![]() |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
|
При достаточно низкой температуре практически все вещества находятся в твердом состоянии. В этом состоянии расстояния между частицами вещества сопоставимы с размерами самих частиц, что обеспечивает их сильное взаимодействие и значительное превышение у них потенциальной энергии над кинетической энергией. Движение частиц твердого вещества ограничено только незначительными колебаниями и вращениями относительно занимаемого положения, а поступательное движение у них отсутствует. Это приводит к внутренней упорядоченности в расположении частиц. Поэтому для твердых тел характерна собственная форма, механическая прочность, постоянный объем (они практически несжимаемы). В зависимости от степени упорядоченности частиц твердые вещества разделяются на кристаллические и аморфные.
Кристаллические вещества. Эти вещества характеризуются наличием не только ближнего, но и дальнего порядка в расположении всех частиц. Твердая фаза кристаллических веществ состоит из частиц (атомов, молекул, ионов), которые образуют однородную структуру, характеризующуюся строгой повторяемостью одной и той же элементарной ячейки во всех направлениях. Элементарная ячейка кристалла характеризует трехмерную периодичность в расположении частиц, т. е. его кристаллическую решетку. Кристаллические решетки классифицируются, прежде всего, в зависимости от типа частиц, составляющих кристалл, и от природы сил притяжения между ними.
Ионная решетка. Если в узлах решетки расположены ионы, соединенные между собой ионной связью, то такая решетка называется ионной. Вследствие большой энергии ионной связи разрушить такую кристаллическую решетку очень трудно. Поэтому соединения с ионной кристаллической решеткой имеют высокую температуру плавления и растворяются только в сильнополярных растворителях, например в воде. Ионная решетка характерна для большинства солей.
Ковалентная (атомная) решетка. Если в узлах решетки расположены атомы, соединенные ковалентными связями, то решетка называется ковалентной. В такой решетке атомы размещены так, что каждый из них связан с числом атомов, равным его характерной валентности, а направление связи соответствует его валентным углам. Плавление такого кристалла связано с разрывом множества прочных ковалент-ных связей, и поэтому температура плавления его велика. Природа ковалентной связи между одинаковыми атомами и ее прочность препятствуют взаимодействию этих веществ с mo лекулами растворителя, вследствие чего вещества с атомной решеткой практически
![]() |
Рис. 3.3. Полиморфные (аллотропные) модификации углерода: • — атом углерода
Молекулярная решетка. Эту решетку образуют молекулы, связанные вандерваальсовыми силами. Эти силы значительно слабее, чем силы, определяющие ионную или ковалентную связь, поэтому температура плавления вещества с молекулярной решеткой намного ниже. Некоторые вещества с молекулярной решеткой, например I2(т), СO2(т) (сухой лед), способны прямо из твердого переходить в парообразное состояние, т. е. сублимироваться.
Если молекулы вещества содержат полярные группы, то энергия межмолекулярных ориентационных сил, действующих между такими молекулами, значительно больше энергии взаимодействия неполярных молекул друг с другом. Поэтому температуры плавления и кипения таких веществ выше, особенно если они способны образовывать еще и водородные связи. Это подтверждается сравнением температур плавления и кипения следующих веществ, имеющих близкую молекулярную массу, но разную полярность и способность образовывать водородную связь:
Растворимость соединений, образующих молекулярные решетки, зависит от полярности этих молекул. Полярные вещества растворяются в полярных растворителях. Размер полярной группы по отношению к остальной части молекулы определяет большую или меньшую растворимость в воде. Например, уксусная кислота СН3СООН растворяется в воде неограниченно, а растворимость стеариновой кислоты С17Н35СООН составляет 0,03 г на 100 г воды при 25 °С. Если молекулы неполярны, то такое вещество растворяется в неполярных растворителях. Таким образом, подтверждается правило: "подобное в подобном".
Металлическая решетка. Для металлов в твердом состоянии характерна металлическая кристаллическая решетка. В узлах этой решетки находятся катионы металла, которые окружены свободными электронами. Возникновение металлической связи обусловлено взаимодействием сильно подвижных валентных электронов ("электронный газ") с остовом положительно заряженных ионов кристаллической решетки. Структура кристаллической решетки и, соответственно, тип связи определяют специфические свойства твердых металлов: пластичность, ковкость, электро- и теплопроводность, а также способность многих металлов в соответствии с упомянутым правилом растворяться в ртути с образованием амальгам.
