ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Свойства твердых тел

Обычно вещество называют твердым, если оно сохраняет свои форму и объем. Однако это лишь внешние признаки твердого состояния. Наличие только их не дает возможности четко разграничить твердое и жидкое. По этим признакам, например, аморфные вещества являются твердыми, хотя по внутреннему строению относятся к жидкостям.

Под твердыми телами в физике подразумеваются только такие, у ко­торых имеется кристаллическое строение.

Под кристаллами понимается элементарная естественно образованная часть тела, которая сохраняет все его физические свойства и размеры ко­торой ограничены гладкими плоскими поверхностями, расположенными под определенными углами. Такие части тела называют монокристаллами. Обычно монокристаллы имеют очень маленькие размеры, хотя в отдель­ных случаях они весьма значительны, как, например, кристаллы горного хрусталя, достигающие величины человеческого роста (сросток крупных кристаллов называют друзой).

Частицы в кристаллах (атомы, молекулы, ионы) образуют кристалли­ческую (пространственную) решетку. В кристаллической решетке точки, соответствующие наиболее устойчивому (равновесному) положению час­тиц, составляют узлы решетки. Они имеют правильное расположение, пе­риодически повторяющееся внутри кристалла. Данное расположение час­тиц в узлах решетки кристаллов называют дальним порядком.

Правильное расположение частиц в решетке кристаллов является причиной их анизотропии, т. е. неодинаковости свойств кристаллов в раз­личных направлениях.

Многие кристаллы имеют явную анизотропию механических свойств. Например, слюда легко расщепляется на пластинки, каменная соль раска­лывается на кубики и т. д. Плоскости, по которым кристаллическое вещест­во наиболее легко раскалывается, называются плоскостями спайности. Известна также анизотропия электрических свойств, теплопроводности и т. п.

Однако в реальных твердых телах всегда имеются отступления от идеально правильного расположения частиц в пространстве, что отклоняет их строение от монокристаллического и нарушает дальний порядок.

Большинство твердых веществ имеет не монокристаллическое, а по­ликристаллическое строение, т. е. состоит из множества очень мелких кри­сталликов, хаотично расположенных по отношению друг к другу. Поэтому поликристаллические твердые тела в целом являются изотропными, иначе говоря, обладают одинаковыми свойствами по всем направлениям, хотя каждый отдельный кристаллик обладает свойством анизотропии.

Идеальный дальний порядок во внутреннем строении кристаллов на практике тоже никогда не соблюдается. Эти отступления от идеального порядка во, внутреннем строении кристаллов называют дефектами кри­сталлической решетки.

Дефекты кристаллической решетки и некоторые другие отклонения, появляющиеся в результате формирования кристалла или последующего механического воздействия на него, называют дислокацией кристаллов.

Дефекты кристаллических решеток и дислокации, их характер и кон­центрация сильно влияют на многие свойства твердых тел, существенно ухудшая, например, их прочность, пластичность, электропроводность и другие характеристики. Многие области современной техники, в особен­ности микроэлектронной, стали возможны только с развитием технологий получения сверхчистых веществ и разработкой способов выращивания кристаллов с минимальным количеством дефектов и примесей.

Однако многие свойства твердых материалов определяются не столь­ко дефектами кристаллической структуры, сколько характером сил, дейст­вующих в ней между частицами.

По характеру сил, действующих между частицами, находящимися в узлах решетки кристалла, различают четыре типичных кристаллических структуры: ионную, атомную, молекулярную и металлическую.

Ионная структура характеризуется наличием положительных и отри­цательных ионов в узлах решетки. Удерживают ионы в узлах решетки си­лы взаимного электрического притяжения и отталкивания.

Разноименно заряженные ионы в кристаллической решетке располо­жены ближе друг к другу, чем одноименно заряженные, поэтому силы притяжения между ними преобладают над силами отталкивания, что обу­словливает значительную прочность кристаллов. По этой же причине кри­сталлы с ионной решеткой имеют сравнительно высокие температуры плавления и малую летучесть.

При плавлении или растворении веществ с ионной кристаллической решеткой ионы, перешедшие в расплав или раствор, становятся свободны­ми носителями зарядов. Поэтому расплавы и растворы являются хороши­ми проводниками электрического тока.

К веществам с ионной кристаллической решеткой относятся соли не­органических кислот (соляной, серной, азотной, угольной и т. д.), значи­тельная часть оксидов и сульфидов одно-, двухвалентных металлов и мно­гие другие соединения.

Молекулярная кристаллическая структура характеризуется простран­ственной решеткой, в узлах которой находятся нейтральные молекулы ве­щества. Внутри самих молекул связи являются ковалентными, т. е. насы­щенными. Поэтому взаимное притяжение молекул в кристаллической ре­шетке осуществляется слабыми силами межмолекулярного взаимодейст­вия (силами Ван-дер-Ваальса). Ван-дер-Ваальс первым исследовал их влияние и отразил его в уравнении состояния реальных газов (см. формулу 1.6). Межмолекулярные связи имеют различную природу и определяются, в частности, ориентационным, индукционным и дисперсионным эффекта­ми, природу которых мы здесь не рассматриваем.

