Các trạng thái tổng hợp của vật chất. Thể tinh thể và vô định hình

Đặc điểm cấu trúc bên trong của tinh thể giúp phân biệt chúng với các vật thể không kết tinh (vô định hình) là sự sắp xếp có trật tự, lặp đi lặp lại định kỳ của các hạt vật chất (nguyên tử, tông màu, phân tử) trong không gian và tính đối xứng của sự sắp xếp này. Trong trường hợp này, trật tự này biểu hiện ở khoảng cách vượt quá đáng kể kích thước của các hạt và được bảo toàn trong toàn bộ tinh thể, tức là. xảy ra đơn hàng tầm xa (như trái ngược với đóng lệnh - theo thứ tự sắp xếp của các hạt ở những vùng gần nhất với nguyên tử nhất định, tương ứng với kích thước của nguyên tử).

Đặc điểm thứ hai của tinh thể là chúng bất đẳng hướng, những thứ kia. tính chất khác nhau theo các hướng khác nhau trong tinh thể. Tính dị hướng, hay tính chất vectơ của tinh thể theo các hướng khác nhau, là hệ quả của tính dị hướng hình học của chúng, tức là sự khác biệt trong các hạt vật chất và liên kết theo các hướng khác nhau trong cấu trúc tinh thể.

Đặc điểm thứ ba về đặc tính của tinh thể là tính đồng nhất của chúng, thể hiện ở chỗ hai phần bất kỳ của tinh thể đều có các đặc tính giống hệt nhau (theo các hướng song song).

Pha lê - là một vật thể dị hướng đồng nhất, rắn, bị giới hạn bởi các mặt phẳng xuất hiện trên đó do tính chất của chính vật thể đó và các tinh thể của cùng một chất có thể có kích thước, hình dạng và số mặt khác nhau nhưng các góc giữa các mặt tương ứng luôn giữ nguyên không thay đổi.

Các chất kết tinh có thể tồn tại ở dạng đơn tinh thể hoặc chất đa tinh thể. Tinh thể đơn được gọi là các tinh thể đơn lẻ có trong tự nhiên hoặc được trồng nhân tạo phục vụ nhu cầu khoa học công nghệ. Tuy nhiên, chúng phổ biến hơn nhiều chất đa tinh thể, bao gồm nhiều tinh thể đơn nhỏ mọc xen kẽ, trong điều kiện bình thường, có hướng khác nhau trong mối quan hệ với nhau, sự bám dính giữa chúng được thực hiện do lực tương tác giữa các nguyên tử và liên phân tử. Với sự định hướng ngẫu nhiên như vậy, tính dị hướng của các đặc tính đặc trưng của các tinh thể đơn lẻ sẽ đương nhiên không có và nói chung, chúng sẽ có tính đẳng hướng, tức là. sẽ có những tính chất giống nhau theo các hướng khác nhau.

Để mô tả tính tuần hoàn trong sự sắp xếp các hạt vật chất của các pha tinh thể, khái niệm “mạng tinh thể” được đưa ra. Tế bào tinh thể - một sự trừu tượng toán học đặc trưng cho sơ đồ tuần hoàn ba chiều trong một hệ thống điểm vô hạn (nút mạng) trong không gian. Toàn bộ mạng có thể được hình dung như một hệ thống vô hạn các hình bình hành cơ bản, lấp đầy không gian do sự lặp lại vô tận theo ba hướng độc lập của một hình bình hành cơ bản, được gọi là ô đơn vị. Kích thước của các cạnh của một hình bình hành cơ bản và các góc giữa chúng được gọi là thông số mạng và là hằng số vật chất của từng chất kết tinh. Ô đơn vị là phần nhỏ nhất của tinh thể, phản ánh tất cả các đặc điểm của cấu trúc bên trong của nó.

Tùy thuộc vào loại hạt và loại liên kết hóa học chiếm ưu thế trong tinh thể, mạng được chia thành hai nhóm lớn: phân tử và phối hợp.

TRONG mạng phân tử các nút chứa các phân tử. Những mạng như vậy được đặc trưng bởi liên kết nội phân tử mạnh và dư lượng yếu (van der Waals) liên kết giữa các phân tử. Hầu hết các chất hữu cơ thuộc về các hợp chất có mạng lưới như vậy. Chúng được đặc trưng bởi độ nóng chảy thấp, độ bay hơi cao và độ cứng thấp.

Trong tinh thể với lưới phối hợp Không thể tách riêng các phân tử rời rạc riêng lẻ và lực liên kết giữa một nguyên tử hoặc ion nhất định với tất cả các lân cận của nó và trong quả cầu phối hợp là gần như nhau (trong trường hợp này, toàn bộ tinh thể có thể được coi là một phân tử khổng lồ). Mạng phối hợp là đặc trưng của hầu hết các chất vô cơ, bao gồm silicat và các hợp chất chịu lửa khác.

