Aineen aggregoidut tilat. Kiteiset ja amorfiset kappaleet

Kiteiden sisäisen rakenteen piirteitä, jotka erottavat ne ei-kiteisistä (amorfisista) kappaleista, ovat materiaalihiukkasten (atomien, sävyjen, molekyylien) järjestynyt, ajoittain toistuva järjestely avaruudessa ja tämän järjestelyn symmetria. Tässä tapauksessa ilmoitettu järjestys ilmenee etäisyyksillä, jotka ovat paljon suurempia kuin itse hiukkasten koot ja säilyvät koko kiteen sisällä, ts. tapahtuu pitkän kantaman tilaus (toisin kuin lyhyen kantaman tilaus - järjestys hiukkasten järjestelyssä tiettyä atomia lähimpänä olevilla alueilla, suhteessa atomien kokoon).

Kiteiden toinen ominaisuus on niiden anisotropia, nuo. epätasaiset ominaisuudet eri suuntiin kristallissa. Anisotropia eli kiteiden vektoriset ominaisuudet eri suuntiin on seurausta niiden geometrisesta anisotropiasta, ts. materiaalihiukkasten ja sidosten erot eri suuntiin kiderakenteessa.

Kolmas kiteiden ominaisuuksien piirre on niiden homogeenisuus, joka ilmenee siinä, että kiteen millä tahansa kahdella osalla on täsmälleen samat ominaisuudet (rinnakkaissuunnassa).

Kristalli - on kiinteä homogeeninen anisotrooppinen kappale, jota rajaavat litteät pinnat, jotka ilmestyvät siihen itse kappaleen ominaisuuksien vuoksi, lisäksi saman aineen kiteillä voi olla eri koko, muoto ja pintojen lukumäärä, mutta kulmat vastaavien pintojen välillä pysyy vakaana.

Kiteiset aineet voivat esiintyä yksittäiskiteiden tai monikiteisten aineiden muodossa. yksittäisiä kiteitä Yksikiteiksi kutsutaan luonnossa esiintyviä tai keinotekoisesti kasvatettuja tieteen ja teknologian tarpeita. Kuitenkin paljon laajempi monikiteisiä aineita, koostuu useista pienistä yhteenkasvetuista yksittäiskiteistä, jotka ovat normaaleissa olosuhteissa eri suuntautuneita toisiinsa nähden ja joiden välinen adheesio tapahtuu atomien ja molekyylien välisistä voimista johtuen. Tällaisella satunnaisella orientaatiolla yksittäiskiteille ominaisten ominaisuuksien anisotropia luonnollisesti puuttuu ja ne ovat kaiken kaikkiaan isotrooppisia, ts. niillä on samat ominaisuudet eri suuntiin.

Kitefaasien materiaalihiukkasten järjestyksen jaksoittaisuuden kuvaamiseksi otetaan käyttöön "kidehilan" käsite. Kristallisolu - matemaattinen abstraktio, joka luonnehtii kolmiulotteisen jaksollisuuden järjestelmää avaruuden äärettömässä pistejärjestelmässä (hilasolmut). Koko hila voidaan kuvitella äärettömänä järjestelmänä alkeissuuntaissärmiöitä, jotka täyttävät tilan kokonaan yhden alkeissuuntaissärmiön kolmen itsenäisen suunnan äärettömästä toistosta johtuen, ns. alkeissolu. Alkeissuuntaissärmiön reunojen kokoa ja niiden välisiä kulmia kutsutaan hilan parametrit ja ovat kunkin kiteisen aineen materiaalivakiot. Yksikkökenno on kiteen pienin osa, joka heijastaa kaikkia sen sisäisen rakenteen piirteitä.

Riippuen hiukkasten tyypistä ja vallitsevasta kemiallisen sidoksen tyypistä kiteessä, hilat jaetaan kahteen suureen ryhmään: molekyyliset ja koordinaatiot.

AT molekyylihilat solmut ovat molekyylejä. Tällaisille hiloille on tunnusomaista vahva molekyylinsisäinen sidos ja heikko jäännös (van der Waals) yhteys molekyylien välillä. Tällaisia ​​hiloja sisältävät yhdisteet sisältävät useimmat orgaaniset aineet. Niille on ominaista sulavuus, korkea haihtuvuus, alhainen kovuus.

Kiteissä kanssa koordinaatiohilat on mahdotonta erottaa yksittäisiä erillisiä molekyylejä, ja sitoutumisvoimat tietyn atomin tai ionin ja kaikkien sen naapurimaiden välillä ja koordinaatioalueella ovat suunnilleen samat (tässä tapauksessa koko kidettä voidaan pitää yhtenä jättimäisenä molekyylinä). Koordinaatiohilat ovat ominaisia ​​useimmille epäorgaanisille aineille, mukaan lukien silikaatit ja muut tulenkestävät yhdisteet.

