Propiedades físicas de los cuerpos cristalinos. Cuerpos sólidos

Cuerpos sólidos.

EN a diferencia de los líquidos, los sólidos tienen elasticidad En cualquier intento de cambiar la geometría de un cuerpo rígido, surgen en él fuerzas elásticas que impiden este efecto. Según las características de la estructura interna de los sólidos, distinga cristalino y amorfo sólidos. Los cristales y los cuerpos amorfos difieren significativamente en muchas propiedades físicas.

Cuerpos amorfos en su estructura interna se parecen mucho a los líquidos, por lo que a menudo se les llama líquidos superenfriados ... Como los líquidos, los cuerpos amorfos son estructuralmente isotrópicos. Sus propiedades no dependen de la dirección en cuestión. Esto se explica por el hecho de que en los cuerpos amorfos, así como en los líquidos, cerrar orden (número de coordinación) y el distante (longitudes y ángulos de enlace) está ausente, lo que asegura la completa homogeneidad de todas las propiedades macrofísicas del cuerpo amorfo. Los ejemplos típicos de cuerpos amorfos son vidrios, resinas, betún, ámbar.

Los cuerpos cristalinos, a diferencia de los amorfos, tienen una microestructura ordenada clara, que se conserva en el macronivel y aparece exteriormente en forma de pequeños granos con caras planas y bordes afilados, llamados cristales.

Los cuerpos cristalinos comunes en la naturaleza (metales y aleaciones, azúcar y sal de mesa, hielo y arena, piedra y arcilla, cemento y cerámica, semiconductores, etc.) suelen ser policristales, que consiste en cristales individuales intercrecidos caóticamente orientados (cristalitos), cuyo tamaño es de aproximadamente 1 micra (10 -6 m). Sin embargo, a veces hay monocristales de tamaños bastante grandes. Por ejemplo, los monocristales de cristal de roca alcanzan la altura humana B tecnología moderna Los monocristales juegan un papel importante, por lo que se ha desarrollado una tecnología para su crecimiento artificial.

Dentro de un monocristal, los átomos (iones) de la sustancia están dispuestos de acuerdo con el orden de largo alcance, en los nodos de una estructura geométrica claramente orientada en el espacio, denominada red cristalina Cada sustancia en estado sólido forma su propia red cristalina, individual en geometría. Su forma está determinada por la estructura de las moléculas de la sustancia. La celosía siempre se puede resaltar. celda unitaria, conservando todas sus características geométricas, pero incluyendo el mínimo número posible de nodos.

Los cristales individuales de cada sustancia específica pueden tener diferentes tamaños. Sin embargo, todos conservan la misma geometría, que se manifiesta en el mantenimiento de ángulos constantes entre las caras de cristal correspondientes. Si la forma de un solo cristal se altera a la fuerza, entonces necesariamente restaurará su forma anterior durante el crecimiento posterior a partir de una fusión o simplemente al calentarlo. La razón de esta restauración de la forma del cristal es la conocida condición de estabilidad termodinámica: la tendencia a un mínimo de energía potencial. Para los cristales, esta condición fue formulada independientemente entre sí por J.W. Gibbs, P Curie y G.W. Wolfe en forma de principio: la energía superficial del cristal debe ser mínima.

Uno de los mas rasgos característicos cristales individuales es anisotropía sus muchas propiedades físicas y mecánicas. Por ejemplo, la dureza, la resistencia, la fragilidad, la expansión térmica, la velocidad de la onda elástica, la conductividad eléctrica y la conductividad térmica de muchos cristales pueden depender de las direcciones del cristal. En los policristales, la anisotropía prácticamente no se manifiesta solo por la orientación caótica mutua de los pequeños cristales individuales que los forman. Está relacionado con el hecho de que en la red cristalina las distancias entre sitios en diferentes direcciones en el caso general resultan ser significativamente diferentes.

Otra característica importante de los cristales se puede considerar que se funden y cristalizan a una temperatura constante, de acuerdo con la teoría termodinámica de las transiciones de fase de primer orden. En sólidos amorfos, no hay una transición de fase pronunciada. Cuando se calientan, se ablandan suavemente, en un amplio rango de cambios de temperatura, lo que significa que los cuerpos amorfos no tienen una cierta estructura regular y cuando se calientan se descomponen en etapas, mientras que los cristales cuando se calientan destruyen una red cristalina homogénea -orden de rango) estrictamente en condiciones de energía fijas y, por lo tanto, a una temperatura fija.

