§ 9. Кристалічний і аморфний стани твердих речовин

За внутрішньою будовою і фізичними властивостями розрізняють два стани твердих речовин: аморфний і кристалічний.

• структурні одиниці розташовані в чіткому порядку — утворюють кристалічні ґратки;

• мають певну температуру плавлення;

• утворюють кристали певної форми;

• у разі руйнування кристалічної речовини кристали розпадаються на окремі шматочки, кожен із яких зберігає хоча б частково форму початкового кристала;

• приклади речовин: природні мінерали, кухонна сіль, цукор.

Структурні одиниці в кристалічних речовинах утворюють правильні геометричні фігури

• не мають чіткої просторової структури — структурні одиниці розташовані невпорядковано;

• плавляться в певному діапазоні температур;

• за нагрівання спочатку розм’якшуються;

• у разі руйнування утворюються уламки неправильної форми, зазвичай із нерівною поверхнею країв сколу;

• приклади речовин: скло, смоли, бурштин, застиглі лаки, клеї, каучук.

Аморфні речовини не мають чіткої просторової структури, а утворені з невпорядкованих частинок (атомів чи молекул)

Аморфні речовини за внутрішньою будовою нагадують рідини, тільки не можуть текти. Під час нагрівання вони поступово розм’якшуються і нарешті стають рідкими. Аморфним речовинам, як і рідинам, можна надати будь-якої форми.

За певних умов речовина може з кристалічної перетворюватися на аморфну, і навпаки. Звичайне скло — аморфна речовина, але з часом силіцій(IV) оксид у його складі набуває кристалічної форми. Через це старі склянки під час наливання в них окропу лопаються набагато частіше, ніж нові. Цукор — кристалічна речовина. Але якщо його розплавити та швидко охолодити, то він застигає в аморфному стані. З такого цукру можна виготовляти льодяники, карамельки тощо (мал. 9.1).

Мал. 9.1. Кристалічний цукор (а) після розплавляння та швидкого охолодження стає аморфною речовиною, з якої легко виготовляти льодяники (б) та карамельки (в)

Ключова ідея

Для аморфних речовин порядок у розташуванні частинок характерний тільки на відстані однієї-двох структурних частинок. У кристалічних речовинах порядок розташування частинок характерний для всього об’єму монокристала.

Контрольні запитання

117. Назвіть спільні властивості всіх твердих речовин.

118. Які речовини називають кристалічними, а які — аморфними?

119. Назвіть ознаки кристалічних та аморфних речовин. Наведіть приклади таких речовин.

Завдання для засвоєння матеріалу

120. Схарактеризуйте основні відмінності у фізичних властивостях кристалічних та аморфних речовин.

121. Визначте спільні та відмінні риси в рідин та твердих аморфних речовин.

122. Чи є аморфними речовинами віск, парафін, сухий лід, поліетилен, скло, кухонна сіль, тверде мило? Відповідь обґрунтуйте.

Завдання з розвитку критичного мислення

123. Як ви вважаєте, чому аморфні речовини не мають чіткої температури плавлення? Чому кристалічні речовини не розм’якшуються перед плавленням?

124. Як ви розумієте твердження: «Кристалічним речовинам не можна надати будь-якої форми»?

125. Як ви вважаєте, чому за швидкого охолодження розплавленого цукру він застигає в аморфному стані, а не в кристалічному?

126. Аморфний стан характерний для бурштину, бітумів, асфальтів, вищих алканів тощо. Які особливості молекул цих речовин зумовлюють їх існування в аморфному стані?

127. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та проаналізуйте, як узгоджується ключова ідея цього параграфа з твердженням: «для кристалічних речовин характерний дальній порядок розташування частинок, а для аморфних — ближній».

Будова та властивості твердих тіл

тіло, частинки якого утворюють єдину кристалічну ґратку.

об’єднання дрібних кристалів, які розміщені у певному порядку

тверде тіло, частинки якого утворюють єдину кристалічну ґратку.

кристал у якого властивості неоднакові у всіх напрямах

Залежність фізичних властивостей кристала від обраного в ньому напрямку – .

Які з поданих тіл відносяться до аморфних?

Оберіть приклади прояву анізотропії кристалів

Аморфні тіла ізотропні тому що .

у них зберігається ближній і дальній порядок розташування частинок

у них зберігається лише ближній порядок розташування частинок

не мають певної температури плавлення

мають певну кристалічну гратку

Поліморфізм – явище властиве . тілам, які мають однаковий . склад, однак через різну . відрізняються своїми . властивостями

твердим. хімічний . будову . фізичними

твердим . фізичний . температуру плавлення . хімічними

кристалічним . хімічний . структуру кристалічних ґраток . фізичними

кристалічним . фізичний . будову кристалічних ґраток . хімічними

Які з поданих тіл відносяться до кристалічних?

Монокристали є . тому що .

ізотропними . монокристали мають плоскі грані

анізотропними . відстані між його частинками в різних напрямках різні

ізотропними . відстані між його частинками в різних напрямках однакові

анізотропними . відстані між його частинками в різних напрямках однакові

Оберіть правильні твердження:

рідкі кристали анізотропні

рідкі кристали ізотропні

у електичних полях молекули рідких кристалів змінюють орієнтацію

рідкі кристали змінюють колір при нагріванні

рідкі кристали не змінюють колір при нагріванні

Якщо у пересичений розчин солі помістили кульку, вирізану з монокристалу солі, то .

монокристал стане кулею більшого розміру.

монокристал набуде форми куба.

Рідкий кристал — стан речовини, який поєднує .

незмінність об’єму рідини й анізотропію твердого тіла.

анізотропію кристалів й плинність рідини .

плинність рідини й ізотропію твердого тіла.

