Характеризуется наличием дальнего порядка расположения частиц.
Существует и ближний порядок, который характеризуется постоянными координационными числами, валентными узлами и длинами химических связей.
Вследствие своей максимальной упорядоченности кристаллическое состояние вещества характеризуется запасом минимальной внутренней энергией и является термодинамическим равновесным состоянием при данных P и Т. Полностью упорядоченное кристаллическое состояние реально не может быть осуществлено.
Реальные тела в кристаллическом состоянии всегда содержат некоторое количество дефектов, нарушенный ближний и дальний порядок (в основном, твердые растворы, в которых отдельные атомы, ионы, группировки занимают статистически различное положение в пространстве).
Некоторые свойства вещества на поверхности кристалла и вблизи от поверхности существенно отличны от этих свойств внутри кристалла.
Состав и свойства меняются по объему кристалла из-за неизбежного состава среды по мере роста кристалла.
Таким образом, однородность свойств, как и наличие дальнего порядка, относятся к характеристикам идеального кристаллического состояния. Большинство тел в кристаллическом состоянии являются поликристаллическими и представляют собой сростки большого количества мелких зерен, участков порядка 10 -1 – 10 -3 м непонятной формы и различно ориентированных.
Эти зерна отделены друг от друга межкристаллитными слоями, в которых нарушен порядок расположения частиц. В них происходит концентрирование примесей в процессе кристаллизации.
Из-за случайной ориентации зерен поликристаллическое тело может быть изотропным.
В процессах кристаллизации (особенно пластической деформации) образуется текстура, которая характеризуется преимущественно ориентацией зерен.
Некоторые вещества при нагреве переходят в жидкокристаллическое состояние. Кристаллическое вещество можно перегреть или переохладить ниже температуры полиморфного превращения. В этом случае кристаллическое состояние данного вещества может находиться в поле других кристаллических модификаций и являться метастабильным.
Вещество из кристаллического состояния можно перевести в неупорядоченное состояние (аморфное), не отвечающее минимуму свободной энергии не только при изменении параметров состояние (Т, Р, состав), но и воздействием ионизирующего излучения.
Можно тонким измельчением монокристалла привести кристаллическое вещество в неупорядоченное состояние (аморфное).
Кристаллический размер частиц, при котором уже бессмысленно говорить о кристаллическом состоянии, составляет примерно 1 нм (это примерно тот же порядок, что и размер свободной ячейки).
Методы выращивания монокристаллов
В основе классификации – создание благоприятных условий: форма кристалла, скорость, степень стабилизации технологии.
Под методом кристаллизации понимают ряд отличительных признаков техники выращивания кристаллов, необходимость использования контейнера или тигля, его конфигурация, тип источника нагрева, положение и направление фронта кристаллизации относительно зеркала расплава.
Метод выращивания из расплава является более распространенным и чаще применяется (относительно высокая скорость роста кристалла, стабильность, повторяемость результата выращивания, возможность управления и автоматизация процесса).
Минусы: Особые требования к кристаллическим веществам (например, температурная стабильность), следовательно, неоднородности в строении кристалла в виде включений, зерен, дислокаций, блочных структур.
Из расплава выращивают металлы, оксиды (Al2O3, Cd2O3), полупроводники (Si, Ge), галогениды (KF, NaF, LiF, RbF, LiBr, KBr), простые соединения.
Повышенные требования предъявляют и к тиглям, в которых осуществляется плавление вещества (например, органические материалы надо выращивать в тиглях из диэлектриков, а диэлектрические материалы – из металлических тиглей). В противном случае возможно растворение материалов, нарушение состава и структуры.
Частицы атмосферы способны активно взаимодействовать с частицами кристалла. Из-за влияния атмосферы иногда синтез осуществляется в вакууме, азотной атмосфере и т.д. В вакууме при температуре больше 800оС возможно испарение материала, а если вакуум ниже 4 мм ртутного столба, то присутствует кислород О2.
Для уменьшения испарения в состав расплава вводят летучие компоненты кристаллического вещества, например, для синтеза фторидов используют фтор содержащую атмосферу, для оксидов – кислород содержащую атмосферу, сульфидов – серосодержащую атмосферу и т.д.
Выращивание некоторых составов осуществляется в восстановительной атмосфере для термического восстановления расплава. Например, синтез CaF2 ведут в атмосфере фтористого водорода, что препятствует развитию гидратации.
Синтез металла реализуют в водородной среде.
В ряде случаев в качестве атмосферы выбирают окислительную среду (воздух, кислород).
В промышленных установках для улучшения качества кристаллов производится очистка атмосферы от загрязнений (кислорода и влаги).