Algunos sólidos pueden existir de forma estable tanto en estado cristalino como amorfo. El vidrio es un ejemplo típico. Con un enfriamiento suficientemente rápido de la masa fundida, el vidrio se vuelve muy viscoso y solidifica, sin tener tiempo de adquirir una estructura cristalina. Sin embargo, con un enfriamiento muy lento, con exposición a un cierto nivel de temperatura, el mismo vidrio cristaliza y adquiere propiedades específicas (tales vidrios se denominan sitalls ). Otros ejemplo típico es cuarzo. En la naturaleza, generalmente existe en forma de cristal, y el cuarzo amorfo siempre se forma a partir de la masa fundida (se llama así sílice fundida ). La experiencia muestra que cuanto más complejas son las moléculas de una sustancia y más fuertes sus enlaces intermoleculares, más fácil es obtener una modificación amorfa sólida al enfriarse.

Un cuerpo sólido es el estado de agregación de una sustancia, caracterizado por la constancia de forma y volumen, y los movimientos térmicos de las partículas en ellos son oscilaciones caóticas de partículas en relación con las posiciones de equilibrio.

Los sólidos se subdividen en cristalinos y amorfos.

Los cuerpos cristalinos son sólidos con una disposición de partículas ordenada que se repite periódicamente.

Una estructura que se caracteriza por una disposición regular de partículas con repetición periódica en esas dimensiones se llama red cristalina.

Figura 53.1

Un rasgo característico de los cristales es su anisotropía, la dependencia de las propiedades físicas (elásticas, mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas) de la dirección. La anisotropía de los cristales se explica por el hecho de que la densidad de la disposición de las partículas en diferentes direcciones no es la misma.

Si un cuerpo cristalino consta de un solo cristal, se denomina monocristal. Si un sólido consta de muchos granos de cristal orientados al azar, se llama policristal. En los policristales, la anisotropía se observa solo para pequeños cristales individuales.

Sólidos propiedades físicas que son iguales en todas las direcciones (isotrópicas) se denominan amorfas. Para los cuerpos amorfos, así como para los líquidos, el orden de corto alcance en la disposición de las partículas es característico, pero, a diferencia de los líquidos, la movilidad de las partículas en ellos es bastante baja.

Cuerpos orgánicos amorfos, cuyas moléculas constan de un número grande Las cadenas moleculares largas idénticas conectadas por enlaces químicos se denominan polímeros (por ejemplo, caucho, polietileno, caucho).

Dependiendo del tipo de partículas ubicadas en los nodos de la red cristalina y de la naturaleza de las fuerzas de interacción entre las partículas, existen 4 tipos físicos de cristales:

Cristales iónicos, Por ejemplo, NaCl... Los sitios de la red cristalina contienen iones de diferentes signos. El enlace entre iones se debe a las fuerzas de atracción de Coulomb y se denomina enlace heteropolar.

Cristales atómicos, Por ejemplo, CON(diamante), Ge, Si... Los sitios de la red contienen átomos neutros, que se mantienen allí debido a enlaces covalentes que surgen de las fuerzas de intercambio, que son de naturaleza puramente cuántica.

Cristales de metal... Los iones metálicos positivos se encuentran en los nodos de la red cristalina. Los electrones de valencia en los metales están débilmente unidos a sus átomos, se mueven libremente por todo el volumen del cristal, formando el llamado "gas de electrones". Se une a los iones cargados positivamente.

Cristales moleculares, por ejemplo, naftaleno - en estado sólido (hielo seco). Consisten en moléculas conectadas por fuerzas de van der Waals, es decir, las fuerzas de interacción de los dipolos eléctricos moleculares inducidos.

§ 54. Cambio de estado de agregación

Tanto en los líquidos como en los sólidos siempre hay un cierto número de moléculas, cuya energía es suficiente para vencer la atracción de otras moléculas, y que son capaces de salir de la superficie de un líquido o un sólido. Tal proceso para un líquido se llama evaporación(o vaporización), para sólidos - sublimación(o sublimación).

