Для вивчення теми

2.8

Багато тіл, з якими людина стикається на землі – тверді тіла. На перший погляд основна відмінність таких тіл – їх досить стійка форма. В залежності від структури розрізняють кристалічні і аморфні кристалічні тіла.

Кристалічні тіла мають певну температуру плавлення, незмінну при сталому тиску; в’язкість аморфних речовин під час нагрівання зменшується; вони переходять у рідкий стан, розм’якшуючись поступово.

Кристали характеризуються наявністю значних сил міжмолекулярної взаємодії і зберігають сталим не лише свій об’єм, а й форму. Правильна геометрична форма є істотною зовнішньою ознакою будь-якого кристала в природних умовах. Розглядаючи окремі кристали, можна переконатися, що вони обмежені плоскими, ніби шліфованими гранями у вигляді правильних багатокутників.

Кристалічну будову мають всі метали у твердому стані. Тіло, яке складається з безлічі невпорядковано розміщених дрібних кристалів називають полікристалічним, або полікристалом.

Полікристалічні тіла є ізотропними, тобто їх фізичні властивості, як і аморфних тіл, у всіх напрямках однакові. Це пояснюється тим, що полікристали складають з величезної кількості невпорядковано орієнтованих дрібних кристаликів, які зрослися між собою.

Розрізняють чотири типи кристалів (і кристалічних решіток ): іонні, атомні, металічні і молекулярні.

Іонні кристали. У вузлах решітки іонних кристалів знаходяться позитивно і негативно заряджені іони. Сили взаємодії між ними в основному електростатичні.

Атомні кристали. Їхні кристалічні решітки утворюються внаслідок щільної упаковки атомів, найчастіше однакових (під час взаємодії однакових атомів іони не утворюються. Атоми, що знаходяться у вузлах, зв’язані із своїми найближчими сусідами ковалентним зв’язком.

За умови ковалентного зв’язку електрони не переходять від одного атома до іншого (іони не утворюються), а виникає одна чи кілька спільних електронних пар.

Молекулярні кристали. У вузлах їх кристалічної решітки знаходяться молекули речовини, зв’язок між якими забезпечується силами молекулярної взаємодії.

Металічні кристали. У всіх вузлах гратки металічних кристалів розміщені позитивні іони металу. Між ними хаотично, подібно до молекул газу, рухаються електрони, які відокремилися від атомів під час кристалізації металу. Разом з тим і електрони утримуються іонами в її межах. Наявність вільних електронів у металі забезпечує добру електропровідність і теплопровідність цих речовин.

На відміну від кристалічних аморфні тіла повністю ізотропні, тобто їх властивості однакові в усіх напрямах. Аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Якщо, наприклад, нагрівати скло, воно стає м’яким і тягучим.

Друга їх характерна властивість – пластичність. Таким чином, залежно від характеру впливу (зокрема часу, протягом якого діє сила) аморфні речовини поводять себе або як крихкі тверді тіла, або як дуже в’язкі рідини.

Аморфний стан речовини нестійкий: через певний час аморфна речовина переходить у кристалічну.

Кристалічні і аморфні тіла, класифікація кристалів за типом зв’язків.

Кристалічні тіла мають певну температуру плавлення, незмінну при сталому тиску; в’язкість аморфних речовин під час нагрівання зменшується; вони переходять у рідкий стан, розм’якшуючись поступово.

Кристали характеризуються наявністю значних сил міжмолекулярної взаємодії і зберігають сталим не лише свій об’єм, а й форму. Правильна геометрична форма є істотною зовнішньою ознакою будь-якого кристала в природних умовах. Розглядаючи окремі кристали, можна переконатися, що вони обмежені плоскими, ніби шліфованими гранями у вигляді правильних багатокутників.

Кристалічну будову мають всі метали у твердому стані. Тіло, яке складається з безлічі невпорядковано розміщених дрібних кристалів називають полікристалічним, або полікристалом.

Полікристалічні тіла є ізотропними, тобто їх фізичні властивості, як і аморфних тіл, у всіх напрямках однакові. Це пояснюється тим, що полікристали складають з величезної кількості невпорядковано орієнтованих дрібних кристаликів, які зрослися між собою.

Розрізняють чотири типи кристалів (і кристалічних решіток ): іонні, атомні, металічні і молекулярні.

Іонні кристали. У вузлах решітки іонних кристалів знаходяться позитивно і негативно заряджені іони. Сили взаємодії між ними в основному електростатичні.