Ngược lại, các mạng phối hợp có thể được chia thành ion, nguyên tử (cộng hóa trị) và kim loại. Trong các nút mạng ion các ion dương và âm được sắp xếp xen kẽ nhau. Trong các nút nguyên tử (cộng hóa trị) lưới sắt các nguyên tử trung tính được định vị, liên kết chủ yếu bằng liên kết cộng hóa trị. Các chất có mạng lưới tương tự bao gồm, ví dụ, kim cương, silicon, một số cacbua, silicua, v.v.. Trong các nút lưới kim loại, đặc trưng của kim loại là có các ion kim loại được nhúng trong “khí điện tử”. Cấu trúc mạng tinh thể này dẫn đến độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt và độ dẻo cao.

Một đặc điểm quan trọng của cấu trúc tinh thể là số phối hợp nguyên tử hoặc ion. Số phối trí là số hạt ngay lập tức bao quanh một ion hoặc nguyên tử nhất định. Vì vậy, trong ion 4- Số phối trí của nguyên tử silicon đối với oxy là 4.

). Ở trạng thái kết tinh cũng có trật tự tầm ngắn, được đặc trưng bởi sự phối hợp liên tục. số lượng và độ dài hóa học. kết nối. Sự bất biến của các đặc tính trật tự tầm ngắn ở trạng thái tinh thể dẫn đến sự trùng hợp của các tế bào cấu trúc trong quá trình chuyển động tịnh tiến của chúng và hình thành tính tuần hoàn ba chiều của cấu trúc (xem...). Do mức tối đa của nó. có trật tự, trạng thái tinh thể của chất được đặc trưng ở mức tối thiểu. nội bộ năng lượng và là trạng thái cân bằng nhiệt động lực học đối với các tham số nhất định - áp suất, t-re, thành phần (trong trường hợp), v.v. Nói đúng ra, một trạng thái tinh thể có trật tự hoàn toàn thực sự không thể tồn tại được. được thực hiện, việc tiếp cận nó diễn ra khi t-ry có xu hướng O K (cái gọi là lý tưởng). Vật thật ở trạng thái kết tinh luôn chứa một số nguyên tố nhất định vi phạm trật tự tầm ngắn và tầm xa. Đặc biệt là rất nhiều điều được quan sát thấy trong các dung dịch rắn, trong đó các hạt riêng lẻ và nhóm của chúng chiếm các vị trí khác nhau về mặt thống kê. vị trí trong không gian. Do tính tuần hoàn ba chiều của cấu trúc nguyên tử, đặc điểm chính là tính đồng nhất của cả tính chất và cạnh, đặc biệt được thể hiện ở chỗ trong thực tế là trong những điều kiện nhất định, các hình thành có dạng khối đa diện (xem). Một số thánh địa trên bề mặt và gần đó có sự khác biệt đáng kể so với những thánh địa bên trong, đặc biệt là do vi phạm. Thành phần và theo đó, các tính chất thay đổi về thể tích do sự thay đổi không thể tránh khỏi trong thành phần của môi trường khi nó phát triển. Do đó, tính đồng nhất của trạng thái tinh thể, cũng như sự hiện diện của trật tự tầm xa, đề cập đến các đặc điểm của trạng thái tinh thể “lý tưởng”. Hầu hết các vật thể ở trạng thái kết tinh là đa tinh thể và đại diện cho sự phát triển xen kẽ của một số lượng lớn các tinh thể nhỏ (hạt) - các khu vực có kích thước khoảng 10 -1 -10 -3 mm, có hình dạng không đều và có hướng khác nhau. Các hạt được ngăn cách với nhau bằng các lớp liên tinh thể, trong đó trật tự của các hạt bị xáo trộn. Nồng độ tạp chất cũng xảy ra trong các lớp liên tinh thể trong quá trình này. Do sự định hướng ngẫu nhiên của các hạt nên có tính đa tinh thể. toàn bộ cơ thể (khối lượng chứa khá nhiều hạt) m.b. đẳng hướng, ví dụ thu được từ tinh thể từ cuối . Tuy nhiên, thường là trong quá trình xử lý và đặc biệt là nhựa. kết cấu xuất hiện - ưu điểm, định hướng tinh thể. hạt theo một hướng nhất định, dẫn đến St. Do trạng thái kết tinh, một số thành phần có thể tương ứng với một hệ thống đơn thành phần. ruộng nằm ở vùng có nhiệt độ tương đối thấp trở lên. . Nếu chỉ có một trạng thái và chất đó không bị phân hủy hóa học khi nhiệt độ tăng, thì trạng thái đó giáp với các trường và dọc theo các đường và - tương ứng, và () có thể ở trạng thái siêu bền (siêu lạnh) ở các trạng thái, trong khi trạng thái tinh thể không thể ở hiện trường hoặc, tức là tinh thể. nó không thể bị quá nóng trên nhiệt độ hoặc . Khi đun nóng, một số chất (mesogen) biến thành tinh thể lỏng. điều kiện (xem). Nếu có hai hoặc nhiều trạng thái trên sơ đồ của hệ thống một thành phần, các trường này sẽ viền dọc theo đường biến đổi đa hình. Kết tinh. chất này có thể bị quá nóng hoặc quá lạnh dưới nhiệt độ biến đổi đa hình. Trong trường hợp này, trạng thái tinh thể của chất đang được xem xét có thể nằm trong trường của trạng thái tinh thể khác. sửa đổi và có thể di chuyển được. Trong khi và nhờ sự tồn tại của quan trọng. các điểm trên một đường thẳng có thể liên tục chuyển đổi thành nhau, vấn đề là khả năng chuyển đổi lẫn nhau liên tục. trạng thái kết tinh và chưa được giải quyết cuối cùng. Đối với một số hạng mục nhất định, giá trị tới hạn có thể được đánh giá. các thông số - áp suất và nhiệt độ, tại đó D H pl và D Vpl bằng 0, tức là trạng thái tinh thể và không thể phân biệt được về mặt nhiệt động. Nhưng thực sự nó lại diễn ra như vậy. không được quan sát thấy đối với bất kỳ loài nào (xem). Một chất có thể được chuyển từ trạng thái kết tinh sang trạng thái mất trật tự (vô định hình hoặc thủy tinh), không đáp ứng được sự tự do tối thiểu. năng lượng, không chỉ bởi sự thay đổi (, t-ry, thành phần), mà còn bởi tác động hoặc tinh tế. Phê bình kích thước hạt, tại đó không còn ý nghĩa gì khi nói về trạng thái tinh thể, là xấp xỉ 1 nm, tức là cùng thứ tự với kích thước của ô đơn vị.ĐẾN Trạng thái tinh thể thường được phân biệt với các dạng rắn khác (thủy tinh, vô định hình) bằng các mẫu nhiễu xạ tia X của chất.
===
người Tây Ban Nha văn học cho bài viết "Trạng thái tinh thể": Shaskolskaya M.P., Tinh thể học, M., 1976; Tinh thể học hiện đại, ed. B. K. Weinstein. T.I.M., 1979. P.I. Fedorov.

