Какое свойство отличает монокристалл от
Подробности
Просмотров: 1043
Твердые тела отличаются постоянством формы и объема и делятся на кристаллические и аморфные.
Кристаллические тела
Кристаллические тела (кристаллы) – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают упорядоченные положения в пространстве.
Частицы кристаллических тел образуют в пространстве правильную кристаллическую пространственную решетку.
Каждому химическому веществу, находящемуся в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая решетка, которая задает физические свойства кристалла.
Знаете ли вы?
Много лет назад в Петербурге на одном из неотапливаемых складов лежали большие запасы белых оловянных блестящих пуговиц. И вдруг они начали темнеть, терять блеск и рассыпаться в порошок. За несколько дней горы пуговиц превратились в груду серого порошка. “Оловянная чума” – так к прозвали эту «болезнь» белого олова.
А это была всего лишь перестройка порядка атомов в кристаллах олова. Олово, переходя из белой разновидности в серую, рассыпается в порошок.
И белое и серое олово – это кристаллы олова, но при низкой температуре изменяется их кристаллическая структура, а в результате меняются физические свойства вещества.
Кристаллы могут иметь различную форму и ограничены плоскими гранями.
В природе существуют:
а) монокристаллы – это одиночные однородные кристаллы, имеющие форму правильных многоугольников и обладающие непрерывной кристаллической решеткой
Монокристаллы поваренной соли:
б) поликристаллы – это кристаллические тела, сросшиеся из мелких, хаотически расположенных кристаллов.
Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру (металлы, камни, песок, сахар).
Поликристаллы висмута:
Анизотропия кристаллов
В кристаллах наблюдается анизотропия – зависимость физических свойств (механической прочности, электропроводности, теплопроводности, преломления и поглощения света, дифракции и др.) от направления внутри кристалла.
Анизотропия наблюдается в основном в монокристаллах.
В поликристаллах (например, в большом куске металла) анизотропия в обычном состоянии не проявляется.
Поликристаллы состоят из большого количества мелких кристаллических зерен. Хотя каждый из них обладает анизотропией, но за счет беспорядочности их расположения поликристаллическое тело в целом утрачивает анизотропию.
Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо — при 1530°,олово – при 232°, кварц – при 1713°, ртуть – при минус 38°.
Нарушить порядок расположения в кристалле частицы могут, только если он начал плавиться.
Пока есть порядок частиц, есть кристаллическая решетка – существует кристалл. Нарушился строй частиц – значит, кристалл расплавился – превратился в жидкость, или испарился – перешел в пар.
Аморфные тела
Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении атомов и молекул (стекло, смола, янтарь, канифоль).
В амофных телах наблюдается изотропия – их физические свойства одинаковы по всем направлениям.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства (при ударах раскалываются на куски как твердые тела) и текучесть (при длительном воздействии текут как жидкости).
При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела, а при высоких температурах – подобны очень вязким жидкостям.
Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления, а значит,и температуры кристаллизации.
При нагревании они постепенно размягчаются.
Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.
Интересно
Одно и то же вещество может встречаться и в кристаллическом и в некристаллическом виде.
В жидком расплаве вещества частицы движутся совершенно беспорядочно.
Если, например, расплавить сахар, то:
1. если расплав застывает медленно, спокойно, то частицы собираются в ровные ряды и образуются кристаллы. Так получается сахарный песок или кусковой сахар;
2. если остывание происходит очень быстро, то частицы не успевают построиться правильными рядами и расплав затвердевает некристаллическим. Так, если вылить расплавленный сахар в холодную воду или на очень холодное блюдце, образуется сахарный леденец, некристаллический сахар.
Удивительно!
С течением времени некристаллическое вещество может «переродиться», или, точнее, закристаллизоваться, частицы в них собираются в правильные ряды.
Только срок для разных веществ различен:для сахара это несколько месяцев, а для камня — миллионы лет.
Пусть леденец полежит спокойно месяца два-три.Он покроется рыхлой корочкой. Посмотрите на нее в лупу: это мелкие кристаллики сахара. В некристаллическом сахаре начался рост кристаллов. Подождите еще несколько месяцев — и уже не только корочка, но и весь леденец закристаллизуется.
