§ 19. Строение твёрдых тел

Определения и обозначения

Кристаллическое тело — тело, частицы которого расположены в пространстве упорядоченно и периодически. Это означает, что структура повторяется на больших расстояниях, а не только между соседними частицами. Такое определение помогает отличить кристаллы от тел, в которых частицы не образуют общего повторяющегося порядка.

Кристаллическая решётка — модель расположения частиц кристалла в виде повторяющейся структуры. На схеме частицы условно изображают в определённых местах, чтобы было легче представить порядок в кристалле. Решётка нужна для объяснения его строения и связи этого строения с физическими свойствами.

Аморфное тело — тело, не имеющее дальнего периодического порядка в расположении частиц. Частицы в нём всё равно находятся близко и взаимодействуют, но их расположение не повторяется в едином порядке на больших расстояниях. Это понятие объясняет, почему стекло остаётся твёрдым, но отличается от кристалла.

Анизотропия — зависимость физических свойств кристалла от выбранного направления. Например, прочность или теплопроводность могут иметь разные значения вдоль разных направлений кристалла. Термин нужен, чтобы описывать свойства монокристаллов и учитывать их при использовании.

Как это устроено

Частицы твёрдого тела находятся близко, потому что между ними действуют силы притяжения и отталкивания. На некотором расстоянии эти силы уравновешиваются, поэтому частицы занимают устойчивые положения. При нагревании они движутся активнее, но в обычном твёрдом состоянии в основном колеблются около этих положений, а не разлетаются и не перемещаются свободно.

В кристалле расположение частиц повторяется, поэтому его можно представить как кристаллическую решётку. Один непрерывный участок с общей упорядоченной структурой называется монокристаллом. Если тело состоит из множества мелких кристаллов-зёрен, ориентированных по-разному, оно называется поликристаллическим; к таким материалам относится большинство обычных металлических предметов.

В монокристалле порядок частиц в одном направлении может отличаться от порядка в другом. Из-за этого связи между частицами и расстояния между ними тоже могут быть неодинаковыми. Поэтому прочность, теплопроводность и некоторые другие свойства способны зависеть от направления; такую зависимость называют анизотропией.

В поликристалле каждое зерно имеет собственное направление решётки, но зёрна обычно ориентированы беспорядочно. Если измерять свойства всего образца, вклад отдельных направлений частично компенсируется. Поэтому его свойства часто оказываются примерно одинаковыми в разных направлениях, хотя отдельные зёрна сохраняют особенности кристаллов.

В аморфном теле соседние частицы тоже могут располагаться упорядоченно, но дальнего периодического повторения нет. При нагревании такая структура не разрушается разом при одной строго заданной температуре, как структура идеального кристалла. Поэтому аморфное тело постепенно размягчается, переходя от твёрдого состояния к текучему в некотором диапазоне температур.

Сравнение кристаллических и аморфных тел

Сначала определите, есть ли у тела дальний порядок: это главный признак, разделяющий две группы. Затем сравните поведение при нагревании и возможную зависимость свойств от направления. Учтите, что свойство монокристалла не всегда заметно у образца, состоящего из множества по-разному ориентированных зёрен.

Разбор задач

Задача 1

Распределите железо, поваренную соль, стекло, сахар и пластилин на кристаллические и аморфные тела. Объясните классификацию. Решение опирается на типичное строение этих материалов, а не на то, насколько твёрдыми они кажутся на ощупь.

1. Проверяем, какие вещества имеют упорядоченное повторяющееся расположение частиц. Железо в твёрдом состоянии, поваренная соль и сахар относятся к кристаллическим веществам.
2. Стекло и пластилин не имеют дальнего периодического порядка. Поэтому их относят к аморфным телам, хотя стекло твёрдое, а пластилин легко меняет форму под действием силы.
3. Сверяем результат с главным признаком: кристаллические тела имеют решётку, а аморфные не имеют дальнего порядка. Одна только твёрдость не позволяет определить группу.

Ответ: кристаллические — железо, поваренная соль и сахар; аморфные — стекло и пластилин. Классификация основана на порядке расположения частиц.

