Характеристика твердого состояния вещества

Разнообразные твердые тела, встречающиеся в природе, можно разделить на две группы, отличающиеся по своим свойствам. Первую группу составляют кристаллические тела, вторую – аморфные тела.

Отличительной чертой кристаллического состояния вещества является анизотропия. Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, называются изотропными. Изотропными являются газы, большинство жидкостей и аморфные тела.

Причиной анизотропии кристаллов является упорядоченное расположение атомов, образующих пространственную решетку. Чтобы представить пространственную решетку, нужно мысленно соединить близлежащие точки, в которых расположены центры атомов кристалла. Эти точки называются узлами кристаллической решетки. В узлах решетки могут располагаться как одиночные атомы, так и группа атомов или ионы.

Чтобы объяснить анизотропию, проанализируем строение кристалла. Рассмотрим в качестве примера строение кристалла графита, изображенного на рисунке. Атомы углерода в этом кристалле располагаются в плоскостях, которые находятся друг от друга на некотором определенном расстоянии. Расстояние между атомами, расположенными в одной плоскости, меньше расстояния между плоскостями; значит, и силы взаимодействия между атомами, лежащими в одной плоскости, больше сил взаимодействия между атомами различных плоскостей. Поэтому кристалл графита легче всего разрушить в направлении, параллельном атомным плоскостям.

Большинство твердых материалов являются поликристаллическими; они состоят из множества беспорядочно ориентированных мелких кристаллических зерен – кристаллитов – мелких монокристаллов. Каждый из мелких монокристаллов анизотропен, но так как кристаллики ориентированы хаотически, то в целом поликристаллическое тело является изотропным. Если монокристаллы каким-нибудь способом ориентированы в определенном направлении, например прокаткой, то поликристаллическое тело становится анизотропным.

Крупные одиночные кристаллы называются монокристаллами. Крупные кристаллы в природе встречаются очень редко. Потребность промышленности, науки и техники в кристаллах велика, они находят широкое применение в радиотехнике, оптике и других отраслях народного хозяйства. Например, кристаллы рубина используются в квантовых генераторах света – лазерах. С помощью кристаллов сегнетовой соли получают ультразвуковые колебания. В настоящее время искусственно изготовляются монокристаллы многих веществ: кварца, алмаза, корунда, рубина и др. Чтобы вырастить кристаллы, нужны особые условия. Например, для получения алмаза требуются давление 104 МПа и температура 2000 °С.

Атомам одного и того же химического элемента могут соответствовать различные по свойствам кристаллические структуры. Углероду присущи слоистая структура графита и пространственная структура алмаза, свойства которых совершенно различны. Из молекул воды может состоять лед пяти различных кристаллических структур.

Свойство вещества одного состава образовывать различные кристаллические структуры, обладающие разными физическими свойствами, называется полиморфизмом.

Для кристаллических тел характерен дальний порядок, т. е. правильная повторяемость положений узлов кристаллической решетки на любых расстояниях в кристалле.

Кроме кристаллических тел существуют аморфные тела. Они, хотя и рассматриваются обычно как твердые, представляют собой переохлажденные жидкости.

Если рассматривать некоторый атом аморфного тела как центральный, то ближайшие к нему атомы будут располагаться в определенном порядке, но по мере удаления от «центрального» атома этот порядок нарушается и расположение атомов может быть различным, т. е. случайным. В аморфных телах в отличие от кристаллических существует лишь ближний порядок во взаимном расположении соседних атомов. К аморфным телам относятся стекло, пластмассы и т. д. Многие тела (сера, глицерин, сахар и т.п.) могут существовать как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии, или, как принято говорить, в стеклообразной форме. В природе аморфное состояние тел менее распространено, чем кристаллическое.