Condensación la transición de una sustancia debido a su enfriamiento o compresión de un estado gaseoso a un líquido se llama.

Figura 54.1

Si el número de moléculas que salen del líquido por unidad de tiempo a través de una superficie unitaria es igual al número de moléculas que pasan de vapor a líquido, entonces se produce un equilibrio dinámico entre los procesos de evaporación y condensación. El vapor en equilibrio con su líquido se llama saturado.

Derritiendo la transición de una sustancia de un estado cristalino (sólido) a un estado líquido se llama. La fusión se produce a cierta temperatura de fusión T pl, que aumenta con un aumento de la presión externa.

Figura 54.2

En el proceso de fusión, el calor Q, impartido a la sustancia, actúa en la destrucción de la red cristalina y, por tanto (figura 54.2, a), hasta que todo el cristal se derrita.

La cantidad de calor L requerida para derretir 1 kg de una sustancia se llama calor específico de fusión.

Si el líquido se enfría, entonces el proceso irá en la dirección opuesta (Fig.54.2, b), - la cantidad de calor emitida por el cuerpo durante la cristalización): primero la temperatura del líquido disminuye, luego a una temperatura constante igual a T pl, empieza cristalización.

Para la cristalización de una sustancia, es necesaria la presencia de centros de cristalización: núcleos cristalinos, que pueden ser tanto cristales de la sustancia resultante como cualquier inclusión extraña. Si no hay centros de cristalización en un líquido puro, entonces se puede enfriar a una temperatura más baja que la temperatura de cristalización, formando, en este caso, un líquido superenfriado (Fig. B, - línea de puntos).

Los cuerpos amorfos son líquidos superenfriados.

Detalles Categoría: Teoría molecular-cinética Publicado el 14 de noviembre de 2014 17:19 Visitas: 15569

En los sólidos, las partículas (moléculas, átomos e iones) se encuentran tan cerca unas de otras que las fuerzas de interacción entre ellas no les permiten dispersarse. Estas partículas solo pueden realizar movimientos oscilatorios alrededor de la posición de equilibrio. por lo tanto cuerpos solidos conservan su forma y volumen.

Según su estructura molecular, los sólidos se dividen en cristalino y amorfo .

La estructura de los cuerpos cristalinos.

Celda de cristal

Los sólidos cristalinos se denominan sólidos, moléculas, átomos o iones en los que se encuentran en un orden geométrico estrictamente definido, formando una estructura en el espacio, que se denomina red cristalina ... Este orden se repite periódicamente en todas las direcciones en el espacio tridimensional. Se guarda en largas distancias y no tiene limitaciones de espacio. El es llamado orden de largo alcance .

Tipos de celosías de cristal

La red cristalina es un modelo matemático con el que puedes imaginar cómo se ubican las partículas en un cristal. Al conectar mentalmente en el espacio con líneas rectas los puntos en los que se encuentran estas partículas, obtenemos una red cristalina.

La distancia entre los átomos ubicados en los nodos de esta red se llama parámetro de red .

Dependiendo de las partículas que se encuentran en los nodos, las redes cristalinas son molecular, atómico, iónico y metálico .

El tipo de red cristalina determina propiedades de los cuerpos cristalinos como el punto de fusión, la elasticidad y la fuerza.

Cuando la temperatura sube al valor en el que el sólido comienza a derretirse, se produce la destrucción de la red cristalina. Las moléculas ganan más libertad y la sustancia cristalina sólida pasa a la etapa líquida. Cuanto más fuertes sean los enlaces entre las moléculas, mayor será el punto de fusión.

Celosía molecular

EN celosías moleculares los enlaces entre moléculas no son fuertes. Por tanto, en condiciones normales, dichas sustancias se encuentran en estado líquido o gaseoso. El estado sólido para ellos es posible solo a bajas temperaturas. Su punto de fusión (transición desde de Estado sólido en líquido) también es bajo. Y en condiciones normales, se encuentran en estado gaseoso. Algunos ejemplos son yodo (I 2), "hielo seco" (dióxido de carbono CO 2).