Trang "Trạng thái tinh thể" chuẩn bị dựa trên vật liệu.

Chất rắn, như đã biết, là các khối có cấu trúc tinh thể, kiểu sắp xếp của các nguyên tử trong đó quyết định phần lớn các tính chất của chúng. Vì vậy, việc mở đầu cuộc thảo luận về các vấn đề liên quan đến phản ứng trong hỗn hợp chất rắn bằng một bản tóm tắt ngắn gọn về các ý tưởng hiện đại về trạng thái kết tinh của vật chất là điều thích hợp.

Các hạt của một chất ở trạng thái kết tinh có vị trí ổn định và được sắp xếp một cách có trật tự, tạo thành mạng tinh thể không gian. Cấu trúc của mạng này, hiện nay có thể dễ dàng xác định bằng nhiễu xạ tia X, trong hầu hết các trường hợp có liên quan chặt chẽ đến thành phần hóa học của chất.

Mối liên hệ này, như nhà tinh thể học nổi tiếng Fedorov đã chỉ ra vào năm 1890, cũng có thể được quan sát ở dạng ít rõ ràng hơn về hình dạng hoặc cấu trúc của các tinh thể. Thông thường, thành phần hóa học của vật thể càng đơn giản thì tính đối xứng của các tinh thể của nó càng cao. 50% các nguyên tố và khoảng 70% các hợp chất nhị phân hình thành, ví dụ như tinh thể lập phương, 75-85% các hợp chất có 4 đến 5 nguyên tử trên mỗi phân tử tạo thành các tinh thể lục giác và trực thoi, và khoảng 80% các hợp chất hữu cơ phức tạp tạo thành trực thoi và đơn tà tinh thể. Tất cả điều này có thể được giải thích bởi thực tế là các thành phần của mạng tinh thể càng đồng nhất thì chúng càng có thể được sắp xếp có trật tự hơn trong không gian.

Một mô hình thú vị đặc trưng cho mối quan hệ giữa cấu trúc của tinh thể và thành phần hóa học của nó là các chất liên quan đến cấu trúc (ví dụ BaS04, PbS04, SrS04 hoặc CaCO3, MgCO3, ZnCO3, FeCO3, MnC03) kết tinh ở dạng tinh thể tương tự. các hình thức. Sự giống nhau về tính chất của các tinh thể trong chuỗi đẳng cấu của các chất được hình thành theo cách này tương ứng với sự giống nhau về cấu trúc mạng tinh thể của chúng.