Поскольку силы межмолекулярного взаимодействия слабы, то твер­дые вещества с таким типом кристаллической решетки легко разрушаются при механическом воздействии, имеют низкую температуру плавления и значительную летучесть. Простейшие из них, например О2, N2, CH4 и т. д., обладают температурами плавления и кипения значительно более низкими, чем комнатные, и в обычных условиях находятся в газообразном или жид­ком состоянии. Из более сложных веществ кристаллы с межмолекулярной связью характерны прежде всего для органических соединений, например бензола, нафталина.

Металлическая кристаллическая структура отличается наличием в уз­лах решетки положительно заряженных ионов металлов. У металлов все валентные электроны, т. е. находящиеся на внешних электронных орбитах, очень слабо связаны с атомами. В кристаллах они относительно легко пе­реходят от одного атома к другому. Это означает, что валентные электро­ны в кристаллической решетке металла обобществлены, коллективизиро­ваны сразу многими атомами и практически беспрепятственно могут дви­гаться между ними. Электронные металлические структуры вследствие их большей подвижности получили название электронного газа.

Металлическая связь в отличие от ковалентной, где также имеет место обобществление электронов, не является направленной или насыщенной, сближаясь в этом отношении с ионной связью. Большей частью она бывает весьма прочной, что сообщает большинству металлов существенную твер­дость, высокие температуры плавления и кипения, малую летучесть. Вме­сте с тем наличие электронного газа в металле объясняет их высокую элек­тропроводность и теплопроводность.

Наряду с кристаллами, имеющими типичные формы связи, существу­ют кристаллы с различными переходными и смешанными их формами. Особенно это характерно для веществ, состоящих из трех и более элемен­тов.

Некоторые жидкости обладают большой вязкостью (глицерин, мед и т. д.). Еще большую вязкость имеют смола, вар, жидкое стекло (силикаты натрия и калия). При охлаждении вязкость этих жидкостей настолько воз­растает, что молекулы теряют свою подвижность, т. е. время их оседлой жизни становится очень большим. Данные вещества внешне ничем не от­личаются от твердых веществ, сохраняют объем и форму. Однако в распо­ложении их молекул присутствует только ближний порядок, но отсутству­ет дальний порядок. Следовательно, такие вещества по своему внутренне­му строению являются жидкостью, но имеют очень большую вязкость.

Твердые вещества, не имеющие кристаллического строения, называ­ются аморфными, или стекловидными, поскольку типичным их предста­вителем является стекло.

В физике аморфные вещества считают переохлажденными жидкостя­ми, в которых процесс кристаллизации не прошел вследствие их большой вязкости. Однако с течением времени даже в обычных условиях аморфные тела очень медленно могут самопроизвольно переходить в кристалличе­ские, так как стеклообразное состояние по сравнению с кристаллическим является энергетически менее выгодным. Переход из стеклообразного со­стояния в кристаллическое сопровождается выделением теплоты. Интен­сивность его невелика, так как процесс кристаллизации стекол весьма про­должителен.

Более углубленные исследования внутреннего строения стекол, впер­вые выполненные А. А.Лебедевым (1921 г.), показали, что в их структуре могут находиться микрокристаллические образования, названные кри­сталлитами.

Кристаллиты не являются просто очень маленькими кристаллами. Во внутренней части они имеют сравнительно нормальную кристаллическую решетку, но по мере приближения к периферии их кристаллическое строе­ние все более и более нарушается. Внешний слой кристаллитов обладает уже аморфной структурой.

При охлаждении аморфные вещества постепенно густеют, а при на­гревании постепенно приобретают ползучесть. Обнаружить резкую грани­цу между твердым и жидким состоянием, например, по температурам или теплотам плавления, у аморфных тел невозможно.

Следует отметить, что некоторые вещества, например сера, кварц, ме­таллургические шлаки, встречаются и в кристаллическом, и в аморфном состояниях. Более того, при очень быстром охлаждении жидкости многие вещества, обычно имеющие кристаллическое строение, могут быть пере­ведены в аморфное состояние. Таким способом получают даже аморфные металлы. И напротив, очень медленное охлаждение жидкости (расплава) приводит к получению вместо обычно образующейся аморфной формы некоторых веществ кристаллической структуры (металлургические шла­ки). Способность одного и того же вещества в зависимости от условий на­грева/охлаждения находиться в аморфном или кристаллическом состоянии широко используется в современной технологии, так как ряд свойств их при этом может существенно отличаться. Так, закристаллизованное стекло замутнено, а шлаки и цементы с аморфным строением образовывают более прочные структуры при их взаимодействии с водой в качестве компонен­тов вяжущих веществ.