Тема. Елементи кристалоутворення. Кристаллічне та аморфне тіло. Види зв'язків у кристалах.

1. Будова і властивості матеріалів.

Процес переходу з рідкого стану у твердий для різних речовин не однаковий. Відомі два різних види затвердіння:

1. Кристалізація речовини. У цьому випадку в рідині, охолодженої до певної температури, з'являються дрібні кристалики - центри кристалізації, які при подальшому відводі тепла від речовини розростаються за рахунок приєднання до них часток з рідкої фази й охоплюють весь об'єм речовини.

2. Затвердіння, внаслідок швидкого підвищення в'язкості рідини зі зниженням температури. У деяких речовин (сургуч, віск, смола) кристалізація зовсім не спостерігається, вони називаються аморфними тілами. Інші речовини, наприклад скло, здатне кристалізуватися, але в'язкість у них швидко зростає зі зниженням температури. Останнє заважає переміщенню молекул, яке є необхідним для формування й росту кристалів, і речовина встигає затвердіти до настання кристалізації. Такі речовини називаються склоподібними. Процес кристалізації цих речовин дуже повільно протікає у твердому стані, за більш високої температури процес проходить легше. Відоме явище «розскловування» скла. Воно зумовлене утворенням усередині скла дрібних кристалів, на границях яких відбувається відбиття й розсіювання світла, внаслідок чого скло втрачає прозорість. Аналогічна картина спостерігається при «зацукровуванні» прозорого сахаридного «льодяника».

Іноді одна й та сама речовина може затвердіти як у кристалічній так і в аморфній склоподібній формі. Наприклад, якщо сірку повільно остудити, то вона затвердіє у кристалічній формі, якщо ж її після нагрівання до 350⁰ С і охолодити, виливши в холодну воду, то сірка затвердіє в аморфній пластичній формі. Аморфна сірка різко відрізняється за фізичними властивостями від кристалічної. Вона не володіє крихкістю останньої, а навпаки легко деформується при невеликому тиску, аналогічно глині або пластиліну. Подібно склу, аморфна сірка сама по собі повільно перетворюється в кристалічну. Це говорить про те, що кристалічна форма твердого тіла більш стійка, ніж аморфна.

Аморфні тіла можна розглядати як рідини з дуже високим коефіцієнтом в'язкості. Виявляється, що в аморфних тілах можна спостерігати слабко виражену властивість плинності. Тобто, твердими тілами варто називати тільки кристалічні тіла. Аморфні тіла за будовою ближче підходять до рідин, що володіють дуже високою в'язкістю. У чому розходження між кристалічними й аморфними тілами.

Якщо спостерігати процес плавлення й затвердіння кристалічних і аморфних тіл, то можна помітити, що кристалічні тіла мають точку плавлення, при якій речовина перебуває в стійкому стані в обох фазах – у твердій і рідкій, аморфні ж тіла поступово розм'якшуються при нагріванні, не мають певної температури, що відповідає переходу твердої фази в рідку. За температури плавлення молекули твердого тіла одержують можливість відірватися від поверхні кристала й перейти в рідку фазу. Щоб відірватися від поверхні кристала й перейти в рідкий стан, молекула повинна одержати енергію. Таким чином, одиниця маси речовини, що перебуває в рідкій фазі, буде мати більш високу внутрішню енергію, ніж одиниця маси в кристалічній фазі. Міцність цих внутрішніх енергій буде дорівнювати у.о. теплоти плавлення.

У.о. теплота плавлення в аморфних тілах відсутня: підведення тепла супроводжується плавним підвищенням температури, поступовим збільшенням енергії теплового руху молекул, що відповідає збільшенню плинності рідини й зменшенню її обсягу.

Температуру, що відповідає цій точці, умовно називають температурою розм'якшення аморфного тіла. Взагалі ж, в аморфних тілах, при підвищенні температури, розм'якшення відбувається поступово до стану дуже грузлої рідини. При подальшому підвищенні температури, в'язкість рідини зменшу- ється. Підведемо підсумки: у.о. теплота плавлення в аморфних тілах відсутня: підведення тепла супроводжується плавним підвищенням температури, поступовим збільшенням енергії теплового руху молекул, що відповідає збільшенню температури рідини й зменшенню її в'язкості.

Кристалічна решітка являє собою просторову сітку, у вузлах якої розта- шовуються частки, що утворять кристал. В основі кристалічної решітки лежить елемент - кристалічний осередок, що представляє собою паралелепіпед з характерним для даної решітки розташуванням атомів.

Браве показав, що може бути 14 типів кристалічних решіток.