Celosía atómica

En sustancias con una red cristalina atómica, los enlaces entre los átomos son fuertes. Por tanto, las sustancias en sí mismas son muy sólidas. Se derriten a altas temperaturas. El silicio, el germanio, el boro, el cuarzo, los óxidos de algunos metales y la sustancia más dura de la naturaleza, el diamante, tienen una red atómica cristalina.

Celosía iónica

Las sustancias con una red cristalina iónica incluyen álcalis, la mayoría de las sales y óxidos de metales típicos. Dado que la fuerza de atracción de los iones es muy alta, estas sustancias solo pueden fundirse a temperaturas muy altas. Se llaman refractarios. Tienen alta resistencia y dureza.

Parrilla de metal

En los nodos de la red metálica, que tienen todos los metales y sus aleaciones, se encuentran tanto los átomos como los iones. Debido a esta estructura, los metales tienen buena ductilidad y ductilidad, alta conductividad térmica y eléctrica.

Muy a menudo, la forma del cristal es poliedro regular... Las caras y aristas de tales poliedros siempre permanecen constantes para una sustancia en particular.

Un solo cristal se llama cristal individual ... Tiene la correcta forma geometrica, celosía cristalina continua.

Ejemplos de monocristales naturales son el diamante, el rubí, el cristal de roca, la sal de roca, el espato islandés, el cuarzo. En condiciones artificiales, los monocristales se obtienen en el proceso de cristalización, cuando, al enfriar soluciones o fundir a una cierta temperatura, se aísla de ellos una sustancia sólida en forma de cristales. A una velocidad de cristalización lenta, el facetado de tales cristales ha forma natural... De esta forma, en condiciones industriales especiales, por ejemplo, se obtienen monocristales de semiconductores o dieléctricos.

Los cristales pequeños, que se acumulan aleatoriamente entre sí, se denominan policristales ... El ejemplo más claro de policristal es la piedra de granito. Todos los metales también son policristales.

Anisotropía de sólidos cristalinos

En los cristales, las partículas se ubican con diferente densidad en diferentes direcciones. Si conectamos átomos con una línea recta en una de las direcciones de la red cristalina, entonces la distancia entre ellos será la misma en toda esta dirección. En cualquier otra dirección, la distancia entre átomos también es constante, pero su valor ya puede diferir de la distancia en el caso anterior. Esto significa que fuerzas de interacción de diferente magnitud actúan entre átomos en diferentes direcciones. Por lo tanto, las propiedades físicas de la sustancia en estas áreas también serán diferentes. Este fenómeno se llama anisotropía - dependencia de las propiedades de la sustancia en la dirección.

La conductividad eléctrica, la conductividad térmica, la elasticidad, el índice de refracción y otras propiedades de una sustancia cristalina difieren según la dirección del cristal. De manera diferente en diferentes direcciones se lleva a cabo. electricidad, la materia se calienta de diferentes maneras, los rayos de luz se refractan de diferentes maneras.

En policristales, no se observa el fenómeno de anisotropía. Las propiedades de la sustancia siguen siendo las mismas en todas las direcciones.

Propiedades de los líquidos

1. Características del estado líquido. Cerca del orden.

2. Tensión superficial. Fuerzas que surgen sobre una superficie curva. Fórmula de Laplace. Fenómenos humectantes y capilares.

1... Características del estado líquido. Estado líquido, ocupa posición intermedia entre gases y cristales, combina algunas de las características de ambos estados. Para cristalino las condiciones son características disposición ordenada de partículas(átomos o moléculas), en gases En este sentido completo caos. Según los estudios de rayos X, en relación con la naturaleza de la disposición de las partículas, los líquidos ocupan una posición intermedia.

En la disposición de partículas líquidas, el llamado cerrar orden... Esto significa que con respecto a cualquier partícula, la ubicación de sus vecinos más cercanos se ordena... pero a medida que uno se aleja de una partícula determinada, la disposición de otras partículas en relación con ella se vuelve cada vez menos ordenada y, con bastante rapidez, el orden en la disposición de las partículas desaparece por completo.

En cristales tiene lugar orden de largo alcance – Se observa una disposición ordenada de partículas en relación con cualquier partícula dentro de un volumen significativo..