Một đặc điểm quan trọng của trạng thái kết tinh của một chất là tính dị hướng của nó, bao gồm sự khác biệt về tính chất vật lý của một tinh thể đồng nhất về mặt hóa học theo các hướng khác nhau của nó.

không. Tính dị hướng có thể được quan sát thấy ở các tính chất cơ, quang, khuếch tán, nhiệt và điện của chất rắn kết tinh. Nhân tiện, nó biểu hiện ở các tốc độ phát triển tinh thể khác nhau theo các hướng khác nhau, theo đó một số mặt của nó phát triển nhiều hơn các mặt khác.

Các thành phần cấu trúc tạo nên tinh thể và lực tương tác giữa chúng có thể khác nhau. Theo đó, có sự phân biệt giữa các mạng ion, phân tử, cộng hóa trị và kim loại. Trong thực tế, các loại mạng trung gian khác nhau cũng được sử dụng rộng rãi. Nghiên cứu đã chứng minh rằng liên kết trong mạng của nhiều hợp chất tinh thể thuộc dạng trung gian và bản chất của các liên kết khác nhau trong hợp chất gồm ba nguyên tố hóa học trở lên thường khác nhau. Dựa vào bản chất của các lực liên kết chiếm ưu thế, chúng được gọi là ion, cộng hóa trị, v.v..

Trong mạng ion, đặc trưng của hầu hết các muối và điển hình của các hợp chất vô cơ, lực tương tác giữa các thành phần cấu trúc của nó chủ yếu là tĩnh điện. Mạng như vậy được hình thành bởi sự xen kẽ đều đặn của các ion tích điện trái dấu (Hình 1), được liên kết với nhau bằng lực tương tác Coulomb.

Có bốn trạng thái được chấp nhận chung của vật chất: rắn, lỏng, khí và plasma. Ngoài ra, loại trạng thái tổng hợp thứ năm của vật chất, được phát hiện với sự trợ giúp của Máy Va chạm Hadron Lớn, đã được ghi nhận trong tài liệu.

Trong việc buôn bán hàng tiêu dùng, chỉ có ba bang được quan tâm thực tế. Bất kỳ nguyên tố riêng lẻ hoặc chất phức tạp nào cũng có thể tồn tại tuần tự hoặc đồng thời ở hai hoặc nhiều trạng thái sau: nước, băng và hơi nước có thể tồn tại ở cùng nhiệt độ và áp suất. Chất rắn có thể ở dạng tinh thể (có cấu trúc phân tử lặp lại thường xuyên), chẳng hạn như muối và kim loại; hoặc vô định hình, như nhựa hoặc thủy tinh. Các phân tử của chất lỏng chuyển động nhưng chúng nằm gần nhau, giống như trong chất rắn. Trong chất khí, các phân tử cách xa nhau đến mức chúng chuyển động theo những đường tương đối thẳng cho đến khi va chạm với thành bình chứa.

Trước hết, cần nhấn mạnh một lần nữa rằng khí, lỏng và rắn là các trạng thái tổng hợp của các chất, và theo nghĩa này không có sự khác biệt không thể vượt qua giữa chúng: bất kỳ chất nào, tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất, đều có thể ở bất kỳ tổng thể nào. Những trạng thái. Tuy nhiên, có sự khác biệt đáng kể giữa các thể khí, lỏng và rắn.

Sự khác biệt cơ bản giữa một chất khí với các vật rắn và lỏng là chất khí chiếm toàn bộ thể tích của bình cung cấp cho nó, trong khi chất lỏng hoặc chất rắn đặt trong bình chỉ chiếm một phần thể tích. khối lượng rất nhất định trong đó. Điều này là do sự khác biệt về bản chất của chuyển động nhiệt trong chất khí, trong chất rắn và chất lỏng.

Trong chất rắn, các nguyên tử có thể được sắp xếp trong không gian theo hai cách:

1) sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử, khi các nguyên tử chiếm những vị trí xác định rõ ràng trong không gian. Những chất như vậy được gọi là kết tinh(Hình 1.1, a).

Các nguyên tử dao động so với vị trí trung bình của chúng với tần số khoảng 1013 Hz. Biên độ của những dao động này tỷ lệ thuận với nhiệt độ;

2) sự sắp xếp ngẫu nhiên của các nguyên tử, khi chúng không chiếm một vị trí cụ thể nào so với nhau. Những cơ thể như vậy được gọi là vô định hình(Hình 1.1, b).

Cơm. 1.1.

