Кристалічні та аморфні тіла

Залежно від внутрішньої будови тверді тіла бувають кристалічними, або аморфними. Молекули і атоми кристалів розташовані у певній послідовності, що повторюється, на великих відстанях, зберігаючи так званий далекий порядок. Атоми і молекули в аморфних тілах розміщені невпорядковано, їм характерний ближній порядок із будовою аналогічним рідкому стану речовини. Розглянемо основні відмінності кристалічних тіл від аморфних, які проявляються у їх фізичних властивостях.

Тверді тіла

Всі тверді тіла мають такі спільні властивості:

• Здатністю тривалий час зберігати форму та об'єм (геометричні розміри);



• Наявністю пружних сил, що виникають при невеликих змінах обсягу від зовнішнього впливу (стискування, розтягування чи зсуву).

Сучасні вчені досліджують просторове розташування атомів та молекул у твердих тілах за допомогою електронних мікроскопів, які дозволяють отримати зображення об'єкта із сильним збільшенням (до 10 6 разів). Перший електронний мікроскоп було винайдено у 30-х роках минулого століття. У 2018 р. за допомогою останніх версій цього приладу було отримано роздільну здатність 0,39 ангстрем. Нагадаємо, що 1 ангстрем дорівнює 10 -8 см. У більшості кристалів це відповідає кроці атомних ґрат.

Аморфні тіла

Смола, віск, графіт, вироби зі скла та бурштину, пластмаси – все це приклади аморфних тіл (від грецьк. слова Amorphous – безформний, некристалічний).

Відсутність далекого порядку розташування частинок речовини у аморфних тіл призводить до того, що й фізичні властивості однакові в усіх напрямах.Такі тіла називають ізотропними (слово "ізотропний" складено з двох грецьких слів: isos - рівний, tropos - напрямок). Ізотропність фізичних властивостей аморфних тіл є наслідком хаотичного розташування складових молекул і атомів.

Характерною особливістю аморфних тіл є відсутність певної температури плавлення, тобто відсутня чіткий перехід від твердого стану до рідкого: при нагріванні аморфне тіло стає більш текучим.

Кристалічні тіла

Тверді тіла, в яких молекули і атоми розташовані впорядковано і утворюють структуру, що періодично повторюється, називаються кристалами. Фізичні властивості кристалів (пружні, механічні, теплові, електричні, магнітні, оптичні) у різних напрямках неоднакові. Така властивість називається анізотропністю. Анізотропія кристалів пояснюється тим, що при впорядкованому розташуванні частинок відстані між ними та сили взаємодії (тяжіння та відштовхування) виявляються неоднаковими у різних напрямках.

Розрізняють кристалічні тіла двох видів: монокристали та полікристали. Головною ознакою монокристалів є внутрішня будова (структура), що повторюється, у всьому обсязі тіла.

Полікристал - це сукупність (набір) зрощених один з одним, хаотично орієнтованих, невеликих кристалів. Кожен маленький кристал має властивості анізотропії, але їх сукупність - полікристал - ізотропен.

Мал. 2. Монокристали та полікристали.

Часто зустрічаються кристалічні тіла однакові за своїм хімічним складом, але мають дуже різні фізичні властивості. Найвідоміший приклад - це вуглець, що має дві модифікації: графіт та алмаз.Різна будова кристалічних грат є причиною того, що алмаз має рекордні показники твердості, а графіт через його м'якість використовується як грифелі для олівців.

Що ми дізналися?

Отже, ми дізналися, що кристалічні та аморфні тіла, крім загальних ознак, які відносять їх до твердих тіл, мають зовсім різні фізичні властивості. Аморфні тіла мають ізотропні властивості, а для кристалів характерна анізотропія фізичних параметрів. Кристалічні тіла поділяються на монокристали та полікристали.

Кристали

Тверді тіла поділяють на аморфні тіла та кристали. Відмінність других від перших полягає в тому, що атоми кристалів розташовуються згідно з деяким законом, утворюючи тим самим тривимірне періодичне укладання, що називається - кристалічні грати.

