| Характеристика твёрдого состояния вещества. Кристаллические тела, анизотропия монокристаллов. Виды кристаллических структур. Аморфные тела.
Агрегатные состояние вещества Таганрогский государственный радиотехнический Университет Реферат по Естествознанию на тему : Агрегатное состояние веществ. Димитров В.И. Группа М-78 Таганрог 1999 г. Агрегатные Состояния вещества(от лат. Aggrego -присоединяю, связываю), состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением его свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств. Все вещества (за некоторым исключением) могут существовать в трёх агрегатных состояниях - твёрдом, жидком и газообразном. Так, вода при нормальном давлении p= 10l 325 Па=760 мм ртутного столба и при температуре t=00 С. кристаллизуется в лёд, а при 100°С кипит и превращается в пар. Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму. Агрегатное состояние вещества зависит от физических условий, в которых оно находится, главным образом от температуры и от давления. Определяющей величиной является отношение средней потенциальной энергии взаимодействия молекул к их средней кинетической энергии. Так, для твёрдого тeла это отношение больше 1, для газов меньше 1, а для жидкостей приблизительно равно 1. Переход из одного агрегатного состояния вещества в другое сопровождается скачкообразным изменением величины данного отношения, связанным со скачкообразным изменением межмолекулярных расстояний и межмолекулярных взаимодействий. В газах межмолекулярные расстояния велики, молекулы почти не взаимодействуют друг с другом и движутся практически свободно, заполняя весь объём. В жидкостях и твёрдых телах -конденсированных средах - молекулы (атомы)расположены значительно ближе друг к другу и взаимодействуют сильнее. Это приводит к сохранению жидкостями и твёрдыми телами своего объёма. Однако, характер движения молекул в твёрдых телах и жидкостях различен, чем и объясняется различие их структуры и свойств. У твёрдых тел в кристаллообразном состоянии атомы совершают лишь колебания вблизи узлов кристаллической решётки; структура этих тел характеризуется высокой степенью упорядоченности - дальним и ближним порядком. Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Последние и обусловливают существование в жидкостях лишь ближнего порядка в расположении частиц, а также свойственные им подвижность и текучесть. Плавление - это переход вещества из твердого агрегатного состояния (см. Агрегатные состояния вещества) в жидкое. Этот процесс происходит при нагревании, когда телу сообщают некоторое количество теплоты +Q. Например, легкоплавкий металл свинец переходит из твердого состояния в жидкое, если его нагреть до температуры 327 С. Свинец запросто плавится на газовой плите, например в ложке из нержавеющей стали (известно, что температура пламени газовой горелки - 600-850°С, а температура плавления стали - 1300-1500°С). Если, плавя свинец, измерять его температуру, то можно обнаружить, что сначала он ... ИЛИ
Твердые вещества
Твердые вещества состоят из плотноупакованных частиц. Этими частицами могут быть атомы, молекулы или ионы. Большинство твердых веществ находится в кристаллической форме. Это означает, что образующие их частицы предельно упорядочены в регулярной пространственной структуре.
Существуют, однако, и такие твердые вещества, в которых частицы не настолько упорядочены, чтобы образовать регулярную кристаллическую структуру. Такие твердые вещества называют аморфными. Примером аморфного вещества является стекло, в котором частицы расположены беспорядочно. К аморфным веществам относится большинство полимеров. Полимерные молекулы имеют неодинаковые размеры и поэтому не способны плотно упаковаться с образованием упорядоченной структуры.
Одно время считалось, что древесный уголь, кокс и сажа (разные формы углерода) являются аморфными веществами. Однако рентгеноструктурный анализ показал, что все эти формы углерода состоят из мелких графитоподобных кристаллов.
Рассмотрим некоторые свойства, присущие твердым веществам.
По сравнению с двумя другими состояниями (газообразное и жидкое) твердые вещества имеют наибольшую упорядоченность. Именно этой высокой упорядоченностью объясняются многие физические свойства твердых веществ.
Вещества общей химической формулы (например, М Кисл. ост., где М – металл), имеющие кристаллическую решетку одного типа, называются изоморфными. Изоморфизм обнаруживается, например, у нитрата натрия NaNO3 и карбоната кальция СаСО3, находящегося в форме минерала кальцита. Оба этих вещества имеют ромбоэдрическую кристаллическую структуру.