Các chất vô định hình có các đặc tính hình thức của chất rắn, nghĩa là chúng có thể duy trì thể tích và hình dạng không đổi. Tuy nhiên, chúng không có điểm nóng chảy hoặc kết tinh cụ thể.

Do sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử của một chất kết tinh trong không gian, tâm của chúng có thể được nối với nhau bằng những đường thẳng tưởng tượng. Tập hợp các đường giao nhau như vậy biểu diễn một mạng không gian, được gọi là mạng tinh thể. Các quỹ đạo electron bên ngoài của các nguyên tử tiếp xúc với nhau nên mật độ đóng gói của các nguyên tử trong mạng tinh thể rất cao.

Chất rắn kết tinh bao gồm các hạt kết tinh - tinh thể. Ở các hạt lân cận, các mạng tinh thể quay tương đối với nhau ở một góc nhất định.

Trong tinh thể, các trật tự tầm ngắn và tầm xa được quan sát thấy. Điều này có nghĩa là sự hiện diện của một sự sắp xếp có trật tự và ổn định khi các nguyên tử lân cận gần nhất của nó bao quanh một nguyên tử nhất định. (đặt hàng ngắn), và các nguyên tử nằm ở khoảng cách đáng kể từ nó đến ranh giới hạt (đặt hàng tầm xa).

Kim loại là các vật thể kết tinh, các nguyên tử của chúng được sắp xếp theo trật tự hình học đều đặn, tạo thành các tinh thể, trái ngược với các vật thể vô định hình (ví dụ: nhựa), các nguyên tử của chúng ở trạng thái mất trật tự.

Cần lưu ý rằng có một số khác biệt giữa khái niệm “kim loại” như một nguyên tố hóa học và một chất. Hóa học phân chia tất cả các nguyên tố thành kim loại và phi kim loại theo hành vi của chúng trong các phản ứng hóa học. Lý thuyết về trạng thái kim loại xem xét sự tích tụ lớn của các nguyên tử kim loại có tính chất kim loại đặc trưng: độ dẻo, độ dẫn nhiệt và điện cao, ánh kim loại. Những tính chất này là đặc trưng của các nhóm nguyên tử lớn. Các nguyên tử riêng lẻ không có những tính chất như vậy.

Các nguyên tử trong kim loại ở trạng thái ion hóa. Các nguyên tử kim loại, nhường đi một số electron hóa trị bên ngoài, biến thành các ion tích điện dương. Các electron tự do liên tục di chuyển giữa chúng, tạo thành khí điện tử di động.

Ở nhiệt độ phòng, tất cả các kim loại, ngoại trừ thủy ngân, đều là chất rắn có cấu trúc tinh thể. Tinh thể được đặc trưng bởi sự sắp xếp được xác định chặt chẽ trong không gian của các ion tạo thành mạng tinh thể.

Được sắp xếp trong các kim loại theo một trật tự chặt chẽ, các nguyên tử trong mặt phẳng tạo thành một mạng lưới nguyên tử và trong không gian - một mạng tinh thể nguyên tử. Các kim loại khác nhau có các loại mạng tinh thể khác nhau. Các mạng phổ biến nhất là lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt và lục giác đóng kín.

Các ô đơn vị của mạng tinh thể như vậy được thể hiện trong hình. 1.2. Các đường trong sơ đồ này mang tính biểu tượng; trong thực tế, không có đường nào tồn tại và các nguyên tử dao động gần các điểm cân bằng, tức là các nút mạng, với tần số cao. Trong một ô của mạng lập phương tâm khối, các nguyên tử nằm ở các đỉnh của khối lập phương và ở tâm của khối lập phương; Crom, vanadi, vonfram, molypden, v.v. đều có mạng tinh thể như vậy.Trong một ô của mạng lập phương tâm mặt, các nguyên tử nằm ở các đỉnh và ở tâm của mỗi mặt của khối lập phương; Nhôm, niken, đồng, chì, v.v... đều có mạng tinh thể như vậy, trong ô mạng lục giác, các nguyên tử nằm ở các đỉnh của các đáy lục giác của lăng kính, ở tâm của các đáy này và bên trong lăng kính; Magiê, titan, kẽm, v.v ... có mạng tinh thể như vậy, trong kim loại thực, mạng tinh thể bao gồm một số lượng lớn các tế bào.

Trạng thái kết tinh rất phổ biến trong tự nhiên: hầu hết các chất rắn (khoáng chất, kim loại, sợi thực vật, protein, bồ hóng, cao su, v.v.) đều là tinh thể. Tuy nhiên, không phải tất cả các vật thể này đều có các đặc tính tinh thể được thể hiện rõ ràng như đã thảo luận trước đó. Về vấn đề này, các vật thể được chia thành hai nhóm: đơn tinh thể và đa tinh thể.

