упаковка макромолекул имеет складчатую или фибриллярную конформацию, правильнее было бы говорить о ковалентно-молекулярных кристаллах (рис. 7.3).
Рис. 7.2.
Рис. 7.3.
Это связано с тем, что вдоль одного из периодов решетки (например, периода с в случае полиэтилена, макромолекулы которого находятся в складчатой конформации, образуя ламель) действуют прочные химические (рис. 7.3), преимущественно ковалентные, связи. В то же время вдоль двух других периодов решетки (например, периодов b и с в тех же складчатых кристаллах полиэтилена) действуют уже более слабые силы межмолекулярного взаимодействия .
Деление кристаллов на указанные группы в значительной мере условно, поскольку существуют постепенные переходы от одной группы к другой по мере изменения характера связи в кристалле. Например, среди интерметаллидов - соединений металлов друг с другом - можно выделить группу соединений, в которых снижение металлической компоненты химической связи и соответствующий рост ковалентной и ионной компонент приводят к образованию ХС в соответствии с классическими валентностями. Примерами таких соединений могут служить соединения магния с элементами главной подгруппы IV и V групп Периодической системы, являющимися переходными между металлами и неметаллами (Mg 2 Si, Mg 2 Ge, Mg 2 Sn, Mg 2 Pb, Mg 3 As 2 , Mg 3 Sb 7 , Mg 3 Bi 7), к основным характерным особенностям которых обычно относят следующие:
- их гетероядерная кристаллическая решетка отличается от гомо- ядерных решеток исходных соединений;
- в их соединении обычно сохраняется простое кратное соотношение компонентов, позволяющее выразить их состав простой формулой А ш В;? , где А и В - соответствующие элементы; т и п - простые числа;
- гетероядерные соединения характеризуются новым качеством структуры и свойств в отличие от исходных соединений.
В кристалле структурные элементы (ионы, атомные остовы, молекулы), образующие кристалл, располагаются закономерно по разным направлениям (рис. 7Ла). Обычно пространственное изображение структуры кристаллов представляют схематично (рис.7.45), отмечая точками центры тяжести структурных элементов, включая характеристики решетки.
Плоскости, параллельные координатным плоскостям, находящиеся на расстоянии а, Ь, с друг от друга, делят кристалл на множество равных и параллельно ориентированных параллелепипедов. Наименьший из них называют элементарной ячейкой, их совокупность образует пространственную кристаллическую решетку. Вершины параллелепипеда являются узлами пространственной решетки, с этими узлами совпадают центры тяжести элементов, из которых построен кристалл.
Пространственные кристаллические решетки полностью описывают строение кристалла. Для описания элементарной ячейки кристаллической решетки используют шесть величин: три отрезка, равные расстояниям до ближайших элементарных частиц по осям координат а, Ь, с, и три угла между этими отрезками а, (3, у.
Соотношения между этими величинами определяют форму ячейки, в зависимости от которой все кристаллы разделяют на семь систем (табл. 7.1).
Размер элементарной ячейки кристаллической решетки оценивают отрезки а, Ь, с. Их называют периодами решетки. Зная периоды решетки, можно определить радиус атомного остова элемента. Этот радиус равен половине наименьшего расстояния между частицами в решетке.
О степени сложности решетки судят по числу структурных элементов, приходящихся на одну элементарную ячейку. В простой пространственной решетке (см. рис. 7.4) всегда на одну ячейку приходится один элемент. В каждой ячейке имеется восемь вершин, но
Рис. 7.4. Расположение элементов в кристалле : а - изображение с размещением объема атомного остова элемента; б - пространственное изображение элементарной ячейки и ее параметры
Табл и ца 7.1
Характеристики кристаллических систем
каждый элемент в вершине относится, в свою очередь, к восьми ячейкам. Таким образом, от узла на долю каждой ячейки приходится У 8 объема, а всего узлов в ячейке восемь, и, следовательно, на одну ячейку приходится один структурный элемент.
В сложных пространственных решетках на одну ячейку всегда приходится больше одного структурного элемента, которые наиболее распространены в важнейших чистых металлических соединениях (рис. 7.5).
В ОЦК-решетке кристаллизуются следующие металлы: Fe a , W, V, Сг, Li, Na, К и др. В ГЦК-решетке кристаллизуются Fe y , Ni, Со а, Си, Pb, Pt, Аи, Ag и др. В ГПУ-решетке кристаллизуются Mg, Ti a , Со р, Cd, Zn и др.