Evaluar la estructura de una sustancia permite función de distribución radial(en algunos libros de texto se denomina función de distribución de pares). Elijamos alguna molécula como cuerpo de referencia. Número promedio de moléculas en una capa esférica de volumen ubicada a distancia r de la molécula seleccionada (Fig. 10.1) denotamos dN (r). Probabilidad de detección de moléculas en esta capa esférica

caso gas ideal ningún elemento de volumen tiene una ventaja y la probabilidad de encontrar una partícula en un volumen dado es proporcional al volumen y g (r) = 1.

En un cristal ideal, la estructura es rígida. y todas las distancias mutuas son fijas (Figura 10.2).

Los picos corresponden a los nodos de celosía y el ancho de línea final g (r) es una consecuencia de las vibraciones de los átomos en relación con un sitio en un cristal real.

son más suaves que el cristal). A largas distancias, la curva tiende a 1 como para un gas ideal.

solo se ordena la orientación, el arreglo mutuo, como en los líquidos ordinarios, orden de largo alcance no detecta.

2. Tensión superficial .

Las moléculas de líquido están ubicadas tan cerca unas de otras que las fuerzas de atracción entre ellas son significativas. La interacción disminuye rápidamente con la distancia, comenzando desde cierta distancia. r(radio de acción molecular). Para cada molécula de la capa superficial con un espesor r, habrá una fuerza dirigida hacia el líquido (Fig. 10.5).

para aumentar la energía potencial de la molécula... Es decir moléculas en la capa superficial tienen energía potencial adicional - superficie .

Debido a la presencia de fuerzas que actúan sobre las moléculas en la capa superficial, dirigidas al interior del líquido, el líquido tiende para reducir su superficie como si estuviera encerrado en una película estirada elásticamente que tiende a encogerse (en realidad no hay película).

Imagine una película de líquido (por ejemplo, una película de jabón) estirada sobre un marco de alambre, uno de cuyos lados (el puente) puede moverse (figura 10.6). Debido a la tendencia de la superficie a disminuir, la fuerza actuará sobre el alambre. Se dirige tangencialmente a la superficie del líquido, perpendicular a la sección del contorno (longitud del puente), sobre la que actúa ().

igual a la fuerza de tensión de la película, es decir ... El factor 2 aparece debido al hecho de que la película tiene dos capas superficiales.

Líquido fuera del campo de fuerzas externas tomará una forma con una superficie mínima, es decir forma de bola.

Presión bajo superficie curva.

En el caso de una superficie curva, las fuerzas de tensión superficial tienden a contraer la superficie. (Figura 10.7).

presión en el caso de una superficie no curva, además> 0 en el caso de una superficie convexa, y<0, если поверхность вогнутая (в этом случае поверхностный слой, стремится сократиться, растягивает жидкость и давление уменьшается).

Vamos a calcular presión adicional para una superficie líquida esférica. Analicemos mentalmente una gota de líquido esférica con un plano diametral en dos hemisferios. Debido a la tensión superficial

Laplace generalizó esta fórmula a superficies de cualquier forma.

Arroz. 10,8

Fórmula de Laplace tiene este aspecto:

Fenómenos humectantes y capilares.

La humectación es un fenómeno que ocurre cuando un líquido entra en contacto con la superficie de un sólido u otro líquido.... Expresado, en particular, en la difusión de líquido sobre una superficie sólida... La humectación provoca la formación de un menisco en un tubo capilar, determina la forma de una gota en una superficie sólida, etc. (Tenga en cuenta que la humectación generalmente se considera como resultado de la interacción intermolecular, sin embargo, la humectación puede ser el resultado de una reacción química , procesos de difusión).

Medida humectante generalmente sirve ángulo de contacto entre tangentes a la superficie del fluido... (Figura 10.10). Si, entonces dicen que

donde los coeficientes de la tensión superficial del líquido en los límites: sólido - gas, sólido - líquido, líquido - gas. Reduciendo por, obtenemos para relación de ángulo de contacto:

(Por ejemplo, la humectación completa estará en).

