1. Предмет химии твёрдого тела

Химия твёрдого тела имеет дело со всем, что касается получения структурных свойств и применения материалов, находящихся в твёрдом состоянии.

Проблемы, связанные с твёрдофазным состоянием веществ, интересуют многих специалистов, работающих в таких взаимопроникающих направлениях, как физика и химия твёрдого тела, материаловедение, минералогия, металлургия, технология керамики и др.

В ХХ в. после открытия квантовой механики активно развивалась физика твёрдого тела – подраздел физики конденсированных сред. Её задачей является описание физических свойств твёрдых тел с точки зрения их атомарного строения.

Материаловедение рассматривает свойства твёрдых тел – твёрдость, предел прочности, сопротивление нагрузкам, фазовые превращения. Это значительным образом совпадает с вопросами, изучаемыми физикой твёрдых тел.

Химия твёрдого тела, выделившись как самостоятельное направление физической химии сравнительно недавно, перекрывает вопросы, рассматриваемые обоими названными выше разделами знаний, и, что особенно важно, рассматривает также вопросы синтезирования новых материалов.

По мнению известного учёного из Великобритании А.Веста (Antony R.West, Department of Chemistry University of Aberdeen), химия твёрдого тела занимает центральное место среди других смежных дисциплин.

В настоящее время известны 118 элементов (112 признаны Международным союзом теоретической и прикладной химии). 98 из них относят к металлам. Химические элементы образуют около 500 простых веществ. В обычных условиях простые вещества одиннадцати элементов – газы (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, Xe, Rn), двух – жидкости (Br, Hg), а остальных – твёрдые тела.

Твёрдые тела следует трактовать как сложную многоуровневую иерархическую систему, общий вид которой отражен в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Иерархия структурных уровней твёрдых тел

Структурный уровень системы	Выделенный структурный элемент	Диапазон размеров
Субатомный, или электронный	Электронная орбиталь	0,05 – 0,10 нм
Атомно-молекулярный	Атомы, молекулы, точечные дефекты	0,1 – 1,0 нм
Макромолекулярный, кластерно-дефектный	Макромолекулы, кластеры, дислокации	0,5 – 5,0 нм
Субмикроскопический (нанокристаллический)	Субзерна, нанозерна, блоки, наночастицы	5 – 200 нм
Микроскопический, зеренно-гетерофазный	Частицы порошка, зерна	>200 нм – 100 мкм
Мезоскопический	Эвтектические колонии, скопления зерен и частиц	10 – 500 мкм
Макроскопический	Выделенные фрагменты, слои	Размер образца

Разнообразие структурных состояний позволяет гибко и многосторонне с помощью внешних воздействий управлять физическими, физико-механическими, физико-химическими и другими свойствами твёрдых тел. При заданном или выбранном химическом составе варьирование структуры дает возможность изменять свойства твёрдых тел в широких пределах и добиваться наиболее благоприятного их сочетания.

Всеми аспектами создания, изучения и применения твёрдых тел с различными, в том числе заданными структурой и свойствами, занимается современная химия твёрдого тела.

Многие известные твёрдые тела имеют кристаллическую структуру.

На 01.01.2009 г. была установлена кристаллическая структура около 425 тыс. различных химических соединений. Из них 42% – органические и 58% – неорганические (в том числе минералы и металлические соединения).

Металлические твёрдые тела являются предметом изучения химии твёрдого тела, когда речь идёт об их кристаллической структуре, о дефектообразовании в кристаллах, об образовании твёрдых растворов, о фазовых переходах и диаграммах состояния.

Органические твёрдые тела попадают в поле зрения химии твёрдого тела, когда они проявляют интересные физические свойства (например, высокую электропроводимость), когда реакции между ними зависят от геометрических особенностей упаковки молекул в кристалле.

Минералы рассматриваются в химии твёрдого тела постольку, поскольку они представляют собой неорганические соединения.

Однако не все объекты химии твёрдого тела – кристаллические вещества. Химия твёрдого тела рассматривает также твёрдые тела, находящиеся в аморфном или стеклообразном состоянии.

Центральным вопросом химии твёрдого тела является разнообразие и сложность структурных типов твёрдых тел. Выяснение взаимосвязи структуры и свойств твёрдофазных материалов – одна из фундаментальных задач химии твёрдого тела.

Важное значение имеют правильные представления о взаимодействиях и прочности связей в твёрдых телах.

Изучение взаимосвязей между структурой и свойствами твёрдых тел – плодотворное научное направление в разработке материалов с необычным сочетанием свойств, в том числе в «инженерии кристаллов» – новом развивающемся направлении химии твёрдого тела, задача которого – создание материалов со специфической структурой и свойствами.

Особо важное место в химии твёрдого тела занимают вопросы дефектов и дефектообразования. Всем без исключения твёрдым телам присущи структурные дефекты, что оказывает огромное влияние на многие их свойства – электропроводимость, механическую прочность, реакционную способность. С дефектообразованием связано существование твёрдых растворов, характеризующихся переменным составом твёрдой фазы при сохранении типа кристаллической решётки. Меняя состав в пределах твёрдого раствора, удаётся регулировать и модифицировать в практических целях многие свойства материалов.

Методы анализа и изучения твёрдых тел отличаются от традиционных, используемых в «нетвёрдотельной» химии. Главенствующая роль отводится различным дифракционным методам, в первую очередь, рентгеновской дифракции (методы фазового анализа) и электронной микроскопии. Спектроскопические методы, т.е. методы элементного анализа, имеют более скромное значение.

Получение различных типов материалов сопряжено с применением специальных препаративных методов. Выбор способа получения того или иного твёрдого вещества влияет на его свойства. Арсенал препаративных методов химии твёрдого тела включает многие уникальные приёмы, не встречающиеся в других областях химии. Препаративные методы, используемые химией твёрдого тела, позволяют получать твёрдые вещества в разных формах.

Кристаллические твёрдые тела могут быть получены в виде:

• монокрикристаллов максимально возможной чистоты и минимальной дефектности;

• монокристаллов с дефектной структурой, созданной путём целенаправленного введения определённых примесей;

• порошков, состоящих из большого числа маленьких кристалликов;

• поликристаллических изделий, состоящих также из большого числа кристалликов с различной ориентацией, но плотно и прочно связанных между собой;

• тонких плёнок.

Из некристаллических (аморфных и стеклообразных) материалов также могут быть изготовлены как объёмные изделия, так и тонкие плёнки.

Многообразие видов и структур твёрдых тел предопределяет классификацию их по различным признакам и свойствам. В частности, кристаллические тела классифицируют по симметрии кристаллов (например, кубические, тетрагональные, ромбические, гексагональные) либо по осуществляемому в них типу химической связи. Оба эти вида классификации взаимно дополняют друг друга. Классификация по симметрии удобна при оценке оптических свойств кристаллов, каталитической активности кристаллических веществ и др. Оценку теплот плавления, твердости, электрической проводимости, теплопроводности, растворимости удобнее проводить на основании типа связи в кристалле.

Классифицируют кристаллические твёрдые тела также по другим признакам.