Система, период и число структурных элементов, приходящихся на элементарную ячейку, позволяют полностью представить расположение последних в кристалле. В ряде случаев используют дополнительные характеристики кристаллической решетки, обусловленные ее геометрией и отражающие плотность упаковки элемен-
Рис. 7.5. Типы сложных элементарных ячеек кристаллических решеток: а - ОЦК; 6 - ГЦК; в - ГПУ тарных частиц в кристалле. Такими характеристиками являются КЧ и коэффициент компактности.
Число ближайших равноудаленных элементарных частиц определяет координационное число. Например, для простой кубической решетки КЧ будет 6 (Кб); в решетке объемно-центрированного куба (ОЦК) для каждого атомного остова число таких соседей будет равно восьми (К8); для гранецентрированной кубической решетки (ГЦК) КЧ число равно 12 (К 12).
Отношение объема всех элементарных частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки определяет коэффициент компактности. Для простой кубической решетки этот коэффициент равен 0,52, для ОЦК - 0,68 и ГЦК - 0,74.
- Sirotkin R.O. The effect of morphology on the yield behaviour of solution crystallisedpolyethylenes: PhD thesis, University of North London. - London, 2001.
Cтраница 1
Кристаллическое состояние вещества характеризуется трехмерной периодичностью размещения строительного материала. Именно на этой особенности основана дифракция рентгеновских лучей, пропускаемых через кристалл, а значит, и весь рентгеноструктурный анализ кристаллов.
Кристаллическое состояние вещества наступает тогда, когда реализуется как ближний, так и дальний порядок во взаимном расположении частиц. Звенья, сегменты макромолекул могут взаимодействовать как внутри -, так и межмолекулярно.
Кристаллическое состояние вещества характеризуется тем, что в нем частицы (атомы, ионы или молекулы) располагаются упорядочение, на постоянных расстояниях друг от друга, образуя правильную решетку. В аморфном веществе никакого правильного порядка в расположении частиц не наблюдается.
Кристаллическое состояние вещества характеризуется правильным расположением в пространстве частиц, составляющих кристалл, образованием кристаллической, или пространственной, решетки. Центры размещения частиц в кристалле называются узлами пространственной решетки.
Кристаллическое состояние вещества характеризуется строго закономерным, периодически повторяющимся расположением всех атомов. Такая картина является идеальной, а кристалл, обладающий таким идеальным расположением атомов, называется совершенным. В реальном кристалле всегда имеются отклонения и нарушения идеального расположения атомов. Эти нарушения называются несовершенствами, или дефектами.
Кристаллическое состояние вещества характеризуется трехмерной периодичностью размещения строительного материала. Именно эта особенность лежит в основе дифракции рентгеновских лучей, пропускаемых через кристалл, а значит, и в основе всего рентгеноструктурного анализа кристаллов.
Кристаллическое состояние вещества характеризуется строго закономерным, периодически повторяющимся расположением1 всех атомов в решетке кристалла. Кристалл с таким идеальным расположением атомов называется совершенным. В реальном кристалле всегда обнаруживаются отклонения и нарушения идеального расположения атомов. Эти нарушения называются несовершенствами, или дефектами, кристаллической структуры.
Кристаллическое состояние вещества характеризуется строго определенной ориентацией частиц относительно друг друга и анизотропией (векториальностью) свойств, когда свойства кристалла (теплопроводность, прочность на разрыв и др.) неодинаковы в разных направлениях.
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:
T
– 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 .
В газообразном состоянии молекулы вещества находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга и занимают небольшой объем вещества. В газообразном состоянии молекулы или атомы, составляющие газ, практически не взаимодействуют между собой. Структура газообразных веществ не упорядочена.
При конденсации газообразных веществ образуются жидкие вещества. В жидком состоянии расстояние между молекулами значительно меньше, и основную часть объема вещества занимают молекулы, соприкасаясь друг с другом и притягиваясь друг к другу. Т.е. в жидком состоянии наблюдается некоторая упорядоченность частиц, соблюдается ближний порядок.
В твердом состоянии частицы настолько сближены друг с другом, что между ними возникают прочные связи, практически отсутствует движение частиц относительно друг друга. Существует высокая упорядоченность структуры. Твердые вещества могут находиться в аморфном и кристаллическом состоянии.