крісталічність твердого тіла й ближній порядок рідини

Яка різниця в будові частинки цукрового піску і кубіка цукру-рафінаду?

частинки цукрового піску-монокристал, кубик цукру-рафінаду-полікристал

частинки цукрового піску-полікристал, кубик цукру-рафінаду-монокристал

Створюйте онлайн-тести
для контролю знань і залучення учнів
до активної роботи у класі та вдома

§ 9. Будова твердих тіл. Кристалічні та аморфні тіла

1. Тверді тіла, що оточують нас, мають різну будову. Однак можна виділити велику групу твердих тіл, що мають правильну геометричну форму. Такі тверді тіла називають кристалами, або кристалічними тілами. Вам доводилося спостерігати кристали льоду, цукру, кухонної солі. На рисунку 21 показано, як виглядають деякі кристали. Правильна зовнішня форма кристалів пояснюється тим, що частинки, з яких вони складаються, розташовані в певному порядку одна відносно одної, на строго певній відстані одна від одної. Важливо, що цей порядок у розташуванні частинок повторюється.

Рис. 21

Якщо подумки з’єднати лініями положення рівноваги частинок, то отримаємо просторову кристалічну ґратку. Кристалічна ґратка — властиве кристалічній речовині правильне розташування частинок, що повторюється. Приклади кристалічних ґраток наведені на рисунках 22, 23.

Рис. 22

Рис. 23

2. У вузлах кристалічної ґратки можуть перебувати атоми, молекули або йони. Відповідно існують атомні, молекулярні та йонні кристали.

Прикладом атомного кристала є кристал алмазу (див. рис. 22), який складається з атомів карбону. Кристал графіту (див. рис. 23) теж складається з атомів карбону, але має іншу будову, тому алмаз і графіт мають різні властивості. Так, алмаз значно твердіший за графіт.

Кристал кухонної солі — йонний кристал. Його кристалічна ґратка складається з йонів натрію та йонів хлору.

Олександр Смакула (1900-1983) – український фізик, народився в с. Добриводи на Тернопільщині, працював у США. Відомий своїми роботами в оптиці та у вивченні кристалів.

3. У природі можна зустріти тверді тіла, що складаються з одного кристала. їх називають монокристалами (від грецького «monos» — один, єдиний).

У вигляді окремих монокристалів існують кухонна сіль, цукровий пісок, кварц та ін.

Значно частіше тверде тіло представляє собою безліч зрощених кристалів. Такі тіла називають полікристалами (від грецького «polys» — багато). До полікристалів належать, наприклад, метали.

4*. Властивості монокристалів різні в різних напрямках. Так, пластинка слюди легко розшаровується на тонкі листи вздовж певного напрямку. В інших напрямках це зробити значно важче. Властивості полікристалів, які не піддавались спеціальній обробці, однакові в усіх напрямках. Відмінність властивостей монокристалів у різних напрямках пов’язана з їхньою правильною будовою. Якщо в монокристалі виділити кілька напрямків і провести прямі, то на них буде розташовуватися різна кількість частинок (рис. 24). Відповідно відстані між частинками і сили взаємодії між ними в різних напрямках будуть різні. Це і призводить до того, що властивості монокристалів у різних напрямках неоднакові.

Інша річ — полікристал. Оскільки він складається з безлічі кристалів, то на прямих, проведених у різних напрямках, знаходиться одна і та ж кількість частинок (рис. 25). Цим і визначається однаковість властивостей полікристалів у різних напрямках.

Лев Шубніков (1901-1937) – український фізик у галузі фізики низьких температур. Працював над вирощуванням монокристалів металів.

5. Якщо розглянути шматок цукру та льодяник, то можна помітити, що їхня будова різна. Цукор-рафінад має кристалічну будову. Льодяник же не має такого порядку в будові. У цьому випадку одна і та ж речовина знаходиться в різних станах: цукор-рафінад — в кристалічному, а льодяник — в аморфному. До тіл, що зазвичай знаходяться в аморфному стані, належать скло, вар, бурштин, більшість пластмас.

Рис. 24

Рис. 25

Аморфний стан характеризується відсутністю порядку в розташуванні частинок. Деякі властивості аморфних тіл такі ж, як у кристалічних, інші — схожі на властивості рідин. Так, при різкому ударі шматочок вару можна розділити на частини. При тривалій же дії буде проявлятися така його властивість, як плинність. Якщо помістити вар у посудину, то з часом він набуде форму посудини.

Будова аморфних тіл подібна до будови рідин: молекули коливаються близько положень рівноваги і час від часу здійснюють переходи з одного місця на інше.

Речовина може переходити з аморфного стану в кристалічний і назад. Так, якщо розплавити шматок цукру-рафінаду, а потім дати йому можливість застигнути, то вийде льодяник. На його поверхні з плином часу утворюються кристалики цукру.

Запитання для самоперевірки

• 1. Які тіла називають кристалічними?
• 2. Порівняйте будову кристалічних і аморфних тіл.
• 3. Наведіть приклади тіл у кристалічному і аморфному станах.
• 4. Що таке монокристал; полікристал?
• 5. Наведіть приклади монокристалів і полікристалів та порівняйте їхні властивості.
• 6. Які властивості тіл в аморфному стані?
• 7*. У чому полягає відмінність властивостей полікристала і монокристала? Відповідь поясніть.

Завдання 9

• 1. Розгляньте монокристали солі і цукрового піску. Якщо у вас є лупа, скористайтеся нею. Намалюйте форму монокристалів. Порівняйте монокристал цукрового піску зі шматком цукру-рафінаду.
• 2. Розгляньте за допомогою лупи злами різних металів: алюмінію, міді, заліза. Знайдіть у них межі дрібних кристалів, що складають метал.