§ 17. Свойства твёрдых тел

Определения и обозначения

Кристаллическое тело — твёрдое тело, частицы которого расположены упорядоченно и образуют периодически повторяющуюся структуру. Это значит, что расположение частиц не случайно: похожие элементы строения повторяются. Понятие помогает отличить кристалл от других твёрдых тел и объяснить его свойства.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристаллическом теле. Узлы решётки соответствуют положениям частиц, а линии между узлами служат наглядной схемой, а не дополнительными частицами. Такая модель нужна, чтобы представлять строение кристалла и сравнивать расположение частиц в разных направлениях.

Анизотропия — зависимость физических свойств кристалла от направления, в котором их измеряют. Например, кристалл может легче раскалываться вдоль одного направления, чем вдоль другого. Термин нужен, чтобы назвать и объяснить такие различия, не смешивая их с изменением состава вещества.

Аморфное тело — твёрдое тело, в котором частицы не образуют упорядоченной кристаллической структуры. Частицы в нём всё равно взаимодействуют и не расположены совершенно произвольно, но дальнего повторяющегося порядка нет. Это понятие помогает отличать аморфные материалы от кристаллов по их строению и поведению при нагревании.

Как это устроено

В кристалле частицы располагаются упорядоченно, потому что взаимодействуют друг с другом и занимают устойчивые положения. Такое расположение не обрывается после одной пары частиц: оно повторяется на большом расстоянии. Поэтому строение кристалла удобно изображать как решётку, где каждый узел показывает место частицы. Решётка не означает, что внутри тела есть нарисованные линии или пустые ячейки: это способ описать порядок.

Монокристалл состоит из одного кристалла, поэтому его решётка упорядочена во всём объёме. При движении в разных направлениях можно встретить разное расположение частиц и связей между ними. Из-за этой особенности измеряемые свойства могут отличаться: так проявляется анизотропия. Она относится к направлению измерения, а не обязательно к различию вещества в разных частях образца.

Поликристалл образован множеством мелких кристаллов, или зёрен. В каждом зерне частицы упорядочены, но сами зёрна ориентированы по-разному. Если измерять свойства всего образца, различия между отдельными направлениями многих зёрен частично усредняются. Поэтому поликристалл часто ведёт себя почти одинаково в разных направлениях, хотя внутри него сохраняются кристаллические области.

В аморфном теле частицы не складываются в периодически повторяющуюся структуру на больших расстояниях. Без такого дальнего порядка нет единой ориентации решётки, которая выделяла бы одно направление среди других. Поэтому свойства аморфного тела обычно одинаковы в разных направлениях. Например, стекло относят к аморфным телам, а его строение не описывают как кристаллическую решётку, повторяющуюся во всём объёме.

При нагревании частицы получают больше энергии и начинают двигаться интенсивнее. В кристалле упорядоченная структура сохраняется до определённой температуры, при которой тело плавится. В аморфном теле нет такой кристаллической структуры, которая разрушалась бы при одной строго заданной температуре. Поэтому оно обычно не переходит сразу из твёрдого состояния в жидкое, а постепенно размягчается в некотором интервале температур.

Сравнение кристаллических и аморфных тел

Сравнивайте не один признак, а сразу строение, направленные свойства и поведение при нагревании. Для монокристалла зависимость свойств от направления заметнее, чем для поликристалла. Таблица показывает общие особенности, поэтому конкретные материалы могут различаться по отдельным свойствам.

Разбор задач

Задача 1. Распределите лёд, поваренную соль, стекло и пластилин на кристаллические и аморфные тела. Нужно определить, образуют ли частицы каждого вещества упорядоченную повторяющуюся структуру. Поведение при нагревании может служить дополнительным признаком, но не заменяет знания о строении.

