Каждый школьник знает, что любое вещество на планете может существовать в одном из четырех агрегатных состояний. Большой интерес в физике представляют собой твердые тела. По своей структуре их разделяют на два основных класса: кристаллические и аморфные. Отличием тел друг от друга занимается специальный раздел физики конденсированного состояния.
Твердое вещество
В термодинамике существует понятие об энергии Гиббса, минимум которой является достаточным критерием для существования определенной фазы в конкретно заданных условиях. Основные параметры окружающей среды, от которых зависит энергия Гиббса, это температура и давление.
По мере увеличения температуры и уменьшения давления можно наблюдать следующую последовательность переходов между агрегатными состояниями одного и того же с точки зрения химии вещества:
- Плазма.
- Газ.
- Жидкость.
- Твердое тело.
Таким образом, твердое вещество является энергетически стабильным при низких температурах и высоких давлениях, причем обе величины оказывают независимый вклад в функцию энергии Гиббса.
В отличие от других агрегатных состояний твердое характеризуется следующими особенностями, которые присущи только ему:
- Способность сохранять свою форму. Любому механическому воздействию твердое тело оказывает сопротивление.
- Постоянство объема. Чтобы изменить объем газа, достаточно его поместить в любой другой сосуд. Для изменения же этой величины для твердого вещества придется приложить значительное внешнее механическое усилие.
Примерами являются деревянная палка, кусок металла, стекло, золотое украшение, пластиковый корпус компьютера и так далее. Все эти предметы способны длительное время сохранять свою форму и не изменять объем.
Характеристика кристаллических и аморфных тел
Чтобы ясно понять, чем отличаются аморфные вещества от кристаллических, необходимо с каждым из этих классов познакомиться отдельно. Отличить один вид от другого часто только по внешним признакам не удается, поскольку оба имеют признаки твердого соединения. Многие люди иногда путают их между собой. Например, красивые стеклянные фрески ошибочно воспринимают кристаллами, а сосульки на крышах домов считают неверно аморфными соединениями.
Основное отличие между двумя классами веществ заключается в особенностях их внутреннего строения, в основе которого лежит пространственное расположение структурных единиц (атомов, молекул).
Упорядоченное строение
Кристаллы являются достаточно обширным классом веществ. Для них характерна строгая периодичность в пространстве составляющих их структурных единиц. Последние носят название элементарных ячеек.
Наука, которая занимается изучением этого подвида твердых тел, называется кристаллографией. В ней для описания геометрических свойств монокристаллов вводят координатные оси. В большинстве случаев используют декартову прямоугольную систему координат, с которой удобно работать на практике. Если взять определенную группу атомов или молекул и перемещать ее на элементарные векторы вдоль каждой из трех взаимно перпендикулярных осей, то получится весь объем кристалла. Используемая при этом группа атомов называется элементарной ячейкой.
Поскольку периодичность в кристаллах может отличаться величинами элементарных векторов трансляции и характером расположения атомов в выбранной для перемещения группе, то в кристаллографии вводят несколько сингоний (кристаллических систем имеющих определенную пространственную группу симметрии). Их 6, и следует их расположить в таком порядке:
- Триклинная.
- Моноклинная.
- Орторомбическая.
- Тетрагональная.
- Гексагональная.
- Кубическая.
Чем больше номер сингонии, тем более высокой симметрией обладают ее кристаллы. Так, кубическая — это самая симметричная система. Ей обладают большинство металлов. Например, медь, серебро, золото и алюминий имеют гексагональную гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК). В свою очередь, железо, вольфрам, ниобий, молибден, ванадий — это представители объемноцентрированной кубической решетки (ОЦК). Некоторые металлы характеризуются гексагональной сингонией (ГПУ), например, кобальт, титан и цирконий.
Аллотропные модификации
Необходимо вспомнить о существовании так называемых аллотропных модификациях. Они представляют собой разное кристаллическое строение одного и того же по своему химическому составу вещества.
Здесь будет наглядным привести пример железа при атмосферном давлении. Когда температура окружающей среды меньше 911 градусов по Цельсию, то его стабильной является решетка ОЦК. Как только температура становится выше, происходит перестройка структуры в более выгодное энергетическое состояние. Выше 911 градусов железо имеет решетку ГЦК. В промежутке температур 1392−1539 градусов по Цельсию снова образуются кристаллы ОЦК.
