Кристаллизация, плавление и типы решеток

Кристаллизация,или образование кристаллической решет­ки, происходит потому, что равнодействующая сил, действую­щих на атомы, находящиеся в ее узлах, равна нулю; потенци­альная энергия при этом имеет минимум. Поэтому кристалл — устойчивое образование. При растяжении решетки возникают силы притяжения, при сжатии — отталкивания. Обусловленные этим упругие свойства кристаллов рассматриваются в разделе "Механика".

Для разрушения кристаллической решетки (плавления) кри­сталлу нужно сообщить определенное количество энергии, на­зываемое теплотой плавления. На рис. 4 изображена зависи­мость температуры Т нагреваемого кристаллического образца от времени t (сплошная кривая). После достижения некоторо­го значения Т_пл, называемого температурой плавления, темпе­ратура некоторое время остается постоянной (горизонтальный участок сплошной кривой на рис. 4). Поступающее тепло рас­ходуется на разрушение межатомных связей. И только когда кристаллическая структура уничтожена (твердое тело превра­тилось в жидкость — расплавилось), температура вновь начи­нает расти.

Зависимость температуры плавления от давления дает кри­вая OA диаграммы состояний. Так как OA почти вертикальна, можно сделать вывод, что Т_пл слабо зависит от давления. На рис. 4 приведена также диаграмма плавления аморфного тела (стекла) — пунктирная кривая. Она не имеет горизонтального участка из-за отсутствия у стекла кристаллической структуры.

Форма решетки и межатомные расстояния определяются раз­мерами составляющих кристалл частиц и природой взаимодей­ствия между ними. По этому признаку можно выделить следу­ющие типы кристаллов.

Ионные кристаллы образованы разноименно заряженными ионами, связанными вместе электростатическими силами Ку­лона. Такова, например, решетка поваренной соли NaCl, со­стоящая из положительных ионов Na⁺ натрия и отрицательных ионов Сl^- хлора (см. рис. 1). В такие весьма прочные решетки, называемые еще гетерополярными, кристаллизуются большин­ство солей металлов и многие окислы.

Ковалентные кристаллы состоят из одинаковых электронейтральных атомов и называются также атомными или гомеополярными. Прочные ковалентные связи обязаны своим происхо­ждением перекрытию электронных оболочек атомов. Их при­рода объясняется квантовой механикой. Типичный пример — кристалл алмаза, решетка которого изображена на рис. 2а.

Молекулярные решетки состоят из молекул, связанных меж­молекулярными Ван-дер-ваальсовыми силами. Последние име­ют электростатическую природу, но значительно слабее сил ионного взаимодействия.

Металлическая решетка представляет собой положительно заряженные ионы, погруженные в своеобразный "газ" свобод­ных электронов. Металлическую связь можно рассматривать как предельный случай упомянутой выше ковалентной связи, когда электроны полностью обобществлены. Как видно из на­звания, такой решеткой обладают все металлы.