При синтезе кристалла LiH для очистки H используется титановая губка.
Существует множество классификаций методов выращивания кристаллов.
Различают методы с неограниченным объемом жидкой фазы – Кирропулоса, Чохральского, Гарниссажа, Добржанского, Степанова, Бриджмена-Стокбаргера; и ограниченным объемом жидкой фазы: Вернеля, зонной плавки, плавающей зоны.
Агрегатные состояния вещества.
В этом разделе мы рассмотрим агрегатные состояния , в которых пребывает окружающая нас материя и силы взаимодействия между частицами вещества, свойственные каждому из агрегатных состояний.
1. Состояние твёрдого тела ,
2. Жидкое состояние и
Газообразное состояние.
Часто выделяют четвёртое агрегатное состояние – плазму .
Иногда, состояние плазмы считают одним из видов газообразного состояния.
Плазма - частично или полностью ионизированный газ , чаще всего существующий при высоких температурах.
Плазма является самым распространённым состоянием вещества во вселенной, поскоьку материя звёд пребывает именно в этом состоянии.
Для каждого агрегатного состояния характерны особенности в характере взаимодействия между частицами вещества, что влияет на его физические и химические свойства.
Каждое вещество может пребывать в разных агрегатных состояниях. При достаточно низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии . Но по мере нагрева они становятся жидкостями , затем газами . При дальнейшем нагревании они ионизируются (атомы теряют часть своих электронов) и переходят в состояние плазмы .
Газообразное состояние (от нидерл. gas, восходит к др.-греч. Χάος ) характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами.
Образующие газ молекулы или атомы хаотически движутся и при этом преобладающую часть времени находятся на больших (в сравнении с их размерами) растояниях друг от друга. Вследствие этого силы взаимодействия между частицами газа пренебрежимо малы .
Основной особенностью газа является то, что он заполняет все доступное пространство, не образуя поверхности. Газы всегда смешиваются. Газ - изотропное вещество , то есть его свойства не зависят от направления.
При отсутствии сил тяготения давление во всех точках газа одинаково. В поле сил тяготения плотность и давление не одинаковы в каждой точке, уменьшаясь с высотой. Соответственно, в поле сил тяжести смесь газов становится неоднородной. Тяжелые газы имеют тенденцию оседать ниже, а более легкие - подниматься вверх.
Газ имеет высокую сжимаемость - при увеличении давления возрастает его плотность. При повышении температуры расширяются.
При сжатии газ может перейти в жидкость , но конденсация происходит не при любой температуре, а при температуре, ниже критической температуры. Критическая температура является характеристикой конкретного газа и зависит от сил взаимодействия между его молекулами. Так, например, газ гелий можно ожижить только при температуре, ниже от 4,2 К .
Существуют газы, которые при охлаждении переходят в твердое тело, минуя жидкую фазу. Превращения жидкости в газ называется испарением, а непосредственное превращение твердого тела в газ - сублимацией .
Твёрдое тело
Состояние твёрдого тела в сравнении с другими агрегатными состояниямихарактеризуется стабильностью формы .
Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела .
Кристаллическое состояние вещества
Стабильность формы твёрдых тел связана с тем, что большинство, находящихся в твёрдом состоянии имеет кристалическое строение .
В этом случае расстояния между частицами вещества малы, а силы взаимодействия между ними велики, что и определяет стабильность формы .
В кристаллическом строении многих твёрдых тел легко убедиться, расколов кусок вещества и рассмотрев полученный излом. Обычно на изломе (например, у сахара, серы, металлов и пр.) хорошо заметны расположенные под разными углами мелкие грани кристаллов, поблескивающие вследствии различного отражения ими света.
В тех случаях, когда кристаллы очень малы, кристаллическое строение вещества можно установить при помощи микроскопа.
Формы кристаллов
Каждое вещество образует кристаллы совершенно определённой формы.
Разнообразие кристаллических форм может быть сведено к семи группам:
1. Триклинная (параллелепипед),
2.Моноклинная (призма с параллелограммом в основании),
3. Ромбическая (прямоугольный параллелепипед),
4. Тетрагональная (прямоугольный параллелепипед с квадратом в основании),
5. Тригональная ,
6. Гексагональная
(призма с основанием правильного центрированного
шестиугольника),
7. Кубическая (куб).
Многие вещества, в частности железо, медь, алмаз, хлорид натрия кристализуются вкубической системе . Простейшими формами этой системы являются куб, октаэдр, тетраэдр .
Магний, цинк, лёд, кварц кристализуются в гексагональной системе . Основные формы этой системы – шестигранные призмы и бипирамида .
