3. Твёрдые тела

Определения и обозначения

Твёрдое тело — состояние вещества, в котором частицы связаны силами взаимодействия и сохраняют форму и объём. Сильное притяжение не позволяет частицам свободно разлетаться, поэтому тело не принимает форму сосуда. Это понятие помогает отличать твёрдые вещества от жидкостей и газов.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц твёрдого тела, повторяющееся в пространстве. В её узлах находятся частицы, например атомы, молекулы или ионы. По решётке можно объяснить правильную форму кристаллов и особенности их свойств.

Монокристалл — твёрдое тело, имеющее единую кристаллическую решётку во всём объёме. Все его части сохраняют одинаковую ориентацию общего порядка. Такое определение нужно, чтобы отличать один цельный кристалл от тела, собранного из множества зёрен.

Аморфное тело — твёрдое тело, в котором частицы не образуют дальнего периодического порядка. Ближайшие соседи могут располагаться определённым образом, но строгого повторения на больших расстояниях нет. Поэтому аморфные тела обычно не имеют выраженных направленных свойств.

Как это устроено

В твёрдом теле частицы сильно взаимодействуют друг с другом. Если частицу немного сместить, силы притяжения и отталкивания стремятся вернуть её к устойчивому положению. Поэтому частицы не разлетаются и не перемещаются по всему телу, как в газе. Связь между ними позволяет сохранять и форму, и объём.

В кристалле частицы расположены не случайно, а образуют повторяющийся порядок. Каждая частица занимает положение, связанное с положениями соседних частиц, поэтому возникает кристаллическая решётка. Полной неподвижности нет: при любой температуре частицы получают энергию и колеблются около положений равновесия. При нагревании эти колебания становятся сильнее.

Монокристалл имеет одну решётку, продолжающуюся через весь образец. Поликристалл складывается из множества маленьких кристаллических зёрен, каждое из которых имеет свою решётку. Границы зёрен возникают потому, что соседние участки ориентированы по-разному. Так устроены многие металлы и другие распространённые материалы.

В монокристалле расстояния между частицами и направления связей могут различаться в разных направлениях. Поэтому кристалл способен по-разному проводить тепло, пропускать свет, деформироваться или раскалываться. Зависимость физических свойств от направления называют анизотропией. Она особенно заметна у крупных хорошо образованных кристаллов.

В аморфном теле нет единой решётки, повторяющейся на больших расстояниях. Частицы расположены менее упорядоченно, поэтому выделить особое направление обычно нельзя. Свойства такого тела в разных направлениях в среднем одинаковы, то есть оно проявляет изотропность. Стекло — привычный пример аморфного тела.

Сравнение кристаллических и аморфных твёрдых тел

Сначала определите, есть ли у вещества дальний повторяющийся порядок. Затем посмотрите, одна ли решётка занимает весь образец или он состоит из зёрен. Последняя строка помогает закрепить признаки на конкретных примерах.

Разбор задач

Задача 1. Классификация веществ

Определим тип твёрдых тел: поваренной соли, стекла, куска меди и снежинки. Нужно использовать характер расположения частиц, а не внешний вид предмета. Кристаллическое строение означает наличие упорядоченной решётки.

1. Поваренная соль состоит из ионов, расположенных в правильном повторяющемся порядке, поэтому это кристаллическое тело.
2. В стекле нет дальнего периодического порядка, поэтому оно является аморфным телом.
3. Медь обычно состоит из множества зёрен и является поликристаллом, а снежинка — отдельным кристаллом льда, то есть монокристаллическим образованием.

Ответ: соль и снежинка — кристаллические тела, стекло — аморфное, кусок меди — обычно поликристалл. Признак классификации — порядок расположения частиц. Для меди уточнение «обычно» связано с тем, что обычный кусок металла состоит из множества зёрен.

Задача 2. Направление раскалывания

Объясним, почему монокристалл соли может раскалываться по определённым направлениям, а стекло — по случайным. Нужно сравнить внутреннее строение этих материалов. Внешняя гладкость поверхности сама по себе не является причиной раскалывания.

1. В кристалле соли частицы и связи между ними образуют повторяющийся порядок.
2. В некоторых направлениях связи оказываются слабее или расположены так, что разделить соседние слои легче.
3. В стекле нет единой решётки и выделенных направлений, поэтому трещина распространяется по случайному пути, который определяется местными неоднородностями.

Ответ: соль раскалывается по направлениям, заданным решёткой, а стекло — без устойчивого предпочтительного направления. Это пример анизотропии кристалла. Для стекла подобная направленная закономерность обычно отсутствует.

Задача 3. Тело из кристаллических зёрен

Вещество состоит из множества мелких кристаллических зёрен, ориентированных беспорядочно. Требуется определить тип тела и объяснить его свойства. Ориентация зёрен здесь важнее того, что внутри каждого зерна есть собственный порядок.

1. Каждое зерно имеет кристаллическую решётку, но решётки соседних зёрен направлены неодинаково.
2. Тело, состоящее из таких зёрен, называют поликристаллом.
3. Разные направления внутри отдельных зёрен распределены беспорядочно, поэтому их направленные свойства в большом образце в основном взаимно усредняются.

Ответ: это поликристаллическое тело. В целом оно обладает почти одинаковыми свойствами по разным направлениям, хотя отдельные зёрна остаются анизотропными. Поэтому поликристалл не следует путать с аморфным телом.

Типичные ошибки

Частицы совсем неподвижны. Так думают, потому что тело не меняет форму, но на самом деле частицы колеблются около положений равновесия. Проверьте себя: при нагревании колебания усиливаются, хотя вещество может оставаться твёрдым.

Любое твёрдое тело считают кристаллом. Ошибка возникает из-за привычки связывать твёрдость с упорядоченной структурой. Спросите себя, есть ли дальний периодический порядок: у стекла и многих пластмасс его нет.

Монокристалл путают с поликристаллом. В обоих случаях есть кристаллический порядок, но монокристалл имеет одну решётку, а поликристалл состоит из зёрен. Проверка проста: выясните, меняется ли ориентация решётки при переходе от одной части образца к другой.

Анизотропию приписывают любому твёрдому телу. Её допускают, потому что забывают о различии строения материалов. У аморфных тел и большинства поликристаллов свойства обычно усредняются, поэтому сравнивайте направления только после определения типа тела.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о строении вещества, движении и взаимодействии молекул, силах притяжения и отталкивания. Именно эти силы объясняют устойчивость твёрдого тела и колебания его частиц.

Дальше знания о кристаллах и аморфных телах пригодятся при изучении деформации, механических свойств материалов, плавления и кристаллизации. Строение вещества помогает связать наблюдаемое свойство с поведением частиц.

В технике выбирают металлы, стекло, минералы и другие материалы с учётом их внутреннего строения. От него зависят прочность, способность проводить тепло, характер разрушения и пригодность материала для конкретной детали.

Что запомнить

• Твёрдое тело сохраняет форму и объём благодаря сильному взаимодействию частиц.
• В кристаллах частицы расположены упорядоченно и образуют кристаллическую решётку.
• Монокристалл имеет единую кристаллическую решётку во всём объёме.
• Поликристалл состоит из множества кристаллических зёрен.
• Аморфные тела не имеют дальнего периодического порядка.
• Для монокристаллов характерна зависимость свойств от направления.
• Частицы твёрдого тела колеблются около положений равновесия.