Даже наше обыкновенное оконное стекло может закристаллизоваться. Очень старое стекло становится иногда совершенно мутным,потому что в нем образуется масса мелких непрозрачных кристаллов.
На стекольных заводах иногда в печи образуется «козел», то есть глыба кристаллического стекла. Это кристаллическое стекло очень прочное.Легче разрушить печь, чем выбить из нее упрямого «козла».
Исследовав его, ученые создали новый очень прочный материал из стекла – ситалл. Это стеклокристаллический материал, полученный в результате объёмной кристаллизации стекла.
Любопытно!
Могут существовать разные кристаллические формы одного и того же вещества.
Например, углерод.
Графит – это кристаллический углерод. Из графита сделаны стержни карандашей, которые оставляют след на бумаге при легком надавливании. Структура графита слоиста. Слои графита легко сдвигаются, поэтому чешуйки графита пристают к бумаге при письме.
Но существует и другая форма кристаллического углерода – алмаз.
Так расположены атомы углерода в кристалле графита (слева) и алмаза (справа).
Алмаз – самый твердый на земле минерал.
Алмазом режут стекло и распиливают камни, применяют для бурения глубинных скважинах, полируют сверхтвердые сплавы, алмазы необходимы для производства тончайшей металлической проволоки диаметром до тысячных долей миллиметра, например, вольфрамовых нитей для электроламп.
Молекулярная физика. Термодинамика – Класс!ная физика
Основные положения МКТ. Масса и размер молекул. Количество вещества. —
Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. —
Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. —
Температура. Тепловое равновесие. Абсолютная шкала температур. —
Уравнение состояния идеального газа. —
Изопроцессы. Газовые законы. —
Взаимные превращения жидкостей и газов. Влажность воздуха. —
Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела.
Источник
Кристаллы – твердые тела, имеющие правильную геометрическую форму. Структура, внутри которой расположены упорядоченные частицы, называется кристаллической решеткой. Точки расположения частиц, в которых они совершают колебания, называются узлами кристаллической решетки. Все эти тела разделяют на монокристаллы и поликристаллы.
Что такое монокристаллы
Монокристаллы – это одиночные кристаллы, у которых кристаллическая решетка имеет четкий порядок. Часто монокристалл имеют правильную форму, но этот признак не является обязательным при определении типа кристалла. Большинство минералов являются монокристаллами.
Внешняя форма зависит от скорости роста вещества. При медленном увеличении и однородности материала, кристаллы имеют правильную огранку. При средней скорости огранка неярко выражена. При высокой скорости кристаллизации вырастают поликристаллы, состоящие из множества монокристаллов.
Классическими примерами монокристаллов являются алмаз, кварц, топаз. В электронике особое значение имеют монокристаллы, обладающие свойствами полупроводников и диэлектриков. Сплавы монокристаллов отличаются повышенной твердостью. Сверхчистые монокристаллы имеют одинаковые свойства независимо от происхождения. Химический состав минералов зависит от скорости выращивания. Чем медленнее растет кристалл, тем совершеннее его состав.
Поликристаллы
Монокристаллы и поликристаллы характеризуются высоким молекулярным взаимодействием. Поликристалл состоит из множества монокристаллов и имеет неправильную форму. Иногда их называют кристаллитами. Они появляются в результате естественного роста или выращиваются искусственным путем. Поликристаллами могут быть сплавы, металлы, керамика. Основные характеристики складываются из свойств монокристаллов, но при этом большое значение имеют размеры зерен, расстояние между ними, границы зерен. При наличии границ, физические показатели поликристаллов значительно изменяются, снижается прочность.
Поликристаллы порождаются в результате кристаллизации, изменения кристаллических порошков. Эти минералы менее стабильны, чем монокристаллы, что приводит к неравномерному росту отдельных зерен.
Полиморфизм
Монокристаллы – это вещества, способные существовать сразу в двух состояниях, которые будут отличаться по своим физическим свойствам. Такая особенность получила название полиморфизм.
