11.2.2. Твердые кристаллические вещества
Кристаллы - твердые тела, имеющие правильное периодическое расположение составляющих их частиц. Кристаллы ограничены плоскими, упорядоченно расположенными друг относительно друга гранями, сходящимися в ребрах и вершинах. При температуре ниже точки кристаллизации кристаллическое состояние является устойчивым состоянием всех твердых тел.
Монокристаллы имеют форму правильных многогранников, обусловленную их химическим составом. Большинство твердых тел - поликристаллов - имеет мелкокристаллическую структуру, т.е. состоит из большого числа сросшихся, мелких, хаотически расположенных кристаллов - кристаллических зерен, кристаллитов.
Кристаллы имеют симметрию, состоящую в том, что любому заданному направлению в кристалле соответствует одно или несколько направлений, которые в отношении рассматриваемых свойств являются совершенно одинаковыми. Симметрия кристаллов исследуется с помощью симметрических преобразований (операций совмещения), в результате которых кристалл совпадает сам с собой в различных положениях. Простейшими операциями совмещения являются поворот, отражение, трансляция - параллельное смещение.
Различают скалярные, векторные и тензорные физические свойства кристаллов.
Скалярные свойства (плотность, теплоемкость и др.) однозначно определяются заданием численных значений соответствующих физических величин.
Векторные свойства (теплопроводность, электрическое сопротивление и др.) определяются заданием значений физических величин по каждому из трех направлений основных координатных осей кристалла.
Тензорные свойства определяются заданием их значений по более чем трем направлениям в кристалле (относительная диэлектрическая проницаемость, упругие свойства и т.д.).
По характеру сил взаимодействий, типу связи и тому, какие частицы расположены в узлах кристаллической решетки, различаются следующие типы твердых тел.
а) Металлы (Na, Fe и др.). При сближении атомов, находящихся в начале каждого периода таблицы Менделеева, валентные электроны покидают свои атомы и становятся обобществленными, образуя электронный газ в металлах. Металлическая связь в решетке возникает между положительными ионами и электронным газом.
б) Ионные кристаллы (NaCl, LiF, окислы металлов, сульфиды, карбиды, селениды и др.) характеризуются ионной связью между правильно чередующимися в узлах кристаллической решетки положительными и отрицательными ионами. При высоких температурах обнаруживают значительную ионную проводимость.
в) Валентные атомные кристаллы (С, Ge, Те и др.) характерно! для кристаллических решеток полупроводников многих органических твердых тел. Хи
мическая связь - гомеополярная, обусловлена квантово-механическим взаимодействием. Основные свойства валентных кристаллов - высокие температуры плавления и теплоты сублимации, высокая механическая прочность (твердость), малая электропроводность в чистых образцах.
г) Молекулярные кристаллы (Аг, СН4 , парафин, многие твердые органические соединения). Связь между молекулами определяется силами Ван-дер-Ваальса. Основные свойства - низкие точки плавления и кипения, плотная упаковка молекулярных кристаллов. Инертные газы, превращаясь в твердое тело, образуют плотно упакованную кубическую структуру.
д) Кристаллы с водородными связями (лед, HF и др.). В этих кристаллах атом водорода отдает свой электрон одному из атомов молекулы. Водородная связь осуществляется между белковыми молекулами и играет большую роль в процессе полимеризации.
Тепловое расширение твердых тел - увеличение линейных размеров и объема с увеличением температуры тел, характеризуемое относительным удлинением или относительным увеличением объема
А/ AV ,
ai=-, К ; crv=-, К ,
/АТ VAT
происходящим при нагревании тела на один градус, так что длина и объем изменяются по законам:
l=l0(\+s,AT); V=V0(l+syAT).
Тепловое расширение твердого тела связано с увеличением амплитуды колебаний молекул тела.
Теплопроводность твердых тел состоит в передаче энергии в форме теплоты в неравномерно нагретом твердом теле. Явление теплопроводности возникает при наличии градиента температуры, для одномерного случая (передача тепла в стержне) описывается уравнением Фурье:
dT
dQ = -K-dSdt,
dx
где dQ - количество теплоты, переносимое за время dt через площадку dS в направлении нормали х к этой площадке, dT/dx - градиент температуры, К - коэффициент теплопроводности, численно равный количеству теплоты, переносимому через единицу поверхности за единицу времени, при градиенте температуры, равном единице.
Удельная теплоемкость твердых тел есть количество тепла, которое нужно затратить на повышение на один градус температуры 1 кг массы тела. Теплоемкость любого тела стремится к нулю при приближении к абсолютному нулю температуры.
