5.Строение твердых растворов

При охлаждении и кристаллизации образуются твердые растворы и промежуточные фазы.

Твердый раствор — это такая фаза, в которой атомы одного компонента размещаются в кристаллической решетке другого компонента. Твердый раствор сохраняет кристаллическую решетку основного компонента (или растворителя). В зависимости от того, в каких местах кристаллической решетки находятся атомы растворенного компонента, различают твердые растворы замещения и внедрения.

Рисунок 5- различные типы твердых растворов

Упорядоченные твердые растворы, для которых расположение атомов растворенного элемента в кристаллической решетке основного элемента имеет определенную закономерность, иногда обозначают химической формулой, например, Cu3Au или CuAu. Перестройка структуры твердого раствора при переходе от одного упорядоченного состояния в другое влияет на физические и механические свойства сплавов. При этом структурных изменений под микроскопом чаще всего не наблюдается. Упорядоченность может быть уменьшена или полностью устранена при пластической деформации.

6.Аморфные вещества

Главный признак аморфного (от греческого "аморфос" - бесформенный) состояние вещества - отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.

При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. при определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры.

В этом состоянии вещество может быть устойчиво в течение длительного промежутка времени, например, возраст некоторых вулканических стекол исчисляется миллионами лет. Физические и химические свойства вещества в стеклообразном аморфном состоянии могут существенно отличаться от свойств кристаллического вещества. Например, стеклообразный диоксид германия химически более активен, чем кристаллический. Различия в свойствах жидкого и твердого аморфного состояния определятся характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии частицы способны лишь к колебательным и вращательным движениям, но не могут перемещаться в толще вещества.

Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.

Аморфные тела изотропны, то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.[7]

6.1.Строение жидкостей и аморфных веществ.

Жидкое состояние является наименее изученным агрегатным состоянием вещества. По своему строению жидкости занимают промежуточное положение между твердыми кристаллическими телами со строго определенной периодической структурой и газами, характеризующимися отсутствием упорядоченности в движении частиц. Структура и физические свойства жидкостей зависят от химического строения молекул и от характера взаимодействия между ними. Для жидкостей, образованных полярными молекулами (вода, этанол), характерно явление ассоциации, то есть сцепление молекул в сложные агрегаты. Определяющую роль в этих процессах играют водородные связи. Взаимное расположение агрегатов не фиксировано, они способны перемещаться относительно друг друга. При этом их состав непрерывно меняется.

В общей массе связанных между собой молекул жидкости всегда встречаются сгущения, разрежения и даже пустоты, непрерывно мигрирующие по всему объему. Время, проходящее между перескоком (трансляцией) частицы одного агрегата в другой, очень мало. Но за это время молекула успевает сделать в составе агрегата от десяти до ста колебаний около положения равновесия. Применение рентгеновских лучей к исследованию жидкостей выяснило несомненный факт, что в основе строения последних лежит некоторая упорядоченная структура.

О строении жидкостей из данных, независимых от рентгеновского анализа, мы знали до последнего времени очень мало. Вопрос о структуре жидкости считался решенным теорией Ван – дер – Ваальса, установившей непрерывность газообразного и жидкого состояния. Согласно этой теории жидкость представляется как сильно сжатый газ. Разница между газом и жидкостью заключается в том, что, в то время как газ удерживается только внешним давлением, объем жидкости сохраняется главным образом за счет внутреннего давления, являющегося результатом действия молекулярных сил в жидкости.

Но теория Ван – дер – Ваальса оставляет незатронутым целый ряд вопросов, имеющих непосредственное отношение к строению жидкостей.

Несмотря на значительную подвижность молекул, характерную для жидкого состояния, внутри жидкости имеет место некоторая средняя закономерность в расположении рассеивающих центров.

Для большинства жидкостей квазикристаллическая структура очень сложна. Для не одноатомных жидкостей геометрические условия наиболее плотной упаковки вызывают влияние формы молекул на структуру жидкости (органические жидкости – Стюарт). Далее, в целом ряде случаев оказывается, что распределение молекул в жидкости не подчиняется требованиям плотной упаковки. Упорядоченность молекул осуществляется здесь за счет сил, подобных тем, какие связывают их в кристалл в твердом состоянии. При этом для всех, вероятно, жидкостей с приближением в точке кристаллизации расположение молекул меняется, приближаясь к тому, какое имеет место в кристаллах того же вещества.

На структуру жидкости можно воздействовать не только изменением температуры. Вводя, например, электролиты, мы можем заметно влиять на степень упорядоченности молекул, понижая ее или повышая (Майер – растворы электролитов в воде и Стюарт – растворы LiCl в нормальных спиртах).

Стюарт полагает, что в настоящее время рентгеновские данные о природе квазикристаллических образований допускают два возможных их истолкования. Одно из них заключается в том, что в жидкости в областях порядка 10 –20 А^ОО господствует упорядоченность рассеивающих центров, приближающуюся очень близко к кристаллической. Вся жидкость при этом может рассматриваться состоящей из собрания очень мелких кристалликов, разделенных в отличие от твердых поликристаллических тел аморфными прослойками.

Другая точка зрения на молекулярную упорядоченность в жидкостях соответствует так называемому сиботаксическому состоянию жидкости.

В какой – либо момент времени вся жидкость представляется с этой точки зрения состоящей из небольших областей, в которых молекулы упорядочены. При этом молекулы, постоянно смещаясь, не пребывают продолжительное время в одной и той же сиботаксической группе. Последние так же не представляют из себя образований, существующих продолжительное время.[7]