Твердые тела делятся на два класса – кристаллические и аморфные. У кристаллических тел частицы располагаются в строгом порядке, образуя кристаллическую решетку. Атомы в узлах этой решетки связаны между собой. В аморфных телах частицы расположены хаотично. Рассмотрим подробнее различия в строении и свойствах этих двух типов твердых тел, а также особенности их поведения при нагревании.
Определение кристаллических тел
Кристаллические твердые тела обладают строго упорядоченной структурой. В их основе лежит кристаллическая решетка, представляющая собой пространственно-периодическую систему, состоящую из правильно расположенных атомов, ионов или молекул. Кристаллические и аморфные вещества различаются по степени упорядоченности частиц в их структуре.
В противоположность аморфным телам, в кристаллическом состоянии вещества его атомы, молекулы или ионы жестко удерживаются в узлах кристаллической решетки силами взаимодействия с ближайшими соседями. Благодаря этому кристаллические тела обладают анизотропией свойств, которая проявляется в зависимости их физических характеристик от направления.
Кристаллическое и аморфное состояние вещества можно различить как макроскопически, наблюдая форму тела и грани, так и с помощью специальных методов исследования структуры, например рентгеноструктурного анализа. Получение монокристаллов большого размера является нетривиальной задачей, поэтому на практике чаще применяются поликристаллические материалы.
Характеристика аморфных твердых тел
В отличие от кристаллических, аморфные тела не имеют дальнего порядка расположения атомов или молекул. Их строение более хаотично и напоминает структуру жидкостей. Тем не менее, ближний порядок проявляется в группировке частиц в небольшие кластеры, состоящие из нескольких атомов или молекул.
Характерным свойством аморфных твердых тел является изотропность - независимость их физических свойств от направления внешнего воздействия. Это объясняется неупорядоченным расположением частиц. В отличие от кристаллических веществ, у аморфных тел нет четкой температуры плавления. При нагревании они постепенно размягчаются, проявляя все большую подвижность частиц.
Типичными представителями аморфных твердых тел являются стекла, полимеры, смолы. Их широко используют в технике благодаря ценным физико-химическим свойствам. Например, прозрачность стекла, гибкость полимеров, твердость янтаря. Упорядоченность структуры кристаллических и аморфных веществ во многом определяет различия в их физических свойствах.
Температура при плавлении и застывании
Важным отличием кристаллических и аморфных твердых тел является их поведение при нагревании. У кристаллических веществ существует четкая температура плавления - температура фазового перехода из твердого состояния в жидкое.
Эта температура остается постоянной в течение всего процесса плавления. Пока все кристаллическое вещество полностью не расплавится, его температура не будет повышаться, несмотря на подвод тепла. Аналогично происходит и обратный процесс кристаллизации - температура застывания жидкости в кристаллическое тело также строго фиксирована.
В аморфных же телах отсутствует четкая температура плавления. При нагревании они постепенно размягчаются, у них повышается подвижность частиц, проявляются свойства текучести жидкости. При этом температура аморфного вещества плавно возрастает вместе с ростом подводимого тепла к нему.
Полиморфизм и полиморфные переходы
Явление существования одного и того же кристаллического вещества в различных структурных модификациях называется полиморфизмом. Например, углерод может находиться в виде графита, алмаза, карбина, фуллерена. Эти аллотропные модификации имеют разную кристаллическую структуру и отличаются физическими свойствами.
Переход вещества из одной кристаллической модификации в другую при изменении внешних условий (давления, температуры) называется полиморфным превращением. Обычно он сопровождается резким изменением объема, плотности, твердости, прозрачности и других характеристик тела.
В отличие от кристаллических, аморфные тела не проявляют явных полиморфных переходов. Их структура изначально неупорядоченна и с трудом поддается целенаправленному изменению. Тем не менее, в аморфных телах также наблюдается определенная зависимость свойств от температуры и давления.
Одним из наиболее интересных и важных примеров полиморфизма кристаллических веществ является переход графита в алмаз при высоком давлении и температуре. Этот процесс широко используется для производства синтетических алмазов, обладающих уникальной твердостью, теплопроводностью и прозрачностью по сравнению с исходным графитом.
Пример: графит и алмаз
Яркой иллюстрацией полиморфизма кристаллических веществ являются две аллотропные модификации углерода – графит и алмаз. Эти два минерала кардинально отличаются по строению кристаллической решетки и физическим свойствам, несмотря на идентичный химический состав.
В графите атомы углерода связаны в плоские гексагональные слои, слабо взаимодействующие друг с другом за счет van-der-ваальсовых сил. Это обуславливает его низкую твердость, способность оставлять след на бумаге. Графит является хорошим проводником электричества, так как в его структуре присутствует много свободных электронов.
В алмазе же атомы углерода образуют пространственную трехмерную решетку, соединяясь в прочные тетраэдрические связи со всех сторон. Это придает алмазу исключительную твердость и тугоплавкость. В отличие от графита, алмаз является диэлектриком и прозрачен для света в видимом диапазоне.
Переход графита в алмаз возможен при воздействии высокого давления и температуры. Он сопрожен со значительным уменьшением объема вещества и кардинальной перестройкой его кристаллической решетки. Таким образом получают искусственные алмазы, востребованные в ювелирном деле и технике.
