§ 55. Твёрдые вещества

Определения и обозначения

Твёрдые вещества — вещества, сохраняющие собственные форму и объём при обычных условиях. Иными словами, такое вещество не принимает форму сосуда и не растекается, как жидкость. Это определение описывает его обычное состояние, но не означает, что оно никогда не меняется: при нагревании твёрдое тело может плавиться или размягчаться.

Кристаллические вещества — твёрдые вещества, частицы которых расположены упорядоченно и образуют кристаллическую решётку. Частицы повторяют определённый порядок, поэтому строение кристалла можно описать закономерно. Это понятие помогает связать внутреннее устройство вещества с его формой и физическими свойствами.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристалле; точки, соответствующие частицам, называют узлами решётки. Узлы показывают места, около которых находятся частицы, а не неподвижные «точки» внутри вещества. Такое представление удобно, чтобы описывать порядок строения кристалла.

Аморфные вещества — твёрдые вещества, в которых нет дальнего порядка в расположении частиц, характерного для кристаллов. Частицы взаимодействуют, но их расположение не образует единую упорядоченную решётку. Понятие нужно, чтобы отличать такие материалы, как стекло, от кристаллов и объяснять их постепенное размягчение.

Как это устроено

В твёрдом веществе частицы не могут свободно разлетаться или перемещаться, как частицы газа. Между ними действует притяжение, которое удерживает каждую около определённого положения. При этом частица не становится неподвижной: она колеблется, а при нагревании колебания становятся интенсивнее. Поэтому твёрдое тело сохраняет форму, но может менять состояние при достаточном нагревании.

В кристалле положение частиц повторяется в определённом порядке, и возникает кристаллическая решётка. Её узлы соответствуют местам, около которых колеблются частицы. Повторение порядка во всём кристалле помогает ему приобретать закономерную форму, а строение влияет и на другие свойства. Именно поэтому изучение расположения частиц помогает понять наблюдаемые свойства вещества.

При нагревании частицы получают больше энергии и колеблются сильнее. В кристаллическом веществе порядок сохраняется до тех пор, пока при определённой температуре не нарушится структура решётки: вещество плавится. У аморфного тела нет единой решётки, которая разрушалась бы сразу при одной температуре. Поэтому оно обычно не переходит резко в жидкость, а постепенно становится мягче.

Главное различие кристаллических и аморфных веществ — не в том, что одни твёрдые, а другие нет: оба типа относятся к твёрдым телам. В кристаллах частицы упорядочены, в аморфных веществах дальнего порядка нет. Различается и поведение при нагревании: кристаллы обычно плавятся при определённой температуре, а аморфные тела размягчаются постепенно. Эти признаки позволяют сопоставить внутреннее строение с наблюдаемым изменением вещества.

У кристалла свойства могут зависеть от направления внутри него, потому что упорядоченное расположение частиц неодинаково относительно разных направлений. Например, измеренное физическое свойство в одном направлении может отличаться от значения в другом. В аморфном веществе нет такого дальнего упорядоченного строения, поэтому его свойства обычно одинаковы во всех направлениях. Эта особенность показывает, что строение влияет не только на плавление, но и на свойства материала.

Сравнение кристаллических и аморфных веществ

Сначала сравните расположение частиц и наличие решётки: это признаки внутреннего строения. Затем проверьте поведение при нагревании и зависимость свойств от направления — они показывают, как строение проявляется в опыте. Примеры помогают закрепить различие, но при разборе неизвестного образца лучше опираться на несколько признаков.

Разбор задач

Лёд и стекло

Условие. Сравните лёд и стекло по внутреннему строению и поведению при нагревании. Укажите, к какому типу твёрдых веществ относится каждое. Нужно сопоставить не только внешний вид, но и признаки, связанные с расположением частиц. По этим признакам можно определить тип вещества.