Đơn tinh thể- một vật thể, trong đó tất cả các hạt đều khớp vào một mạng không gian chung. Tinh thể đơn có tính dị hướng. Hầu hết các khoáng chất là tinh thể đơn.

Đa tinh thể- một vật thể bao gồm nhiều tinh thể đơn lẻ nhỏ, nằm ngẫu nhiên trong mối tương quan với nhau. Do đó, đa tinh thể có tính đẳng hướng, tức là

Cơm. 1.2. Các loại lưới tinh thể kim loại chính: MỘT- khối (1 nguyên tử trên mỗi tế bào); b - khối lập phương tập trung vào cơ thể (2 nguyên tử trên mỗi tế bào);

V.- lập phương tâm mặt (4 nguyên tử trên mỗi tế bào); G- lục giác xếp chặt (6 nguyên tử/ô)

cho các tính chất vật lý giống nhau theo mọi hướng. Kim loại là ví dụ của đa tinh thể. Tuy nhiên, một kim loại cũng có thể thu được ở dạng một tinh thể nếu sự tan chảy được làm nguội từ từ bằng cách đưa vào nó một tinh thể của kim loại này (cái gọi là hạt giống). Một tinh thể đơn kim loại sẽ phát triển xung quanh phôi này.

Tùy thuộc vào hạt nào mà mạng tinh thể được hình thành, có bốn nhóm mạng chính: ion, nguyên tử, phân tử và kim loại.

Mạng ionđược hình thành bởi các ion tích điện trái dấu được giữ ở các vị trí mạng bởi lực điện. Phần lớn các tinh thể có mạng ion.

Mạng nguyên tửđược hình thành bởi các nguyên tử trung tính được giữ ở các vị trí mạng bằng liên kết hóa học (hóa trị): các nguyên tử lân cận chia sẻ các electron (hóa trị) bên ngoài. Ví dụ, than chì có mạng nguyên tử.

Mạng phân tửđược hình thành bởi các phân tử cực (lưỡng cực) được giữ ở các vị trí mạng tinh thể cũng bằng lực điện. Tuy nhiên, đối với các phân tử có cực thì tác dụng của các lực này yếu hơn so với các ion. Do đó, các chất có mạng phân tử tương đối dễ bị biến dạng. Hầu hết các hợp chất hữu cơ (cellulose, cao su, parafin, v.v.) đều có mạng tinh thể phân tử.

Lưới kim loạiđược hình thành bởi các ion kim loại dương được bao quanh bởi các electron tự do. Những electron này liên kết các ion của mạng kim loại lại với nhau. Mạng này là đặc trưng của kim loại.

Vật lý hiện đại coi vật thể tinh thể là vật thể rắn. Chất lỏng, như đã lưu ý, được đặc trưng bởi sự sắp xếp ngẫu nhiên của các hạt, do đó chất lỏng có tính đẳng hướng. Một số chất lỏng có thể được làm lạnh rất nhiều mà không trở thành chất rắn (tinh thể). Tuy nhiên, độ nhớt của những chất lỏng như vậy lớn đến mức chúng gần như mất đi tính lưu loát và giữ nguyên hình dạng giống như chất rắn. Những cơ thể như vậy được gọi là vô định hình. Các vật thể vô định hình bao gồm, ví dụ, thủy tinh, nhựa - nhựa thông, v.v. Rõ ràng là các vật thể vô định hình có tính đẳng hướng. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các vật thể vô định hình có thể, trong một thời gian dài, chuyển sang trạng thái kết tinh. Ví dụ, trong thủy tinh, các tinh thể xuất hiện theo thời gian: nó bắt đầu trở nên đục và biến thành một khối đa tinh thể.

Trạng thái vô định hình- trạng thái ngưng tụ rắn của vật chất, đặc trưng bởi tính đẳng hướng của các tính chất vật lý do sự sắp xếp không đều của các nguyên tử và phân tử. Ngoài tính đẳng hướng của các tính chất (cơ, nhiệt, điện, quang, v.v.), trạng thái vô định hình của một chất được đặc trưng bởi sự hiện diện của một phạm vi nhiệt độ trong đó chất vô định hình chuyển sang trạng thái lỏng với nhiệt độ ngày càng tăng. Quá trình này xảy ra dần dần: khi đun nóng, các chất vô định hình, không giống như các chất kết tinh, lúc đầu mềm ra, sau đó bắt đầu lan rộng và cuối cùng trở thành chất lỏng, tức là các chất vô định hình tan chảy trong một khoảng nhiệt độ rộng.

Tính đẳng hướng của các tính chất cũng là đặc trưng của trạng thái đa tinh thể, nhưng đa tinh thể có điểm nóng chảy được xác định nghiêm ngặt, giúp phân biệt trạng thái đa tinh thể với trạng thái vô định hình.