Koordinaatiohilat puolestaan ​​voidaan jakaa ioninen, atomi (kovalenttinen) ja metallinen. solmuissa ionihilat positiiviset ja negatiiviset ionit vuorottelevat. solmuissa ydin (kovalenttinen) ritilät neutraalit atomit sijaitsevat pääasiassa kovalenttisella sidoksella kytkettyinä. Aineita, joissa on samankaltaisia ​​hiloja, ovat esimerkiksi timantti, pii, jotkut karbidit, silisidit jne. solmuissa metalliset ritilät, metalleille ominaista "elektronikaasuun" on upotettu metalli-ioneja. Tämä hilan rakenne aiheuttaa korkean sähkönjohtavuuden, lämmönjohtavuuden ja plastisuuden.

Tärkeä kiderakenteiden ominaisuus on koordinointinumero atomeja tai ioneja. Koordinaatioluku on hiukkasten lukumäärä, jotka välittömästi ympäröivät tiettyä ionia tai atomia. Kyllä, ionissa 4- piiatomin koordinaatioluku hapen suhteen on 4.

). Kiteisessä tilassa on myös lyhyen kantaman järjestys, jolle on tunnusomaista vakiokoordinaatit. numerot ja kemikaalien pituudet. yhteyksiä. Lyhyen kantaman järjestyksen ominaisuuksien muuttumattomuus kiteisessä tilassa johtaa rakenteellisten solujen yhteensattumiseen niiden translaatiosiirtymän aikana ja rakenteen kolmiulotteisen jaksollisuuden muodostumiseen (katso . . ). Sen max. järjestys kiteinen tila in-va on ominaista minimi. sisäinen energia ja se on termodynaamisesti tasapainotila tietyille parametreille - paine, t-re, koostumus (tapauksessa ) jne. Tarkkaan ottaen täysin järjestetty kiteinen tila ei todellakaan voi olla. toteutettu, lähestyminen siihen tapahtuu, kun t-ry pyrkii OK (ns. ihanteellinen). Todelliset kappaleet kiteisessä tilassa sisältävät aina tietyn määrän , mikä rikkoo sekä lyhyen että pitkän kantaman järjestystä. Erityisen paljon havaitaan kiinteissä liuoksissa, joissa yksittäiset hiukkaset ja niiden ryhmät miehittävät tilastollisesti hajoamista. asemat avaruudessa. Atomirakenteen kolmiulotteisen jaksollisuuden vuoksi pääpiirteet ovat tasaisuus ja St-in, ja mikä ilmenee erityisesti siinä, että tietyissä olosuhteissa muodostelmat ovat monitahoisia (katso). Jotkut St. Islands pinnalla ja lähellä sitä eroavat merkittävästi näistä St. sisällä, erityisesti rikkomisen vuoksi. Koostumus ja vastaavasti St. Islands muuttuvat tilavuudeltaan väliaineen koostumuksen väistämättömän muutoksen vuoksi sen kasvaessa. Siten St.-in:n homogeenisuus sekä pitkän kantaman järjestyksen läsnäolo viittaa "ideaalisen" kiteisen tilan ominaisuuksiin. Suurin osa kiteisessä tilassa olevista kappaleista on monikiteisiä ja ne muodostuvat suuresta määrästä pieniä kristalliitteja (rakeita) - kooltaan 10 -1 -10 -3 mm:n osia, muodoltaan epäsäännöllisiä ja eri suuntautuneita. Rakeet erotetaan toisistaan ​​rakeiden välisillä kerroksilla, joissa hiukkasten järjestys häiriintyy. Rakeidenvälisissä kerroksissa prosessissa tapahtuu myös epäpuhtauksien pitoisuutta. Rakeiden satunnaisesta suuntautumisesta johtuen monikiteinen. runko kokonaisuutena (tilavuus, joka sisältää riittävän suuren määrän jyviä) m. b. isotrooppinen, esim. saatu kiteisellä. viimeisen kanssa . Kuitenkin yleensä prosessissa ja erityisesti muovia. siellä on rakenne - edut, kiteen suuntaus. jyviä tiettyyn suuntaan, mikä johtaa St. in. Yksikomponenttisessa järjestelmässä kiteisen tilan vuoksi useat voivat reagoida. kentät, jotka sijaitsevat suhteellisen alhaisen t-r:n alueella ja korkeammalla. . Jos on vain yksi tila ja aine ei hajoa kemiallisesti t-ry:n kasvaessa, tilat rajoittuvat kenttien ja -viivojen mukaisesti ja - vastaavasti, ja () voivat olla metastabiilissa (tulijäähtyneessä) tilassa tiloihin, kun taas kiteinen tila ei voi olla kentässä tai ts. kiteinen. in-in on mahdotonta ylikuumentua yli t-ry tai. Jotkut ruis in-va (mesogeenit) muuttuvat kuumennettaessa nestekiteiksi. tila (katso). Jos yksikomponenttisen järjestelmän kaaviossa on kaksi tai useampia tilaa, nämä kentät rajoittuvat polymorfisten muunnosten linjaa pitkin. Kiteinen in-in voidaan ylikuumentaa tai alijäähdyttää t-ry-polymorfisen muunnoksen alapuolella. Tässä tapauksessa saarten tarkasteltu kiteinen tila voi olla muiden alueella. modifikaatioita ja on metastabiili. Vaikka ja olemassaolon vuoksi kriittinen viivalla olevia pisteitä voidaan jatkuvasti muuntaa toisikseen, kysymys jatkuvan keskinäisen muuntamisen mahdollisuudesta. kiteinen tila, eikä sitä ole lopullisesti ratkaistu. Joidenkin in-in, voit arvioida kriittistä. parametrit - paine ja t-ru, joissa D H pl ja D V pl ovat yhtä kuin nolla, eli kiteinen tila, ja ne ovat termodynaamisesti erottamattomia. Mutta todella tällainen muutos. ei havaittu millään saarella (katso). In-in kiteisestä tilasta voidaan siirtää epäjärjestyneeseen tilaan (amorfinen tai lasimainen), joka ei vastaa minimivapaata. energia, ei vain muutos (, t-ry, koostumus), vaan myös vaikutus tai hienovarainen. Kriittinen hiukkaskoko, jossa kiteisestä tilasta ei ole enää järkevää puhua, on noin 1 nm, ts. samassa järjestyksessä kuin yksikkösolun koko. Vastaanottaja kiteinen tila erotetaan yleensä muista kiinteän olomuodon muodoista (lasimainen, amorfinen) saaren röntgenkuvioiden mukaan.
===
Käyttää kirjallisuutta artikkelia varten "KRISTALITILA": Shaskolskaya M. P., Crystallography, M., 1976; Modern Crystallography, toim. B. K. Weinstein. osa I. M., 1979. P. I. Fedorov.