1. Лёд и поваренная соль имеют кристаллическое строение: частицы в них расположены упорядоченно. Их относят к кристаллическим телам.
2. Стекло и пластилин не имеют дальнего кристаллического порядка. Их относят к аморфным телам.
3. Проверяем распределение: в первой группе вещества с кристаллической структурой, во второй — без неё.

Ответ: кристаллические тела — лёд и поваренная соль; аморфные — стекло и пластилин.

Задача 2. Кристалл разрезали в двух направлениях. В одном направлении он раскалывается легко, а в другом — с трудом. Какое свойство это показывает? Сначала сравним, что именно изменилось: состав образца или направление разреза. В условии различается направление, а вещество остаётся тем же.

1. Запоминаем признак: если физические свойства кристалла зависят от направления, это анизотропия.
2. Сопоставляем с условием: лёгкость раскалывания — свойство, и оно различается в двух направлениях.
3. Следовательно, наблюдаемое различие объясняется направленной зависимостью свойства, а не обязательно неоднородностью состава.

Ответ: это проявление анизотропии кристалла.

Задача 3. Образец поликристаллического металла состоит из множества мелких кристаллов. Почему образец в целом часто проявляет свойства, близкие к одинаковым во всех направлениях? Здесь важно учитывать не одно зерно, а весь образец. Отдельные кристаллы могут быть направлены по-разному.

1. Вспоминаем, что свойства каждого кристалла могут зависеть от направления.
2. Учитываем устройство поликристалла: его мелкие кристаллы ориентированы неодинаково.
3. Направленные свойства зёрен частично усредняются при рассмотрении образца целиком, поэтому выраженная анизотропия обычно ослабевает.

Ответ: из-за разной ориентации кристаллов их направленные свойства в целом частично усредняются.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что всякое твёрдое тело имеет кристаллическую решётку. Так думают, потому что частицы есть во всех веществах, а твёрдое состояние легко принять за признак кристалла. Проверьте себя: у аморфного тела частицы тоже есть, но упорядоченного дальнего строения нет.

Ошибка — путать монокристалл и поликристалл. Названия похожи, а различие легко упустить, если смотреть только на то, что оба материала являются кристаллическими. Проверьте себя вопросом о числе кристаллов: монокристалл — один, поликристалл — множество мелких кристаллов.

Ошибка — называть анизотропией неоднородность состава. Их путают, потому что в обоих случаях наблюдения могут дать разные результаты, но анизотропия связана именно с направлением измерения. Проверьте себя: сравните свойства одного и того же вещества в разных направлениях, а не разных участков с разным составом.

Ошибка — утверждать, что аморфное тело плавится при одной строго определённой температуре. Такое ожидание возникает при переносе свойств кристалла на все твёрдые тела. Проверьте себя: для аморфного тела обычно говорят о постепенном размягчении в интервале температур, а не о единственной температуре плавления.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в строении твёрдых тел, нужно знать, что вещества состоят из частиц. Также пригодятся представления о непрерывном движении частиц и их взаимодействии. Эти знания помогают понять, почему частицы сохраняют определённое расположение, но не являются неподвижными.

Свойства твёрдых тел связаны с тепловыми явлениями. При нагревании меняется движение частиц, а плавление и размягчение показывают, как тело реагирует на повышение температуры. Сравнение кристаллов и аморфных тел помогает различать характер этих изменений.

Представления о строении твёрдых тел пригодятся при изучении материалов и их применения в технике. Зная особенности вещества, можно объяснять его поведение и выбирать материал для нужной задачи. Например, значение имеют прочность, способность раскалываться и реакция на нагревание.

Что запомнить

• Твёрдые тела бывают кристаллическими и аморфными.
• В кристалле частицы расположены упорядоченно.
• Монокристалл состоит из одного кристалла, поликристалл — из множества мелких.
• Анизотропия — зависимость свойств кристалла от направления.
• Аморфные тела обычно проявляют свойства одинаково в разных направлениях.
• Кристалл плавится при определённой температуре, аморфное тело постепенно размягчается.