Глава IX. Жидкости и твердые тела

§ 51. Особенности строения жидкостей и твердых тел

Прежде всего следует еще раз подчеркнуть, что газ, жидкость и твердое тело представляют собой агрегатные состояния вещества и в этом смысле между ними нет непреодолимого различия: всякое вещество в зависимости от температуры и давления может находиться в любом из агрегатных состояний. Вместе с тем между газообразным, жидким и твердым телами имеются существенные различия. Поскольку у твердых и жидких тел есть много общих свойств, имеет смысл рассматривать в нашем курсе эти два агрегатных состояния совместно.

Существенное различие между газом с одной стороны и твердым и жидким телами с другой стороны состоит в том, что газ занимает весь предоставленный ему объем сосуда, тогда как жидкость или твердое тело, помещенные в сосуд, занимают в нем лишь вполне определенный объем. Это обусловлено различием в характере теплового движения в газах и в твердых и жидких телах.

Молекулы газа практически не связаны между собой межмолекулярными силами (см. §35). Во всяком случае средняя кинетическая энергия теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии обусловленной силами сцепления между ними Поэтому молекулы газа совершают сравнительно большие свободные пробеги, «разлетаясь» друг от друга так далеко, как позволяет размер сосуда, и занимая весь его обьем. В соответствии с этим диффузия в газах протекает достаточно быстро.

В твердых и жидких телах силы сцепления между молекулами (атомами, ионами) играют уже существенную роль, удерживая их на определенных расстояниях друг от друга (см. § 35, рис. 67, а). В этих телах средняя потенциальная энергия, обусловленная силами сцепления между молекулами, больше средней кинетической энергии теплового движения молекул Иначе говоря, в среднем кинетическая энергия молекул недостаточна для преодоления сил притяжения между ними.

Благодаря плотной «упаковке» молекул в жидкости они уже не совершают свободных пробегов, а как бы «толкутся» на месте (колеблются около некоторого положения равновесия). Лишь время от времени молекула вследствие благоприятной комбинации столкновений может перейти на новое место на расстояние, сравнимое с размером самой молекулы. Естественно, что диффузия в жидкостях протекает значительно медленнее, чем в газах.

В твердом теле частицы (молекулы, атомы, ионы) расположены в геометрически строго определенном порядке, образуя так называемую кристаллическую решетку. Частицы совершают колебательные движения около своих положений равновесия. Переходы частиц с места на место в твердом теле возможны, но весьма редки. Поэтому, хотя диффузия существует и в твердых телах, она протекает здесь еще медленнее, чем в жидкостях.

Физическую сущность различия между твердым, жидким и газообразным состояниями вещества можно еще нагляднее объяснить с помощью потенциальной кривой взаимодействия молекул, с которой мы уже знакомились в § 35 (см. рис. 67, б). Воспроизведем эту кривую с некоторыми дополнениями (рис. 93).

По оси ординат отложены значения потенциальной энергии взаимодействия молекул, по оси абсцисс — расстояния между молекулами. Значения средней кинетической энергии теплового движения молекул будем для удобства сравнения откладывать от уровня дна В потенциальной ямы.

Если средняя кинетическая энергия теплового движения молекул значительно меньше глубины потенциальной ямы то молекулы совершают небольшие колебания, оставаясь в нижней части потенциальной ямы (ниже уровня Этот случай соответствует твердому состоянию вещества.

Рис. 93

Если средняя кинетическая энергия теплового движения молекул немного меньше глубины потенциальной ямы то молекулы совершают значительные колебательные движения, но все останутся в пределах потенциальной ямы. Этот случай соответствует жидкому состоянию вещества.

Если же средняя кинетическая энергия теплового движения молекул значительно больше глубины потенциальной ямы то молекулы вырвутся из нее и, утеряв взаимосвязь, будут двигаться свободно (совершать свободные пробеги). Этот случай соответствует газообразному состоянию вещества.

Таким образом, существенное различие между газом с одной стороны и твердым и жидким телами с другой стороны обусловлено тем что у молекул газа значение средней кинетической энергии теплового движения больше глубины потенциальной ямы, а у молекул твердого и жидкого тел — меньше глубины потенциальной ямы.