Другим примером является олово. Оно бывает двух аллотропных модификаций: белое и серое. Первая из них представляет собой высокотемпературную (выше 13 градусов) и обладает высокой пластичностью, свойственной любому металлу. Серое же олово существует в стабильном состоянии при температурах ниже 13 градусов и характеризуется высокой хрупкостью. Именно поэтому не следует использовать оловянную посуду при низких температурах, поскольку она просто-напросто превратится в пыль.
Анизотропия свойств
В какой бы аллотропной форме ни находилось кристаллическое вещество, оно всегда характеризуется анизотропией физических свойств. Причина этого — все то же упорядоченное строение. Например, поваренная соль при попадании в воду растворяется строго по определенным плоскостям, которые являются наиболее плотноупакованными. Другой пример — кристалл турмалина, в зависимости от того, в каком направлении относительно него падает луч света, он может проявлять или не проявлять свойства двойного лучепреломления.
Уникальным свойством многих кристаллов, подтверждающим их анизотропный характер, является отнесение многих из них к классу пьезо- или пироэлектриков. Так, механическая деформация в определенном направлении или локальный нагрев приводят к появлению разности потенциалов между двумя точками кристалла.
Весьма наглядным примером является также графит. Для него характерно наличие плотноупакованных гексагонов, которые соединены друг с другом слабыми пи-связями. Даже небольшое механическое усилие, направленное перпендикулярно этим связям, приводит к расслоению графита.
Отсутствие дальнего порядка
Аморфные вещества — это твердые тела, которые не обладают характерным для кристаллов дальним порядком. Иными словами, в них нельзя выбрать элементарную ячейку и оси трансляции таким образом, чтобы с помощью ее переноса на определенные вектора получить весь объем.
Детальное изучение амфотерных соединений и их сравнение с кристаллами привело ученых к выводу, что они все же обладают так называемым ближним порядком (сходство с кристаллическим состоянием). Этот факт можно объяснить тем, что каждый атом или молекула обладает способностью образовать определенное количество связей (ковалентных, диполь-дипольных, ионных, водородных и другие) до их насыщения. Кроме того, само пространство вокруг частицы является ограниченным, и в случае плотной упаковки в нем может расположиться лишь определенное количество атомов или молекул.
Практически любое твердое тело можно получить в аморфном виде. Для этого необходимо его расплав или газовую фазу охладить с высокой скоростью. В случае металлов она должна достигать миллионов градусов в секунду. Полученные в таких условиях аморфные ленты обладают рядом уникальных характеристик. Если сравнить их с аналогичными свойствами для кристаллов, то можно выделить следующее:
- изотропность;
- особое электронное строение (отсутствие четких валентных зон и зон проводимости, которые свойственны кристаллам);
- иные коэффициенты упругости, чем для кристаллов, и практически полное отсутствие пластичности при низких температурах;
- отсутствие аллотропных модификаций.
Аморф — это хаос в расположении составляющих его частиц, поэтому не идет никакой речи об аллотропных модификациях или анизотропии свойств в таких веществах. Также для них нет четкой температуры плавления, поскольку это твердое тело напоминает собой застывшую жидкость. Если его нагревать, то оно плавно будет уменьшать свою вязкость. Примером может служить любой пластик. Его нагрев приводит к постепенному появлению мягкости и тягучести.
Причина отличия свойств
Из описания характеристик кристаллов и аморфных веществ следует, что они различаются практически во всем, кроме того факта, что оба относятся к твердому агрегатному состоянию. Тем не менее у всех этих физических различий имеется лишь одна-единственная причина — пространственная структура на микроскопическом уровне.
Если наблюдается дальний порядок и периодичность в расположении элементарных структурных единиц, то вещество является кристаллом и для него характерны анизотропия, полиморфизм, четкий переход в жидкое состояние. Если же дальнего порядка в расположении частиц нет, а существует только их ближнее упорядочивание, то можно говорить, что его свойства по всем направлениям одинаковы, отсутствует полиморфизм и температурная точка плавления.
Различие характеристик кристаллов и аморфных веществ позволяет человеку значительно изменять свойства твердых тел с использованием только физических методов воздействия, что открывает широкие возможности для применения их для нужд жизнедеятельности. Изменение химического состава вещества может создавать условия для его кристаллизации или аморфизации.