Таким образом, кристаллы представляют собой типичную твердую фазу, так как они имеют однородную структуру, в которой частицы пространственно жестко закреплены. Для кристаллических веществ характерен ряд особенностей, связанных с их структурой: анизотропия, полиморфизм и изоморфизм.
Регулярная структура кристаллических тел характеризуется определенной направленностью в расположении всех частиц, т. е. наличием и ближнего, и дальнего порядка, поэтому для большинства кристаллов характерна отличительная особенность - анизотропия.
Анизотропия - неодинаковость всех или некоторых физических и химических свойств вещества по разным направлениям, т. е. зависимость свойств от направления.
Вследствие анизотропии такие свойства кристалла, как прочность, светопоглощение, тепло- и электропроводимость, скорость растворения, химическая активность, могут зависеть от его ориентации по отношению к направлению оказываемого воздействия. Например, в кристалле NaCl прочность на разрыв по диагонали элементарной ячейки составляет 2150 г/мм2, а по направлению, перпендикулярному к граням, - 570 г/мм2.
Многие кристаллические вещества в зависимости от условий (температура, давление) могут иметь разную кристаллическую структуру. Это явление называется полиморфизмом. Общеизвестны полиморфные модификации углерода: графит, фуллерен, алмаз и карбин, которые называют аллотропными модификациями углерода (рис. 3.3).
Диоксид кремния SiC2 имеет десять полиморфных модификаций, а нитрат аммония NH4NO3 - четыре кристаллические структуры, каждая из которых устойчива в определенном температурном интервале.
Если вещества (два или более) имеют формально одинаковую по числу каждого из типов образующих их частиц химическую формулу и общий тип кристаллической решетки, а соответствующие частицы близки по размерам, то они могут образовывать твердые растворы и называются изоморфными. Например, NaCl - KC1; CaC03 - KN03; BaS04 - KMn04 - KBF4. Образование твердых растворов особенно характерно для сплавов разных металлов.
Аморфные (бесформенные) вещества. Помимо кристаллического состояния твердые вещества могут находиться в аморфном состоянии. Это состояние наиболее характерно для веществ, молекулы которых состоят из 104 - 106 атомов, т. е. для полимеров, как органических, так и неорганических (например, полиэтилен и различные полисиликаты). Длинные молекулы легко изгибаются и переплетаются с другими молекулами, что приводит к нерегулярности в расположении частиц. Следовательно, аморфные вещества, в отличие от кристаллических, имеют неоднородную структуру и с позиции фазового состояния являются мезофазами (табл. 3.3).
Аморфные вещества отличают от кристаллических два признака: изотропность свойств и отсутствие фиксированной температуры плавления (рис. 3.4).
Изотропия - одинаковость физических и химических свойств тела или среды по всем направлениям, т. е. независимость свойств от направления.
Изотропия аморфных твердых веществ обусловлена случайным характером распределения их частиц.
![]() |
Аморфное состояние вещества возникает, когда при понижении температуры начинается его переход из жидкого в твердое состояние, прежде, чем в жидкости сформируется характерная для этого вещества упорядоченная структура. Другими словами, скорость охлаждения вещества превышает скорость его отверждения.
Аморфное состояние иногда называют стеклообразным, а иногда переохлажденной жидкостью потому, что оно молекулярно не упорядочено, что характерно для жидкостей. Аморфную структуру имеют стекло, плавленый кварц, многие полимерные материалы. Аморфные вещества менее устойчивы, чем кристаллические, и поэтому любое аморфное тело со временем может перейти в энергетически более устойчивое состояние — кристаллическое. При этом данный процесс - экзотермический. Например, сера, полученная при быстром охлаждении расплава, имеет аморфную структуру, но через несколько дней при комнатной температуре она самопроизвольно превращается в кристаллы ромбической серы.
Дата публикования: 2014-10-16; Прочитано: 2545 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!