La humectación es fundamental en la industria... Una buena humectación es esencial para teñir, lavar, procesar materiales fotográficos y soldar. Las impurezas tienen un fuerte efecto sobre la magnitud de la tensión superficial. Por ejemplo, disolver jabón en agua reduce su coeficiente de tensión superficial en casi 1,5 veces (lo que, en particular, provoca el uso de jabón como detergente). La no humectación puede llevar al hecho de que el agua no salga del tamiz, cuyos hilos están cubiertos de parafina (a un nivel bajo de agua), refutando el conocido dicho.

Fenómenos capilares.

La existencia de humectación y ángulo de contacto conduce a que la curvatura de la superficie del líquido se observe cerca de las paredes del recipiente. Si el líquido moja las paredes, la superficie tiene forma cóncava; si no moja, es convexa. Este tipo de superficie fluida curva se llama menisco. (Figura 10.11)

Mojada	No humectante
Arroz. 10.11

Debajo de la superficie curva en el capilar, la presión diferirá de la presión debajo de la superficie plana en una cantidad. Se establece una diferencia de nivel entre el líquido en el capilar y en el recipiente ancho para que la presión hidrostática equilibre la presión capilar. En el caso de un menisco esférico

El radio de curvatura del menisco se expresa mediante el ángulo de contacto y el radio del capilar. r, luego ,

En caso de mojar y la altura del líquido que sube en el capilar es mayor, menor es el radio del capilar r .

El fenómeno capilar ocupa un papel excepcional en la vida humana... El aporte de humedad a plantas y árboles se produce precisamente con la ayuda de capilares que se encuentran en cada planta. Los fenómenos capilares también pueden jugar un papel negativo. Por ejemplo, en construcción. La necesidad de impermeabilizar los cimientos de los edificios se debe a fenómenos capilares.

Preguntas para el autocontrol

1. Describe el estado líquido en comparación con cristales y gases.

2. ¿Qué es el pedido de corto y largo alcance?

3. ¿Qué puede hacer la función de distribución radial? Dibujarlo para cristales, líquidos y gases.

4. ¿Cuál es el coeficiente de tensión superficial?

6. ¿Qué es mojar? ¿Cuál es la medida de la humectación? Dé ejemplos de procesos que requieran una buena humectación.

7. ¿Qué determina la altura del líquido que sube en el capilar?

Conferencia número 5 (11)

Propiedades de los sólidos

1. Cuerpos amorfos y cristalinos. La estructura y tipos de cristales. Delaware

fallas en cristales.

2. Propiedades mecánicas de los cristales. Mecanismo de deformación plástica

ción. Deformación elástica por tracción. Ley de Hooke.

Cuerpos amorfos y cristalinos.

En cuerpos amorfos existe cerrar orden arreglo de átomos. Cristales poseer orden de largo alcance arreglo de átomos. Amorfo cuerpo isotrópico, cristalino - anisotrópico.

Al enfriar y calentar, las curvas de temperatura frente al tiempo son diferentes para cuerpos amorfos y cristalinos. Para los cuerpos amorfos, la transición del estado líquido al sólido puede ser de decenas de grados. Para los cristales, el punto de fusión es constante. Los casos son posibles cuando la misma sustancia, dependiendo de las condiciones de enfriamiento, se puede obtener tanto en estado cristalino como en estado sólido amorfo. Por ejemplo, vidrio en enfriamiento muy lento derretir lata cristalizar... En este caso, la reflexión y la dispersión de la luz se producirán en los límites de los pequeños cristales formados y el vidrio cristalizado perderá su transparencia.

Celda de cristal... La principal propiedad de los cristales es la regularidad de la disposición de los átomos en ellos. El conjunto de puntos en los que se encuentran los átomos (más precisamente, los núcleos atómicos) se denominan red cristalina, y los puntos mismos se llaman nodos de celosía.

La principal característica de la red cristalina es periodicidad espacial su estructura: el cristal, por así decirlo, consta de partes repetidas(células).

Podemos romper la red cristalina en exactamente los mismos paralelepípedos que contienen el mismo número de átomos igualmente espaciados. El cristal es conjunto de paralelepípedos paralelos desplazados uno con respecto al otro. Si la celosía de cristal se desplaza paralelamente a sí misma por la distancia de la longitud del borde, entonces la celosía se alineará consigo misma. Estas compensaciones se denominan retransmisiones, y las simetrías de la celosía con respecto a estos desplazamientos se denominan simetría traslacional(traslación paralela, rotación sobre el eje, reflejo de espejo, etc.).