При этом вещество в одном состоянии может быть стабильнее, чем другая. При изменении условий окружающей среды ситуация может измениться.
Полиморфизм бывает следующих типов:
- Реконструкционный – распад происходит до атомов и молекул.
- Деформационный – структура видоизменяется. Происходит сжатие или растяжение.
- Сдвиговый – некоторые элементы структуры изменяют свое местоположение.
Свойства кристалла могут измениться при резком изменении состава. Классическим примером полиморфизма является модификация углерода. В одном состоянии это алмаз, в другом – графит, вещества с различными свойствами.
Некоторые формы углевода при нагревании превращаются в графит. Изменения свойств могут происходить без деформации кристаллической решетки. В случае с железом замещение некоторых компонентов приводит исчезанию магнитных свойств.
Прочность кристаллов
Любой материал, применяемый в современной технике, имеет итоговую прочность. Наибольшей прочностью обладает сплав никеля, хрома и железа. Повышение прочности металлов позволит усовершенствовать военную и гражданскую технику. Увеличение износостойкости приведет к большему сроку службы. По этой причине прочность монокристаллов ученые давно изучают.
Чистые монокристаллы – это кристаллы с идеальной кристаллической решеткой, содержат незначительное количество дефектов. При уменьшении числа дефектов прочность металлов увеличивается в несколько раз. При этом плотность металла остается почти прежней.
Монокристаллы с идеальной решеткой устойчивы к механическому воздействию до температуры плавления. Не изменяются со временем. Чаще всего такие монокристаллы имеют нулевую дислокацию. Но это необязательное условие. Прочность объясняется тем, что микротрещины образуются в местах, где имеется наибольшее количество дислокаций. А при их отсутствии трещинам появляться негде. Значит, монокристалл прослужит до тех пор, пока не будет превышен порог его прочности.
Искусственные монокристаллы
Выращивание монокристаллов возможно при текущем уровне науки. При обработке металла, не меняя его состав, можно создать монокристалл, который обладает высоким запасом прочности.
Известно 2 метода производства монокристаллов:
- сверхвысокое давление и литье металла;
- криогенное давление.
Первый метод пользуется популярностью при обработке легких металлов. При условии чистоты металла и увеличении давления постепенно появится новый металл, обладающий теми же свойствами, но с увеличенной прочностью. При соблюдении определенных условий можно получить монокристалл с идеальной решеткой. При наличии примесей существует вероятность, что кристаллическая решетка будет не идеальна.
У тяжелых металлов при увеличении давления происходит процесс изменения структуры. Монокристалл еще не получился, а вещество изменило свойства.
В основе криогенного литья лежит получение криогенных жидкостей. Под воздействием магнитного поля не происходит кристаллизация. Полукристаллическая форма становится кристаллом после электрического заряда.
Алмаз и кварц
Свойства алмаза основаны на том, что это вещество с атомной кристаллической решеткой. Связь между атомами обуславливает прочность алмаза. При неизменных условиях алмаз не изменяется. При попадании в вакуум постепенно превращается в графит.
Размеры кристаллов существенно различаются. Синтетически выращенные алмазы имеют грани куба и внешне отличаются от собратьев. Свойства алмаза используются для резки стекла.
Кристаллы кварца встречаются повсеместно. Минерал – один из самых распространенных. Обычно кварц бесцветен. Если внутри камня имеется множество трещин, то он белого цвета. При добавлении других примесей он меняет цвет.
Кристаллы кварца используются при производстве стекла, для создания ультразвука, в электро-, радио-, телеаппаратуре. Некоторые разновидности применяются в ювелирном деле.
Структура монокристаллов
Металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Структура монокристаллов – это бесконечные ряды чередующихся атомов. В реальности упорядоченность атомов может нарушаться из-за теплового воздействия, механического или по ряду других причин.
Кристаллические решетки встречаются 3 видов:
- тип вольфрама;
- тип меди;
- тип магния.