Етимологія

Примітно, що назва кристалів походить від грецьких слів «застигати» та «холод», і за часів Гомера цим словом називали гірський кришталь, який тоді вважався «застиглим льодом». Спочатку цим терміном називали лише ограновані прозорі утворення. Але пізніше кристалами стали звати також непрозорі і не ограновані тіла природного походження.

Кристалічна структура та грати

Ідеальний кристал представляється як періодично повторюваних однакових структур – про елементарних осередків кристала. Загалом, форма такого осередку – косокутний паралелепіпед.

Слід розрізняти такі поняття як кристалічні грати та кристалічна структура. Перша – це математична абстракція, що зображує регулярне розташування деяких точок у просторі.Тоді як кристалічна структура – ​​це реальний фізичний об'єкт, кристал, у якому з кожною точкою кристалічних ґрат пов'язана певна група атомів чи молекул.

Кристалічна структура граната - ромб та додекаедр

Основним фактором, що визначає електромагнітні та механічні властивості кристала, є будова елементарного осередку та атомів (молекул), пов'язаних з нею.

Анізотропія кристалів

Головна властивість кристалів, що відрізняє їхню відмінність від аморфних тіл – це анізотропія. Це означає, що характеристики кристала різні, залежно від напрямку. Так, наприклад, непружна (необоротна) деформація здійснюється лише за певними площинами кристала, та у певному напрямку. У зв'язку з анізотропією кристали по-різному реагують на деформацію залежно від напряму.

Однак, існують кристали, які не мають анізотропії.

Види кристалів

Порівняння структур монокристалів та полікристалів

Кристали поділяють на монокристали та полікристали. Монокристалами називають речовини, кристалічна структура яких поширюється на все тіло. Такі тіла є однорідними і мають безперервну кристалічну решітку. Зазвичай, такий кристал має яскраво виражену огранювання. Прикладами природного монокристала є монокристали кам'яної солі, алмазу та топазу, а також кварцу.

Сульфат алюмінію-калію монокристал

Чимало речовин мають кристалічну структуру, хоча зазвичай немає характерної для кристалів форми. До таких речовин відносяться, наприклад, метали. Дослідження показують, що такі речовини складаються з великої кількості дуже маленьких монокристалів – кристалічних зерен чи кристалітів.Речовина, що складається з багатьох таких різноорієнтованих монокристалів, називається полікристалічною. Полікристали часто не мають огранювання, а їх властивості залежать від середнього розміру кристалічних зерен, їх взаємного розташування, а також будови межзеренних кордонів. До полікристалів відносяться такі речовини як метали та сплави, кераміки та мінерали, а також інші.

Можливі способи зростання та освіти

1. Кристалізація шляхом сублімації. Подібний метод кристалізації має на увазі перехід речовини з газоподібного стану до твердого, минаючи рідку фазу. Подібний процес у природі має місце у вулканічних тріщинах або кратерах, коли речовина швидко остигає. Проте найпростіший приклад – утворення взимку сніжинок із води.

1. Перший - перехід речовини з твердого аморфного тіла в кристалічне. Так, наприклад, відбувається кристалізація скла, у тому числі кристалізація вулканічних порід, що містять скло.



2. Другий – перекристалізація речовини з руйнуванням старої структури та утворенням нової. Більшість гірських порід утворюються саме в такий спосіб. Відомі приклади перекристалізації: перехід вапняку в мармур, кварцових пісковиків у кварцити або глинистих порід у філіти.

Інші факти

• Наявне таке явище як проростання кристалів. Це означає процес, коли індивіди взаємно перетинаються та проростають один одного.



• Існують так звані іонні кристали, які складаються здебільшого з іонів, зв'язок яких утворюється за рахунок електростатичного тяжіння. До таких тіл відносять фторид калію та натрію, хлорид та бромід калію та ін.



• Існує 47 простих форм, у тому числі може складатися кристал. Серед них: призма, піраміда, тетраєдр, трапецієдр, ромбоєдр тощо.