Si hay un átomo en el vértice de cualquier celda elemental, entonces los mismos átomos deben encontrarse, obviamente, en todos los demás vértices de esta y otras celdas. Un conjunto de átomos idénticos e idénticamente ubicados se llama celosía Bravais este cristal. Ella representa como si fuera esqueleto de celosía de cristal, que incorpora toda su simetría de traslación, es decir toda su frecuencia.

Clasificación de diferentes tipos de simetría cristalina. se basa principalmente en la clasificación diferentes tipos de rejillas Bravais.

La celosía de Bravais más simétrica es la que tiene la simetría Cuba(sistema cúbico). Hay tres diferentes

Celosías de Bravais relacionadas con el sistema cúbico: sencillo		,
	centrado en el cuerpo(en el centro del cubo, un átomo), centrado en la cara (excepto para los átomos en los vértices, incluso a lo largo del átomo en

centros de todas sus caras). Además del cúbico, los hay tetragonales, rómbicos, monoclínicos y otros (no consideraremos).

La red de Bravais, en términos generales, no incluye todos los átomos del cristal. Celosía de cristal real se puede representar como un conjunto de varias rejillas de Bravais empujadas entre sí.

Tipos físicos de cristales.

Por el tipo de partículas a partir de las cuales se construye la red cristalina, por la naturaleza de las fuerzas de interacción entre ellas, se distinguen los cristales iónicos, atómicos, metálicos y moleculares.

1. Cristales iónicos... En los nodos de la red cristalina, hay iones positivos y negativos alternativamente. Estos iones se atraen entre sí mediante fuerzas electrostáticas (Coulomb). Ejemplo: una rejilla de sal gema (fig. 11.1).

Arroz. 11,1

2. Cristales atómicos... Los representantes típicos son grafito y diamante. Conexión entre átomos - covalente... En este caso, cada uno de los electrones de valencia está incluido en un par de electrones que une este átomo con uno de sus vecinos.

3. Cristales de metal... Las rejillas consisten en iones cargados positivamente entre los cuales hay Electrones "libres"... Estos electrones están "colectivizados" y pueden considerarse como una especie de "gas de electrones". Los electrones juegan el papel de "cemento", manteniendo los iones "+", de lo contrario, la red se desintegraría. Los iones, por otro lado, mantienen a los electrones dentro de la red.

4. Cristales moleculares... Un ejemplo es el hielo. En los nodos - moléculas que están relacionados fuerzas de van der Waals, es decir. efectivo interacciones molecular dipolos eléctricos.

Puede haber varios tipos de enlaces al mismo tiempo (por ejemplo, en grafito: enlaces covalentes, metálicos y de van der Waals).

Defectos en cristales.

En las celosías de cristal real, hay desviaciones de la disposición ideal de los átomos en las celosías que hemos visto hasta ahora. Todas estas desviaciones se llaman defectos de la red cristalina.

Defectos puntuales- tal que el orden de cierre está roto:

Otro tipo de defectos: despliegue- defectos lineales de la red cristalina, violando la correcta alternancia de planos atómicos... Ellos son violar orden de largo alcance, distorsionando toda su estructura. Desempeñan un papel importante en las propiedades mecánicas de los sólidos. Los tipos más simples de dislocaciones son de borde y tornillo. En el caso de una dislocación de borde, se inserta un plano de cristal adicional entre capas adyacentes de átomos (figura 11.5).

En el caso de una dislocación de tornillo, parte de la red cristalina se desplaza con respecto a otra (figura 11.6).

Dependiendo de las propiedades físicas y la estructura molecular, hay dos clases principales de sólidos: cristalinos y amorfos.

Definición 1

Los cuerpos amorfos tienen una característica llamada isotropía. Este concepto significa que son relativamente independientes de las propiedades ópticas, mecánicas y otras propiedades físicas y de la dirección en la que actúan las fuerzas externas.

