Mensaje de cuerpos cristalinos sobre física. enciclopedia escolar

11.02.2021

Un sólido es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia, además del líquido, gas y plasma. Se caracteriza por la rigidez estructural y la resistencia a cambios de forma o volumen. A diferencia de un líquido, un objeto sólido no fluye ni toma la forma del recipiente en el que se coloca. Un sólido no se expande hasta llenar todo el volumen disponible como lo hace un gas.
Los átomos en un sólido están estrechamente conectados entre sí, están en un estado ordenado en los nodos de la red cristalina (estos son metales, hielo común, azúcar, sal, diamante) o están dispuestos de manera irregular, no tienen una repetibilidad estricta en el estructura de la red cristalina (se trata de cuerpos amorfos, como el vidrio de una ventana, la colofonia, la mica o el plástico).

Cuerpos cristalinos

Los sólidos cristalinos o cristales tienen una característica interna distintiva: una estructura en forma de red cristalina, en la que los átomos, moléculas o iones de una sustancia ocupan una determinada posición.
La red cristalina conduce a la existencia de caras planas especiales en los cristales, que distinguen una sustancia de otra. Cuando se expone a rayos X, cada red cristalina emite un patrón característico que puede usarse para identificar la sustancia. Los bordes de los cristales se cruzan en ciertos ángulos que distinguen una sustancia de otra. Si el cristal se divide, las nuevas caras se cruzarán en los mismos ángulos que las originales.

Tienen dos propiedades características: isotropía y ausencia de un punto de fusión específico.
La isotropía de cuerpos amorfos se entiende como la igualdad. propiedades físicas sustancias en todas direcciones.
En un sólido amorfo, la distancia a los nodos vecinos de la red cristalina y el número de nodos vecinos varían en todo el material. Por tanto, se requieren diferentes cantidades de energía térmica para romper las interacciones intermoleculares. En consecuencia, las sustancias amorfas se ablandan lentamente en un amplio rango de temperaturas y no tienen un punto de fusión claro.
Una característica de los sólidos amorfos es que a bajas temperaturas tienen propiedades de sólidos y cuando la temperatura aumenta, tienen propiedades de líquidos.

Tipos físicos de cristales.

Sólidos Se llaman cuerpos los que tienen constancia de forma y volumen. Hay sólidos cristalinos y amorfos. La gran mayoría de los sólidos de la naturaleza tienen una estructura cristalina (por ejemplo, casi todos los minerales y metales).

Consideremos características distintivas estado cristalino.

1. tú mismo característica distintiva sustancias cristalinas es una propiedad anisotropía. Consiste en la dependencia de una serie de propiedades físicas (por ejemplo, mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas) de la dirección.

Los cuerpos cuyas propiedades son iguales en todas direcciones se llaman isotrópico. Los gases, casi todos los líquidos y los cuerpos amorfos son isotrópicos. Los cuerpos amorfos se comportan como líquidos, pero sólo aquellos que han perdido la propiedad de fluidez o tienen una viscosidad extremadamente alta. Algunas sustancias pueden estar tanto en estado cristalino como amorfo. Por ejemplo, el azufre, que en estado cristalino tiene una energía mínima, por lo tanto el estado cristalino del azufre es estable, pero el estado amorfo no.

existe grupo grande Sustancias que no son amorfas, pero que tienen la propiedad de isotropía. Este sustancias policristalinas. Estos incluyen todos los metales. Un policristal está formado por cristales densamente espaciados. La isotropía se explica por el desorden en la disposición de estos cristales.

Los monocristales grandes que se obtienen a partir de una masa fundida o de una solución se llaman monocristales.

2 segundos característica distintiva Lo que distingue a los cristales de los sólidos amorfos es su comportamiento de fusión. Deje que el cuerpo se caliente de manera uniforme y que la cantidad de calor suministrada sea constante. Entonces gráficamente el comportamiento se verá así (9.15).

3. Los cuerpos cristalinos tienen forma geométrica regular. Pero los amorfos no. Si la forma del cristal se ve alterada por las condiciones de crecimiento y procesamiento mecánico, entonces la pertenencia de la muestra a los cristales se puede determinar por las siguientes características: 1) la superficie de escisión es plana; 2) constancia de ángulos entre planos de escisión.