Природные кристаллы, а также кристаллы, получаемые искусственным путём, редко в точности соответствуют теоретическим формам. Обычно при затвердевании расплавленного вещества кристаллы срастаются вместе и потому форма каждого из них оказывается не вполне правильной.
Однако как бы неравномерно не происходило развитие кристалла, как бы ни была искажена его форма, углы, под которыми сходятся грани кристалла у одного и того же вещества остаются постоянными.
Анизотропия
Особенности кристаллических тел не ограничиваются только формой кристаллов. Хотя вещество в кристалле совершенно однородно, многие из его физических свойств – прочность, теплопроводность, отношение к свету и др. – не всегда одинаковы по различным направлениям внутри кристалла. Эта важная особенность кристаллических веществ называется анизотропией .
Внутреннее строение кристаллов. Кристаллические решётки.
Внешняя форма кристалла отражает его внутреннее строение и обусловлена правильным расположением частиц, составляющих кристалл, - молекул, атомов или ионов.
Это расположение можно представить в виде кристаллической решётки – пространственного каркаса, образованного пересекающимися прямыми линиями. В точках пересечения линий – узлах решётки – лежат центры частиц.
В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решётки, и от того, какие силы взаимодействия между ними преобладают в данном кристалле, различают следующие виды кристаллических решёток :
1. молекулярные ,
2. атомные ,
3. ионные и
4. металлические .
Молекулярные и атомные решётки присущи веществам с ковалентной связью, ионные – ионным соединениям, металические – металам и их сплавам.
· Атомные кристаллические решётки
В узлах атомных решёток находятся атомы . Они связаны друг с другомковалентной связью .
Веществ, обладающих атомными решётками, сравнительно мало. К ним принадлежаталмаз, кремний и некоторые неорганические соединения.
Эти вещества характеризуются высокой твёрдостью, они тугоплавки и нерастворимы практически ни в каких растворителях. Такие их свойства объясняются прочностьюковалентной связи .
· Молекулярные кристаллические решётки
В узлах молекулярных решёток находятся молекулы . Они связаны друг с другоммежмолекулярными силами .
Веществ с молекулярной решёткой очень много. К ним принадлежат неметаллы , за исключением углерода и кремния, все органические соединения с неионной связью имногие неорганические соединения .
Силы межмолекулярного взаимодействия значительно слабее сил ковалентной связи, поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую твёрдость, легкоплавки и летучи.
· Ионные кристаллические решётки
В узлах ионных решёток располагаются, чередуясь положительно и отрицательно заряженные ионы . Они связаны друг с другом силамиэлектростатического притяжения .
К соединениям с ионной связью, образующим ионные решётки, относится большинство солей и небольшое число оксидов .
По прочности ионные решётки уступают атомным, но превышают молекулярные.
Ионные соединения имеют сравнительно высокие температуры плавления. Летучесть их в большинстве случаев не велика.
· Металлические кристаллические решётки
В узлах металлических решёток находятся атомы металла, между которыми свободно движутся общие для этих атомов электроны .
В твердом состоянии большинство веществ имеет кристаллическое строение. В этом легко убедиться, расколов кусок вещества и рассмотрев полученный излом. Обычно на изломе (например, у сахара, серы, металлов) хорошо заметны расположенные под разными углами мелкие грани кристаллов, поблескивающие вследствие различного отражения ими света. В тех случаях, когда кристаллы очень малы, кристаллическое строение вещества можно установить при помощи микроскопа.
Каждое вещество обычно образует кристаллы совершенно определенной формы. Например, хлорид натрия кристаллизуется в форме кубов (рис. 59,а), квасцы - в форме октаэдров (рис. 59,б), нитрат натрия - в форме призм (рис. 59, в) и т. д. Кристаллическая форма - одно из характерных свойств вещества.
Классификация кристаллических форм основана на симметрии кристаллов. Различные случаи симметрии кристаллических многогранников подробно разбираются в курсах кристаллографии. Здесь укажем только, что все разнообразие кристаллических форм может быть сведено к семи группам, или кристаллическим системам, которые, в свою очередь, подразделяются на классы.
Рис. 59. Формы кристаллов: а - хлорид натрия; б - квасцы; в - нитрат натрия.
Рис. 60. Бруски, вырезанные из кристаллов каменной соли: а - в направлении, перпендикулярном граням куба; б - в направлении диагонали одной из граней куба.
Многие вещества, в частности железо, медь, алмаз, хлорид натрия, кристаллизуются в кубической системе. Простейшими формами этой системы являются куб, октаэдр, тетраэдр. Магний, цинк, лед, кварц кристаллизуются в гексагональной системе. Основные формы этой системы-шестигранные призма и бипирамида.
