§ 48. Кристаллическое состояние веществ

Определения и обозначения

Кристаллическое состояние вещества — твёрдое состояние, для которого характерно упорядоченное расположение частиц. В отличие от газа, частицы не разлетаются по всему объёму, а в отличие от жидкости, сохраняют устойчивое расположение относительно соседей. Это понятие помогает описывать строение многих твёрдых веществ.

Кристалл — твёрдое тело с упорядоченным расположением частиц. Частицами могут быть атомы, молекулы или ионы, то есть заряженные частицы. Такое определение позволяет отличать кристаллы по их внутреннему строению, а не только по внешнему виду.

Кристаллическая решётка — периодически повторяющееся расположение частиц в кристалле. Слово «периодически» означает, что одинаковый порядок частиц повторяется снова и снова. Решётка нужна как модель: с её помощью удобно представлять строение кристалла и объяснять его свойства.

Анизотропия — зависимость некоторых свойств кристалла от направления. Например, измерения вдоль разных направлений могут показать различия в отдельных свойствах. Это понятие связывает наблюдаемые особенности кристалла с расположением частиц внутри него.

Как это устроено

В твёрдом кристалле частицы удерживаются взаимодействием друг с другом и не перемещаются свободно, как в газе. Они занимают определённые места относительно соседей, хотя могут колебаться около них. Устойчивый порядок возникает потому, что при данном расположении взаимодействия между частицами создают прочную структуру.

Одинаковые участки такого расположения повторяются во всём кристалле, образуя кристаллическую решётку. Представьте ряд одинаковых клеток, продолженный в трёх измерениях: в каждой клетке частицы расположены согласованно. Повторение порядка позволяет описывать строение всего тела, не перечисляя положение каждой частицы отдельно.

Когда кристалл растёт, частицы присоединяются к его поверхности в соответствии с уже существующим порядком. Поэтому грани и рёбра часто формируются закономерно, и отдельный кристалл может иметь правильную внешнюю форму. Если росту мешает соседний объект или кристалл позже обрабатывают, форма нарушается, хотя внутреннее упорядоченное строение может сохраниться.

У чистого кристаллического вещества частицы удерживаются в решётке до тех пор, пока нагревание не даст им достаточно энергии для перехода в жидкое состояние. Поэтому плавление обычно происходит при определённой температуре, характерной для данного вещества. При плавлении порядок решётки разрушается; это объясняет связь температуры плавления с внутренним строением.

В упорядоченной решётке соседство частиц в одном направлении может отличаться от соседства в другом. Поэтому некоторые свойства, например способность проводить тепло или прочность, могут зависеть от направления измерения: это и есть анизотропия. Аморфное вещество устроено иначе: дальнего порядка частиц в нём нет, а потому нет и чёткой температуры плавления. При нагревании такое тело постепенно размягчается, а не переходит в жидкость при одном точно заданном значении температуры.

Сравнение кристаллических и аморфных веществ

Сначала сравните внутреннее расположение частиц и наличие решётки, а затем — форму и поведение при нагревании. Внешний вид сам по себе не всегда позволяет определить тип вещества: ориентируйтесь на совокупность признаков. Учитывайте, что зависимость свойств от направления относится лишь к некоторым свойствам кристаллов.

Разбор задач

Задача 1. Распределите поваренную соль, стекло и сахар на кристаллические и аморфные вещества. Нужно определить, есть ли у вещества упорядоченное строение с дальним порядком. Твёрдость образца не используем как единственный признак: стекло тоже твёрдое, но это не делает его кристаллом.

1. Вспоминаем, что кристаллическим называют вещество с упорядоченным расположением частиц и решёткой. Поваренная соль и сахар имеют кристаллическое строение.
2. Стекло относим к аморфным веществам: в нём нет дальнего порядка частиц. Его твёрдость не меняет этого вывода.
3. Проверяем, что вещества распределены по строению, а не просто по тому, твёрдые ли они.

