Глава 4. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ

ВЕЩЕСТВА

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Наименьшее влияние сил межмолекулярного взаимодействия наблюдается в газообразном состоянии, так как плотность газов мала и молекулы их находятся на больших расстояниях друг от друга. Газы, находящиеся при температурах, значительно превышающих их критическую температуру, и при давлениях ниже критического считаются «идеальными». К идеальным газам применима статистика Максвелла-Больцмана и уравнение состояния идеального газа Клапейрона-Менделеева. Однако при точных расчетах нужно вносить поправки на межмолекулярное взаимодействие (Рандалл, Льюис). Величины критической температуры и критического давления зависят от строения молекул газа, так как при понижении температуры ниже Т_крит и при повышении давления газ начинает конденсироваться, или под действием межмолекулярных сил между отдельными молекулами вещество переходит в жидкое состояние.

Процесс конденсации газов сопровождается значительным выделением энергии.

следует отметить, что при комнатной температуре баллон с кислородом будет содержать газ (Т_комн. > Т_крит.) при давлении 150 ат., а в баллонах с СО₂ или пропан-бутановой смесью (Т_комн < Т_крит), будут содержаться жидкости и давление в них определяется упругостью насыщенного пара, зависящей от температуры. В жидкости молекулы находятся на малых расстояниях друг от друга и силы межмолекулярного взаимодействия весьма значительны, что создает очень большое внутреннее когезионное давление (долгое время жидкость считали несжимаемой), увеличивает вязкость жидкостей при течении и создает поверхностное натяжение на границе раздела - жидкость - пар. Поверхностное натяжение обусловливает форму жидкостей: жидкость в состоянии невесомости принимает форму идеального шара (максимальный объем при минимальной поверхности).

При понижении температуры плотность жидкостей растет, молекулы сближаются, и возрастает энергия межмолекулярного взаимодействия; при вполне определенном значении температуры (температура кристаллизации или плавления) вещество переходит в твердое состояние, которое характеризуется упорядоченным расположением частиц в пространстве - кристаллическим строением. Для зарождения кристаллов необходимы некоторые условия: переохлаждение жидкости ниже температуры плавления (доли градусов), появление субмикроскопических центров кристаллизации - зародышей выше критических размеров, которые, постепенно увеличиваясь, превращают жидкость в кристаллическую массу (центрами кристаллизации могут явиться и твердые частицы примесей). Кристаллизация протекает с выделением энергии, но менее значительным, чем при конденсации. Процессом кристаллизации можно управлять, и этим пользуются в технологии, получая мелкокристаллические или крупнокристаллические структуры, а также выращивая монокристаллы. При очень большом переохлаждении жидкости с большой вязкостью (кремнезем, силикаты и алюмосиликаты) могут перейти в стекловидное состояние, в котором сохраняется неупорядоченная структура. Этим, например, пользуются при изготовлении стекол или ситаллов (частично закристаллизованное стекло).

Кристаллы можно получать, минуя жидкое состояние, путем конденсации пара на охлажденной стенке (подложка). Так наносят металлические слои на различные материалы - вакуумное напыление.