Аморфные вещества не имеют упорядоченной структуры, подобно жидкостям у них наблюдается только близкий порядок (стеклообразное состояние). Аморфные вещества обладают текучестью. Полимеры, смолы, аморфный кремний, аморфный селен, мелкодисперсное серебро, аморфный оксид кремния, германия, некоторые сульфаты, карбонаты находятся в аморфном состоянии. Аморфные вещества изотропны, т.е. физические свойства вещества распространяются одинаково в разные стороны, и они не имеют строго определенной точки плавления, они плавятся в каком-то интервале температур. Но подавляющее число твердых тел - кристаллические вещества.
Кристаллические вещества характеризуются дальним порядком, т.е. трехмерной периодичностью структуры по всему объему. Регулярное расположение частиц изображается в виде кристаллических решеток, в узлах которых расположены частицы, образующие твердое вещество. Соединяются они воображаемыми линиями.
Идеальные монокристаллы обладают:
Анизотропностью – т.е. в различных направлениях по объему кристалла физические свойства различны.
Определенной температурой плавления.
Кристаллические вещества характеризуются энергией кристаллической решетки, это та энергия, которую нужно затратить на то, чтобы разрушить кристаллическую решетку и удалить частицы за пределы взаимодействия.
Постоянная кристаллической решетки характеризует расстояние между частицами в кристаллической решетке, а также узлы между гранями кристаллической решетки.
Координационное число кристаллической решетки – это число частиц, непосредственно примыкающих к данной частице.
Наименьшей структурной единицей является элементарная ячейка. Имеется семь типов кристаллических решеток: кубическая, тетраэдрическая, гексагональная, ромбоэдрическая, орторомбоэдрическая, моноклинная и триклинная.
Они отличаются между собой углами между осями (a, b, g) и постоянными кристаллической решетки (a,b,c).
Существуют различные вещества, которые кристаллизуются в одинаковых кристаллических решетках – изоморфные вещества.
Пример: KAl(SO 4) 2 × 12H 2 O и KCr(SO 4) 2 × 12H 2 O
По типу частиц в узлах кристаллической решетки кристаллы бывают: молекулярные, атомно – ковалентные, ионные, металлические и смешанные.
1). Молекулярные кристаллы: в узлах находятся молекулы, между которыми существуют вандерваальсовы взаимодействия или водородная связь. Веществ с молекулярной решеткой очень мало. К ним принадлежат неметаллы, за исключением углерода и кремния, все органические соединения с неионной связью и многие неорганические вещества. Например, структура льда:
3). Ионные кристаллы: в узлах находятся ионы, которые удерживаются друг около друга за счет электростатического взаимодействия. К соединениям с ионной связью относится большинство солей и небольшое число оксидов. Ионные соединения имеют сравнительно высокие температуры плавления. В связи с тем, что ионная связь ненасыщенна и ненаправленна, ионная решетка характеризуется высокими координационными числами (6,8).
4). Существуют металлические кристаллы. Металлические решетки образуют простые вещества большинства элементов периодической системы – металлы. По прочности металлические решетки находятся между атомными и молекулярными кристаллическими решетками.
5). В природе часто встречаются смешанные кристаллы, в которых взаимодействие осуществляется как ковалентными, так и вандерваальсовыми взаимодействиями, например, графит:
 |
В слоях ковалентная связь (sp 2 -гибридтзация атома углергда), между слоями – вандерваальсово взаимодействие.
Некоторые вещества могут кристаллизоваться в различные кристаллические решетки. Это явление называется полиморфизм (примером являются: углерод, алмаз и графит) или аллотропия .
§ 1 Кристаллическое состояние вещества
Вы уже знакомы с разным агрегатным состоянием веществ - газообразным, жидким, твердым, переходами их из одного состояния в другое.
В твердом состоянии вещества имеют преимущественно кристаллическую структуру. Кристаллических веществ много. Их кристаллы разнообразны, но геометрически правильной формы.
Кристаллы поваренной соли имеют форму куба, горного хрусталя - форму тетраэдра, калийной селитры - форму призмы.
Кристалл (от древнегреческого kristallos - лед, горный хрусталь) - это твердое тело, состоящее из закономерно расположенных частиц. Кристаллическое твердое состояние вещества характеризуется регулярной повторяемостью в расположении частиц в любом направлении, так называемым дальним порядком.
