Виды кристаллов и объяснение свойств кристаллических тел

Многие свойства кристаллов могут быть объяснены с точки зрения основ молекулярно-кинетической теории.

Изучение внутреннего строения кристаллов с помощью рентгеновских лучей показало, что частицы, из которых они состоят, имеют правильное расположение.

Упорядоченность, повторяющаяся на расстояниях, сравнимых с межатомными расстояниями, называется ближним порядком. Упорядоченность, повторяющаяся на неограниченно больших расстояниях, называется дальним порядком.

Основное отличие жидкостей и аморфных тел от кристаллов состоит в том, что для первых существует только некоторая закономерность в расположении соседних атомов, тогда как для вторых правильное чередование атомов повторяется для сколь угодно удаленных атомов. Иными словами, наличие дальнего и ближнего порядка является характерным признаком кристалла.

Правильная форма кристаллов и их симметрия могут быть объяснены именно дальним порядком в расположении частиц, из которых они состоят.

Моделью кристалла может служить кристаллическая решетка. Кристаллическую решетку можно изготовить из проволочек и пластмассовых шариков, составить из пластилиновых шариков, нарисовать на бумаге. Центры объемных шариков или кружков, точки, соединенные линиями, называемые узлами кристаллической решетки, будут показывать расположение центров частиц, из которых состоит моделируемое вещество.

При образовании кристалла частицы располагаются как можно ближе друг к другу. В результате образуется упорядоченная и устойчивая система плотно упакованных частиц.

Плотно упаковываться частицы могут по-разному. Следовательно, строение кристаллов также может быть самым разным.

Рис. 1

В настоящее время изучена внутренняя структура более 30 тысяч элементов и соединений. Выявлено, что, как правило, чем проще химическая формула вещества, тем выше симметрия его кристалла. Например, почти все металлы имеют кубическую или гексагональную структуру.

Установлено также, что многие свойства кристаллов определяются типом химической связи между частицами, из которых они состоят.

В узлах ковалентных кристаллов находятся атомы, которые обобществляют свои валентные электроны с соседними атомами. Ковалентные кристаллы образуют атомы кремния, углерода, германия, сурьмы, висмута. Так, четыре валентных электрона германия являются общими для четырех соседних атомов.

Рис. 2

Атомы одного и того же химического элемента могут образовывать разные кристаллические решетки. Ярким примером являются пространственные решетки, образуемые атомами углерода.

В одной из них, характерной для алмаза, четыре атома располагаются по вершинам правильного тетраэдра, в центре которого находится пятый атом.

Рис. 3

В другой, характерной для графита, атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников и образуют слои, расстояние между которыми существенно больше, чем между ближайшими атомами в каждом слое. В результате этого ковалентные связи между атомами, находящимися в разных слоях, существенно слабее, чем между атомами, находящимися в одном слое, и легко разрываются.

Разница в строении кристаллических решеток алмаза и графита объясняет резкое различие их физических свойств.

В частности, алмаз – это одно из самых твердых веществ в природе. Графит, напротив, очень мягок.

Алмаз – диэлектрик, графит – проводник электрического тока.

Однако, можно предположить, что поскольку алмаз и графит состоят из одних и тех же атомов, то их перегруппировка, если ее удастся осуществить, должна привести к появлению у вещества новых свойств и к изменению самого вещества.

Действительно, как показали исследования, при давлении порядка 60000 атмосфер и температуре свыше 1500 градусов по шкале Цельсия кристаллическая решетка графита путем сближения и перегруппировки атомов переходит в решетку алмаза.

Рис. 4

В узлах решетки металлического кристалла находятся атомы, которые легко отдают свои валентные электроны и превращаются тем самым в положительные ионы. Электроны обобществляются в объеме всего кристалла и связи между ионами становятся очень прочными.

Если предположить, что структура кристаллической решетки металлов может изменяться при изменении температуры, то следует ожидать, что при этом будут изменяться и физические свойства металлов.

Процесс закалки стали дает основание считать это предположение верным.

В узлах кристаллической решетки ионных кристаллов находятся ионы противоположных знаков, которые притягиваются друг к другу за счет электрических сил. Примером ионного кристалла является кристалл поваренной соли.

Ионные кристаллы имеют промежуточные характеристики между металлическими и ковалентными кристаллами.

Рис. 5

В узлах молекулярных кристаллов находятся нейтральные молекулы. Силы взаимодействия между ними очень малы. Возникновение этих сил можно объяснить поляризацией молекул – смещением электрически заряженных частиц, входящих в их состав относительно центра молекул.

Молекулярные кристаллы легкоплавки, легко поддаются разрушению.

В 1889 г. австрийским ботаником Ф. Рейницером и немецким физиком О. Леманом были открыты жидкие кристаллы.

Жидкие кристаллы – это органические вещества, находящиеся в особом состоянии, в котором они обладают текучестью, характерным свойством жидкости, но в то же время сохраняют определенную упорядоченность в расположении молекул и анизотропию ряда физических свойств.

Рис. 6

Число химических соединений, находящихся в жидком состоянии и обладающих свойствами кристаллов, в настоящее время составляет несколько тысяч.

Жидкие кристаллы образуют вещества, молекулы которых имеют удлиненную, палочкообразную форму.

Такая форма молекул при определенных условиях позволяет им устанавливаться в жидкости приблизительно параллельно друг другу.

В жидких кристаллах сохраняется в основном ближний порядок в упаковке молекул. Но упорядоченность может охватывать и целые области – домены (от французского domaine – владение, область, сфера), размеры которых доходят до 0,01–0,1 мм. С помощью внешних воздействий (электрическими и магнитными полями, механическим давлением) можно эти области ориентировать одинаковым образом и получать подобие больших монокристаллов. При переориентации доменов физические свойства жидких кристаллов должны изменяться. При снятии внешних воздействий «монокристаллы» должны разрушаться, а свойства восстанавливаться.

Рис. 7
Рис. 8

Названные эффекты действительно имеют место. Например, в сильных электрических полях жидкие кристаллы могут становиться матово-непрозрачными для света

Это свойство жидких кристаллов позволяет использовать их в системах отображения информации, в частности в буквенно-цифровых индикаторах (электронных часах, микрокалькуляторах, дисплеях электронно-вычислительных машин).