Лекция. Кристаллические и аморфные вещества. Дефекты кристаллов

Кристаллические и аморфные вещества

В природе существуют две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные.

Кристаллическое состояние характеризуется наличием дальнего порядка, когда существует определенное расположение атомов вдоль любого направления в расположении частиц и симметрией кристаллической решетки.

Кристаллические тела остаются твердыми до определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении (рис. 1.1).

Строение вещества определяется не только взаимным расположением атомов, частиц, но и расположением этих частиц в пространстве. Наиболее упорядочено размещение атомов, молекул и ионов в кристаллах (от греческого «кристаллос» – лед), где частицы расположены в определенном порядке, образуя в пространстве кристаллическую решетку.  При определенных условиях образования они могут иметь естественную форму правильных симметричных многогранников.

Для аморфного состояния характерно наличие только ближнего порядка. Структуры аморфных веществ напоминают жидкости, однако обладают гораздо меньшей текучестью. Аморфное состояние обычно неустойчиво. Под действием механических нагрузок или при изменении температуры аморфные тела могут закристаллизоваться. Реакционная способность веществ в аморфном состоянии значительно выше, чем в кристаллическом.

Главный признак аморфного (от греческого «аморфос» – бесформенный) состояния вещества – отсутствие трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.

Аморфные тела изотропны, то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход твердого аморфного вещества в жидкое состояние не сопровождается скачкообразным изменением свойств.

При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. при определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры.

Структура кристаллов

В кристаллических веществах свойства зависят от структуры. В понятие «структура» входят:

· электронное строение атомов и характер их взаимодействия в кристалле;

· пространственное расположение элементарных частиц;

· химический состав, размер и форма кристаллов.

В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления, существуют следующие виды структуры:

· тонкая структура (изучают с помощью электронного микроскопа);

· микроструктура (изучают с помощью микроскопа);

· макроструктура (изучают визуально).

В кристалле атомы располагаются на определенном расстоянии друг от друга. Это расстояние определяется взаимодействием сил действующих в кристалле (рис. 1.2).

Виды взаимодействия атомов и электронов:

1) притяжение между ядрами и электронами собственных атомов и электронами соседних атомов;

2) отталкивание между ядрами соседних атомов.

Расстояние, соответствующее минимуму энергии (Есв) и обеспечивающее термодинамическую стабильность кристалла, называется параметром решетки.

 

Элементы кристаллографии

Кристаллическая решетка

Для описания элементарной ячейки используют три линейных параметра: a , b , c – расстояние до ближайших атомов по трем осям координат; и три угловых параметра: α , β, γ – это углы между линейными параметрами (рис. 1.3).

Места, занятые атомами – узлы, а пространство не занятое атомами – междоузлия.

Теоретически доказано, что всего может существовать 230 различных пространственных кристаллических структур. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно.

 На рис. 1.4 приведены примеры простых кристаллических решеток: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.

О степени сложности судят по числу частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку: n = 1 – простая (n = 1/8×8); n> 1 – сложная. Число частиц определяется из условия, что элементарная ячейка находится в окружении таких же ячеек.

ОЦК (a=b=c, α, β, γ=90º); n=1/8×8+1=2.

ОЦК решетка у следующих металлов: Na , K , Feα , Tiβ , Zrβ , W , Nb , Mo.

ГЦК  (a=b=c, α, β, γ=90º); n=1/8×8+1/2×6=4.

ГЦК решетка у следующих металлов: Al , Cu , Feγ , Au , Ag , Pt , Pb.

ГПУ состоит из 3-х элементарных ячеек(a = b = c, α, β=90º, γ=120º); n=1/6×12+1/2×2+3=6.

ГПУ решетка у следующих металлов: Mg , Be , Tiα , Zrα , Zn , Cd.

Дата: 2019-02-18, просмотров: 906.