Благодаря тому что молекулы твердого тела связаны между собой прочнее, чем молекулы жидкости, для твердого тела в отличие от жидкости характерно постоянство не только объема, но и формы. Рассмотрим несколько подробнее вопрос о кристаллическом строении твердого тела.

Характерным внешним признаком кристалла является его геометрически правильная форма (рис. 94). Так, например, кристалл поваренной соли имеет форму куба (а), кристалл льда — форму шестигранной призмы кристалл алмаза — форму октаэдра (восьмигранника, в) и т. д. У каждого кристаллического вещества угол между ограничивающими его поверхностями (гранями) имеет строго

определенное значение (у поваренной соли — 90°, у льда — 120° и т. п.). Кристаллы легко раскалываются по определенным плоскостям, называемым плоскостями спайности. При этом получаются кристаллики меньшего размера, но той же формы. Так, при дроблении кристалла поваренной соли образуются мелкие кубики и прямоугольные параллелепипеды.

Рис. 94

Отмеченные факты навели в свое время на мысль о том, что кристаллическое тело построено из элементарных ячеек (кубиков, или шестигранных призм, или октаэдров и т. п. плотно приложенных друг к другу. А это означает, что в кристаллическом теле частицы (молекулы или атомы, или ионы) расположены в строго симметричном порядке относительно друг друга, образуя пространственную, или кристаллическую, решетку; места расположения частиц называются узлами решетки.

Рис. 95

Эта гипотеза была высказана в 1848 г. французским кристаллографом Браве.

Примером простейшей пространственной решетки может служить кристаллическая решетка поваренной соли (рис. 95, а). Ее элементарная ячейка с ребром а (выделена на рисунке полужирными линиями) образована положительными ионами натрия и отрицательными ионами хлора, расположенными в вершинах куба.

Формы пространственных решеток могут быть разнообразными, но не любыми: необходимо, чтобы элементарные ячейки, составляющие решетку, вплотную, без зазоров прикладывались друг к другу, что соответствует минимуму потенциальной энергии решетки. Требуемым образом можно, например, уложить кубические ячейки и ячейки в виде шестигранных призм (рис. 95, б и в), но нельзя уложить ячейки в виде пятигранных призм (рис. 95, г).

В 1890 г. Е. С. Федоров теоретически рассчитал все возможные формы кристаллических решеток, ячейки которых допускают плотную упаковку, и установил, что в природе может существовать только 230 различных видов кристаллических решеток, образующих 32 класса симметрии. Проведенные в текущем столетии исследования кристаллов с помощью рентгеновских лучей (см. § 125) подтвердили, что кристаллы состоят из симметрично расположенных частиц (атомов, или молекул, или ионов), образующих кристаллическую решетку. Причем рентгеноструктурным анализом большого количества естественных и искусственных кристаллов было обнаружено только 230 различных видов кристаллических решеток — полное соответствие с теоретическими расчетами Е. С. Федорова.

Симметричность расположения частиц в кристаллической решетке обусловлена тем, что в этом случае силы взаимодействия (притяжения и отталкивания) между частицами уравновешиваются (см. § 35). При этом потенциальная энергия частиц минимальна.

Расстояния между частицами в кристалле малы — порядка размера самих частиц . Такого же порядка и расстояние между молекулами в жидкости, поскольку, как известно, при плавлении кристалла не происходит существенного увеличения его объема.

Рис. 96

Замечательной особенностью кристалла является его анизотропия; в различных направлениях кристалл обладает различными физическими свойствами. Так, например, всем без исключения кристаллам присуща анизотропия прочности; подавляющее большинство кристаллов анизотропно в отношении теплопроводности, электропроводности, лучепреломления и т. п. Анизотропия кристаллов объясняется в основном тем, что в пространственной решетке оказывается различным число частиц, приходящихся на одинаковые по длине, но различные по направлению отрезки, как это показано на рис. 96 (на горизонтальном отрезке решетки 8 частиц, на наклонном — 6 частиц, на другом наклонном — 3 частицы). Понятно, что различие в плотности расположения частиц кристаллической решетки по различным направлениям должно приводить и к различию во многих других свойствах по этим направлениям кристалла.