1. Вспомним критерий: кристалл имеет упорядоченное расположение частиц, а аморфное вещество не имеет дальнего порядка.
2. Лёд относится к кристаллическим веществам: в нём частицы расположены упорядоченно и образуют решётку.
3. Стекло относят к аморфным веществам: его частицы не образуют характерного для кристалла дальнего порядка.
4. Сопоставим нагревание: лёд как кристалл обычно плавится при определённой температуре, стекло постепенно размягчается.

Ответ. Лёд — кристаллическое вещество, стекло — аморфное. Они различаются внутренним строением и поведением при нагревании.

Постепенное размягчение

Условие. Образец не плавится при одной строго определённой температуре, а постепенно размягчается. Определите тип вещества и объясните вывод. В условии дано именно поведение при нагревании, поэтому его нужно сравнить с характерными признаками двух типов твёрдых веществ.

1. Для кристаллических веществ обычно характерно плавление при определённой температуре.
2. Постепенное размягчение не соответствует такому резкому переходу кристалла в жидкость.
3. Аморфные вещества при нагревании постепенно размягчаются, поскольку у них нет решётки, разрушающейся сразу при одной температуре.

Ответ. Образец относится к аморфным веществам: на это указывает постепенное размягчение при нагревании.

Разная форма кристаллов

Условие. Два образца одного кристаллического вещества имеют разную форму, но одинаковый химический состав. Нужно объяснить, почему это не доказывает, что перед нами разные вещества. Для решения отделим внешний вид отдельного кристалла от состава вещества.

1. Химический состав показывает, из каких частиц состоит вещество, а форма описывает внешний облик кристалла.
2. У кристаллических веществ частицы расположены упорядоченно, но отдельные образцы могут иметь разную форму.
3. Если химический состав одинаков, различие формы само по себе не означает различия веществ.

Ответ. Разная форма кристаллов не делает вещества разными: их химический состав одинаков, а внешний вид образцов может отличаться.

Типичные ошибки

Ошибка: считать частицы твёрдого тела неподвижными. Так думают, потому что тело сохраняет форму и снаружи кажется неподвижным. На самом деле частицы колеблются около определённых положений. Проверьте себя: если нагревание усиливает колебания частиц, значит, они не застыли на месте.

Ошибка: считать форму твёрдого тела неизменной при любых условиях. Сохранение формы относится к обычным условиям, а не к любому нагреванию. При изменении температуры вещество может плавиться или постепенно размягчаться. Проверьте себя, указав условия, при которых описываете состояние тела.

Ошибка: полагать, что у любого твёрдого вещества есть кристаллическая решётка. Часто слово «твёрдый» ошибочно связывают с упорядоченным строением. Однако аморфные вещества тоже твёрдые, хотя дальнего порядка в расположении их частиц нет. Проверьте себя: не выводите наличие решётки только из того, что образец сохраняет форму.

Ошибка: считать, что кристаллические и аморфные вещества обязательно различаются химическим составом. Их главное различие связано с расположением частиц, а не с химической природой. Эту ошибку допускают, смешивая строение вещества с его составом. Проверьте себя: отдельно ответьте, из чего состоит вещество и как расположены его частицы.

Связь с другими темами

Для понимания твёрдых веществ нужно знать, что вещества состоят из частиц и что частицы взаимодействуют друг с другом. Эти знания объясняют, почему частицы удерживаются около определённых положений и не разлетаются. Представление о строении помогает перейти к изучению плавления, кристаллизации и физических свойств материалов.

Далее связь между строением и составом пригодится при изучении химической связи и свойств веществ. Одинаковый химический состав и особенности расположения частиц — разные характеристики, которые важно не смешивать. Вместе они помогают объяснять, почему вещества проявляют разные свойства.

Что запомнить

• Твёрдые вещества сохраняют форму и объём.
• Частицы твёрдого вещества колеблются около определённых положений.
• В кристаллических веществах частицы расположены упорядоченно.
• Аморфные вещества не имеют характерного для кристаллов дальнего порядка.
• Кристаллические вещества обычно плавятся при определённой температуре.
• Аморфные вещества при нагревании постепенно размягчаются.