Задача 2

Почему кусок монокристалла может легче раскалываться по одним направлениям, чем по другим, а обычный металлический предмет обычно не проявляет заметной анизотропии? Важно не смешивать свойства одного кристалла и свойства целого предмета из множества зёрен. Сравним, как направлены их решётки.

1. В монокристалле решётка имеет единую ориентацию. Связи между частицами устроены неодинаково в разных направлениях, поэтому раскалывание вдоль одних направлений может требовать меньшего усилия.
2. Обычный металлический предмет чаще всего поликристаллический. Он состоит из большого количества зёрен, и решётки зёрен ориентированы по-разному.
3. При рассмотрении всего предмета особенности отдельных зёрен в значительной мере усредняются. Поэтому заметной разницы свойств по направлениям обычно не наблюдается.

Ответ: монокристалл может легче раскалываться вдоль определённых направлений из-за устройства единой решётки. В металлическом поликристалле разные направления зёрен усредняются.

Задача 3

Кристаллическую соль и стекло нагревают. Спрогнозируйте характер их размягчения и плавления и объясните результат через строение веществ. По внешнему виду заранее нельзя судить о точной температуре процесса, поэтому сравним именно тип строения образцов.

1. Соль — кристаллическое тело, её частицы образуют периодическую структуру. При достижении определённой температуры эта структура разрушается, и кристалл плавится.
2. Стекло — аморфное тело, у него нет единого дальнего порядка. При нагревании оно не переходит в жидкость в один момент, а постепенно становится мягче и более текучим.
3. Значит, у соли можно указать определённую температуру плавления, а для стекла характерен температурный интервал размягчения. Это различие связано с внутренним строением, а не с тем, что одно тело твёрдое, а другое нет.

Ответ: кристаллическая соль плавится при определённой температуре, а стекло постепенно размягчается в диапазоне температур.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все твёрдые тела имеют кристаллическую решётку. Так думают, потому что многие знакомые твёрдые вещества, например соль, являются кристаллами. Но стекло и пластилин — аморфные тела без дальнего периодического порядка. Проверьте себя вопросом: повторяется ли расположение частиц в единой структуре на больших расстояниях?

Ошибка: путать монокристалл с поликристаллом. Если материал состоит из кристаллических частиц, его легко ошибочно принять за один большой кристалл. Однако поликристаллическое тело образовано множеством зёрен с разной ориентацией решёток. Чтобы проверить ответ, выясните, есть ли у всего образца одна общая ориентация.

Ошибка: утверждать, что анизотропией обладают все твёрдые тела. Так можно решить, если перенести свойства отдельного кристалла на любой твёрдый предмет. Зависимость свойств от направления прежде всего характерна для монокристаллов, тогда как у поликристаллов направления часто усредняются. Проверяйте, рассматривается ли один кристалл или тело из множества зёрен.

Ошибка: считать, что аморфное тело плавится при одной строго определённой температуре. Такое представление возникает из-за сравнения со льдом или солью, которые являются кристаллами. Аморфное тело обычно постепенно размягчается, а не плавится сразу при одной температуре. Проверить рассуждение можно по строению: отсутствие дальнего порядка соответствует плавному переходу.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о молекулярном строении вещества, взаимодействии частиц и их тепловом движении. Эти идеи помогают объяснить, почему частицы твёрдого тела сохраняют соседство, но колеблются около устойчивых положений. Позже строение твёрдых тел пригодится при изучении плавления и кристаллизации, механических свойств материалов и применения кристаллов в технике. Так можно связать внутреннее устройство вещества с его поведением и практическим использованием.

Что запомнить

• В твёрдых телах частицы колеблются около положений равновесия.
• Кристаллы имеют упорядоченное периодическое расположение частиц.
• Аморфные тела не имеют дальнего периодического порядка.
• Монокристаллы могут обладать анизотропией.
• Поликристаллы состоят из множества кристаллических зёрен.
• Кристаллы плавятся при определённой температуре, а аморфные тела постепенно размягчаются.