El estado cristalino es objeto de estudio de la física moderna. La teoría de los sólidos se basa en el modelo de un monocristal infinito perfecto. La disposición regular de las partículas en un cristal se observa a lo largo de cientos de miles o millones de distancias entre partículas. Por eso, se habla de la existencia en cristales de “ orden de largo alcance» disposición de las partículas en contraste con el orden de corto alcance en líquidos y cuerpos amorfos.

Debido a la correcta disposición de los átomos, el cristal tiene propiedades de simetría. La simetría de una red cristalina es su propiedad de estar alineada consigo misma durante ciertos movimientos espaciales, por ejemplo, traslaciones, rotaciones, reflexiones paralelas o combinaciones de las mismas, etc. Por ejemplo, un hexágono regular. En relación a los cristales, existen operaciones de simetría: rotación alrededor de un eje; imagen especular en el plano; imagen reflejada en un punto; Reflexión especular en un plano seguida de rotación alrededor de un eje.

Un monocristal ideal puede considerarse como una estructura periódica llamada red cristalina. Desde un punto de vista geométrico, dicha estructura se puede obtener mediante una operación de transferencia paralela llamada transmisión. Está descrito por el vector:

Cuando el cristal se mueve en tres direcciones en los segmentos a, b, c paralelos a sí mismo, se reproducirá la configuración de las partículas que forman el cristal. Cualquier red espacial puede componerse repitiendo en tres direcciones diferentes el mismo elemento estructural: celda unitaria.

Para describir las celdas unitarias, se utilizan ejes de coordenadas cristalográficas, que se dibujan paralelos a los bordes de la celda unitaria, y el origen de las coordenadas se elige en la esquina izquierda de la cara frontal de la celda unitaria. La celda de cristal unitaria es un paralelepípedo construido sobre bordes. a B C con esquinas a, b y g entre las costillas. Cantidades a B C Y a, b y g son llamados parámetros de celda unitaria.

Dependiendo del tipo de partículas ubicadas en los nodos de la red cristalina y la naturaleza de las fuerzas de interacción (atracción) entre ellas, los cristales se dividen en cuatro tipos: iónicos, atómicos, moleculares y metálicos. Las fuerzas de repulsión son provocadas por deformaciones de las capas electrónicas de iones, átomos y moléculas, es decir, tienen la misma naturaleza para todo tipo de cristales.

1. Iónico Se llaman cristales cuyos nodos contienen iones de signos alternos. Las fuerzas de atracción son causadas por la atracción electrostática de cargas. La conexión causada por las fuerzas de atracción de Coulomb entre iones con cargas diferentes se llama iónico(o heteropolar). En una red iónica no se pueden distinguir moléculas individuales: un cristal es, por así decirlo, una molécula gigante. Ejemplos de cristales iónicos son compuestos como NaCl, CsCl, MgO, CaO.

2. Atómico se llaman cristales, en cuyos nodos de la red cristalina se encuentran átomos. Las fuerzas de atracción son causadas por las que existen entre los átomos. enlaces covalentes(o homeopolar). Estos enlaces son de origen mecánico cuántico (cuando dos electrones pertenecen a dos átomos y son indistinguibles). Ejemplos de cristales covalentes son el diamante y el grafito (dos estados diferentes del carbono), el silicio, el germanio, algunos compuestos inorgánicos (ZnS, BeO, etc.)

3. Cristales moleculares– en los nodos de la red cristalina hay neutros moléculas. Las fuerzas de atracción en ellos se deben a las fuerzas de van der Waals, es decir, un ligero desplazamiento de los electrones en las capas electrónicas de los átomos. Ejemplos de cristales moleculares son cristales de gases inertes (Ne, Ar, Kr, Xe), hielo, hielo seco CO 2, así como gases O 2 y N 2 en estado sólido. Las fuerzas de Van der Waals son bastante débiles, por lo que los cristales moleculares se deforman y destruyen fácilmente.

4. Rejas metálicas– En los nodos de la red cristalina se encuentran iones metálicos positivos, es decir, elementos que han perdido 2 o 3 electrones. Estos electrones están en movimiento y forman una especie de gas ideal de electrones que se mantienen en un campo electrostático creado por una red de iones metálicos cargados positivamente. Este es el llamado electrones de conducción. Determinan la conductividad eléctrica de los metales. Además, la estructura de los metales es policristalina, lo que explica la superficie rugosa del chip.

Además de los tipos de enlaces mencionados anteriormente entre partículas de cristales, son posibles los enlaces mixtos. Varias combinaciones de interacciones crean diversidad en la estructura de los cristales.

