Кристаллические тела и их структуры

Кристаллические и аморфные тела

Всякое жидкое вещество при охлаждении теряет свойство текучести и переходит в твёрдое состояние. Однако процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое для разных веществ не одинаков. У некоторых веществ, таких как сургуч, воск, стекло при понижении температуры быстро повышается вязкость и наступает затвердевание. Такие тела называются аморфными. В таких веществах наблюдается быстрый рост вязкости, который затрудняет перемещение частиц, и они, не успевая сформировать структуру, застывают. Процесс кристаллизации этих веществ может очень медленно протекать в твёрдом состоянии. В некоторых сортах стекла могут образовываться мелкие кристаллики, которые приводят к потере его прозрачности.

Для получения аморфных тел в расплав добавляют несколько процентов бора, кремния или фосфора. Эти элементы замедляют процесс диффузии.

Иногда одно и то же вещество может затвердевать как в кристаллической, так и в аморфной формах. Например, если расплавленную серу медленно охлаждать, то она затвердевает в кристаллической форме. Если расплав серы вылить в холодную воду, то она застывает в аморфной форме. Аморфная сера по своим физическим свойствам резко отличается от кристаллической. Если кристаллическая сера твёрдая и хрупкая, то аморфная ведёт себя как пластилин. Аморфная сера самопроизвольно медленно превращается в кристаллическую. Это говорит о том, что кристаллическая форма твёрдого тела более устойчива, чем аморфная. Аморфные тела можно рассматривать как жидкости, но с очень большим коэффициентом вязкости. Оказывается, что у аморфных тел можно наблюдать слабовыраженное свойство текучести.

При процессе плавления и затвердевания кристаллических и аморфных тел, можно заметить, что крист-ие тела имеют точку плавления, при которой вещество находится в устойчивом состоянии в обеих фазах. Аморфные тела такой точки не имеют. Они, постепенно размягчаясь при нагревании, переходят в жидкое состояние.

Внутренняя энергия будет больше у жидкого состояния.

Обратный процесс кристаллизации может происходить только в случае, если от системы жидкость-кристалл будет отводиться энергия.

Как видно на кривой нагревания аморфного тела нет горизонтального участка, а наблюдается лишь точка перегиба. Температуру, соответствующую этой точке называют температурой размягчения аморфного тела.

Иногда, для объяснения затвердевания веществ пользуются представлением, что при переходе вещества из жидкого состояния в твёрдое происходит сближение атомов, которое приводит к увеличению сил сцепления между ними, что в конечном итоге создаёт твёрдость вещества. Но это мнение ошибочное. Например, некоторые вещества при кристаллизации увеличиваются в объёме, следовательно, расстояние между соседними атомами в твёрдой фазе будет больше, чем в жидкой фазе (вода, висмут, сурьма). Тем не менее, и в этих веществах в твёрдой фазе атомы прочнее связаны между собой. Таким образом, можно утверждать, что решающим фактором в процессе отвердевания кристаллических тел является не уменьшение расстояния между соседними атомами, а увеличение сил связи между частицами, которые возникают при упорядочении расположения их в кристалле.

При охлаждении нагретой жидкости наблюдается ещё одно явление – переохлаждение жидкости. Жидкость, охлаждаясь до точки С, не всегда начинает закристаллизовываться. Она может оставаться в жидком состоянии, охлаждаясь на 10-100^° ниже температуры кристаллизации. Дело в том, что для начала кристаллизации внутри жидкой фазы должны быть центры кристаллизации, основы того порядка, который свойственен кристаллической фазе данного вещества. Например, при охлаждении небольшого количества жидкого металла (Ni) в вакууме (в жидком состоянии этот металл имел шарообразную форму) эта капля становится тёмно-вишнёвого цвета. Потом эта капля вспыхивает и становится тёмной. Это вызвано переохлаждением.

Физические свойства кристаллических тел анизотропны – зависят от направления относительно кристаллографических осей. Это свойство можно обнаружить, если измеряются свойства монокристалла.