1.4.2. Кристаллические вещества

Строение вещества определяется не только взаимным расположением атомов в химических частицах, но и расположением этих химических частиц в пространстве. Наиболее упорядочено размещение атомов, молекул и ионов в кристаллах (от греческого "кристаллос" - лед), где химические частицы (атомы, молекулы, ионы) расположены в определенном порядке, образуя в пространстве кристаллическую р ешетку.

Твердые кристаллы - трехмерные образования, характеризующиеся строгой повторяемостью одного и того же элемента структуры (элементарной ячейки) во всех направлениях.

Элементарная ячейка представляет собой наименьший объем кристалла в виде параллелепипеда, повторяющегося в кристалле бесконечное число раз. Следовательно, элементарная ячейка кристалла – это наименьший объём кристаллической решётки вещества, отображающий его химических состав и все особенности внутренней структуры.

Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена, прежде всего, их строго закономерным внутренним строением. Если вместо атомов, ионов или молекул в кристалле изобразить точки как центры тяжести этих частиц, то получится трехмерное регулярное распределение таких точек, называемое кристаллической решеткой. Сами точки называют узлами кристаллической решетки.

Этот внутренний порядок, характерный для кристаллических твёрдых тел, позволяет, рассматривая только небольшую часть кристалла, получить представление о строении всего кристалла.

Особые свойства кристаллов:

• Главным критерием кристаллического состояния является дальний порядок расположения частиц, то есть порядок расположения частиц в веществе сохраняется во всех направлениях по всему объёму и не нарушается длительное время.

• Одним из основных признаков кристаллов является наличие анизотропии (зависимость механических, оптических, магнитных, электрических свойств кристалла от направления), сущность которой заключается в том, что у кристаллов так называемые векториальные свойства зависят от направления (твёрдость, теплопроводимость и электропроводимость, коэффициент теплового расширения и так далее). Это свойство кристаллов используется при производстве оптических квантовых генераторов, в различных технологических процессах обработки монокристаллов полупроводников.

• Кристаллы вещества характеризуются постоянной величиной: температуры кристаллизации и плавления.

• Кристаллы способны самоогранятся.

Одиночные кристаллы – монокристаллы (линейные размеры от нескольких нм до 1 метра), то есть единый кристалл – редко встречаются в природе, в основном их получают искусственно. Гораздо чаще в природе мы встречаемся с поликристаллами (это сростки большого числа по-разному ориентированных мелких кристаллов неправильной внешней формы) – соединения, состоящие из большого числа кристаллических зёрен.

Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен (кристаллитов), хаотически ориентированных в разных направлениях. К поликристаллическим материалам относятся металлы, многие керамические материалы. Поликристаллические вещества обычно изотропны. Однако, если в ориентации кристаллитов создать упорядоченность (например, механической обработкой металла в прокатном стане, поляризацией сегнетокерамики), то материал становится анизотропным. Такие тела с искусственно созданной анизотропией называют текстурами.

Аморфно-кристаллические материалы - это частично закристаллизованные аморфные вещества. Частично кристаллическую структуру имеют многие полимеры. Стекло определенных составов при выдержке при повышенных температурах начинает кристаллизоваться; благодаря образующимся мелким кристалликам оно теряет прозрачность, превращаясь в аморфно-кристаллический материал - ситалл.