En los diferentes planos que se pueden dibujar en un cristal, las distancias entre las partículas serán diferentes. Dado que las fuerzas que actúan entre partículas dependen de la distancia, las diversas propiedades físicas de los cristales dependen de la dirección, es decir, el cristal es anisotrópico.

Defectos en los cristales.

Ese orden correcto en los cristales, mencionado anteriormente, existe sólo en volúmenes muy pequeños de cristales reales. Contienen necesariamente algún tipo de distorsión, es decir, desviaciones de la disposición ordenada en los nodos de la red, que se denominan defectos. Los defectos se dividen en macroscópico que surgen durante la formación y crecimiento de cristales (por ejemplo, grietas, poros, inclusiones macroscópicas extrañas), y microscópico, causado por desviaciones microscópicas de la periodicidad.

Los microdefectos se dividen en puntuales y lineales. Hay tres tipos de defectos puntuales (fig. 9.16):

1) vacante: la ausencia de un átomo en un sitio de la red cristalina (figura 9.16, a)(defecto de Schottky) ;

2) átomo intersticial: un átomo que ha penetrado en el espacio intersticial (figura 9.16, b) (defecto de Frenkel);

3) átomo de impureza: un átomo de impureza o un átomo sustituto de la sustancia principal en la red cristalina (Fig. 9.16. V), o incrustado en el espacio intersticial (impureza intersticial, Fig. 9.16, b; sólo en los intersticios en lugar de un átomo de la sustancia principal hay un átomo de impureza). Los defectos puntuales alteran sólo el orden de corto alcance en los cristales, sin afectar el orden de largo alcance; este es su rasgo característico.

Los defectos lineales alteran el orden a largo plazo. Como se desprende de los experimentos, las propiedades mecánicas de los cristales están determinadas en gran medida por defectos de un tipo especial: las dislocaciones. Dislocaciones– defectos lineales que alteran la correcta alternancia de planos atómicos.

hay dislocaciones regional Y tornillo. Si uno de los planos atómicos se rompe dentro del cristal, entonces el borde de este plano forma una dislocación de borde. En el caso de una dislocación de tornillo, ninguno de los planos atómicos dentro del cristal está roto, y los planos en sí son sólo aproximadamente paralelos y cercanos entre sí, de modo que, de hecho, el cristal consiste en un único plano atómico curvado a lo largo de la superficie del tornillo.

La densidad de dislocaciones (el número de dislocaciones por unidad de superficie del cristal) para monocristales perfectos es 10 2 –10 3 cm 2, para cristales deformados – 10 10 –10 12 cm 2. Las dislocaciones nunca se rompen, salen a la superficie o se ramifican, por lo que en un cristal real se forman redes planas o espaciales de dislocaciones. Las dislocaciones y su movimiento se pueden observar mediante un microscopio electrónico, así como mediante el método de grabado selectivo: aparecen hoyos de grabado en los lugares donde la dislocación llega a la superficie (destrucción intensiva del cristal bajo la influencia de un reactivo), "manifestándose". dislocaciones.

La presencia de defectos, especialmente al introducir átomos, provoca cambios en las propiedades físicas, como la conductividad eléctrica.

Capacidad calorífica de los sólidos.

El movimiento térmico en los sólidos consiste en vibraciones de los átomos con respecto a las posiciones de equilibrio ubicadas en los nodos de la red cristalina. Los átomos en la red interactúan, por lo tanto, las vibraciones de los átomos no son libres, sino unidas; sin embargo, a medida que aumenta la temperatura, el enlace entre los átomos juega un papel menor en los procesos vibratorios y en condiciones suficientemente altas temperaturas Ah, podemos suponer que las vibraciones se vuelven libres.

El volumen de un sólido cambia ligeramente al calentarse (b~10 -5 1/K), entonces podemos considerar: , entonces:

- ley Dulong y Petit

aquellos. La capacidad calorífica de un mol de todos los cristales monoatómicos es un valor constante.

A temperatura ambiente, la ley de Dulong y Petit se cumple y aproximadamente toma valores alrededor de C = 3R = 25 J/(mol.K), es decir, hay concordancia con la teoría. Pero desde un punto de vista clásico, la capacidad calorífica de los metales debería ser mucho mayor. Los metales contienen electrones de conducción; desde un punto de vista clásico, tienen tres grados de libertad. Si asumimos que su número es igual al número de átomos, entonces los electrones (como partículas libres) deberían aportar C e = 1,5 R a la capacidad calorífica, es decir, aumentarla en un 50%. En realidad este no es el caso, y la ley de Dulong y Petit también es válida para los metales.