Sivu "KRISTALITILA" valmistettu materiaaleista.

Kuten tiedetään, kiteisen rakenteen kappaleita kutsutaan kiinteiksi, atomien järjestelykuviot, joissa suurelta osin määrittävät niiden ominaisuudet. Siksi on tarkoituksenmukaista aloittaa kiinteiden aineiden seosten reaktioihin liittyvien kysymysten selvittäminen lyhyellä esittelyllä nykyaikaisista ajatuksista aineen kiteisestä tilasta.

Aineen kiteisessä tilassa olevilla hiukkasilla on stabiili asema ja ne on järjestetty järjestykseen muodostaen spatiaalisen kidehilan. Tämän hilan rakenne, joka on nyt helposti määritettävissä röntgendiffraktiolla, liittyy useimmissa tapauksissa läheisesti aineen kemialliseen koostumukseen.

Tämä suhde, kuten tunnettu kristallografi Fedorov osoitti jo vuonna 1890, voidaan havaita myös hieman epäselvässä muodossa kiteiden muodossa tai tavassa. Yleensä mitä yksinkertaisempi kehon kemiallinen koostumus on, sitä suurempi on sen kiteiden symmetria. 50 % alkuaineista ja noin 70 % binääriyhdisteistä muodostaa esimerkiksi kuutiokiteitä, 75-85 % yhdisteistä, joissa on 4-5 atomia molekyyliä kohti, muodostaa kuusikulmaisia ​​ja rombisia kiteitä ja noin 80 % kompleksisista orgaanisista yhdisteistä muodostaa rombisia ja monokliinisiä kiteitä. Kaikki tämä voidaan selittää sillä, että mitä homogeenisempia kidehilan rakenneosat ovat, sitä järjestelmällisemmin ne voivat sijaita avaruudessa.

Kiteen rakenteen ja sen kemiallisen koostumuksen välistä suhdetta luonnehtiva mielenkiintoinen kuvio on myös se, että rakenteeltaan saman aineen molekyylit (esim. BaSO4, PbSO4, SrSO4 tai CaCO3, MgCO3, ZnCO3, FeCO3, MnC03) kiteytyvät. samanlaisissa kiteisissä muodoissa. Kiteiden ominaisuuksien samankaltaisuus tällä tavalla muodostuneessa isomorfisessa sarjassa vastaa niiden kidehilojen rakenteen samankaltaisuutta.

Aineen kiteisen tilan tärkeä piirre on sen anisotropia, joka koostuu kemiallisesti homogeenisen kiteen fysikaalisten ominaisuuksien erosta sen eri suuntiin.

niyakh. Anisotropiaa voidaan havaita kidekappaleiden mekaanisissa, optisissa, diffuusio-, lämpö- ja sähköisissä ominaisuuksissa. Se ilmenee muun muassa kiteen erilaisina kasvunopeuksina eri suuntiin, minkä mukaan jotkut sen pinnat ovat kehittyneempiä kuin toiset.

Kiteen muodostavat rakenneosat ja niiden väliset vuorovaikutusvoimat voivat olla erilaisia. Vastaavasti hilat ovat ionisia, molekyylisiä, kovalenttisia ja metallisia. Käytännössä myös erityyppiset ritilät ovat yleisiä. Tutkimukset ovat osoittaneet, että monien kiteisten yhdisteiden hilassa oleva sidos kuuluu välimuotoon ja että erilaisten sidosten luonne kolmen tai useamman kemiallisen alkuaineen yhdisteessä on usein erilainen. Vallitsevien sidosvoimien luonteen mukaan niitä kutsutaan ionisiksi, kovalenttisiksi jne.

Ionihilassa, joka on tyypillistä useimmille suoloille ja tyypillinen epäorgaanisille yhdisteille, sen rakenneosien väliset vuorovaikutusvoimat ovat pääasiassa sähköstaattisia. Tällainen hila muodostuu vastakkaisesti varautuneiden ionien säännöllisestä vuorottelusta (kuva 1), jotka ovat yhteydessä toisiinsa Coulombin vuorovaikutusvoimilla.

Aineella on neljä yleisesti tunnustettua tilaa: kiinteä, nestemäinen, kaasumainen ja plasma. Lisäksi kirjallisuudessa havaittiin viidennen tyyppinen aggregaattiolomuoto, joka löydettiin Large Hadron Colliderin avulla.

Kulutushyödyketieteen alalla vain kolme tilaa ovat käytännön kiinnostavia. Mikä tahansa yksittäinen alkuaine, monimutkainen aine voi esiintyä peräkkäin tai samanaikaisesti kahdessa tai useammassa sellaisessa tilassa: vesi, jää ja vesihöyry voivat esiintyä samassa lämpötilassa ja paineessa. Kiinteät aineet voivat olla kiteisiä (joilla on säännöllisesti toistuva molekyylirakenne), kuten suola ja metalli; tai amorfinen, kuten hartsi tai lasi. Nesteen molekyylit liikkuvat, mutta sijaitsevat lähellä toisiaan, kuten kiinteissä aineissa. Kaasuissa molekyylit ovat niin kaukana toisistaan, että ne liikkuvat suhteellisen suorina linjoina ennen törmäystä säiliön seiniin.

Ensinnäkin on vielä kerran korostettava, että kaasu, neste ja kiinteä ovat aineiden aggregoituja tiloja, ja tässä mielessä niiden välillä ei ole ylitsepääsemätöntä eroa: mikä tahansa aine, lämpötilasta ja paineesta riippuen, voi olla missä tahansa aggregaatissa. valtioita. Kaasumaisten, nestemäisten ja kiinteiden kappaleiden välillä on kuitenkin merkittäviä eroja.

Olennainen ero toisaalta kaasun ja toisaalta kiinteiden ja nestemäisten kappaleiden välillä on se, että kaasu täyttää sille varatun astian koko tilavuuden, kun taas astiaan sijoitettu neste tai kiinteä aine vie vain erittäin selvä volyymi siinä.. Tämä johtuu lämpöliikkeen luonteen eroista kaasuissa sekä kiinteissä ja nestemäisissä kappaleissa.

Kiinteissä aineissa atomit voidaan järjestää avaruudessa kahdella tavalla:

1) atomien järjestynyt järjestely, kun atomit ovat melko määrätyillä paikoilla avaruudessa. Tällaisia ​​aineita kutsutaan kiteinen(Kuva 1.1, a).

Atomit värähtelevät suhteessa keskimääräiseen sijaintiinsa taajuudella noin 1013 Hz. Näiden värähtelyjen amplitudi on verrannollinen lämpötilaan;

2) atomien satunnainen järjestely, kun ne eivät sijaitse tietyssä paikassa suhteessa toisiinsa. Tällaisia ​​elimiä kutsutaan amorfinen(Kuva 1.1, b).

Riisi. 1.1.

Amorfisilla aineilla on kiinteiden aineiden muodolliset ominaisuudet, eli ne pystyvät säilyttämään vakiotilavuuden ja muodon. Niillä ei kuitenkaan ole määriteltyä sulamis- tai kiteytyslämpötilaa.

Kiteisen aineen atomien järjestyneen sijoittelun vuoksi avaruudessa niiden keskukset voidaan yhdistää kuvitteellisilla suorilla viivoilla. Tällaisten leikkaavien viivojen joukko on spatiaalinen hila, jota kutsutaan kidehilaksi. Atomien ulommat elektroniradat ovat kosketuksissa, joten atomien pakkaustiheys kidehilassa on erittäin korkea.

Kiteiset kiinteät aineet koostuvat kiteisistä rakeista - kristaliteista. Vierekkäisissä rakeissa kidehilat pyörivät suhteessa toisiinsa tietyn kulman verran.

Kristalliteissa havaitaan lyhyen ja pitkän kantaman järjestyksiä. Tämä tarkoittaa järjestetyn järjestelyn ja stabiilisuuden läsnäoloa lähimpien naapuriensa tietyn atomin ympärillä (lyhyt tilaus), ja atomeja, jotka sijaitsevat huomattavien etäisyyksien päässä siitä raerajoille asti (pitkän matkan tilaus).

Metallit ovat kiteisiä kappaleita, joiden atomit ovat geometrisesti oikeassa järjestyksessä ja muodostavat kiteitä, toisin kuin amorfiset kappaleet (esimerkiksi hartsi), joiden atomit ovat epäjärjestyneessä tilassa.

On huomattava, että "metallin" käsitteen välillä kemiallisena alkuaineena ja aineena on ero. Kemia jakaa kaikki alkuaineet metalleihin ja ei-metalleihin sen mukaan, miten ne käyttäytyvät kemiallisissa reaktioissa. Metallisen tilan teoriassa tarkastellaan suuria metalliatomiryhmiä, joilla on tyypillisiä metallisia ominaisuuksia: plastisuus, korkea lämmön- ja sähkönjohtavuus sekä metallinen kiilto. Nämä ominaisuudet ovat ominaisia ​​suurille atomiryhmille. Yksittäisillä atomeilla ei ole tällaisia ​​ominaisuuksia.

Metallin atomit ovat ionisoituneessa tilassa. Metalliatomit luovuttavat osan ulkoisista valenssielektroneistaan ​​ja niistä tulee positiivisesti varautuneita ioneja. Vapaat elektronit liikkuvat jatkuvasti niiden välillä muodostaen liikkuvan elektronikaasun.

Huoneenlämpötilassa kaikki metallit paitsi elohopea ovat kiinteitä aineita, joilla on kiderakenne. Kiteille on ominaista tiukasti määritelty kidehilan muodostavien ionien järjestely avaruudessa.

Koska ne sijaitsevat metalleissa tiukassa järjestyksessä, tason atomit muodostavat atomiverkon ja avaruudessa - atomikidehilan. Eri metallien kidehilojen tyypit ovat erilaisia. Yleisimmät hilat ovat vartalokeskeiset kuutioiset, kasvokeskeiset kuutiot ja kuusikulmainen tiiviisti pakattu.

Tällaisten kidehilojen alkeissolut on esitetty kuvioissa 1 ja 2. 1.2. Näiden kaavioiden viivat ovat ehdollisia; todellisuudessa viivoja ei ole olemassa ja atomit värähtelevät tasapainopisteiden eli hilakohtien ympärillä korkeataajuuksisesti. Kuutiokappalekeskeisen hilan solussa atomit sijaitsevat kuution kärjessä ja kuution keskellä; kromilla, vanadiinilla, volframilla, molybdeenillä jne. on tällainen hila.. Kuutiopinnan keskipisteen hilan solussa atomit sijaitsevat kuution kunkin pinnan kärjessä ja keskellä; alumiinilla, nikkelillä, kuparilla, lyijyllä jne. on tällainen hila.. Kuusikulmaisen hilan solussa atomit sijaitsevat prisman kuusikulmioiden päissä, näiden kantojen keskellä ja prisman sisällä; magnesiumilla, titaanilla, sinkillä jne. on tällainen hila Todellisessa metallissa kidehila koostuu valtavasta määrästä soluja.

Kiteinen tila on luonnossa hyvin yleinen: useimmat kiinteät aineet (mineraalit, metallit, kasvikuidut, proteiinit, noki, kumi jne.) ovat kiteitä. Kaikilla näillä kappaleilla ei kuitenkaan ole samoja selvästi ilmaistuja kiteisiä ominaisuuksia, joita tarkasteltiin aiemmin. Tässä suhteessa kappaleet jaetaan kahteen ryhmään: yksikiteisiin ja monikiteisiin.

Yksikiteinen- kappale, jonka kaikki hiukkaset sopivat yhteen yhteiseen avaruudelliseen hilaan. Yksikidekide on anisotrooppinen. Suurin osa mineraaleista on yksikiteisiä.

monikiteinen- kappale, joka koostuu useista pienistä yksittäiskiteistä, jotka sijaitsevat satunnaisesti suhteessa toisiinsa. Siksi monikiteet ovat isotrooppisia, ts. alue

Riisi. 1.2. Metallien kidehilojen päätyypit: a- kuutio (1 atomi per solu); b - kehokeskeinen kuutio (2 atomia per solu);

sisään- kasvokeskeinen kuutio (4 atomia per solu); G- kuusikulmainen tiiviisti pakattu (6 atomia per solu)

antaa samat fysikaaliset ominaisuudet kaikkiin suuntiin. Metallit ovat esimerkkejä monikiteistä. Metallia voidaan kuitenkin saada myös yksittäiskiteen muodossa, jos sulatetta jäähdytetään hitaasti syöttämällä siihen ensin yksi tämän metallin kide (ns. ydin). Tämän ytimen ympärille kasvaa metallinen yksikidekide.

Riippuen siitä, mistä hiukkasista kidehila muodostuu, on olemassa neljä päähilaa: ioniset, atomi-, molekyyli- ja metalliset.

Ionihila Se muodostuu vastakkaisesti varautuneista ioneista, joita sähkövoimat pitävät hilakohdissa. Suurimmalla osalla kiteistä on ionihila.

atomihila muodostavat neutraalit atomit, joita hilakohdissa pitävät kemialliset (valenssi)sidokset: vierekkäisillä atomeilla on yhteisiä ulkoisia (valenssi)elektroneja. Esimerkiksi grafiitilla on atomihila.

molekyylihila Se muodostuu polaarisista (dipoli) molekyyleistä, joita myös sähkövoimat pitävät hilakohdissa. Polaarisille molekyyleille näiden voimien vaikutus on kuitenkin heikompi kuin ionien. Siksi aineet, joilla on molekyylihila, muuttavat suhteellisen helposti muotoaan. Useimmilla orgaanisilla yhdisteillä (selluloosa, kumi, parafiini jne.) on molekyylikidehila.

metallinen ritilä muodostuu positiivisista metalli-ioneista, joita ympäröivät vapaat elektronit. Nämä elektronit sitovat yhteen metallihilan ionit. Tällainen hila on ominaista metalleille.

Nykyaikainen fysiikka pitää kidekappaleita kiinteinä kappaleina. Kuten jo todettiin, nesteille on ominaista hiukkasten satunnainen järjestely, joten nesteet ovat isotrooppisia. Jotkut nesteet voivat olla erittäin alijäähdytettyjä muuttumatta kiinteäksi (kiteiseksi). Tällaisten nesteiden viskositeetti on kuitenkin niin valtava, että ne käytännössä menettävät juoksevuutensa ja säilyttävät muotonsa kiinteiden aineiden tavoin. Tällaisia ​​kappaleita kutsutaan amorfisiksi kappaleiksi. Amorfisia kappaleita ovat esimerkiksi lasi, hartsi - hartsi jne. On selvää, että amorfiset kappaleet ovat isotrooppisia. On kuitenkin pidettävä mielessä, että amorfiset kappaleet voivat ajan myötä (pitkän ajan) siirtyä kiteiseen tilaan. Esimerkiksi lasissa kiteitä ilmaantuu ajan myötä: se alkaa sameaa ja muuttuu monikiteiseksi kappaleeksi.

amorfinen tila- kiinteä tiivistynyt aineen tila, jolle on tunnusomaista fysikaalisten ominaisuuksien isotropia, joka johtuu atomien ja molekyylien epäjärjestyneestä järjestelystä. Ominaisuuksien (mekaaninen, terminen, sähköinen, optinen jne.) isotropian lisäksi aineen amorfiselle olomuodolle on ominaista lämpötilavälin olemassaolo, jossa amorfinen aine siirtyy nestemäiseen tilaan lämpötilan noustessa. Tämä prosessi tapahtuu vähitellen: kuumennettaessa amorfiset aineet, toisin kuin kiteiset, ensin pehmenevät, sitten alkavat levitä ja lopulta muuttuvat nestemäisiksi, eli amorfiset aineet sulavat laajalla lämpötila-alueella.

Ominaisuuksien isotropia on ominaista myös monikiteiselle olomuodolle, mutta monikiteillä on tiukasti määritelty sulamispiste, mikä mahdollistaa monikiteisen tilan erottamisen amorfisesta tilasta.

Amorfisissa aineissa, toisin kuin kiteisissä, aineen hiukkasten sijoittelussa ei ole pitkän kantaman järjestystä, vaan hiukkaskokojen kanssa oikeassa suhteessa havaitaan lyhyen kantaman järjestystä. Siksi amorfiset aineet eivät muodosta säännöllistä geometristä rakennetta, joka edustaa satunnaisesti järjestettyjen molekyylien rakenteita.

Amorfisen ja kiteisen aineen välinen rakenteellinen ero havaitaan röntgenkuvioiden avulla. Yksiväriset röntgensäteet, jotka siroavat kiteille, muodostavat diffraktiokuvion erillisten viivojen tai pisteiden muodossa. Tämä ei ole tyypillistä amorfiselle tilalle.

Toisin kuin kiteinen tila, aineen amorfinen tila ei ole tasapainossa. Se syntyy kineettisten tekijöiden seurauksena ja vastaa rakenteellisesti nestemäistä tilaa: amorfinen aine on alijäähtynyttä nestettä, jolla on erittäin korkea viskositeetti. Yleensä amorfinen tila muodostuu sulan nopean jäähtymisen aikana, kun aineen kiteytyminen ei ehdi ohittaa. Tällainen prosessi on tyypillinen lasien saamiseksi, joten amorfista tilaa kutsutaan usein lasitilaksi. Useimmiten nopeinkaan jäähtyminen ei kuitenkaan ole tarpeeksi nopeaa estämään kiteen muodostumista. Tämän seurauksena useimpia aineita ei voida saada amorfisessa tilassa.

Amorfisen aineen spontaani uudelleenjärjestely atomien diffuusiolämpösiirtymien johdosta tasapainokiteiseksi rakenteeksi on käytännössä loputon. Mutta joskus tällaiset prosessit voidaan toteuttaa melko helposti. Esimerkiksi amorfinen lasi "devitrifioituu" tietyssä lämpötilassa pitämisen jälkeen, eli siihen ilmestyy pieniä kiteitä ja lasi samenee.

Luonnossa amorfinen tila on vähemmän yleinen kuin kiteinen tila. Sisältää: opaalia, obsidiaania, meripihkaa, luonnonhartseja, bitumia. Amorfisessa tilassa ei voi olla vain yksittäisistä atomeista ja tavallisista molekyyleistä koostuvia aineita, kuten epäorgaanisia laseja ja nesteitä (pienimolekyylipainoiset yhdisteet), vaan myös aineita, jotka koostuvat pitkäketjuisista makromolekyyleistä - korkean molekyylipainon yhdisteistä tai polymeereistä. Amorfisten aineiden fysikaaliset ominaisuudet poikkeavat suuresti kiteisten aineiden ominaisuuksista, minkä vuoksi amorfiset aineet ovat löytäneet laajaa käyttöä teollisuudessa.

Polymeerejä käytetään laajalti - orgaanisia amorfisia aineita, joiden yksittäiset molekyylit kemiallisten (valenssi)sidosten vuoksi on kytketty toisiinsa (polymeroitu) pitkiksi ketjuiksi, jotka koostuvat joissakin tapauksissa useista tuhansista yksittäisistä molekyyleistä. Tyypillinen polymeerin edustaja ovat muovit. Polymeerien erittäin arvokas ominaisuus on niiden korkea elastisuus ja lujuus. Esimerkiksi jotkut polymeerit kestävät 2-5 kertaa alkuperäisen pituuteensa suuremman elastisen venytyksen. Nämä polymeerin ominaisuudet selittyvät sillä, että pitkät molekyyliketjut voidaan taittaa tiiviiksi kierteeksi muodonmuutoksen aikana tai päinvastoin venyttää suoriksi viivoiksi. Tällä hetkellä luonnollisilla ja keinotekoisilla orgaanisilla yhdisteillä luodaan polymeerejä, joilla on halutut ominaisuudet (kevyt, vahva, elastinen, kemiallisesti kestävä, sähköä eristävä, lämmönkestävä jne.).

Maksimijärjestyksensä ansiosta kiteiselle tilalle on ominaista pienin sisäinen energia ja se on termodynaamisesti tasapainotila annetuille parametreille - paine, lämpötila, koostumus (jos kyseessä on kiinteitä liuoksia) ja muut. Tarkkaan ottaen täysin järjestettyä kidetilaa ei todellakaan voida toteuttaa, vaan sen approksimaatio tapahtuu, kun lämpötila pyrkii 0 K:een (ns. ideaalin kide). Todelliset kiteisessä tilassa olevat kappaleet sisältävät aina jonkin määrän vikoja jotka rikkovat sekä lyhyen että pitkän kantaman järjestystä. Erityisen paljon havaitaan kiinteissä liuoksissa, joissa yksittäiset hiukkaset ja niiden ryhmät ovat tilastollisesti eri paikoissa avaruudessa.

Atomirakenteen kolmiulotteisen jaksollisuuden vuoksi pääpiirteet ovat sekä ominaisuuksien homogeenisuus että symmetria, joka ilmenee erityisesti siinä, että tietyissä muodostumisolosuhteissa kiteet ovat monitahoisia (ks. kasvu ). Jotkut ominaisuudet kiteen pinnalla ja sen lähellä poikkeavat merkittävästi näistä ominaisuuksista kiteen sisällä, erityisesti symmetrian rikkoutumisesta johtuen. Koostumus ja vastaavasti ominaisuudet muuttuvat koko kiteen tilavuuden ajan johtuen väliaineen koostumuksen väistämättömästä muutoksesta kiteen kasvaessa. Siten ominaisuuksien homogeenisuus sekä pitkän kantaman järjestyksen läsnäolo viittaa "ihanteellisen" kiteisen tilan ominaisuuksiin

Suurin osa kiteisessä tilassa olevista kappaleista on monikiteisiä ja ne muodostuvat suuresta määrästä pieniä kristalliitteja (rakeita) - kooltaan 10 -1 -10 -3 mm:n osia, muodoltaan epäsäännöllisiä ja eri suuntautuneita. Rakeet erotetaan toisistaan ​​rakeiden välisillä kerroksilla, joissa hiukkasten järjestys häiriintyy. Rakeidenvälisissä kerroksissa epäpuhtauksien konsentraatiota tapahtuu myös kiteytymisen aikana. Rakeiden satunnaisesta suuntautumisesta johtuen monikiteinen kappale kokonaisuutena (tilavuus, joka sisältää melko paljon rakeita) voi olla isotrooppinen, esimerkiksi saatu kiteisellä viimeisellä. . Kuitenkin yleensä prosessissa ja erityisesti muovissa syntyy tekstuuria. - etuja, kiderakeiden orientaatio tiettyyn suuntaan, mikä johtaa ominaisuuksien anisotropiaan.

Kiteisen tilan ansiosta useat suhteellisen alhaisten ja kohonneiden lämpötilojen alueella sijaitsevat kentät voivat reagoida yksikomponenttiseen järjestelmään. Jos kiteisen tilan kenttä on vain yksi ja aine ei hajoa kemiallisesti lämpötilan noustessa, kiteisen tilan kenttä rajoittuu kenttien ja kaasun kanssa sulamis- ja sublimaatio- - kondensaatio, vastaavasti, sekä neste ja kaasu. (höyry) voi olla metastabiilissa (ylijäähdytetyssä) tilassa kentällä, kiteisessä tilassa, kun taas kiteinen tila ei voi olla kentässä tai höyryssä, eli kiteistä ainetta ei voi tulistella sulamis- tai sublimaatiolämpötilan yläpuolelle. Jotkut (mesogeenit) muuttuvat nestekidetilaan kuumennettaessa (ks. nestekiteitä). Jos yksikomponenttisen järjestelmän kaaviossa on kaksi tai useampia kidetilan kenttiä, nämä kentät rajoittuvat polymorfisten muunnosten linjaa pitkin. Kiteinen aine voidaan tulistaa tai alijäähdyttää polymorfisen muunnoslämpötilan alapuolelle. Tässä tapauksessa tarkasteltu kiteinen tila voi olla muiden kiteisten modifikaatioiden alalla ja on metastabiili.

Vaikka neste ja höyry voivat muuttua jatkuvasti toisikseen haihdutuslinjan kriittisen pisteen olemassaolon vuoksi, kysymystä kiteisen tilan jatkuvan keskinäisen muutoksen mahdollisuudesta ei ole lopullisesti ratkaistu. Joillekin aineille on mahdollista arvioida kriittiset parametrit - paine ja lämpötila, joissa DH pl ja DV pl ovat nolla, eli kiteinen tila ja neste ovat termodynaamisesti erottamattomia. Mutta todellisuudessa tällaista muutosta ei havaittu millään niistä (katso kuva. Kriittinen tilanne).

Kiteisestä tilasta oleva aine voidaan siirtää epäjärjestyneeseen tilaan (amorfiseen tai lasimaiseen), joka ei vastaa vähimmäismäärää vapaata energiaa, paitsi muuttamalla tilaparametreja (paine, lämpötila, koostumus), myös altistamalla ionisaatiolle. säteilyä tai hienoa hiontaa. Kriittinen hiukkaskoko, jossa kiteisestä tilasta ei ole enää järkevää puhua, on noin 1 nm, ts. samassa järjestyksessä kuin yksikkösolun koko.