Атомні кристали. Їхні кристалічні решітки утворюються внаслідок щільної упаковки атомів, найчастіше однакових (під час взаємодії однакових атомів іони не утворюються. Атоми, що знаходяться у вузлах, зв’язані із своїми найближчими сусідами ковалентним зв’язком.

За умови ковалентного зв’язку електрони не переходять від одного атома до іншого (іони не утворюються), а виникає одна чи кілька спільних електронних пар.

Молекулярні кристали. У вузлах їх кристалічної решітки знаходяться молекули речовини, зв’язок між якими забезпечується силами молекулярної взаємодії.

Металічні кристали. У всіх вузлах гратки металічних кристалів розміщені позитивні іони металу. Між ними хаотично, подібно до молекул газу, рухаються електрони, які відокремилися від атомів під час кристалізації металу. Разом з тим і електрони утримуються іонами в її межах. Наявність вільних електронів у металі забезпечує добру електропровідність і теплопровідність цих речовин.

На відміну від кристалічних аморфні тіла повністю ізотропні, тобто їх властивості однакові в усіх напрямах. Аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Якщо, наприклад, нагрівати скло, воно стає м’яким і тягучим.

Друга їх характерна властивість – пластичність. Таким чином, залежно від характеру впливу (зокрема часу, протягом якого діє сила) аморфні речовини поводять себе або як крихкі тверді тіла, або як дуже в’язкі рідини.

Аморфний стан речовини нестійкий: через певний час аморфна речовина переходить у кристалічну.

Теплоємність кристалів.

Класична модель. У основі класичної теорії теплоємності твердих тіл (кристалів) лежить закон рівнорозподілу енергії по ступенях свободи. Тверде тіло розглядають як систему N незалежних один від одного атомів, що мають по три коливальні ступені свободи. На кожну з них доводиться в середньому енергія kT (kT/2 у вигляді кінетичної і kT/2 у вигляді потенційної). Маючи на увазі, що число коливальних ступенів свободи рівне 3N, одержимо, що внутрішня енергія одного моля атомів U = 3N_AkT = 3RT. Звідси молярна теплоємність

C = ¶U/¶T = 3R (4.35)

У цьому суть закону Дюлонга і Пті, який стверджує, що молярна теплоємність всіх хімічно простих твердих тіл однакова і рівна 3R. Цей закон виконується достатньо добре тільки при порівняно високих температурах. Дослід показує, що при низьких температурах теплоємність тіл убуває (рис. 4.13), прагнучи до нуля при Т ® 0 згідно із законом С ~ Т³.

áeñ = (4.37)

Перший доданок тут - це так звана нульова енергія даного осцилятора. Вона не залежить від Т і не має відношення до теплового руху. Тому в теорії теплоємності тіл її можна опустити і вираз для внутрішньої енергії одного моля матиме вигляд:

U = 3N_Aáeñ = 3N_A (4.38)

Тепер можна знайти молярну теплоємність кристалічних решіток:

С = =

Цей вираз називають формулою Ейнштейна.

Модель Дебая. У цій моделі кристалічні грати розглядаються як зв'язана система взаємодіючих атомів. Коливання такої системи - результат накладення багатьох гармонійних коливань з різними частотами. Під гармонійним осцилятором тієї або іншої частоти. Задача зводиться до знаходження спектру частот цих осциляторів. Дебай звернув увагу на те, що при низьких температурах основний внесок в теплоємність вносять коливання (осцилятори) низьких частот, яким відповідають малі кванти енергії hn. Практично тільки такі коливання і збуджені при низьких температурах. Низькочастотний же спектр коливань решіток може бути розрахований достатньо точно, і обчислення виявляються досить простими. З теорії виходило, що при Т ® 0 дійсне С ~ Т³.

C = 9n₀k де х_m = hn_макс/kT = Q/T. Вираз (4.51) називають формулою Дебая.

Рідкі кристали.

Рідкокристалічним станом речовини називається такий стан, властивості якого є проміжними між властивостями твердого кристала і рідини. Згідно законам термодинаміки, агрегатні стани речовин підрозділяються на три види: тверде, рідке і газоподібне, проте таке розділення не відображає внутрішню будову речовини, ступінь впорядкованості його частинок. Деякі речовини (скло, смоли) володіють властивостями характерними і для твердих, і для дуже в'язких переохолоджених рідин. Зокрема, деякі органічні матеріали переходять з твердого стану в рідкий, випробовуючи ряд переходів, що включають утворення нової фази, яку називають рідкокристалічним станом (рідким кристалом).

Дата добавления: 2015-05-23