La discrepancia entre los valores experimentales y teóricos de la capacidad calorífica calculada sobre la base de la teoría clásica fue explicada basándose en la teoría cuántica de la capacidad calorífica de A. Einstein y P. Debye.

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

Definición 1

Los cuerpos amorfos tienen una característica como la 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 sobre ellos las fuerzas externas.

La característica principal de los cuerpos afmóricos es la disposición caótica de átomos y moléculas, que se reúnen sólo en pequeños grupos locales, de 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 sólidas, diferentes tipos plástico y vidrio. Bajo la influencia de las altas temperaturas, los cuerpos amorfos se ablandan, pero se requiere un calor intenso para convertirlos en líquido.

Todos los cuerpos cristalinos tienen una estructura interna clara. Grupos de partículas en el mismo orden se repiten periódicamente en todo el volumen de dicho cuerpo. Para visualizar tal estructura, espacial celosías cristalinas. Consisten en una cierta cantidad de nodos que forman los centros de moléculas o átomos de una sustancia en particular. Normalmente, dicha red se construye a partir de iones que forman parte de las moléculas deseadas. Así, en la sal de mesa, la estructura interna consta de iones de sodio y cloro, combinados en pares en moléculas. Estos cuerpos cristalinos se denominan iónicos.

Figura 3. 6. 1 . Red cristalina de sal de mesa.

Definición 2

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

Toda la red que compone el cuerpo cristalino puede estar compuesta por traslación (transferencia paralela) de dicha célula en determinadas direcciones.

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

A su vez, los cuerpos cristalinos se dividen en policristales y monocristales. La mayoría de las sustancias pertenecen a los policristales, porque Están formados por los llamados cristalitos. Son pequeños cristales fusionados y orientados aleatoriamente. Las sustancias monocristalinas son relativamente raras, incluso entre los materiales artificiales.

Definición 3

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

La estructura policristalina del cuerpo es claramente visible al microscopio y, en el caso de algunos materiales, como el hierro fundido, incluso a simple vista.

Definición 4

Polimorfismo– 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 podría ser la transformación del grafito en diamante, que en condiciones industriales ocurre en hipertensión(hasta 100.000 atmósferas) y altas temperaturas
(hasta 2000K).

Para estudiar la estructura reticular de una muestra monocristalina o policristalina, se utiliza la difracción de rayos X.

En la siguiente figura se muestran redes cristalinas simples. Hay que tener en cuenta que la distancia entre las partículas es tan pequeña que es comparable al tamaño de las propias partículas. Para mayor claridad, los diagramas muestran sólo las posiciones de los centros.

Figura 3. 6. 2. Redes cristalinas simples: 1 – red cúbica simple; 2 – red cúbica centrada en las caras; 3 – red cúbica centrada en el cuerpo; 4 – celosía hexagonal.

La más simple es la red cúbica: dicha estructura consta de cubos con partículas en los vértices. Una red centrada en las caras tiene partículas no sólo en los vértices, sino también en las caras. Por ejemplo, la red cristalina de la sal de mesa consta de dos redes centradas en las caras anidadas una dentro de la otra. Una red centrada en el cuerpo tiene partículas adicionales en el centro de cada cubo.

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

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

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Si las redes cristalinas son estereométricamente (espacialmente) idénticas o similares (tienen la misma simetría), entonces la diferencia geométrica entre ellas radica, en particular, en las diferentes distancias entre las partículas que ocupan los sitios de la red. Las distancias entre las propias partículas se denominan parámetros de red. Los parámetros de la red, así como los ángulos de los poliedros geométricos, se determinan mediante métodos físicos de análisis estructural, por ejemplo, métodos de análisis estructural de rayos X.

Fuentes

Literatura

Química: Referencia. ed./ W. Schröter, K.-H. Lautenschläger, H. Bibrak et al.: Trad. con él. - M.: Química, 1989.
Curso de física general, libro 3, I. V. Savelyev: Astrel, 2001, ISBN 5-17-004585-9
Cristales / M. P. Shaskolskaya, 208 págs. 20 cm, 2ª ed., rev. M. Ciencias 1985

ver también

Enlaces

Cristales minerales, Formas de disolución de cristales naturales.
La única planta de su tipo que produce Cristales.

Fundación Wikimedia. 2010.

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