Тверді речовини. Кристалічний стан речовин

Розрізняють кристалічний та аморфний стан твердих речовин.

Кристалічний стан речовин характеризується впорядкованим розмі­щенням частинок речовини в усьому об'ємі кристалу. В аморфному стані впорядковане розташування частинок зустрічається лише на дуже маленьких ділянках, а не в усьому об'ємі.

Речовини у кристалічному стані мають сталу температуру плавлення. А речовини в аморфному стані за нагрівання розм'якшуються поступово, тобто не за сталої температури, а у деякому температурному інтервалі.

Аморфний стан є характерним для силікатного скла, твердих смол. Деякі речовини можуть знаходитись як у кристалічному, так і в аморфному стані. Наприклад, силіцій (IV) оксид SiO₂ зустрічається в природі у вигляді кристалів кварцу і в аморфному стані у вигляді мінералу кремінь.

Завдяки високому ступеню упорядкованості частинок кристалічний стан є енергетично більш стійким, ніж аморфний. Тому можливий перехід речовин з аморфного у кристалічний стан, що супроводжується виділенням енергії. Але цей процес відбувається дуже повільно через в'язкість системи.

У речовин в кристалічному стані певні точки просто­ру, де знаходяться частинки речовини, мають назву вузлів кристалічної решітки. В залежності від природи частинок, що містяться у вузлах кристалічної решітки, та характеру взаємодії між ними розрізняють такі основні типи кристалічних решіток: атомні, молекулярні, йонні і мета­лічні.

У вузлах атомних решіток містяться атоми, зв'язані міцними кова­лентними зв'язками. Речовини з атомними решітками характеризуються високими температурами плавлення, великою твердістю і практично не роз­чинні у жодному з розчинників, неелектропровідні та погано проводять тепло. Кова­лентний зв'язок між атомами не допускає взаємного зміщення атомів без руйнування решітки. Тому для кристалів з атомною решіткою характерна крихкість. До речовин з атомними решітками належать алмаз, кремній, бор, кварц SiO₂, бор нітрид BN, карборунд SiС тощо.

У вузлах молекулярних решіток розміщені молекули, зв'язані між со­бою міжмолекулярною взаємодією. Оскільки міжмолекулярна взаємодія знач­но слабкіша за ковалентний зв'язок, то речовини з молекулярними решіт­ками мають невелику твердість, леткі, легкоплавкі. Особливо низькі тем­ператури плавлення у тих речовин, молекули яких неполярні, тому що між ними існує тільки дисперсійна взаємодія. Речовини з молекуляр­ними решітками не проводять електричний струм, розчинні, але їх розчинність залежить від природи молекул, з яких вони побудовані. Якщо решітка побудована з неполярних молекул, то речовина розчиняєть­ся у неполярних розчинниках. Якщо у вузлах решітки містяться полярні молекули, то речовина розчиняється у полярних розчинниках.

Молекулярні решітки утворюють такі речовини: більшість органічних сполук, HF, НСІ, Н₂О, H₂S, NH₃, CO₂, H₂, O₂, Р₄, Сl₂, І₂, Не, Ne, Ar тощо.

У вузлах йонних решіток розміщені йони протилежного знаку, зв'я­зані силами електростатичного притягання. До сполук з йонними решіт­ками належить більшість солей та оксиди активних металів, наприклад, NaCl, КІ, NH₄NO₃, СаO. Характерними властивостями більшості таких сполук є їх розчинність у полярних розчинниках, електропровідність іх розчинів та розплавів.

У вузлах металічних решіток містяться атоми та катіони металів, між якими вільно рухаються валентні електрони і забезпечують зв'язок між катіонами металу. Такий нелокалізований зв'язок в кри­сталах металів називається металічним.

Свобода руху електронів в кристалах металів обумовлює високу тепло- та елект­ропровідність металів. Через те, що валентні електрони не закріплені за однією або іншою парою атомів, в металах можливе значне зміщення атомів без руйнування зв'язку. Тому для металів характерна пластичність, здатність до деформації.