La característica principal de los cuerpos afmor es la disposición caótica de átomos y moléculas, que se reúnen solo en pequeños grupos locales, no más de unas pocas partículas en cada uno.

Esta propiedad acerca los cuerpos amorfos a los líquidos. Dichos sólidos incluyen ámbar y otras resinas duras, varios tipos de plásticos y vidrio. Bajo la influencia de altas temperaturas, los cuerpos amorfos se ablandan, sin embargo, se requieren fuertes efectos del calor para transferirlos a un líquido.

Todos los cuerpos cristalinos tienen una estructura interna clara. Los grupos de partículas en el mismo orden se repiten periódicamente en todo el volumen de dicho cuerpo. Para visualizar tal estructura, generalmente se utilizan celosías de cristal espaciales. Consisten en un cierto número de nodos que forman los centros de moléculas o átomos de una sustancia en particular. Normalmente, dicha red está formada por iones que forman las moléculas deseadas. Entonces, en la sal de mesa, la estructura interna consiste en iones de sodio y cloro, combinados en pares en moléculas. Estos cuerpos cristalinos se denominan iónicos.

Figura 3. 6. uno . Celosía de cristal de sal de mesa.

Definición 2

En la estructura de cada sustancia, se puede distinguir un componente mínimo: celda unitaria.

La red completa de la que consta un cuerpo cristalino puede estar compuesta por traslación (transferencia paralela) de dicha célula en ciertas direcciones.

El número de tipos de redes cristalinas no es infinito. Hay 230 especies en total, la mayoría de las cuales son creadas artificialmente o se encuentran en materiales naturales. Las celosías estructurales pueden tomar la forma de cubos centrados en el cuerpo (por ejemplo, en hierro), cubos centrados en la cara (en oro, cobre), prismas con seis caras (magnesio, zinc).

A su vez, los cuerpos cristalinos se subdividen en policristales y monocristales. La mayoría de las sustancias son policristales, porque están compuestos por los denominados cristalitos. Estos son pequeños cristales, fusionados y orientados caóticamente. Las sustancias monocristalinas son relativamente raras, incluso entre materiales artificiales.

Definición 3

Los policristales tienen la propiedad de isotropía, es decir, las mismas propiedades en todas las direcciones.

La estructura policristalina del cuerpo es claramente visible bajo un microscopio y en algunos materiales, por ejemplo, hierro fundido, y a simple vista.

Definición 4

Polimorfismo- esta es la capacidad de una sustancia de existir en varias fases, es decir modificaciones cristalinas que se diferencian entre sí en propiedades físicas.

El proceso de cambiar a otra modificación se llama transición polimórfica.

Un ejemplo de tal fenómeno es la transformación del grafito en diamante, que en condiciones industriales ocurre a altas presiones (hasta 100.000 atmósferas) y altas temperaturas.
(hasta 2000 K).

La difracción de rayos X se utiliza para estudiar la estructura de la red cristalina de una muestra monocristalina o policristalina.

Las celosías de cristal simples se muestran en la siguiente figura. Debe tenerse en cuenta que la distancia entre las partículas es tan pequeña que es comparable al tamaño de estas mismas partículas. Para mayor claridad, en los diagramas solo se muestran las posiciones de los centros.

Figura 3. 6. 2. Celosías de cristal simples: 1 - celosía cúbica simple; 2 - celosía cúbica centrada en la cara; 3 - celosía cúbica centrada en el cuerpo; 4 - celosía hexagonal.

La más simple es la celosía cúbica: esta estructura está formada por cubos con partículas en los vértices. La celosía centrada en las caras tiene partículas no solo en los vértices, sino también en los bordes. Por ejemplo, la celosía de cristal de la sal de mesa consta de dos celosías centradas en las caras anidadas una dentro de la otra. La red centrada en el cuerpo tiene partículas adicionales en el centro de cada cubo.

Las celosías metálicas tienen una característica importante. Los iones de la sustancia se mantienen en su lugar debido a la interacción con el gas de electrones libres. El llamado gas de electrones está formado por uno o más electrones donados por átomos. Estos electrones libres pueden moverse por todo el volumen del cristal.

Figura 3. 6. 3. Estructura de cristal metálico.

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