Особенности кристаллического состоянии

Особенностями внутреннего строения кристаллов, отли­чающими их от некристаллических (аморфных) тел, являются упоря­доченное, периодически повторяющееся расположение материальных частиц (атомов, тонов, молекул) в пространстве и симметричность этого расположения. При этом указанная упорядоченность проявляется на расстояниях, значительно превышающих размеры самих частиц, и сохраняется в пределах всего кристалла, т.е. имеет место дальний порядок (в противоположность ближнему порядку — упорядоченности в расположении частиц в ближайших к данному атому областях, соизмеримых с размером атомов).

Второй особенностью кристаллов является их анизотроп­ность, т.е. неодинаковость свойств по различным направлениям в кристалле. Анизотропия, или векториальность свойств кристаллов по различным направлениям, является следствием их геометрической анизотропии, т.е. различия материальных частиц и связей в различ­ных направлениях в структуре кристалла.

Третьей особенностью свойств кристаллов является их однородность, проявляющаяся в том, что любые два участка кристалла обладают совершенно одинаковы­ми свойствами (по параллельным направлениям).

Кристалл - есть твердое однородное анизотроп­ное тело, ограниченное плоскими гранями, возникающими на нем в силу свойств самого тела, причем кристаллы одного и того же веще­ства могут иметь разную величину, форму и количество граней, но углы между соответствующими гранями всегда остаются постоян­ными.

Кристаллические вещества могут существовать в виде монокрис­таллов или поликристаллических веществ. Монокристаллами назы­ваются одиночные кристаллы, встречающиеся в природе или выра­щиваемые искусственно для нужд науки и техники. Однако гораздо большее распространение имеют поликристаллические вещества, со­стоящие из множества мелких сросшихся монокристаллов, в обыч­ных условиях по разному ориентированных по отношению друг к другу, сцепление между которыми осуществляется за счет межатом­ных и межмолекулярных сил. При такой беспорядочной ориентации характерная для монокристаллов анизотропия свойств будет, есте­ственно, отсутствовать и в целом они будут изотропными, т.е. будут иметь по различным направлениям одинаковые свойства.

Для описания периодичности в расположении материальных частиц кристаллических фаз вводится понятие «кристаллическая решетка». Кристаллическая решетка — математическая абстракция, характеризующая схему трехмерной периодичности в бесконечной системе точек (узлов решетки) в пространстве. Всю решетку можно представить себе как бесконечную систему элементарных параллелепипедов, целиком заполняющих пространство за счет бесконечного повторения в трех независимых направлениях одного элементарного параллелепипеда, который но­сит название элементарной ячейки. Величина ребер элементарного па­раллелепипеда и углы между ними называются параметрами решетки и являются материальными константами каждого кристаллического вещества. Элементарная ячейка представляет собой наименьшую часть кристалла, которая отражает все особенности его внутреннего строения.

В зависимости от вида частиц и преимущественного типа хими­ческой связи в кристалле решетки разделяются на две большие груп­пы: молекулярные и координационные.

В молекулярных решетках вузлах находятся молекулы. Для таких решеток характерна сильная внутримолекулярная связь и слабая остаточная (ван-дер-ваальсовая) связь между молекулами. К соеди­нениям с такими решетками относится большинство органических веществ. Для них характерны легкоплав­кость, высокая летучесть, низкая твердость.

В кристаллах с коор­динационными решетками нельзя выделить отдельные дискретные молекулы, а силы связи между данным атомом или ионом и всеми его соседям и в координационной сфере примерно одинаковы (в этом случае весь кристалл можно рассматривать как одну гигантскую мо­лекулу). Координационные решетки характерны для большинства неорганических веществ, в том числе силикатов и других тугоплавких соединений.

Координационные решетки, в спою очередь, можно разделить на ионные, атомные (ковалентные) и металлические. В узлах ионных решеток попеременно располагаются положительные и отрицатель­ные ионы. В узлах атомных (ковалентных) решеток располагаются нейтральные атомы, связанные преимущественно ковалентной связью. К веществам с подобными решетками относятся, например, алмаз, кремний, некоторые карбиды, силициды и т.д. В узлах металлических решеток, характерных для металлов, располагаются ионы металла, погружен­ные в «электронный газ». Такое строение решетки обусловливает вы­сокие электропроводность, теплопроводность и пластичность.

Важной характеристикой кристаллических структур является координационное число атомов или ионов. Координационным числом называется число частиц, непосредственно окружающих данный ион или атом. Так, в ионе [Si0₄]^4- координационное чис­ло атома кремния по кислороду равно 4.