Применение
Искусственные монокристаллы – это возможность получать материал с новыми свойствами. Зона применения монокристаллов очень большая. Кварц и шпат создала природа, а фторид натрия выращен искусственным путем.
Монокристаллы – это материалы, которые применяются в оптике и электронике. Кварц и слюда используются в оптике, но являются дорогими. В искусственных условиях можно вырастить монокристалл, который будет отличаться чистотой и прочностью.
Алмаз используют там, где требуется высокая прочность. Но его успешно синтезируют в искусственных условиях. Трехмерные монокристаллы выращивают из расплавов.
Источник
В зависимости от внутреннего строения твердые тела бывают либо кристаллическими, либо аморфными. Молекулы и атомы кристаллов расположены в определенной, повторяющейся последовательности на больших расстояниях, сохраняя так называемый дальний порядок. Атомы и молекулы в аморфных телах размещены неупорядоченно, для них характерен ближний порядок со строением аналогичным жидкому состоянию вещества. Рассмотрим основные отличия кристаллических тел от аморфных, которые проявляются в их физических свойствах.
Твердые тела
Все твердые тела обладают следующими общими свойствами:
- Способностью долгое время сохранять форму и объем (геометрические размеры);
- Наличием упругих сил, которые возникают при небольших изменениях объема от внешнего воздействия (сжатия, растяжения или сдвига).
Рис. 1. Примеры решеток кристаллических и аморфных тел – кварц аморфный и кристаллический.
Современные ученые исследуют пространственное расположение атомов и молекул в твердых телах с помощью электронных микроскопов, которые позволяют получить изображение объекта с сильным увеличением (до 106 раз). Первый электронный микроскоп был изобретен в 30-х годах прошлого века. В 2018 г. с помощью последних версий этого прибора было получено разрешение 0,39 ангстрем. Напомним, что 1 ангстрем равен 10-8 см. В большинстве кристаллов это соответствует шагу атомной решетки.
Аморфные тела
Смола, воск, графит, изделия из стекла и янтаря, пластмассы — все это примеры аморфных тел (от греч.слова Amorphous — бесформенный, некристаллический).
Отсутствие дальнего порядка в расположении частиц вещества у аморфных тел приводит к тому, что их физические свойства одинаковы во всех направлениях. Такие тела называют изотропными (слово “изотропный” составлено из двух греческих слов: isos — ровный, tropos — направление). Изотропность физических свойств аморфных тел является следствием хаотичного расположения составляющих их молекул и атомов.
Характерной особенностью аморфных тел является отсутствие определенной температуры плавления, то есть отсутствует четкий переход от твердого состояния к жидкому: при нагревании аморфное тело становится только более текучим.
Кристаллические тела
Твердые тела, в которых молекулы и атомы расположены упорядоченно и образуют периодически повторяющуюся структуру, называются кристаллами. Физические свойства кристаллов (упругие, механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические) в разных направлениях неодинаковы. Такое свойство называется анизотропностью. Анизотропия кристаллов объясняется тем, что при упорядоченном расположении частиц расстояния между ними и силы взаимодействия (притяжения и отталкивания) оказываются неодинаковыми в разных направлениях.
Различают кристаллические тела двух видов: монокристаллы и поликристаллы. Главным признаком монокристаллов является повторяющееся внутреннее строение (структура) во всем объеме тела.
Поликристалл — это совокупность (набор) сросшихся друг с другом, хаотически ориентированных, небольших кристаллов. Каждый маленький кристалл обладает свойствами анизотропии, но их совокупность — поликристалл — изотропен.
Рис. 2. Монокристаллы и поликристаллы.
Часто встречаются кристаллические тела одинаковые по своему химическому составу, но обладающие очень разные физические свойства. Самый известный пример — это углерод, имеющий две модификации: графит и алмаз. Разное строение кристаллических решеток является причиной того, что алмаз имеет рекордные показатели твердости, а графит из-за его мягкости используется в качестве грифелей для карандашей.
