Тверді речовини

Більшість відомих речовин як природного, так і штучного походження, за звичайних умов знаходяться в твердому стані. З відомих на сьогодні близько 6 мільйонів хімічних сполук 95% - тверді речовини. Саме тому людина в своїй практичній діяльності переважно мала справу з твердими речовинами. Проте тверді речовини відігравали і відіграють особливу роль в історії людства і розвитку цивілізації не тільки тому, що їх набагато більше, ніж речовин в газовому та рідкому станах. Ще з доісторичних часів тверді речовини були основою матеріалів, які людина використовувала для виготовлення знарядь праці, предметів побуту, будівництва житла тощо і які зумовили розвиток цілих історичних епох людства. Так, кам’яний вік, бронзовий вік, залізний вік – це етапи становлення цивілізації, що дістали назву від того матеріалу, який лежав в основі життєдіяльності людини.

В наш час тверді речовини набули ще більшого значення, оскільки лежать в основі не тільки конструкційних, але й функціональних матеріалів.

Твердий стан речовини.

В твердих речовинах відстані між частинками найменші і за величиною мають такий самий порядок, що й самі частинки. Енергії взаємодії між частинками великі, внаслідок чого сили, що діють між ними, не дозволяють частинкам вільно рухатись. У твердому тілі частинки можуть тільки коливатись біля певних рівноважних положень, наприклад, біля вузлів кристалічної решітки. Нездатність частинок до переміщення зумовлює одну з найхарактерніших особливостей твердих речовин – наявність власної форми й об’єму. Тобто тверді речовини можуть «запам’ятовувати» форму і зберігати її протягом будь-якого часу. Здатність до стиснення у твердих речовин незначна, густина їх висока і мало змінюється із зміною температури. Всі процеси речовини в твердому стані, особливо хімічні, відбуваються дуже повільно.

Аморфний та кристалічний стан твердої речовини.

Залежно від характеру розміщення частинок у просторі тверде тіло може мати кристалічний або аморфний стан. Кристалічна речовина має впорядковану періодичну структуру. Впорядкованість структури полягає в тому, що частинки речовини (атоми, іони, молекули) закономірно розміщуються у просторі на певних відстанях і напрямках одна від одної (ближній порядок). Крім того, ця впорядкованість зберігається (періодично повторюється) у всьому об’ємі твердої речовини (дальній порядок). Тобто кристалічний стан речовини характеризується наявністю як ближнього, так і дальнього порядку розміщення частинок.

В кристалічних речовинах атоми, іони або молекули можуть знаходитись тільки в певних точках простору, що мають назву вузлів кристалічної решітки.

Аморфна речовина не має періодичної структури. Проте говорити про повну невпорядкованість розміщення частинок в аморфних речовинах не можна. Впорядкованість структури аморфних виявляється в закономірному розміщенні навколо кожної частинки її ближніх сусідів. Тобто аморфні речовини мають тільки ближній порядок і цим нагадують рідини. Тому аморфні речовини можна розглядати як переохолоджену рідину з дуже високою в’язкістю.

Характерною відмінністю кристалічних речовин від аморфних є анізотропія їхніх властивостей. Зокрема, більшість фізичних властивостей кристалів, таких як електро- і теплопровідність, міцність, оптичні властивості, у різних напрямках неоднакові. Анізотропія властивостей зумовлена внутрішньою будовою кристалів. У різних напрямках відстань між частинками в кристалі різна, тому й величина тієї або іншої властивості для цих напрямків буде різною. Аморфні тіла ізотропні, тобто їхні властивості в будь-якому напрямку однакові.

Аморфний стан речовини менш стабільний, ніж кристалічний, тому аморфні речовини можуть самочинно переходити в кристалічні. Для деяких речовин аморфний стан є найбільш характерним майже за всіх умов. Наприклад, переважно в аморфному стані існують такі речовини як скло (силікатне, боратне), смоли (синтетичні та природні), воски, більшість гідроксидів перехідних металів тощо. За певних умов в аморфному стані можуть перебувати майже всі речовини, за винятком металів та деяких іонних сполук.

Переважна більшість твердих речовин за звичайних умов існує в кристалічному стані.

Найсильніша взаємодія між частинками виникає у кристалічній речовині. Енергія взаємодії така, що утворюється система «кристал» з мінімальною вільною енергією. Отже, кристалічна структура є найвигіднішою з усіх можливих станів речовини.

Частинки речовини в кристалі закономірно розміщені у просторі одна відносно одної і утворюють кристалічну гратку. Найменша частина кристала, що відображає його будову, називається елементарною коміркою. Таким чином, кристал складається з n елементарних комірок, які утворюють кристалічну гратку. Точки просторової гратки, в яких знаходяться частинки, називаються вузлами. Площини, що проходить через ці точки і обмежують кристал, називаються гранями, а лінії перетину граней (лінії, де сходяться грані), називають ребрами. Рух частинок кристала обмежений, і його можна розглядати як коливний.

Кристалічні речовини можуть існувати у вигляді моно- або полікристалів. Монокристали характеризуються регулярністю розміщення атомів, іонів, молекул у всьому об’ємі зразка. В полікристалах регулярні ділянки структури існують у певних межах, після яких орієнтація регулярності різко змінюється. Полікристалічні зразки – агрегати значної кількості дрібних, по-різному орієнтованих кристалів неправильної форми. Поодинокі кристали правильної форми (монокристали) іноді трапляються у природі (алмаз, кварц, пірит тощо), або вирощуються штучно в лабораторіях.

Поліморфізм і ізоморфізм. Здатність однієї і тієї ж речовини утворювати, залежно від умов, різні кристалічні форми, зветься поліморфізмом. Різні кристалічні форми однієї і тієї ж речовини називають поліморфними модифікаціями, наприклад, алмаз, графіт, карбін - поліморфні форми карбону (вуглецю). Протилежним поліморфізму явищем є ізоморфізм - існування різних речовин в одній і тій же кристалічній формі (“рівноформеність”), а самі речовини називаються ізоморфними.