Ở các chất vô định hình, không giống như chất kết tinh, không có trật tự tầm xa trong việc sắp xếp các hạt của chất mà có trật tự tầm ngắn, quan sát được ở những khoảng cách tương ứng với kích thước hạt. Do đó, các chất vô định hình không tạo thành cấu trúc hình học đều đặn, đại diện cho cấu trúc của các phân tử rối loạn.

Sự khác biệt về cấu trúc giữa chất vô định hình và chất tinh thể được phát hiện bằng cách sử dụng mẫu nhiễu xạ tia X. Tia X đơn sắc, bị tán xạ bởi các tinh thể, tạo thành hình ảnh nhiễu xạ dưới dạng các vạch hoặc điểm riêng biệt. Đây không phải là điển hình cho trạng thái vô định hình.

Không giống như trạng thái kết tinh, trạng thái vô định hình của một chất không cân bằng. Nó phát sinh do các yếu tố động học và theo quan điểm cấu trúc thì tương đương với trạng thái lỏng: chất vô định hình là chất lỏng siêu lạnh có độ nhớt rất cao. Thông thường, trạng thái vô định hình được hình thành trong quá trình làm nguội nhanh chất tan chảy, khi chất này không có thời gian kết tinh. Quá trình này là điển hình cho việc sản xuất thủy tinh nên trạng thái vô định hình thường được gọi là trạng thái thủy tinh. Tuy nhiên, thường thì ngay cả việc làm mát nhanh nhất cũng không đủ nhanh để ngăn chặn sự hình thành tinh thể. Kết quả là hầu hết các chất không thể thu được ở trạng thái vô định hình.

Quá trình tự phát tái cấu trúc một chất vô định hình thành cấu trúc tinh thể cân bằng do sự dịch chuyển nhiệt khuếch tán của các nguyên tử thực tế là vô tận. Nhưng đôi khi những quá trình như vậy có thể được thực hiện khá dễ dàng. Ví dụ, sau khi tiếp xúc với một nhiệt độ nhất định, thủy tinh vô định hình sẽ “biến mất”, tức là các tinh thể nhỏ xuất hiện trong đó và thủy tinh trở nên đục.

Trong tự nhiên, trạng thái vô định hình ít phổ biến hơn trạng thái kết tinh. Nó chứa: opal, obsidian, hổ phách, nhựa tự nhiên, bitum. Ở trạng thái vô định hình, không chỉ có thể tìm thấy các chất bao gồm các nguyên tử riêng lẻ và các phân tử thông thường, chẳng hạn như thủy tinh vô cơ và chất lỏng (hợp chất phân tử thấp), mà còn có thể tìm thấy các chất bao gồm các đại phân tử chuỗi dài - hợp chất phân tử cao hoặc polyme. Tính chất vật lý của chất vô định hình rất khác với tính chất của chất kết tinh, do đó chất vô định hình được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Polyme rất phổ biến - các chất vô định hình hữu cơ, các phân tử riêng lẻ, nhờ liên kết hóa học (hóa trị), được kết nối với nhau (polyme hóa) thành chuỗi dài, trong một số trường hợp có hàng nghìn phân tử riêng lẻ. Polyme điển hình là nhựa. Một đặc tính rất có giá trị của polyme là độ đàn hồi và độ bền cao. Ví dụ, một số polyme có thể chịu được độ giãn đàn hồi gấp 2-5 lần chiều dài ban đầu của chúng. Những đặc tính này của polyme được giải thích là do các chuỗi phân tử dài khi bị biến dạng có thể cuộn tròn thành những quả bóng dày đặc hoặc ngược lại, kéo dài thành những đường thẳng. Hiện nay, các polyme có đặc tính xác định (nhẹ, bền, đàn hồi, kháng hóa chất, cách điện, chịu nhiệt, v.v.) được tạo ra từ các hợp chất hữu cơ tự nhiên và nhân tạo.

Do thứ tự tối đa của nó, trạng thái tinh thể được đặc trưng bởi năng lượng bên trong tối thiểu và là trạng thái cân bằng nhiệt động theo các thông số nhất định - áp suất, nhiệt độ, thành phần (trong trường hợp dung dịch rắn), v.v. Nói một cách chính xác, không thể thực sự đạt được một trạng thái tinh thể có trật tự hoàn toàn; sự tiếp cận trạng thái đó xảy ra khi nhiệt độ có xu hướng về 0 K (cái gọi là tinh thể lý tưởng). Vật thật ở trạng thái kết tinh luôn chứa một lượng khiếm khuyết, vi phạm cả trật tự tầm ngắn và tầm xa. Điều này đặc biệt đúng trong dung dịch rắn, trong đó các hạt riêng lẻ và nhóm của chúng chiếm các vị trí khác nhau về mặt thống kê trong không gian.