Кристаллическое состояние весьма распространено в природе: большинство твердых тел (минералы, металлы, растительные волокна, белковые вещества, сажа, резина и т. д.) являются кристаллами. Однако не у всех этих тел одинаково отчетливо выражены рассмотренные ранее кристаллические свойства. В этом отношении тела подразделяют на две группы: монокристаллы и поликристаллы. Монокристалл — тело, все частицы которого укладываются в одну общую пространственную решетку. Монокристалл анизотропен. Монокристаллами

является большинство минералов. Поликристалл — тело, состоящее из множества мелких монокристалликов, беспорядочно расположенных друг относительно друга. Поэтому поликристаллы изотропны, т. е. обладают одинаковыми физическими свойствами по всем направлением. Примером поликристаллов могут служить металлы. Однако металл можно получить и в виде монокристалла, если обеспечить медленное охлаждение расплава, предварительно введя в него один кристаллик данного металла (так называемый зародыш). Вокруг этого зародыша и будет расти металлический монокристалл.

В зависимости от того, из каких именно частиц образована кристаллическая решетка, различают четыре основных группы решеток: ионную, атомную, молекулярную и металлическую.

Ионная решетка образована разноименно заряженными ионами, удерживающимися в узлах решетки электрическими силами. Ионную решетку имеет подавляющее большинство кристаллов.

Атомная решетка образована нейтральными атомами, удерживающимися в узлах решетки химическими (валентными) связями: у соседних атомов обобществлены внешние (валентные) электроны. Атомную решетку имеет, например, графит.

Молекулярная решетка образована полярными (дипольными) молекулами (см. § 81), удерживающимися в узлах решетки также электрическими силами. Однако для полярных молекул действие этих сил сказывается слабее, чем для ионов. Поэтому вещества с молекулярной решеткой сравнительно легко деформируются. Молекулярную кристаллическую решетку имеет большинство органических соединений (целлюлоза, резина, парафин и т. п.).

Металлическая решетка образована положительными ионами металла, окруженными свободными электронами. Эти электроны и связывают между собой ионы металлической решетки. Такая решетка свойственна металлам.

Современная физика считает твердыми телами именно кристаллические тела. Жидкостям, как уже отмечалось, свойственно беспорядочное расположение частиц, поэтому жидкости изотропны. Некоторые жидкости могут быть сильно переохлаждены, не переходя при этом в твердое (кристаллическое) состояние. Однако вязкость таких жидкостей столь огромна, что они практически теряют текучесть, сохраняя, как и твердые тела, свою форму. Подобные тела называются аморфными. Таким образом, современная физика считает аморфные тела переохлажденными жидкостями, обладающими огромной вязкостью. К аморфным телам относятся, например, вар, стекло, смола-канифоль и т. п. Понятно, что аморфные тела изотропны. Следует, однако, иметь в виду, что аморфные тела могут с течением времени (длительного) переходить в кристаллическое состояние. В стекле, например, с течением времени появляются кристаллики: оно начинает мутнеть, превращаться в поликристаллическое тело.

В последнее время в технике широкое распространение получили органические аморфные вещества, отдельные молекулы которых

благодаря химическим (валентным) связям соединяются друг с другом (полимеризуются) в длинные цепочки, состоящие в некоторых случаях из многих тысяч отдельных молекул. Такие вещества называются полимерами Типичным представителем полимера являются пластмассы. Очень ценным свойством полимеров является их высокая эластичность и прочность. Некоторые полимеры, например, выдерживают упругое растяжение, в 2—5 раз превышающее их первоначальную длину. Эти свойства полимера объясняются тем, что длинные молекулярные цепочки могут при деформации сворачиваться в плотные клубки или наоборот, вытягиваться в прямые линии. В настоящее время из естественных и искусственных органических соединений создают полимеры с самыми разнообразными наперед заданными свойствами.