Кристаллические и аморфные тела. Свойства твердых тел

Твердые тела могут быть кристаллическими или аморфными. Главное отличие кристаллических тел от аморфных состоит в том, что кристаллические тела имеют пространственную решетку, а аморфные тела ее не имеют Кристаллическая решетка представляет собой такое упорядоченное расположение в пространстве молекул, атомов или ионов, которое повторяется по всему объему тела (дальний порядок). Для любой кристаллической решетки характерно существование такого элемента ее структуры, многократным повторением которого в пространстве можно получить всю кристаллическую решетку, какой бы объем ни занимал кристалл. Такой элемент структуры называют элементарной ячейкой кристаллической решетки. Для описания строения любого кристалла достаточно изучить строение элементарной ячейки пространственной решетки этого кристалла.

У кристаллических твердых тел существуют четыре типа пространственных решеток.

Ионная решетка. В узлах этой решетки в определенном порядке чередуются ионы противоположных знаков, удерживающиеся в положении устойчивого равновесия электростатическими силами (например, соли).

Атомная решетка. В узлах такой решетки находятся нейтральные атомы, взаимодействие между которыми происходит через общие для каждых двух соседних атомов электронные пары (ковалентная связь).

Молекулярная решетка. В узлах данной решетки расположены нейтральные молекулы, удерживающиеся молекулярными силами притяжения.

Металлическая решетка. В узлах этой решетки находятся положительные ионы, взаимодействие между которыми осуществляется через обобществленные свободные электроны.

Кристаллическое твердое тело, представляющее собой один кристалл, называют монокристаллом. Физические свойства монокристаллов различны по различным направлениям внутри кристалла. Это явление называют анизотропией кристаллов.

Физические свойства аморфных тел по всем направлениям одинаковы, т. е. аморфные тела являются изотропными. При низких температурах свойства аморфных тел более близки к твердым телам, а при высоких температурах — к жидкостям. Подобно твердым телам, аморфные тела обладают упругостью, а подобно жидкостям — текучестью. В аморфных телах существует ближний порядок в расположении частиц вещества.

Поликристаллическое тело состоит из множества очень мелких (размером 10^-6 —10^-7 м) сросшихся между собой монокристаллов. Кристаллические решетки этих крошечных монокристаллов ориентированы в пространстве хаотически. Поэтому физические свойства поликристаллических тел одинаковы по всем направлениям. Вследствие этого поликристаллическое твердое тело не обладает анизотропией физических свойств, а является изотропным.

Значительное отличие кристаллических тел от аморфных обнаруживается в процессах плавления и отвердевания. Плавлением называют процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. Обратный плавлению процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое называют отвердеванием. Кристаллические тела плавятся и отвердевают при определенной для каждого вещества температуре, называемой температурой плавления. В процессе плавления (или отвердевания) кристаллического тела, когда оно существует в виде двухфазной системы (т. е. частично в жидком, частично в твердом состоянии), температура тела остается неизменной до тех пор, пока все тело не расплавится (или затвердеет). График зависимости температуры Т кристаллического тела от сообщаемого ему (или отбираемого у него) количества теплоты Q изображен на рис.. Участок АВ графика, соответствующий твердому состоянию вещества, показывает, что при нагревании (или охлаждении) температура твердого тела изменяется. Точка В соответствует температуре плавления, при достижении которой при нагревании тело начинает плавиться. Участок ВС графика соответствует процессу плавления (или затвердевания) тела, при этом тело существует частью в жидком, частью в твердом состоянии. При этом температура тела не изменяется. Точка С соответствует полному переходу тела в жидкость при плавлении (или началу затвердевания жидкости при ее охлаждении). Участок CD графика, соответствующий жидкому состоянию вещества, показывает, что при нагревании (или охлаждении) температура жидкости изменяется.

Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления или затвердевания. В процессе плавления (или затвердевания) температура аморфных тел непрерывно изменяется. При плавлении температура кристаллических тел не меняется потому, что когда тело нагрето до температуры плавления, вся подводимая к телу теплота идет только на увеличение потенциальной энергии молекул тела, а их кинетическая энергия не изменяется. Поэтому не изменяется и температура — мера средней кинетической энергии молекул. Увеличение потенциальной энергии молекул приводит к разрушению кристаллической решетки тела, т. е. к изменению агрегатного состояния вещества. Температура плавления зависит от давления. Если плавление вещества сопровождается увеличением его объема (что наблюдается у большинства веществ), то при увеличении внешнего давления температура плавления этого вещества повышается. Если же плавление вещества сопровождается уменьшением его объема (лед, чугун, висмут, сурьма), то при возрастании внешнего давления температура плавления этого вещества понижается.

Количество теплоты, необходимое для полного превращения 1 кг массы кристаллического вещества из твердого состояния в жидкое при постоянной температуре плавления, характеризуют удельной теплотой плавления: l = Q/m.