Рис. 3. Графит и алмаз.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что кристаллические и аморфные тела кроме общих признаков, которые относят их к твердым телам, имеют совершенно разные физические свойства. Аморфные тела обладают изотропными свойствами, а для кристаллов характерна анизотропия физических параметров. Кристаллические тела делятся на монокристаллы и поликристаллы.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда – пройдите тест.
-
Саша Александр
5/5
Оценка доклада
Средняя оценка: 4. Всего получено оценок: 289.
Источник
Существует несколько агрегатных состояний, в которых находятся все тела и вещества. Это:
- газ;
- жидкость;
- плазма;
- твердое.
Если рассматривать общую совокупность планеты и космоса, то большая часть веществ и тел все же находится в состоянии газа и плазмы. Однако на самой Земле существенно и содержание твердых частиц. Вот о них мы и поговорим, выяснив, чем являются кристаллические и аморфные твердые тела.
Кристаллические и аморфные тела: общее понятие
Все твердые вещества, тела, предметы условно подразделяются на:
- кристаллические;
- аморфные.
Разница между ними огромная, ведь в основе подразделения лежат признаки строения и проявляемых свойств. Если говорить кратко, то твердыми кристаллическими именуются те вещества и тела, которые имеют определенный тип пространственной кристаллической решетки, то есть обладают способностью изменяться в определенном направлении, но не во всех (анизотропия).
Если же характеризовать аморфные соединения, то первый их признак – способность менять физические характеристики по всем направлениям одновременно. Это называется изотропией.
Строение, свойства кристаллических и аморфных тел совершенно различны. Если первые имеют четко ограниченную структуру, состоящую из упорядоченно расположенных частиц в пространстве, то у вторых всякий порядок отсутствует.
Свойства твердых тел
Кристаллические и аморфные тела тем не менее относятся к единой группе твердых, а значит, обладают всеми характеристиками данного агрегатного состояния. То есть общими свойствами для них будут следующие:
- Механические – упругость, твердость, способность к деформации.
- Тепловые – температуры кипения и плавления, коэффициент теплового расширения.
- Электрические и магнитные – проводимость тепловая и электрическая.
Таким образом, рассматриваемые нами состояния обладают всеми данными характеристиками. Только проявляться у аморфных тел они будут несколько иначе, нежели у кристаллических.
Важными свойствами для промышленных целей являются механические и электрические. Способность восстанавливаться после деформации или, напротив, крошиться и измельчаться – важная особенность. Также большую роль играет тот факт, может вещество проводить электрический ток либо не способно к этому.
Строение кристаллов
Если описывать строение кристаллических и аморфных тел, то в первую очередь следует указать тип частиц, которые их слагают. В случае кристаллов это могут быть ионы, атомы, атом-ионы (в металлах), молекулы (редко).
Вообще данные структуры характеризуются наличием строго упорядоченной пространственной решетки, которая формируется в результате расположения образующих вещество частиц. Если представить строение кристалла образно, то получится примерно такая картина: атомы (или другие частицы) располагаются друг от друга на определенных расстояниях так, чтобы в результате получилась идеальная элементарная ячейка будущей кристаллической решетки. Затем данная ячейка многократно повторяется, и так складывается общая структура.
Главной особенностью является то, что физические свойства в подобных структурах изменяются в параллелях, но не во всех направлениях. Называется подобное явление анизотропией. То есть если воздействовать на одну часть кристалла, то вторая сторона может не реагировать на это. Так, можно измельчить половину кусочка поваренной соли, однако вторая останется целой.
Типы кристаллов
Принято обозначать два варианта кристаллов. Первый – это монокристаллические структуры, то есть когда сама решетка 1. Кристаллические и аморфные тела в этом случае совсем различны по свойствам. Ведь для монокристалла характерна анизотропия в чистом виде. Он представляет собой самую маленькую структуру, элементарную.
Если же монокристаллы повторяются многократно и соединяются в одно целое, тогда речь идет о поликристалле. Тогда речь об анизотропии не идет, так как ориентация элементарных ячеек нарушает общую упорядоченную структуру. В этом отношении поликристаллы и аморфные тела близки друг другу по проявляемым физическим свойствам.
