ВІКІСТОРІНКА
Навигация:
Інформатика
Історія
Автоматизація
Адміністрування
Антропологія
Архітектура
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Військова наука
Виробництво
Географія
Геологія
Господарство
Демографія
Екологія
Економіка
Електроніка
Енергетика
Журналістика
Кінематографія
Комп'ютеризація
Креслення
Кулінарія
Культура
Культура
Лінгвістика
Література
Лексикологія
Логіка
Маркетинг
Математика
Медицина
Менеджмент
Металургія
Метрологія
Мистецтво
Музика
Наукознавство
Освіта
Охорона Праці
Підприємництво
Педагогіка
Поліграфія
Право
Приладобудування
Програмування
Психологія
Радіозв'язок
Релігія
Риторика
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Статистика
Технології
Торгівля
Транспорт
Фізіологія
Фізика
Філософія
Фінанси
Фармакологія


Будова речовин у твердому стані

 

План:

 

1. Агрегатний стан речовин.

2. Особливості кристалічного і аморфного станів.

3. Основні уявлення про будову кристалів.

4. Дефекти структури та їх вплив на властивості твердих речовин.

 

 

Залежно від умов, головним чином температури й тиску, речовина може перебувати в різних агрегатних станах – газоподібному, рідкому та твердому, – відстані між частинками речовини й енергія взаємодії між ними при цьому різні.

У газоподібному стані речовини відстані між її частинками набагато більші, ніж розміри власне частинок. Середня кінетична енергія частинок значно перевищує їх середню потенційну енергію. Частки можуть вільно рухатися. Речовина у газоподібному стані прагне поширитися на увесь об’єм, у якому вона перебуває.

При зменшенні кінетичної енергії молекул газу між ними підсилюється взаємодія. При певних температурі й тиску між молекулами утворюються зв’язки, газ конденсується, тобто переходить у рідкий стан. При цьому відстань між частинками речовини набагато менша, ніж у газоподібному стані, наближуючись власне до розмірів частинок. Значна взаємодія між ними обумовлює високу густину й незначну стисливість рідин, а значить, на відміну від газів, і власний об’єм. У той же час частинки зв’язані між собою не жорстко. їх середня кінетична енергія майже дорівнює середній потенційній енергії. Рідини відрізняються високою рухливістю, тобто вони текучі. Заповнюючи посудину, вони під дією сили ваги набувають форми цієї посудини, а в невагомості – форми кулі. У рідинах спостерігається ближній порядок у розташуванні молекул, тобто кількість і розташування найближчих сусідів у кожної молекули приблизно однакові.

При подальшому зниженні температури середня кінетична енергія частинок речовини стає меншою їх середньої потенційної енергії. Речовина переходить у твердий стан. Його частинки здійснюють обмежений рух – теплові коливання в межах фіксованого стану рівноваги. Це визначає такі властивості твердих тіл, як наявність у них власного об’єму, форми і великий опір здвигу. Більшість як простих, так і складних речовин перебуває за звичайних умов у твердому стані. Твердий і рідкий стани речовин називають конденсованими. У твердому стані речовини можуть бути кристалічними або аморфними.

 

 

Особливості кристалічного стану речовини. Більшість речовин у твердому стані мають кристалічну будову. Якщо в рідині тільки найближче оточення частинок виявляється впорядкованим, то в ідеальному кристалі строгий лад у розташуванні часток зберігається у всьому об’ємі, це – т. зв. далекий порядок. Частинки, які складають кристал, розміщуються у просторі регулярним образом. Тут можна уявити собі просторовий каркас, кристалічну ґратку, у вузлах якої розташовані частинки, що складають кристал.

Утворення впорядкованої кристалічної структури при затвердінні рідин є енергетично виграшним, тобто супроводжується зменшенням вільної енергії системи. Зміна об’єму при кристалізації невелика, вона становить близько 10%, тобто відстань між частинками при переході з рідкого стану до твердого змінюється лише десь на 3 %. Однією з особливостей кристалічного стану речовини є наявність певної температури розплавлення. При нагріванні до цієї температури кристал розплавляється і хоч би який перегрів його виявляється неможливим. На відміну від цього, розплав можна охолодити нижче температури плавлення кристалічної речовини. Для початку процесу кристалізації потрібна поява зародків кристалів у розплаві, а це вимагає енергетичних витрат.

