Відмінність кристалічних і аморфних тіл: порівняння властивостей

Відмінність кристалічних і аморфних тіл - порівняння властивостей Фізика

Кожен школяр знає, що будь-яка речовина на планеті може існувати в одному з чотирьох агрегатних станів. Великий інтерес у фізиці являють собою тверді тіла. За своєю структурою їх поділяють на два основних класи: кристалічні і аморфні. Відмінністю тіл один від одного займається спеціальний розділ фізики конденсованого стану.

Тверда речовина

У термодинаміці існує поняття про енергію Гіббса, мінімум якої є достатнім критерієм для існування певної фази в конкретно заданих умовах. Основні параметри навколишнього середовища, від яких залежить енергія Гіббса, це температура і тиск.

У міру збільшення температури і зменшення тиску можна спостерігати наступну послідовність переходів між агрегатними станами одного і того ж з точки зору хімії речовини:

  • Плазма.
  • Газ.
  • Рідина.
  • Тверде тіло.

Таким чином, тверда речовина є енергетично стабільним при низьких температурах і високих тисках, причому обидві величини надають незалежний внесок у функцію енергії Гіббса.

На відміну від інших агрегатних станів тверде характеризується наступними особливостями, які притаманні тільки йому:

  1. Здатність зберігати свою форму. Будь-якому механічному впливу тверде тіло чинить опір.
  2. Сталість об’єму. Щоб змінити обсяг газу, досить його помістити в будь-який інший посудину. Для зміни ж цієї величини для твердої речовини доведеться докласти значне зовнішнє механічне зусилля.

Прикладами є дерев’яна палиця, шматок металу, скло, золота прикраса, пластиковий корпус комп’ютера і так далі. Всі ці предмети здатні тривалий час зберігати свою форму і не змінювати обсяг.

Характеристика кристалічних і аморфних тіл

Щоб ясно зрозуміти, чим відрізняються аморфні речовини від кристалічних, необхідно з кожним з цих класів познайомитися окремо. Відрізнити один вид від іншого часто тільки за зовнішніми ознаками не вдається, оскільки обидва мають ознаки твердого з’єднання. Багато людей іноді плутають їх між собою. Наприклад, красиві скляні фрески помилково сприймають кристалами, а бурульки на дахах будинків вважають невірно аморфними сполуками.

Основна відмінність між двома класами речовин полягає в особливостях їх внутрішньої будови, в основі якого лежить просторове розташування структурних одиниць (атомів, молекул).

Упорядкована будова

Кристали є досить великим класом речовин. Для них характерна сувора періодичність в просторі складових їх структурних одиниць. Останні мають назву елементарних осередків.

Наука, яка займається вивченням цього підвиду твердих тіл, називається кристалографією.

У ній для опису геометричних властивостей монокристалів вводять координатні осі. У більшості випадків використовують декартову прямокутну систему координат, з якою зручно працювати на практиці. Якщо взяти певну групу атомів або молекул і переміщати її на елементарні вектори уздовж кожної з трьох взаємно перпендикулярних осей, то вийде весь обсяг кристала. Використовувана при цьому група атомів називається елементарною коміркою.

Оскільки періодичність в кристалах може відрізнятися величинами елементарних векторів трансляції і характером розташування атомів в обраній для переміщення групі, то в кристалографії вводять кілька сингоній (кристалічних систем мають певну просторову групу симетрії).

Їх 6, і слід їх розташувати в такому порядку:

  • Триклинна (трьоклинна).
  • Моноклинна.
  • Орторомбічна.
  • Тетрагональна.
  • Гексагональна.
  • Кубічна.

Чим більше номер сингонії, тим вищою симетрією володіють її кристали. Так, кубічна – це сама симетрична система. Їй володіють більшість металів. Наприклад, мідь, срібло, золото та алюміній мають гексагональну гранецентровану кубічну решітку (ГКР). Своєю чергою, залізо, вольфрам, ніобій, молібден, ванадій — це представники об’ємноцентрованої кубічної решітки (ОЦР). Деякі метали характеризуються гексагональною сингонією (ГПУ), наприклад, кобальт, титан і цирконій.

Алотропні модифікації

Необхідно згадати про існування так званих аллотропних модифікаціях. Вони являють собою різну кристалічну будову одного і того ж за своїм хімічним складом речовини.

Тут буде наочним привести приклад заліза при атмосферному тиску. Коли температура навколишнього середовища менше ніж 911 градусів за Цельсієм, то його стабільною є решітка ОЦР. Як тільки температура стає вище, відбувається перебудова структури в більш вигідне енергетичний стан. Вище 911 градусів залізо має решітку ГЦК. У проміжку температур 1392-1539 градусів за Цельсієм знову утворюються кристали ОЦР.