Ответ: поваренная соль и сахар — кристаллические вещества, стекло — аморфное.

Задача 2. Частицы в образце расположены упорядоченно, а при нагревании вещество плавится при определённой температуре. Какое состояние описано? Сопоставим оба признака с особенностями твёрдых веществ. Одного внешнего признака может быть недостаточно, поэтому проверим их вместе.

1. Упорядоченное расположение частиц указывает на наличие кристаллического строения. В модели такого строения частицы образуют решётку.
2. Плавление при определённой температуре также обычно характерно для кристаллического вещества. Аморфное тело при нагревании постепенно размягчается.
3. Оба признака совпали, значит, описано не просто твёрдое тело, а кристаллическое состояние вещества.

Ответ: описано кристаллическое состояние.

Задача 3. Кристалл исследуют вдоль и поперёк одного направления. Объясните, почему некоторые его свойства могут различаться при измерении в этих направлениях. Требуется связать результат измерения с устройством кристалла, а не считать различие случайным. Для этого сравним расположение частиц в решётке.

1. Вспоминаем, что в кристалле частицы расположены упорядоченно. Их расположение в разных направлениях может быть неодинаковым.
2. Из-за такого различия измеряемое свойство, например прочность или проведение тепла, может иметь разные значения. Значит, результат зависит от того, вдоль какого направления проводили измерение.
3. Зависимость некоторых свойств от направления называется анизотропией. Она относится не обязательно ко всем свойствам кристалла.

Ответ: различия возможны из-за неодинакового расположения частиц в разных направлениях; такое явление называют анизотропией.

Типичные ошибки

Ошибка: считать правильную внешнюю форму обязательным признаком любого кристалла. Так думают, потому что кристаллы часто изображают с ровными гранями, но условия роста и обработка могут изменить форму тела. Проверьте себя: даже без правильных граней вещество может сохранять внутренний порядок частиц.

Ошибка: называть стекло кристаллическим, потому что оно твёрдое. Здесь путают агрегатное состояние вещества и его внутреннее строение: твёрдыми бывают как кристаллические, так и аморфные тела. Чтобы проверить вывод, выясните, есть ли дальний порядок частиц, а не опирайтесь только на твёрдость.

Ошибка: утверждать, что у любого кристалла все свойства зависят от направления. Такое обобщение возникает из-за запоминания определения анизотропии без слова «некоторые». Проверяйте себя: речь идёт об отдельных свойствах, и проявление зависимости может быть разным у разных кристаллов.

Ошибка: считать, что аморфное вещество совсем не размягчается. Поскольку у него нет чёткой температуры плавления, можно ошибочно сделать вывод, будто нагревание не меняет его состояние. На деле оно постепенно размягчается, поэтому проверяйте не наличие перехода, а то, происходит ли он при одной определённой температуре.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что вещества состоят из частиц и что частицы взаимодействуют. Это помогает объяснить, почему в твёрдом веществе они сохраняют определённое взаимное расположение, а не разлетаются. Новое представление о решётке уточняет знания о твёрдом состоянии и отличиях твёрдых тел от жидкостей и газов.

Строение твёрдых тел пригодится при изучении свойств материалов: внутренний порядок помогает понять их форму и поведение. Связь строения с нагреванием объясняет, почему одни вещества плавятся при определённой температуре, а другие постепенно размягчаются. Эти идеи помогают осмысленно сравнивать материалы и изменения веществ.

Что запомнить

• Кристаллическое вещество имеет упорядоченное расположение частиц.
• Упорядоченное расположение частиц описывают с помощью кристаллической решётки.
• Кристаллические вещества обычно плавятся при определённой температуре.
• Аморфные вещества не имеют дальнего порядка в расположении частиц.
• Аморфные тела при нагревании постепенно размягчаются.
• Анизотропия — зависимость некоторых свойств кристалла от направления.