Природные кристаллы, а также кристаллы, получаемые искусственным путем, редко в точности соответствуют теоретическим формам. Обычно при затвердевании расплавленного вещества кристаллы срастаются вместе и потому форма каждого из них оказывается не вполне правильной. При быстром выделении вещества из раствора тоже получаются кристаллы, форма которых искажена вследствие неравномерного роста в условиях кристаллизации.
Однако как бы неравномерно ни происходило развитие кристалла, как бы ни была искажена его форма, углы, под которыми сходятся грани кристалла данного вещества, остаются одними и теми же. Это один из основных законов кристаллографии - закон постоянства гранных углов. Поэтому по величине двугранных углов в кристалле можно установить, к какой кристаллической системе и к какому классу относится данный кристалл.
Особенности кристаллических тел не ограничиваются только формой кристаллов. Хотя вещество в кристалле совершенно однородно, многие из его физических свойств - прочность, теплопроводность, отношение к свету и др. - не всегда одинаковы по различным направлениям внутри кристалла. Эта важная особенность кристаллических веществ называется анизотропией.
Вырежем, например, в различных направлениях из кубического кристалла каменной соли два одинаковой толщины бруска (рис. 60) и определим сопротивление этих брусков разрыву. Оказывается, что для разрыва второго бруска требуется сила в 2,5 раза большая, чем для разрыва первого бруска. Очевидно, что прочность кристаллов каменной соли в направлении, перпендикулярном граням куба, в 2,5 раза меньше, чем в направлении диагоналей.
Во многих кристаллах различие между прочностью по разным направлениям настолько велико, что при ударе или разламывании они раскалываются по тем плоскостям, перпендикулярно к которым прочность минимальна. Это свойство кристаллов называется спайностью. Примером проявления спайности могут служить кристаллы слюды, раскалывающейся, как известно, на тончайшие пластинки.
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.
Твердыми называют, как известно, тела кристаллического строения, закономерности расположения атомов в которых в значительной мере определяют их свойства. Поэтому освещению вопросов, относящихся к реакциям в смесях твердых веществ, уместно предпослать краткое изложение современных представлений о кристаллическом состоянии вещества.
Частицы вещества, находящегося в кристаллическом состоянии, имеют устойчивое положение и располагаются упорядоченно, образуя пространственную кристаллическую решетку. Строение этой решетки, легко определяемое в настоящее время рентгенографически, в большинстве случаев тесно связано с химическим составом вещества.
Эту связь, как показал еще в 1890 г. известный кристаллограф Федоров , в несколько менее ясном виде можно наблюдать также на форме или габитусе кристаллов. Обычно чем проще химический состав тела, тем выше симметрия его кристаллов. 50% элементов и около 70% бинарных соединений образуют, например, кубические кристаллы, 75-85% соединений с четырьмя - пятью атомами в молекуле - гексагональные и ромбические кристаллы и около 80% сложных органических соединений - ромбические и моноклинные кристаллы. Все это можно объяснить тем, что чем однороднее составные части кристаллической решетки, тем более упорядоченно они могут располагаться в пространстве.
Интересной закономерностью, характеризующей связь строения кристалла с его химическим составом, является также и то, что родственные по строению молекулы вещества (например, BaS04, PbS04, SrS04 или CaCO3, MgCO3, ZnCO3, FeCO3, MnC03) кристаллизуются в сходных кристаллических формах. Сходству свойств кристаллов в образуемых таким образом изоморфных рядах веществ отвечает сходство строения их кристаллических решеток.
Важной особенностью кристаллического состояния вещества является его анизотропия, заключающаяся в различии физических свойств химически однородного кристалла в разных его направле-
ниях. Анизотропию можно наблюдать на механических, оптических, диффузионных, тепловых и электрических свойствах кристаллических тел. Она проявляется, между прочим, в различной скорости роста кристалла по разным направлениям, в соответствии с чем одни его грани получают большее развитие, чем другие.
Структурные элементы, составляющие кристалл, и силы взаимодействия между ними могут быть различными. Соответственно этому различают решетки ионные, молекулярные, ковалентные и металлические. На практике широко распространены также решетки разнообразных промежуточных типов. Исследованиями установлено, что связь в решетках многих кристаллических соединений относится к промежуточной форме и что характер разных связей в соединении из трех и большего числа химических элементов часто бывает различным. По характеру преобладающих сил связи их называют ионными, ковалентными и т. д.
В ионной решетке, свойственной большинству солей и типичной для неорганических соединений, силы взаимодействия между ее структурными элементами являются в основном электростатическими. Такая решетка образуется правильным чередованием противоположно заряженных ионов (рис. 1), связанных между собой кулоновскими силами взаимодействия.
