СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ
По сравнению с двумя другими состояниями вещества - газообразным и жидким - твердые вещества имеют наибольшую упорядоченность. Именно этой высокой упорядоченностью объясняются многие физические свойства твердых веществ.
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. По сравнению с газами и жидкостями твердые вещества могут выдерживать значительные внешние нагрузки. Плотность каждого вещества в твердом состоянии значительно больше, чем в газообразном состоянии, и несколько больше, чем в жидком. Исключение составляет вода, которая в жидком состоянии обладает большей плотностью, чем лед. Кристаллические твердые вещества имеют строго определенную температуру плавления, но аморфные твердые вещества, как, например, стекла, размягчаются в некотором интервале температур.
Все твердые вещества характеризуются определенным давлением пара, хотя оно, как правило, очень мало. Это особенно относится к твердым веществам ионного типа.
Все частицы (атомы, ионы либо молекулы) в кристаллической решетке твердых тел совершают колебательные движения. Иногда какая-либо частица на поверхности твердого вещества приобретает достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть силы притяжения, связывающие ее в твердом веществе. Тогда она улетает с поверхности. Именно такие улетающие с поверхности частицы обусловливают давление пара над поверхностью твердых веществ.
Энтальпии 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 нагрузкой. Такое свойство называется хрупкостью. Другие, как, например, резина, являются упругими. После удаления внешней нагрузки они приобретают свою первоначальную форму. Многие металлы обладают свойствами ковкости и тягучести. Ковкий металл можно превратить ударами в тонкий лист, а тягучий металл вытянуть в тонкую проволоку.
Твердые вещества сильно различаются по способности проводить тепло и электрический ток. Все металлы обладают хорошей теплопроводностью и электропроводностью. Неметаллические вещества, как правило, являются изоляторами (диэлектриками), хотя, как мы уже упоминали, графит проводит электрический ток. Графит - пример анизотропного вещества: его свойства неодинаковы в разных направлениях. Например, графит проводит электрический ток только вдоль своих слоев. Кристаллы могут обладать и другими анизотропными свойствами. Например, их показатель преломления (света) может изменяться в зависимости от направления.
Если свойства какого-либо вещества одинаковы во всех направлениях, такое вещество называется изотропным. Кубические кристаллы изотропны, поскольку они обладают высокой симметрией.
Физические свойства твердых веществ в большой степени зависят от типа химической связи и от структуры. Соотношение между типом химической связи и свойствами веществ обсуждалось в гл. 2. Наблюдаемые при этом закономерности указаны в табл. 3.9.
Таблица 3.9. Структура и свойства твердых веществ
Итак, повторим еще раз!
1. Для определения структуры кристаллов используется метод изучения дифракции рентгеновских лучей (рентгеноструктурный анализ).
2. Дифракция рентгеновских лучей описывается уравнением Брэгга-Вульфа
3. Расположение частиц в кристалле описывается на основе представления о кристаллической решетке. Кристаллическую решетку можно представить себе как результат бесконечного повторения в пространстве элементарной ячейки.
4. По типу химической связи все кристаллы подразделяются на металлические, ионные и ковалентные.
5. Наиболее плотным способом упаковки катионов в одном слое металлического кристалла является гексагональная упаковка. Наиболее плотными способами упаковки катионов в решетке металлического кристалла являются гексагональная плотная упаковка либо гранецентрированная кубическая упаковка.
6. Координация и кристаллическая структура ионных решеток определяются главным образом двумя факторами:
а) отношением числа катионов к числу анионов,
б) отношением ионных радиусов.
7. Двумя наиболее распространенными структурными типами ионных кристаллов являются объемноцентрированная кубическая и гранецентрированная кубическая структуры.
8. Ковалентные кристаллы подразделяются на молекулярные и макромолекулярные (координационные).
9. Макромолекулярные кристаллы подразделяются на кристаллы с цепочечной, слоистой и каркасной (координационной) структурой.
10. Химический элемент, который может существовать в нискольких кристаллических формах, проявляет аллотропию.
11. Химическое соединение, которое может существовать в нескольких кристаллических формах, проявляет полиморфизм.