1. Гранецентрована, об’ємноцентрована α=β=γ=90° а=в=с

2. гексагональна α= γ=90° β=120° а=в=с Елементарний осередок гексагональної системи являє собою пряму призму, в основі якої лежить ромб із кутами 60 і 120^о. Висота призми не дорівнює довжині сторони ромба, що лежить у основі.

3. тетрагональна α=β=γ=90° а=в=с (у основі - квадрат). Найпростіший осередок у тетрагональній системі, являє собою прямокутний паралелепіпед, у основі якого лежить квадрат.

4. тригональна або ромбоподібна. Кути α,β і γ однакові, відмінні від 90^о і менше 120 (α=β=γ≠90^о) а=в=с

5. ромбічна α=β=γ=90° а≠в?

6. моноклинна α=β=90^про γ≠90° а≠в=с

7. триклинна система α≠90° β≠90° γ≠90° а≠в=с

Кристали правильної багатогранної форми зустрічаються дуже рідко, тому що для росту їх потрібно особливо сприятливі умови. Спостерігати кристалічну решітку безпосередньо за допомогою оптичного мікроскопа або навіть електронного не можливо. Лише явище дефрагментації рентгенівських променів у кристалах з'явилося прямим доказом існування кристалічної решітки. За допомогою методу рентгенографії можна встановити геометричні параметри кристалічної решітки, тобто знайти ребра й кути елементарного осередку.

Рентгенівські дослідження рідин показали, що в них спостерігається якась упорядкованість у будові. На рентгенівських знімках води при температурі близької до 0*С виявляється така ж структура як і в льоду. Але менша чіткість рентгенограми води (розмитість спектральних ліній) у порівнянні з рентгенограмою льоду, говорить про те, що впорядкованість структури рідкої фази слабо виражена.

Прийнято говорити, що на відміну від далекого порядку, який спостерігається в кристалах (упорядковане розташування часток у вузлах кристалічної решітки зберігається по всьому об'ємі зерна), у рідинах і аморфних тілах має місце ближній порядок у розташуванні часток. Це означає, що стосовно будь-якої частки розташування найближчих сусідів є впорядкованим, хоча й не так чітко, як у кристалі, але коли частки розташовані стосовно неї віддалено , то їх розташування буде менш впорядкованим.

Кристалічну решітку характеризують такі основні параметри: період решітки, атомний радіус, енергія решітки, координаційне число, коефіцієнт компактності.

Періодом решітки називається відстань між центрами двох сусідніх часток в елементарному осередку решітки (а,в,с) періоди виражаються в ангстремах -А (1А=10^{-8 см}).

Енергія кристалічної решітки визначається як енергія, що виділяється при утворенні кристала з іонів, атомів або інших часток, що утворять кристал. Від величини енергії решітки залежать такі властивості, як температура плавлення, модуль пружності, міцність, твердість. Збільшення валентності атомів приводить до збільшення енергії решітки.

Координаційне число К показує кількість атомів, що перебувають на найбільш близькій відстані від будь-якого обраного атома в решітці.

Базисом решітки називають кількість атомів, що доводяться на один елементарний осередок решітки.

Коефіцієнт компактності η решітки визначається відношенням об'єму займаного атомами V_a, до всього об'єму решітки V_p, тобто η=V_a/ V_p

Таке явище, коли властивості речовини залежать від напрямку, називається анізотропією.

Площини, проведені в кристалічній решітці через вузли (атоми) називаються кристалографічними площинами. Прямі проведені через вузли решітки, називаються кристалічними напрямками. Для позначення кристаліч- них площин і напрямків користуються індексами Міллера. Для того, щоб установити індекси Міллера, елементарний осередок кристала вписують у просторову систему координат.

Для визначення індексів кристалічної площини необхідно встановити координати точок перетинання площини з осями координат в одиницях періодів решітки; взяти зворотні значення цих величин; привести їх до найменшого цілого, кратному кожному з отриманих чисел. Отримані значення простих цілих чисел (у круглих дужках), що не мають загального множника, є індексами Міллера площини. Розглянемо індекси Міллера площини, яка перетинає осі координат у точках х=1/2а, в=1а, z=1/3а (а - період решітки). Зворотні значення цих чисел 2,1,3. Ці числа є простими. Тому індекси цієї площини будуть (2,1,3).

Індекс по осі показує, на скільки рівних частин площина ділить осьову одиницю по даній координатній осі.

Площина, паралельна якої-небудь координатної осі, має по цій осі індекс нуль, тому що 1/ ∞=0. Так площина qmrn має індекси (110). Якщо площина перетинає вісь в області негативних значень координат, то відповідний індекс буде негативним і знак мінус ставитися над індексом.