Аморфний стан. Слово “аморфний” у перекладі із грецької означає “такий, що не має певної форми”. Якщо у кристалів речовини є характерна форма, то у аморфному стані цього не спостерігається. Аморфний стан – некристалічний твердий стан. Відомі дві форми аморфних тіл: компактна й дисперсна (подрібнена). У компактній формі аморфні тіла перебувають у склоподібному стані. Прикладом його може служити звичайне скло, а також численні матеріали, виготовлені з полімерів. У дисперсному аморфному стані речовина являє собою тонкий порошок, що складається із частинок, що не мають упорядкованої кристалічної будови. Такими є аморфні силіцій, бор, сажа і т. ін.

Для аморфного стану речовини характерні такі риси: ізотропність властивостей, відсутність фіксованої температури плавлення.

Як типовий приклад аморфного стану речовини, розглянемо скловидний стан. Утворення скла відбувається в результаті глибокого переохолодження розплаву. При швидкому охолодженні рідини різко зростає її в’язкість. У цих умовах кристалічна структура не утворюється. Виникає склоподібний стан речовини. Це спостерігається при охолодженні, наприклад, силікатних розплавів.

Речовини в аморфному стані мають тільки ближній порядок у розміщенні частинок. Упорядкованість їх розташування не зберігається на більших відстанях. Це спричинює ізотропність властивостей.

При нагріванні аморфного тіла відбувається поступове його розм’якшення, зниження в’язкості й плавний перехід у рідкий стан.

 

 

Речовина у кристалічному стані може утворювати один кристал – монокристал, або складатися з великої кількості дрібних кристалів – бути полікристалічним. Полікристалами є більшість технічних матеріалів: метали, кераміка, ситали й ін. У кожному окремому кристалі частинки речовини розташовані в певних місцях – вузлах кристалічної ґратки. У ґратці можна подумки виділити елементарну комірку, в якій ще зберігаються характерні риси кристала. Часто за формою така комірка – паралелепіпед. Увесь кристал можна уявити собі складеним з таких комірок – начебто блоків, з яких він побудований.

Схема кристалічної ґратки кристала натрію.

Виділено елементарну комірку

 

Та сама речовина може утворювати кристали різної форми, що відрізняються внутрішньою будовою і, як наслідок, властивостями. Це явище називається поліморфізмом. Прикладом може слугувати кремнезем – який при атмосферному тиску залежно від умов (головним чином – температури) має сім кристалічних форм.

Відомо й інше явище – ізоморфізм, коли в кристалічній ґратці даної речовини частина частинок (атомів чи іонів) цієї речовини заміщена частинками іншої. Наприклад, у кристалічній ґратці корунду частка іонів А13+ може бути заміщена іонами Сг3+. У результаті утворяться зовсім однорідні кристали – тверді розчини заміщення. Ізоморфізм – досить поширене явище, особливо при складній спо­луці й будові кристалів, а це характерно для силікатів і алюмінатів, що становлять основу будівельних матеріалів.

 

 

Дефекти реальних кристалів роблять великий, у ряді випадків визначальний, вплив на властивості твердих тіл.

Хімічні реакції за участю твердих тіл є досить розповсюдженими при одержанні й експлуатації будівельних матеріалів. Якщо хімічні властивості газоподібних і рідких речовин визначаються практично повністю сполукою і будовою молекул, то у випадку твердих тіл знання сполуки і будови ще не дозволяє однозначно і з певністю говорити про реакційну здатність. Однакові за сполукою тверді тіла можуть мати дуже різну хімічну активність. Величезну роль при цьому відіграють саме дефекти структури реальних кристалів. Ці області твердого тіла мають вищий рівень енергії, ніж бездефектні ділянки кристала. Хімічна взаємодія за участю кристалічної речовини найлегше починається та найінтенсивніше протікає на дефектах його структури.

 

Література: 1. §5.1 – 5.4

2. §4.13

1.

 

 

© 2013 wikipage.com.ua - Дякуємо за посилання на wikipage.com.ua | Контакти