Do tính tuần hoàn ba chiều của cấu trúc nguyên tử, các đặc điểm chính là tính đồng nhất về tính chất và tính đối xứng, đặc biệt được thể hiện ở chỗ trong thực tế là trong những điều kiện hình thành nhất định, các tinh thể có dạng khối đa diện (xem sự tăng trưởng). Một số tính chất trên và gần bề mặt tinh thể khác biệt đáng kể so với các tính chất bên trong tinh thể, đặc biệt là do sự phá vỡ tính đối xứng. Thành phần và các tính chất theo đó thay đổi trong suốt thể tích của tinh thể do sự thay đổi không thể tránh khỏi trong thành phần của môi trường khi tinh thể phát triển. Do đó, tính đồng nhất của các tính chất, cũng như sự hiện diện của trật tự tầm xa, đề cập đến các đặc điểm của trạng thái tinh thể “lý tưởng”.

Hầu hết các vật thể ở trạng thái kết tinh là đa tinh thể và đại diện cho sự phát triển xen kẽ của một số lượng lớn các tinh thể nhỏ (hạt) - các khu vực có kích thước khoảng 10 -1 -10 -3 mm, có hình dạng không đều và có hướng khác nhau. Các hạt được tách ra khỏi nhau bằng các lớp liên tinh thể trong đó trật tự của các hạt bị xáo trộn. Nồng độ tạp chất cũng xảy ra trong các lớp liên tinh thể trong quá trình kết tinh. Do sự định hướng ngẫu nhiên của các hạt, toàn bộ khối đa tinh thể (một thể tích chứa khá nhiều hạt) có thể đẳng hướng, ví dụ, thu được bằng quá trình lắng kết tinh. . Tuy nhiên, thông thường trong quá trình xử lý và đặc biệt là ở nhựa, kết cấu sẽ xuất hiện. - ưu điểm là sự định hướng của các hạt tinh thể theo một hướng nhất định dẫn đến tính chất dị hướng.

Do ở trạng thái kết tinh, hệ thống một thành phần có thể phản ứng với một số trường nằm ở vùng có nhiệt độ tương đối thấp và vùng có nhiệt độ cao. Nếu chỉ có một trường trạng thái tinh thể và chất đó không bị phân hủy hóa học khi nhiệt độ ngày càng tăng, thì trường trạng thái tinh thể giáp với các trường khí dọc theo các đường nóng chảy và thăng hoa - ngưng tụ tương ứng, và chất lỏng và khí (hơi) có thể ở trạng thái siêu bền (siêu lạnh) trong trường có trạng thái tinh thể, trong khi trạng thái tinh thể không thể ở trường hoặc hơi, nghĩa là chất kết tinh không thể quá nóng trên điểm nóng chảy hoặc thăng hoa. Một số (mesogen) chuyển sang trạng thái tinh thể lỏng khi đun nóng (xem phần 2). Tinh thể lỏng). Nếu có hai hoặc nhiều trường trạng thái tinh thể trên sơ đồ của hệ thống một thành phần, thì các trường này sẽ viền dọc theo đường biến đổi đa hình. Chất kết tinh có thể bị quá nóng hoặc siêu lạnh dưới nhiệt độ của quá trình biến đổi đa hình. Trong trường hợp này, trạng thái tinh thể đang được xem xét có thể nằm trong lĩnh vực biến đổi tinh thể khác và có thể di chuyển được.

Trong khi chất lỏng và hơi, do tồn tại một điểm tới hạn trên đường bay hơi, có thể liên tục chuyển đổi lẫn nhau, câu hỏi về khả năng biến đổi liên tục lẫn nhau của trạng thái tinh thể cuối cùng vẫn chưa được giải quyết. Đối với một số chất, có thể ước tính các thông số tới hạn - áp suất và nhiệt độ tại đó DH pl và DV pl bằng 0, tức là trạng thái tinh thể và chất lỏng không thể phân biệt được về mặt nhiệt động. Nhưng trên thực tế, sự chuyển đổi như vậy không được quan sát thấy ở bất kỳ ai trong số họ (xem. Tình trạng nguy kịch).

Một chất có thể được chuyển từ trạng thái kết tinh sang trạng thái mất trật tự (vô định hình hoặc thủy tinh), không đáp ứng được năng lượng tự do tối thiểu, không chỉ bằng cách thay đổi các thông số trạng thái (áp suất, nhiệt độ, thành phần), mà còn bằng cách tiếp xúc với bức xạ ion hóa hoặc mài mịn. Kích thước hạt tới hạn, tại đó không còn ý nghĩa gì khi nói về trạng thái tinh thể, là xấp xỉ 1 nm, tức là cùng thứ tự với kích thước của ô đơn vị.