Властивості твердих тіл

Під твердими тілами у фізиці розуміють лише такі, у яких є кристалічна будова.

Кристали - це тверді тіла, атоми або молекули яких займають певні, впорядковані положення у просторі.

Частки у кристалах (атоми, молекули, іони) утворюють кристалічні (просторові) решітки. У кристалічній решітці точки, відповідні найбільш стійкому (рівноважному) стану часток, складають вузли решітки. Вони мають правильне розташування, що періодично повторюється всередині кристала. Дане розташування частинок у вузлах решітки кристалів називають дольним порядком.

За характером сил, що діють між частками, які знаходяться у вузлах решітки кристала, розрізняють такі типові кристалічні структури:

1. Іонна структура характеризується наявністю позитивних і негативних іонів у вузлах решітки. Утримують іони у вузлах решітки сили взаємного електричного притягання і відштовхування. Наприклад, хлорид натрію.

2. Атомна структура характеризується наявністю нейтральних атомів у вузлах решітки, між якими діє ковалентний зв'язок - зв'язок при якому кожні два сусідні атоми утримуються поруч силами притягання, що виникають при взаємному обміні двома валентними електронами між цими атомами. Ковалентний зв'язок створює міцні кристали, тому такі речовини володіють високою механічною міцністю та високими температурами плалення. Наприклад, алмаз, германій, кремній.

3. Молекулярна кристалічна структура характеризується просторовою сіткою, у вузлах якої знаходяться нейтральні молекули речовини. Всередині самих молекул зв'язки є ковалентними, тобто насиченими. Тому взаємне притягання молекул у кристалічній решітці здійснюється слабкими силами міжмолекулярної взаємодії (силами Ван-дер-Ваальса). Оскільки сили міжмолекулярної взаємодії слабкі, то тверді речовини з таким типом кристалічної решітки легко руйнуються при механічному впливі, мають низьку температуру плавлення і значну леткість. Наприклад, лід, нафталін, твердий азот, більшість органічних речовин.

4. Металічна кристалічна структура відрізняється наявністю у вузлах решітки позитивно заряджених іонів металів. У металів всі валентні електрони, тобто ті, що знаходяться на зовнішніх електронних орбітах, дуже слабо зв'язані з атомами. У кристалах вони відносно легко переходять від одного атома до іншого. Електронні металеві структури внаслідок їх рухливості одержали назву електронного газу. Здебільшого такий зв'язок буває досить міцним, що надає більшості металів твердість, високі температури плавлення і кипіння, низьку леткість. Разом з тим наявність електронного газу у металі пояснює їх високу електропровідність і теплопровідність.

Поряд з кристалами, що мають типові форми зв'язку, існують кристали з різними перехідними і змішаними формами. Особливо це характерно для речовин, що складаються з трьох і більше елементів.

Тверді речовини, що не мають кристалічної будови, називаються аморфними, або склоподібними, оскільки типовим представником є скло. Перехід зі склоподібного стану у кристалічний супроводжується виділенням теплоти. Інтенсивність його невисока, так як процес кристалізації скла дуже тривалий. Наприклад, пластик, скло, каніфоль, смола, бурштин, пластична сірка.

При охолодженні аморфні речовини поступово густішають, а при нагріванні поступово набувають в’язкості. Виявити різку межу між твердим і рідким станом, наприклад, при температурі плавлення, у аморфних тіл неможливо.

Здатність однієї і тієї самої речовини у залежності від умов (нагрівання або охолодження) перебувати в аморфному або кристалічному стані широко використовується у сучасній технології, так як ряд властивостей при цьому може суттєво відрізнятися. Наприклад, сірка.

1.1.3