Металлы и их сплавы
Кристаллические и аморфные тела очень близки друг другу. В этом легко убедиться, взяв в качестве примера металлы и их сплавы. Сами по себе они при обычных условиях твердые вещества. Однако при определенной температуре начинают плавиться и, пока не произойдет полная кристаллизация, будут оставаться в состоянии тянущейся, густой, вязкой массы. А это уже и есть аморфное состояние тела.
Поэтому, строго говоря, практически каждое кристаллическое вещество может при определенных условиях стать аморфным. Так же, как и последнее при кристаллизации становится твердым веществом с упорядоченной пространственной структурой.
Металлы могут иметь разные типы пространственных структур, самыми известными и изученными из которых являются следующие:
- Простая кубическая.
- Гранецентрированная.
- Объемоцентрированная.
В основе структуры кристалла может лежать призма или пирамида, а ее главная часть представлена:
- треугольником;
- параллелограммом;
- квадратом;
- шестиугольником.
Идеальными свойствами изотропии обладает вещество, имеющее простую правильную кубическую решетку.
Понятие об аморфности
Кристаллические и аморфные тела внешне различить достаточно просто. Ведь последние часто можно перепутать с вязкими жидкостями. В основе структуры аморфного вещества также лежат ионы, атомы, молекулы. Однако они не образуют упорядоченной строгой структуры, а потому и свойства их изменяются во всех направлениях. То есть они изотропны.
Частицы располагаются хаотично, беспорядочно. Лишь иногда они могут образовывать небольшие локусы, что все равно не влияет на общие проявляемые свойства.
Свойства подобных тел
Они идентичны таковым у кристаллов. Различия лишь в показателях для каждого конкретного тела. Так, например, можно выделить такие характеристические параметры аморфных тел:
- упругость;
- плотность;
- вязкость;
- тягучесть;
- проводимость и полупроводимость.
Часто можно встретить граничные состояния соединений. Кристаллические и аморфные тела могут переходить в состояние полуаморфности.
Также интересна та черта рассматриваемого состояния, которая проявляется при резком внешнем воздействии. Так, если аморфное тело подвергнуть резкому удару или деформации, то оно способно повести себя как поликристалл и расколоться на мелкие кусочки. Однако если дать этим частям время, то вскоре они снова соединятся вместе и перейдут в вязкое текучее состояние.
У данного состояния соединений нет определенной температуры, при которой происходит фазовый переход. Этот процесс сильно растянут, иногда даже на десятки лет (например, разложение полиэтилена низкого давления).
Примеры аморфных веществ
Можно привести много примеров подобных веществ. Обозначим несколько самых наглядных и часто встречаемых.
- Шоколад – типичное аморфное вещество.
- Смолы, в том числе фенолформальдегидные, все пластики.
- Янтарь.
- Стекло любого состава.
- Битум.
- Гудрон.
- Воск и другие.
Аморфное тело образуется в результате очень медленной кристаллизации, то есть повышения вязкости раствора при понижении значения температуры. Часто сложно назвать подобные вещества твердыми, их относят скорее к вязким густым жидкостям.
Особое состояние имеют те соединения, которые при затвердевании вообще не кристаллизуются. Их называют стеклами, а состояние – стеклообразным.
Стеклообразные вещества
Свойства кристаллических и аморфных тел схожи, как мы выяснили, вследствие общего происхождения и единой внутренней природы. Но иногда от них отдельно рассматривают особое состояние веществ, именуемое стеклообразным. Это гомогенный минеральный раствор, который кристаллизуется и затвердевает без формирования пространственных решеток. То есть остается изотропным по изменению свойств всегда.
Так, например, обычное оконное стекло не имеет точного значения температуры плавления. Оно просто при повышении данного показателя медленно плавится, размягчается и переходит в жидкое состояние. Если же воздействие прекратить, то пойдет обратный процесс и начнется затвердевание, но без кристаллизации.
Такие вещества очень ценятся, стекло сегодня – один из самых распространенных и востребованных строительных материалов во всем мире.
Источник