Способность какого-либо соединения (сложного вещества) существовать в двух и более кристаллических формах называют полиморфизмом. Примером полиморфного соединения является кремнезем, или оксид кремния(IV) SiO2. В его каркасной ковалентной структуре каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, образуя тетраэдрическую упаковку. К числу кристаллических форм кремнезема относится кварц, который существует в нескольких полиморфных модификациях. При нагревании гексагональная структура кварца при 870 °С переходит в ромбическую, а затем при 1470 °С в кубическую. При 1710 °С кварц плавится. Температура, при которой одна форма превращается в другую, называется температурой перехода.
Если какой-либо химический элемент может существовать в виде двух или нескольких простых веществ (например, кислород и озон), то считается, что он проявляет аллотропию. Различные формы одного элемента называют аллотропами. Аллотропия может быть обусловлена образованием кристаллов различной модификации (например, алмаз и графит). В этом примере аллотропия – частный случай полиморфизма. Аллотропия известна для приблизительно половины элементов.
Например, углерод существует в виде либо алмаза, либо графита. Сера может находиться в двух кристаллических формах – ромбической и моноклинной – в зависимости от температуры (рис. 8.4). Рис. 8.4.
Ромбическая (а) и моноклинная (б)
аллотропные модификации серы
Обе кристаллические формы серы являются примерами молекулярных кристаллов. Молекулы в них представляют собой гофрированные циклы, в каждом из которых содержится по восемь ковалентно связанных атомов серы:
Твердая сера может существовать также в третьей аллотропной форме – пластической серы, состоящей из длинных цепочек атомов серы. Эта форма является самой неустойчивой. Уже при комнатной температуре цепочки пластической серы разрушаются, образуя молекулы S8, кристаллизирующиеся в ромбическую структуру серы.
Фосфор также может существовать в трех аллотропных формах. Красный фосфор имеет каркасную кристаллическую структуру, в которой каждый атом ковалентно связан с тремя другими атомами фосфора. Белый фосфор представляет собой молекулярный кристалл, каждая молекула которого содержит четыре атома фосфора, ковалентно связанных в тетраэдрическую структуру. Третий аллотроп – черный фосфор – образуется из белого и красного при высоких давлениях и существует в виде макромолекулярной слоистой структуры.
Сжимаемость твердых веществ практически равна нулю. Все твердые вещества имеют определенный объем. Одним из наиболее известных свойств твердых веществ является их способность сохранять свою форму. В отличие от жидкостей и газов твердые вещества способны выдерживать значительные внешние нагрузки. Плотность каждого вещества в твердом состоянии значительно выше, чем в газообразном, и несколько больше, чем в жидком (исключением является вода, которая обладает большей плотностью, чем лед).
Кристаллические твердые вещества имеют строго определенную температуру плавления. Аморфные вещества, например стекла, размягчаются в интервале температур.
Все твердые вещества характеризуются давлением пара, хотя оно, как правило, очень мало. Особенно мало давление пара у твердых веществ с ионной кристаллической решеткой.
Энтальпии (теплоты) плавления твердых веществ намного меньше, чем энтальпии испарения соответствующих жидкостей.
Твердые вещества могут значительно отличаться друг от друга по своим пластическим свойствам. Некоторые из них, например ионные вещества, обычно раскалываются под большой нагрузкой. Такое свойство называется хрупкостью. Другие, например резина, являются упругими. После удаления внешней нагрузки они приобретают первоначальную форму.
Многие металлы обладают свойствами ковкости и тягучести. Ковкий металл можно сплющить в тонкий лист, а тягучий вытянуть в тонкую проволоку.
Различаются твердые вещества и по способности проводить тепло и электрический ток. Металлы обычно обладают хорошей тепло- и электропроводностью. Неметаллические вещества хуже проводят тепло и являются изоляторами.
Если свойства кристалла зависят от направления в пространстве, то он называется анизотропным. Так, графит проводит электрический ток только вдоль своих слоев. Вещество, свойства которого одинаковы во всех направлениях, называется изотропным.
Физические свойства твердых веществ в значительной степени зависят от типа химической связи и структуры. Наблюдаемые при этом закономерности отражены в табл.
|