Кристаллическая решетка - это порядок расположения частиц в кристалле. На изображениях кристаллических решеток пересекающиеся прямые линии обозначают грани кристалла, а точки их пересечения - центры частиц, которые называются узлами кристаллической решетки.
В узлах расположены атомы, молекулы или ионы, стянутые в кристалл разными силами (связями).
Силы притяжения частиц в кристалле характеризуют энергию кристаллической решетки в кДж/моль, ее прочность. Любая кристаллическая решетка построена из повторяющихся одинаковых структурных единиц, индивидуальных для каждого кристалла. Таковые называются элементарными ячейками. Элементарная ячейка - это предел делимости кристалла, наименьший его объем, при котором он сохраняет форму и свойства.
В кристалле хлорида натрия каждый ион окружён шестью ионами противоположного знака.
§ 2 Основные типы кристаллических решеток
Остановимся на характеристике основных типов кристаллических решеток и установим зависимость от них свойств веществ.
Молекулярные кристаллические решетки - это решетки, в узлах которых расположены молекулы, связанные между собой слабыми силами межмолекулярного взаимодействия.
Примером веществ с молекулярной кристаллической решёткой может служить кристаллический оксид углерода (IV) СО2 - «сухой лед». Рассмотрим модель его кристаллической решетки. В ее узлах находятся молекулы.
Многие вещества в твердом состоянии имеют молекулярную кристаллическую решетку, особенно органические. Атомы в их молекулах связаны прочными ковалентными связями. Молекулы же в кристаллах стянуты слабыми межмолекулярными силами, которые легко разорвать. Поэтому кристаллы с молекулярной решеткой обладают малой твердостью, легкоплавки, летучи. Молекулярные вещества легко переходят из одного агрегатного состояния в другое. Сухой лед при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. Такое явление называется возгонкой.
Атомные кристаллические решётки - решетки, в которых расположены атомы, стянутые в кристалле прочными ковалентными связями.
Атомных кристаллов сравнительно немного. Примерами таких твердых веществ служат простые вещества - алмаз, кремний, сложные вещества - карбид кальция, сульфид цинка, оксид кремния (IV) и другие. Так, например, кристалл алмаза имеет форму тетраэдра. Следовательно, структурную его единицу представляет тетраэдр. В центре его ячейки расположен атом углерод, прочно связанный с четырьмя другими атомами углерода с помощью электронных пар. Все связи одинаковы, как и углы, образующиеся между атомами. Кстати, давший название кристаллу горный хрусталь или кварц тоже имеет атомную кристаллическую решетку. Это оксид кремния (IV).
Благодаря высокой прочности ковалентной связи атомные кристаллы имеют высокую прочность, они тугоплавки. Температура плавления алмаза +3500 °С.
Алмаз - одно из самых твердых веществ.
Ионные кристаллические решетки - это решетки, в узлах которых расположены ионы с противоположными зарядами.
Связь между ионами осуществляется за счет электростатического притяжения. Типичный представитель веществ с такой решеткой - поваренная соль. Ионные кристаллические решетки характерны для многих соединений с ионной связью. Это соли, щелочи.
Энергия кристаллических решеток ионных соединений высокая, для хлорида натрия она равна 778 кДж/моль, для хлорида кальция - 2283 кДж/моль.
Ионные кристаллы отличаются высокой твердостью и температурой плавления, малой летучестью. По свойствам они сходны с атомными кристаллами.
Металлические кристаллические решетки присущи простым веществам - металлам. В узлах металлических кристаллических решеток находятся катионы или атомы металла.
Соединяются они при помощи свободных электронов, оторвавшихся от атомов металла при превращении их в катионы. Особенности строения металлической кристаллической решетки определяют особые свойства металлов как простых веществ, а именно ковкость и пластичность, электропроводность и теплопроводность, относительно низкие температуры плавления.
§ 3 Краткие итоги по теме
Таким образом, многие простые и сложные вещества имеют кристаллическую структуру. Для них характерны закономерное расположение частиц в трехмерном пространстве и строгая правильная геометрическая форма кристаллов. Свойства таких веществ зависят не только от строения образующих их атомов и характера их химической связи, но и от кристаллической структуры веществ.
Список использованной литературы:
- Н.Е. Кузнецова. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. – М. Вентана-Граф, 2012
Использованные изображения: