Geaggregeerde toestanden van materie. Kristallijne en amorfe lichamen

De kenmerken van de interne structuur van kristallen die hen onderscheiden van niet-kristallijne (amorfe) lichamen zijn de geordende, periodiek herhalende rangschikking van materiële deeltjes (atomen, tonen, moleculen) in de ruimte en de symmetrie van deze rangschikking. In dit geval manifesteert deze ordening zich op afstanden die veel groter zijn dan de afmetingen van de deeltjes zelf en wordt vastgehouden in het gehele kristal, d.w.z. komt voor lange afstand bestelling (in tegenstelling tot bestelling op korte termijn - ordelijkheid in de rangschikking van deeltjes in de gebieden die het dichtst bij een bepaald atoom liggen, evenredig met de grootte van de atomen).

Het tweede kenmerk van kristallen is hun: anisotropie, die. ongelijke eigenschappen in verschillende richtingen in het kristal. Anisotropie, of vectoriële eigenschappen van kristallen in verschillende richtingen, is een gevolg van hun geometrische anisotropie, d.w.z. verschillen in materiaaldeeltjes en bindingen in verschillende richtingen in de kristalstructuur.

Het derde kenmerk van de eigenschappen van kristallen is hun homogeniteit, die zich manifesteert in het feit dat twee willekeurige secties van het kristal exact dezelfde eigenschappen hebben (in parallelle richtingen).

Kristal - is een vast homogeen anisotroop lichaam dat wordt begrensd door platte vlakken die erop verschijnen vanwege de eigenschappen van het lichaam zelf, bovendien kunnen kristallen van dezelfde stof een verschillende grootte, vorm en aantal vlakken hebben, maar de hoeken tussen de overeenkomstige vlakken altijd constant blijven.

Kristallijne stoffen kunnen voorkomen in de vorm van eenkristallen of polykristallijne stoffen. enkele kristallen zogenaamde eenkristallen gevonden in de natuur of kunstmatig gekweekt voor de behoeften van wetenschap en technologie. Echter, veel meer wijdverbreid polykristallijne stoffen, bestaande uit vele kleine vergroeide eenkristallen, onder normale omstandigheden verschillend georiënteerd ten opzichte van elkaar, waarvan de hechting plaatsvindt door interatomaire en intermoleculaire krachten. Met een dergelijke willekeurige oriëntatie zal de anisotropie van eigenschappen die kenmerkend zijn voor eenkristallen natuurlijk afwezig zijn en over het algemeen zullen ze isotroop zijn, d.w.z. zal in verschillende richtingen dezelfde eigenschappen hebben.

Om de periodiciteit in de rangschikking van materiële deeltjes van kristallijne fasen te beschrijven, wordt het concept van "kristalrooster" geïntroduceerd. Kristalcel - een wiskundige abstractie die het schema van driedimensionale periodiciteit kenmerkt in een oneindig systeem van punten (roosterknooppunten) in de ruimte. Het hele rooster kan worden voorgesteld als een oneindig systeem van elementaire parallellepipedums die de ruimte volledig vullen vanwege de oneindige herhaling in drie onafhankelijke richtingen van één elementair parallellepipedum, dat wordt genoemd elementaire cel. De grootte van de randen van een elementair parallellepipedum en de hoeken ertussen worden genoemd rooster parameters: en zijn de materiële constanten van elke kristallijne substantie. De eenheidscel is het kleinste deel van het kristal, dat alle kenmerken van zijn interne structuur weerspiegelt.

Afhankelijk van het type deeltjes en het overheersende type chemische binding in het kristal, worden roosters verdeeld in twee grote groepen: moleculair en coördinatie.

BIJ moleculaire roosters knopen zijn moleculen. Dergelijke roosters worden gekenmerkt door een sterke intramoleculaire binding en een zwak residu (van der Waals) verbinding tussen moleculen. Verbindingen met dergelijke roosters omvatten de meeste organische stoffen. Ze worden gekenmerkt door smeltbaarheid, hoge vluchtigheid, lage hardheid.

In kristallen met coördinatieroosters het is onmogelijk om afzonderlijke afzonderlijke moleculen te onderscheiden, en de bindende krachten tussen een bepaald atoom of ion en al zijn buren en in de coördinatiesfeer zijn ongeveer hetzelfde (in dit geval kan het hele kristal worden beschouwd als één gigantisch molecuul). Coördinatieroosters zijn kenmerkend voor de meeste anorganische stoffen, waaronder silicaten en andere vuurvaste verbindingen.

Coördinatieroosters kunnen op hun beurt worden onderverdeeld in: ionisch, atomair (covalent) en metaalachtig. in knopen ionenroosters positieve en negatieve ionen wisselen elkaar af. in knopen nucleair (covalent) roosters neutrale atomen zijn gelokaliseerd, voornamelijk verbonden door een covalente binding. Stoffen met vergelijkbare roosters zijn bijvoorbeeld diamant, silicium, sommige carbiden, siliciden, enz. in knopen metalen roosters, kenmerkend voor metalen, zijn er metaalionen ondergedompeld in het "elektronengas". Deze structuur van het rooster veroorzaakt een hoge elektrische geleidbaarheid, thermische geleidbaarheid en plasticiteit.

Een belangrijk kenmerk van kristalstructuren is: coördinatiegetal atomen of ionen. Het coördinatiegetal is het aantal deeltjes dat onmiddellijk een bepaald ion of atoom omringt. Ja, in ion 4- het coördinatiegetal van het siliciumatoom met betrekking tot zuurstof is 4.

). In de kristallijne toestand is er ook een korteafstandsorde, die wordt gekenmerkt door constante coördinaten. aantallen en lengtes van de chemische stof. verbindingen. De onveranderlijkheid van de kenmerken van de korteafstandsorde in de kristallijne toestand leidt tot het samenvallen van structurele cellen tijdens hun translatieverplaatsing en de vorming van een driedimensionale periodiciteit van de structuur (zie . . ). Door zijn max. ordelijkheid kristallijne toestand in-va wordt gekenmerkt door een minimum. intern energie en is een thermodynamisch evenwichtstoestand voor bepaalde parameters - druk, t-re, samenstelling (in het geval van ), enz. Strikt genomen kan een volledig geordende kristallijne toestand niet echt zijn. uitgevoerd, vindt de benadering ervan plaats wanneer de t-ry de neiging heeft om in orde te zijn (het zogenaamde ideaal). Echte lichamen in kristallijne toestand bevatten altijd een bepaald aantal , die zowel de korte- als de lange-afstandsorde schenden. Vooral veel wordt waargenomen in vaste oplossingen, waarin individuele deeltjes en hun groepen statistisch ontleden. posities in de ruimte. Vanwege de driedimensionale periodiciteit van de atomaire structuur zijn de belangrijkste kenmerken uniformiteit en St-in en dit komt met name tot uiting in het feit dat de formaties onder bepaalde omstandigheden de vorm van veelvlakken aannemen (zie). Sommige St.-eilanden aan de oppervlakte en in de buurt ervan verschillen aanzienlijk van deze St. binnenin, met name vanwege de overtreding. De samenstelling en daarmee de St.-eilanden veranderen in volume als gevolg van de onvermijdelijke verandering in de samenstelling van het medium naarmate het groeit. Dus de homogeniteit van St.-in, evenals de aanwezigheid van orde op lange afstand, verwijst naar de kenmerken van de "ideale" kristallijne toestand. De meeste lichamen in kristallijne toestand zijn polykristallijn en zijn vergroeiingen van een groot aantal kleine kristallieten (korrels) - secties in de orde van grootte van 10 -1 -10 -3 mm, onregelmatig van vorm en verschillend georiënteerd. De korrels worden van elkaar gescheiden door intergranulaire lagen, waarbij de volgorde van de deeltjes wordt verstoord. In de intergranulaire lagen treedt ook de concentratie van onzuiverheden op in het proces. Door de willekeurige oriëntatie van de korrels polykristallijn. het lichaam als geheel (een volume met een voldoende groot aantal korrels) m. b. isotroop, bijv. verkregen met kristallijn. met de laatste . Meestal echter in het proces en vooral plastic. er is een textuur - voordelen, de oriëntatie van het kristal. korrels in een bepaalde richting, wat leidt tot St. in. Op een ééncomponentsysteem kunnen er vanwege de kristallijne toestand meerdere reageren. velden gelegen in het gebied van relatief lage t-r en hoger. . Als er slechts één toestand is en de stof niet chemisch ontleedt met toenemende t-ry, dan grenzen de toestanden aan velden en langs de lijnen en - respectievelijk, en () kunnen in een metastabiele (onderkoelde) toestand verkeren in toestanden, terwijl de kristallijne toestand kan niet in het veld zijn of, d.w.z., kristallijn. in-in is het onmogelijk om boven t-ry of te oververhitten. Sommige rogge in-va (mesogenen) veranderen bij verhitting in vloeibare kristallen. staat (zie). Als er twee of meer toestanden zijn in het diagram van een ééncomponentsysteem, grenzen deze velden langs de lijn van polymorfe transformaties. kristallijn in-in kan oververhit of onderkoeld worden onder de t-ry polymorfe transformatie. In dit geval kan de beschouwde kristallijne toestand van de eilanden in het gebied van andere liggen. modificaties en is metastabiel. Terwijl en vanwege het bestaan ​​van kritische punten op een lijn kunnen continu in elkaar worden omgezet, de vraag naar de mogelijkheid van continue onderlinge transformatie. kristallijne toestand en is nog niet definitief opgelost. Voor sommige in-in kun je het kritieke evalueren. parameters - druk en t-ru, waarbij DH pl en D Vpl zijn gelijk aan nul, d.w.z. de kristallijne toestand en zijn thermodynamisch niet te onderscheiden. Maar echt zo'n transformatie. werd voor geen van de eilanden waargenomen (zie). In-in vanuit de kristallijne toestand kan worden overgebracht naar een ongeordende toestand (amorf of glasachtig), die niet overeenkomt met de minimale vrije toestand. energie, niet alleen een verandering (, t-ry, compositie), maar ook een impact of subtiel. Kritiek de deeltjesgrootte, waarbij het geen zin meer heeft om over de kristallijne toestand te spreken, is ongeveer 1 nm, d.w.z. van dezelfde orde als de eenheidscelgrootte. Tot de kristallijne toestand wordt gewoonlijk onderscheiden van andere varianten van de vaste toestand (glasachtig, amorf) volgens röntgenpatronen van het eiland.
===
Gebruiken literatuur voor het artikel "KRISTAL STAAT": Shaskolskaya M.P., Crystallography, M., 1976; Moderne kristallografie, uitg. B.K. Weinstein. deel I.M., 1979. P.I. Fedorov.

Bladzijde "KRISTAL STAAT" bereid uit materialen.

Zoals bekend worden lichamen met een kristallijne structuur vast genoemd, de regelmatigheden van de rangschikking van atomen waarin in grote mate hun eigenschappen bepalen. Daarom is het passend om de opheldering van kwesties met betrekking tot reacties in mengsels van vaste stoffen vooraf te laten gaan aan een korte presentatie van moderne ideeën over de kristallijne toestand van materie.

Deeltjes van een stof in kristallijne toestand hebben een stabiele positie en zijn geordend gerangschikt, waardoor een ruimtelijk kristalrooster ontstaat. De structuur van dit rooster, dat nu gemakkelijk kan worden bepaald door röntgendiffractie, hangt in de meeste gevallen nauw samen met de chemische samenstelling van de stof.

Deze relatie, zoals de bekende kristallograaf Fedorov al in 1890 aantoonde, is ook in een wat minder duidelijke vorm waar te nemen op de vorm of gewoonte van kristallen. Gewoonlijk geldt: hoe eenvoudiger de chemische samenstelling van het lichaam, hoe hoger de symmetrie van de kristallen. 50% van de elementen en ongeveer 70% van de binaire verbindingen vormen bijvoorbeeld kubische kristallen, 75-85% van de verbindingen met vier tot vijf atomen per molecuul vormen hexagonale en ruitvormige kristallen, en ongeveer 80% van de complexe organische verbindingen vormen ruitvormige en monokliene Kristallen. Dit alles kan worden verklaard door het feit dat hoe homogener de samenstellende delen van het kristalrooster, hoe ordelijker ze in de ruimte kunnen worden geplaatst.

Een interessant patroon dat de relatie tussen de structuur van een kristal en zijn chemische samenstelling kenmerkt, is ook het feit dat moleculen van een in structuur verwante stof (bijvoorbeeld BaSO4, PbSO4, SrSO4 of CaCO3, MgCO3, ZnCO3, FeCO3, MnC03) kristalliseren in soortgelijke kristallijne vormen. De overeenkomst van de eigenschappen van kristallen in de isomorfe reeks van op deze manier gevormde stoffen komt overeen met de overeenkomst van de structuur van hun kristalroosters.

Een belangrijk kenmerk van de kristallijne toestand van een stof is de anisotropie, die bestaat in het verschil in de fysische eigenschappen van een chemisch homogeen kristal in zijn verschillende richtingen.

niyakh. Anisotropie kan worden waargenomen in de mechanische, optische, diffusie-, thermische en elektrische eigenschappen van kristallijne lichamen. Het manifesteert zich onder meer in een verschillende groeisnelheid van een kristal in verschillende richtingen, in overeenstemming waarmee sommige van zijn vlakken zich meer ontwikkelen dan andere.

De structurele elementen waaruit een kristal bestaat en de krachten van interactie daartussen kunnen verschillen. Dienovereenkomstig zijn roosters ionisch, moleculair, covalent en metallisch. In de praktijk zijn ook roosters van verschillende tussenliggende typen wijdverbreid. Studies hebben aangetoond dat de binding in de roosters van veel kristallijne verbindingen tot een tussenvorm behoort en dat de aard van verschillende bindingen in een verbinding van drie of meer chemische elementen vaak verschillend is. Volgens de aard van de heersende bindingskrachten worden ze ionisch, covalent, enz. genoemd.

In een ionenrooster, kenmerkend voor de meeste zouten en typisch voor anorganische verbindingen, zijn de krachten van interactie tussen de structurele elementen ervan voornamelijk elektrostatisch. Een dergelijk rooster wordt gevormd door de regelmatige afwisseling van tegengesteld geladen ionen (Fig. 1), die onderling verbonden zijn door de Coulomb-interactiekrachten.

Er zijn vier algemeen erkende toestanden van materie: vast, vloeibaar, gasvormig en plasma. Bovendien werd het vijfde type geaggregeerde toestand van materie, ontdekt met behulp van de Large Hadron Collider, in de literatuur opgemerkt.

In de goederenwetenschap van consumptiegoederen zijn slechts drie staten van praktisch belang. Elk afzonderlijk element, elke complexe stof kan achtereenvolgens of gelijktijdig in twee of meer van dergelijke toestanden voorkomen: water, ijs en waterdamp kunnen bij dezelfde temperatuur en druk bestaan. Vaste stoffen kunnen kristallijn zijn (met een regelmatig herhalende moleculaire structuur), zoals zout en metaal; of amorf, zoals hars of glas. De moleculen van een vloeistof bewegen, maar bevinden zich dicht bij elkaar, zoals in vaste stoffen. In gassen zijn de moleculen zo ver uit elkaar dat ze in relatief rechte lijnen bewegen voordat ze in botsing komen met de wanden van de tank.

Allereerst moet nogmaals worden benadrukt dat gas, vloeistof en vaste stof aggregaattoestanden van stoffen zijn, en in die zin is er geen onoverkomelijk verschil tussen hen: elke stof kan, afhankelijk van temperatuur en druk, in elk van de aggregaat zijn. staten. Er zijn echter significante verschillen tussen gasvormige, vloeibare en vaste lichamen.

Het essentiële verschil tussen een gas enerzijds en vaste en vloeibare lichamen anderzijds is dat het gas het volledige volume van het vat dat eraan wordt geleverd inneemt, terwijl de vloeistof of vaste stof die in het vat is geplaatst slechts een heel duidelijk volume erin. . Dit komt door het verschil in de aard van thermische beweging in gassen en in vaste en vloeibare lichamen.

In vaste stoffen kunnen atomen op twee manieren in de ruimte worden gerangschikt:

1) een geordende rangschikking van atomen, wanneer atomen vrij bepaalde plaatsen in de ruimte innemen. Dergelijke stoffen worden genoemd kristallijn(Afb. 1.1, a).

Atomen oscilleren ten opzichte van hun gemiddelde positie met een frequentie van ongeveer 1013 Hz. De amplitude van deze trillingen is evenredig met de temperatuur;

2) willekeurige rangschikking van atomen, wanneer ze geen bepaalde plaats ten opzichte van elkaar innemen. Dergelijke lichamen worden genoemd amorf(Afb. 1.1, b).

Rijst. 1.1.

Amorfe stoffen hebben de formele kenmerken van vaste stoffen, dat wil zeggen dat ze een constant volume en vorm kunnen behouden. Ze hebben echter geen gedefinieerde smelt- of kristallisatietemperatuur.

Vanwege de geordende rangschikking van atomen van een kristallijne substantie in de ruimte, kunnen hun middelpunten worden verbonden door denkbeeldige rechte lijnen. De verzameling van dergelijke kruisende lijnen is een ruimtelijk rooster, dat een kristalrooster wordt genoemd. De buitenste elektronenbanen van de atomen staan ​​met elkaar in contact, zodat de pakkingsdichtheid van atomen in het kristalrooster zeer hoog is.

Kristallijne vaste stoffen bestaan ​​uit kristallijne korrels - kristallieten. In aangrenzende korrels zijn de kristalroosters over een bepaalde hoek ten opzichte van elkaar geroteerd.

In kristallieten worden korte- en langeafstandsorden waargenomen. Dit betekent de aanwezigheid van een geordende opstelling en stabiliteit zoals rond een bepaald atoom van zijn naaste buren (korte bestelling), en atomen die zich op aanzienlijke afstanden ervan bevinden tot aan de korrelgrenzen (lange afstand bestelling)).

Metalen zijn kristallijne lichamen waarvan de atomen in een geometrisch correcte volgorde zijn gerangschikt en kristallen vormen, in tegenstelling tot amorfe lichamen (bijvoorbeeld hars), waarvan de atomen zich in een ongeordende toestand bevinden.

Opgemerkt moet worden dat er enig verschil is tussen het concept van "metaal" als chemisch element en als stof. Chemie verdeelt alle elementen in metalen en niet-metalen op basis van hun gedrag in chemische reacties. De theorie van de metaaltoestand houdt rekening met grote clusters van metaalatomen met karakteristieke metaaleigenschappen: plasticiteit, hoge thermische en elektrische geleidbaarheid en metaalglans. Deze eigenschappen zijn kenmerkend voor grote groepen atomen. Individuele atomen hebben dergelijke eigenschappen niet.

Atomen in een metaal bevinden zich in een geïoniseerde toestand. Metaalatomen doneren een deel van hun buitenste valentie-elektronen en worden positief geladen ionen. Vrije elektronen bewegen continu tussen hen in en vormen een mobiel elektronengas.

Bij kamertemperatuur zijn alle metalen behalve kwik vaste stoffen met een kristallijne structuur. Kristallen worden gekenmerkt door een strikt gedefinieerde opstelling in de ruimte van ionen die een kristalrooster vormen.

Omdat ze zich in een strikte volgorde in metalen bevinden, vormen de atomen in het vlak een atomair rooster en in de ruimte - een atomair kristalrooster. De soorten kristalroosters voor verschillende metalen zijn verschillend. De meest voorkomende roosters zijn lichaamsgecentreerd kubisch, vlak gecentreerd kubisch en zeshoekig dicht opeengepakt.

De elementaire cellen van dergelijke kristalroosters worden getoond in Fig. 1.2. De lijnen op deze diagrammen zijn voorwaardelijk; in werkelijkheid bestaan ​​er geen lijnen en trillen de atomen rond de evenwichtspunten, d.w.z. roosterplaatsen met een hoge frequentie. In een cel van een kubisch rooster waarin het lichaam centraal staat, bevinden atomen zich op de hoekpunten van de kubus en in het midden van de kubus; zo'n rooster hebben chroom, vanadium, wolfraam, molybdeen, enz. In een cel van een kubisch vlak gecentreerd rooster bevinden atomen zich op de hoekpunten en in het midden van elk vlak van de kubus; aluminium, nikkel, koper, lood, enz. hebben een dergelijk rooster.In een cel van een hexagonaal rooster bevinden atomen zich op de hoekpunten van de hexagonale basen van het prisma, in het midden van deze bases en in het prisma; zo'n rooster hebben magnesium, titanium, zink enz. In een echt metaal bestaat het kristalrooster uit een enorm aantal cellen.

De kristallijne toestand is heel gebruikelijk in de natuur: de meeste vaste stoffen (mineralen, metalen, plantaardige vezels, eiwitten, roet, rubber, enz.) zijn kristallen. Niet al deze lichamen hebben echter dezelfde duidelijk uitgedrukte kristallijne eigenschappen als eerder beschouwd. In dit opzicht zijn de lichamen verdeeld in twee groepen: eenkristallen en polykristallen.

eenkristal- een lichaam waarvan alle deeltjes in één gemeenschappelijk ruimtelijk rooster passen. Het eenkristal is anisotroop. De meeste mineralen zijn eenkristallen.

polykristal- een lichaam bestaande uit vele kleine eenkristallen, willekeurig ten opzichte van elkaar geplaatst. Daarom zijn polykristallen isotroop, d.w.z. een regio

Rijst. 1.2. De belangrijkste soorten kristalroosters van metalen: a- kubisch (1 atoom per cel); b - lichaamsgecentreerd kubisch (2 atomen per cel);

in- face-centered cubic (4 atomen per cel); G- hexagonaal dicht opeengepakt (6 atomen per cel)

geven in alle richtingen dezelfde fysische eigenschappen. Metalen zijn voorbeelden van polykristallen. Het metaal kan echter ook worden verkregen in de vorm van een eenkristal, als de smelt langzaam wordt afgekoeld door er eerst een kristal van dit metaal in te brengen (de zogenaamde kern). Het is rond deze kern dat een metalen eenkristal zal groeien.

Afhankelijk van uit welke deeltjes het kristalrooster is gevormd, zijn er vier hoofdgroepen van roosters: ionisch, atomair, moleculair en metallisch.

Ionisch rooster Het wordt gevormd door tegengesteld geladen ionen die door elektrische krachten op de roosterplaatsen worden vastgehouden. De overgrote meerderheid van de kristallen heeft een ionenrooster.

atoomrooster gevormd door neutrale atomen die op de roosterplaatsen worden vastgehouden door chemische (valentie)bindingen: naburige atomen hebben externe (valentie)elektronen gedeeld. Grafiet heeft bijvoorbeeld een atoomrooster.

moleculair rooster Het wordt gevormd door polaire (dipool) moleculen, die ook door elektrische krachten op de roosterplaatsen worden vastgehouden. Voor polaire moleculen is het effect van deze krachten echter zwakker dan voor ionen. Daarom worden stoffen met een moleculair rooster relatief gemakkelijk vervormd. De meeste organische verbindingen (cellulose, rubber, paraffine, enz.) hebben een moleculair kristalrooster.

metalen rooster wordt gevormd door positieve metaalionen omgeven door vrije elektronen. Deze elektronen binden de ionen van het metaalrooster aan elkaar. Een dergelijk rooster is kenmerkend voor metalen.

De moderne natuurkunde beschouwt kristallijne lichamen als vaste lichamen. Vloeistoffen, zoals reeds opgemerkt, worden gekenmerkt door een willekeurige rangschikking van deeltjes, daarom zijn vloeistoffen isotroop. Sommige vloeistoffen kunnen sterk onderkoeld worden zonder een vaste (kristallijne) toestand te worden. De viscositeit van dergelijke vloeistoffen is echter zo enorm dat ze praktisch hun vloeibaarheid verliezen en, net als vaste stoffen, hun vorm behouden. Dergelijke lichamen worden amorf genoemd. Amorfe lichamen omvatten bijvoorbeeld glas, hars - hars, enz. Het is duidelijk dat amorfe lichamen isotroop zijn. Er moet echter rekening mee worden gehouden dat amorfe lichamen na verloop van tijd (lang) in een kristallijne toestand kunnen overgaan. In glas bijvoorbeeld verschijnen na verloop van tijd kristallen: het begint troebel te worden en verandert in een polykristallijn lichaam.

amorfe toestand- een vaste gecondenseerde toestand van materie, gekenmerkt door de isotropie van fysische eigenschappen als gevolg van de ongeordende rangschikking van atomen en moleculen. Naast de isotropie van eigenschappen (mechanisch, thermisch, elektrisch, optisch, enz.), wordt de amorfe toestand van een stof gekenmerkt door de aanwezigheid van een temperatuurinterval waarin een amorfe stof bij toenemende temperatuur overgaat in een vloeibare toestand. Dit proces vindt geleidelijk plaats: bij verhitting worden amorfe stoffen, in tegenstelling tot kristallijne, eerst zacht, beginnen ze zich te verspreiden en worden uiteindelijk vloeibaar, d.w.z. amorfe stoffen smelten in een breed temperatuurbereik.

De isotropie van eigenschappen is ook kenmerkend voor de polykristallijne toestand, maar polykristallen hebben een strikt gedefinieerd smeltpunt, waardoor het mogelijk is om de polykristallijne toestand te onderscheiden van de amorfe toestand.

In amorfe stoffen is er, in tegenstelling tot kristallijne, geen ordening op lange afstand in de rangschikking van de deeltjes van de stof, maar er is een orde op korte afstand waargenomen op afstanden die evenredig zijn met de deeltjesgrootte. Daarom vormen amorfe stoffen geen regelmatige geometrische structuur, die structuren van willekeurig gerangschikte moleculen vertegenwoordigen.

Het structurele verschil tussen een amorfe stof en een kristallijne stof wordt gedetecteerd met behulp van röntgenpatronen. Monochromatische röntgenstralen, verstrooid op kristallen, vormen een diffractiepatroon in de vorm van duidelijke lijnen of vlekken. Dit is niet typisch voor de amorfe toestand.

In tegenstelling tot de kristallijne toestand is de amorfe toestand van materie niet in evenwicht. Het ontstaat als gevolg van kinetische factoren en is structureel equivalent aan de vloeibare toestand: een amorfe stof is een onderkoelde vloeistof met een zeer hoge viscositeit. Gewoonlijk wordt de amorfe toestand gevormd tijdens het snel afkoelen van de smelt, wanneer de kristallisatie van de stof geen tijd heeft om te passeren. Een dergelijk proces is typisch voor het verkrijgen van glas; daarom wordt de amorfe toestand vaak de glasachtige toestand genoemd. Vaker wel dan niet, echter, is zelfs de snelste afkoeling niet snel genoeg om kristalvorming te voorkomen. Hierdoor kunnen de meeste stoffen niet in amorfe toestand worden verkregen.

Het spontane proces van herschikking van een amorfe stof in een kristallijne evenwichtsstructuur als gevolg van diffusie thermische verplaatsingen van atomen is praktisch eindeloos. Maar soms kunnen dergelijke processen vrij eenvoudig worden geïmplementeerd. Bijvoorbeeld, amorf glas "ontglaast", na het op een bepaalde temperatuur te hebben gehouden, d.w.z. er verschijnen kleine kristallen in en het glas wordt troebel.

In de natuur komt de amorfe toestand minder vaak voor dan de kristallijne toestand. Het bevat: opaal, obsidiaan, amber, natuurlijke harsen, bitumen. In de amorfe toestand kunnen er niet alleen stoffen zijn die bestaan ​​uit individuele atomen en gewone moleculen, zoals anorganische glazen en vloeistoffen (verbindingen met een laag molecuulgewicht), maar ook stoffen die bestaan ​​uit macromoleculen met een lange keten - verbindingen met een hoog molecuulgewicht of polymeren. De fysische eigenschappen van amorfe stoffen verschillen sterk van de eigenschappen van kristallijne stoffen, waardoor amorfe stoffen een brede toepassing hebben gevonden in de industrie.

Polymeren worden veel gebruikt - organische amorfe stoffen, waarvan individuele moleculen door chemische (valentie)bindingen met elkaar zijn verbonden (gepolymeriseerd) tot lange ketens, die in sommige gevallen uit vele duizenden individuele moleculen bestaan. Een typische vertegenwoordiger van het polymeer zijn kunststoffen. Een zeer waardevolle eigenschap van polymeren is hun hoge elasticiteit en sterkte. Sommige polymeren zijn bijvoorbeeld bestand tegen een elastische rek van 2-5 keer hun oorspronkelijke lengte. Deze eigenschappen van het polymeer worden verklaard door het feit dat lange molecuulketens tijdens vervorming tot dichte spoelen kunnen worden gevouwen of, omgekeerd, tot rechte lijnen kunnen worden uitgerekt. Momenteel worden natuurlijke en kunstmatige organische verbindingen gebruikt om polymeren te maken met gewenste eigenschappen (licht, sterk, elastisch, chemisch bestendig, elektrisch isolerend, hittebestendig, enz.).

Vanwege de maximale ordening wordt de kristallijne toestand gekenmerkt door een minimale interne energie en is het een thermodynamisch evenwichtstoestand voor de gegeven parameters - druk, temperatuur, samenstelling (in het geval van solide oplossingen Strikt genomen kan een volledig geordende kristallijne toestand niet echt worden gerealiseerd, een benadering ervan vindt plaats wanneer de temperatuur neigt naar 0 K (het zogenaamde ideale kristal). Echte lichamen in kristallijne staat bevatten altijd een bepaalde hoeveelheid gebreken die zowel de korte- als de lange-afstandsorde schenden. Vooral veel wordt waargenomen in vaste oplossingen, waarin individuele deeltjes en hun groepen statistisch verschillende posities in de ruimte innemen.

Vanwege de driedimensionale periodiciteit van de atomaire structuur zijn de belangrijkste kenmerken de homogeniteit van zowel eigenschappen als symmetrie, wat met name tot uiting komt in het feit dat kristallen onder bepaalde vormingsvoorwaarden de vorm aannemen van veelvlakken (zie groei ). Sommige eigenschappen op het oppervlak van het kristal en in de buurt ervan verschillen aanzienlijk van deze eigenschappen in het kristal, met name vanwege het breken van de symmetrie. De samenstelling en bijgevolg de eigenschappen veranderen door het volume van het kristal als gevolg van de onvermijdelijke verandering in de samenstelling van het medium naarmate het kristal groeit. Dus de homogeniteit van eigenschappen, evenals de aanwezigheid van orde op lange afstand, verwijst naar de kenmerken van de "ideale" kristallijne toestand

De meeste lichamen in kristallijne toestand zijn polykristallijn en zijn vergroeiingen van een groot aantal kleine kristallieten (korrels) - secties in de orde van grootte van 10 -1 -10 -3 mm, onregelmatig van vorm en verschillend georiënteerd. De korrels worden van elkaar gescheiden door intergranulaire lagen waarin de volgorde van de deeltjes wordt verstoord. In de intergranulaire lagen vindt de concentratie van onzuiverheden ook plaats tijdens het kristallisatieproces. Door de willekeurige oriëntatie van de korrels kan het polykristallijne lichaam als geheel (het volume dat vrij veel korrels bevat) isotroop zijn, bijvoorbeeld verkregen met kristallijn met de laatstgenoemde. . Meestal ontstaat er echter in het proces, en vooral plastic, een textuur. - voordelen, de oriëntatie van kristalkorrels in een bepaalde richting, wat leidt tot anisotropie van eigenschappen.

Door de kristallijne toestand kunnen verschillende velden in het gebied van relatief lage temperaturen en verhoogde velden reageren op een systeem met één component. Als er slechts één veld van de kristallijne toestand is en de stof niet chemisch ontleedt bij toenemende temperatuur, dan grenst het veld van de kristallijne toestand aan de velden en gas langs de lijnen van smelten en sublimatie - respectievelijk condensatie, en vloeistof en gas (damp) kan zich in een metastabiele (onderkoelde) toestand in het veld bevinden, de kristallijne toestand, terwijl de kristallijne toestand zich niet in het veld of damp kan bevinden, d.w.z. de kristallijne substantie kan niet oververhit worden boven de smelt- of sublimatietemperatuur. Sommige (mesogenen) veranderen bij verhitting in een vloeibaar-kristaltoestand (zie Fig. vloeibare kristallen). Als er twee of meer velden van de kristallijne toestand op het diagram van een ééncomponentsysteem zijn, grenzen deze velden langs de lijn van polymorfe transformaties. De kristallijne stof kan onder de polymorfe transformatietemperatuur worden oververhit of onderkoeld. In dit geval kan de beschouwde kristallijne toestand op het gebied van andere kristallijne modificaties liggen en is deze metastabiel.

Terwijl vloeistof en damp continu in elkaar kunnen worden omgezet vanwege het bestaan ​​van een kritisch punt op de verdampingslijn, is de kwestie van de mogelijkheid van een continue wederzijdse transformatie van de kristallijne toestand niet definitief opgelost. Voor sommige stoffen is het mogelijk om de kritische parameters te schatten - druk en temperatuur, waarbij DH pl en DV pl gelijk zijn aan nul, d.w.z. de kristallijne toestand en de vloeistof zijn thermodynamisch niet te onderscheiden. Maar in werkelijkheid werd een dergelijke transformatie voor geen van hen waargenomen (zie Fig. Kritieke situatie).

Een stof uit een kristallijne toestand kan worden overgebracht naar een ongeordende toestand (amorf of glasachtig), die niet overeenkomt met de minimale vrije energie, niet alleen door verandering van de toestandsparameters (druk, temperatuur, samenstelling), maar ook door blootstelling aan ioniserende straling of fijn slijpen. De kritische deeltjesgrootte, waarbij het geen zin meer heeft om over de kristallijne toestand te spreken, is ongeveer 1 nm, d.w.z. van dezelfde orde als de eenheidscelgrootte.