Іншим прикладом є олово. Воно буває двох аллотропних модифікацій: біле і сіре. Перша з них являє собою високотемпературну (вище 13 градусів) і володіє високою пластичністю, властивою будь-якому металу. Сіре ж олово існує в стабільному стані при температурах нижче 13 градусів і характеризується високою крихкістю. Саме тому не слід використовувати олов’яний посуд при низьких температурах, оскільки вона просто-напросто перетвориться в пил.

Анізотропія властивостей

В якій би аллотропній формі не знаходилося кристалічна речовина, воно завжди характеризується анізотропією фізичних властивостей. Причина цього – все те ж впорядковане будова. Наприклад, кухонна сіль при попаданні в воду розчиняється строго по певних площинах, які є найбільш щільноупакованими. Інший приклад-кристал турмаліну, в залежності від того, в якому напрямку щодо нього падає промінь світла, він може проявляти або не проявляти властивості подвійного променепзаломлення

Унікальною властивістю багатьох кристалів, що підтверджує їх анізотропний характер, є віднесення багатьох з них до класу п’єзо- або піроелектриків. Так, механічна деформація в певному напрямку або локальний нагрів призводять до появи різниці потенціалів між двома точками кристала.

Вельми наочним прикладом є також графіт. Для нього характерна наявність щільнопакованих гексагонів, які з’єднані один з одним слабкими Пі-зв’язками. Навіть невелике механічне зусилля, спрямоване перпендикулярно цим зв’язкам, призводить до розшарування графіту.

Відсутність далекого порядку

Аморфні речовини – це тверді тіла, які не володіють характерним для кристалів далеким порядком. Іншими словами, в них не можна вибрати елементарну комірку і осі трансляції таким чином, щоб за допомогою її перенесення на певні вектора отримати весь обсяг.

Детальне вивчення амфотерних сполук і їх порівняння з кристалами привело вчених до висновку, що вони все ж мають так званим ближнім порядком (схожість з кристалічним станом).

Цей факт можна пояснити тим, що кожен атом або молекула має здатність утворити певну кількість зв’язків (ковалентних, диполь-дипольних, іонних, водневих та інші) до їх насичення. Крім того, сам простір навколо частинки є обмеженим, і в разі щільної упаковки в ньому може розташуватися лише певна кількість атомів або молекул.

Практично будь-яке тверде тіло можна отримати в аморфному вигляді. Для цього необхідно його розплав або газову фазу охолодити з високою швидкістю. У разі металів вона повинна досягати мільйонів градусів в секунду. Отримані в таких умовах аморфні стрічки мають ряд унікальних характеристик. Якщо порівняти їх з аналогічними властивостями для кристалів, то можна виділити наступне:

  • ізотропність;
  • особлива електронна будова (відсутність чітких валентних зон і зон провідності, які властиві кристалам);
  • інші коефіцієнти пружності, ніж для кристалів, і практично повна відсутність пластичності при низьких температурах;
  • відсутність аллотропних модифікацій.

Аморф – це хаос в розташуванні складових його частинок, тому не йде ніякої мови про аллотропних модифікаціях або анізотропії властивостей в таких речовинах. Також для них немає чіткої температури плавлення, оскільки це тверде тіло нагадує собою застиглу рідину. Якщо його нагрівати, то воно плавно буде зменшувати свою в’язкість. Прикладом може служити будь-який пластик. Його нагрівання призводить до поступової появи м’якості і тягучості.

Причина відмінності властивостей

З опису характеристик кристалів і аморфних речовин випливає, що вони розрізняються практично у всьому, крім того факту, що обидва належать до твердого агрегатного стану. Проте у всіх цих фізичних відмінностей є лише одна-єдина причина-просторова структура на мікроскопічному рівні.

Якщо спостерігається дальній порядок і періодичність в розташуванні елементарних структурних одиниць, то речовина є кристалом і для нього характерні анізотропія, поліморфізм, чіткий перехід в рідкий стан. Якщо ж далекого порядку в розташуванні частинок немає, а існує тільки їх ближнє упорядкування, то можна говорити, що його властивості в усіх напрямках однакові, відсутній поліморфізм і температурна точка плавлення.

Відмінність характеристик кристалів і аморфних речовин дозволяє людині значно змінювати властивості твердих тіл з використанням тільки фізичних методів впливу, що відкриває широкі можливості для застосування їх для потреб життєдіяльності.

Зміна хімічного складу речовини може створювати умови для його кристалізації або аморфізації.

Оцініть статтю
Додати коментар