Строительство. Стройматериалы

Строительные материалы и изделия

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

При переходе вещества из жидкого состояния в твердое (например, при застывании расплава металла) или при выпадании твердого вещества в осадок из насыщенного раствора (например, при твердении гипса) атомы и молекулы вещества стремятся занять такое положение относительно друг друга, чтобы силы их взаимодействия оказались максимально уравновешены. Поэтому их положение относительно друг друга оказывается вполне определенным, фиксированным.

Такой геометрически правильный и повторяющийся в про

странстве порядок расположения атомов (молекул) называют

кристаллической решеткой ( 6). Кристаллическая решетка

представляет собой пространственную сетку, в узлах которой

располагаются молекулы, атомы или ионы, образующие кри

сталл. Существует шесть типов простых кристаллических реше

ток, наиболее симметричной из которых является кубическая

( 6а). Длину ребер af b, с кристаллической ячейки называют

периодами идентичности кристалла. Величины а, Ь, с и а, Р, у

(углы между ребрами) однозначно определяют элементарную

кристаллическую ячейку и называются ее параметрами.

В 1848 г. французский кристаллограф О. Браве показал, что в зависимости от соотношения величин и взаимной ориентации ребер элементарной кристаллической ячейки может существовать 14 типов кристаллических решеток.

Различают примитивные (простые), базоцентрированные, объемно-центрированные и гранецентрированные решетки Браве. Если узлы кристаллической решетки расположены только в вершинах параллелепипеда, то такая решетка называется примитивной или простой ( 6а). Если, кроме того, имеются узлы в центре оснований параллелепипеда, то данная решетка - базо-центрированная. Решетка называется объемно-центрированной, если кроме узлов в вершинах есть узел в месте пересечения пространственных диагоналей параллелепипеда, а гранецентриро-ванной, если кроме узлов в вершинах существуют узлы в центре всех шести граней параллелепипеда ( 6в).

В зависимости от типа решетки различно не только число частиц в элементарной ячейке, но и расстояние между ними, а значит, и плотность упаковки частиц. Число ближайших к рассматриваемому атому соседних атомов называют координационным. Чем оно больше, тем плотнее упакованы частицы в кристаллической решетке. Для металлов характерны гранецентрированные, кубические и гексагональные решетки с координационным числом 12 и объемные - с координационным числом 8.

Между частицами твердого тела действуют силы как притяжения, так и отталкивания. При определенном расстоянии между частицами эти силы уравновешивают друг друга, и поэтому вещество в твердой фазе находится в равновесном состоянии.

По современным воззрениям, атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого с чрезвычайно большой скоростью (в несколько тысяч триллионов оборотов в секунду) вращаются по определенным орбитам электроны, создавая вокруг ядра так называемое электронное облако.

Ядро атома обладает определенным электрическим зарядом, который численно равен суммарному заряду электронов. Молекула образуется стяжением атомов за счет взаимодействия между электронами, находящимися на их внешних орбитах, и является, таким образом, сложной системой, несущей одновременно положительные и отрицательные заряды.

По физической природе сил, действующих между частицами решетки, различают ионные, металлические, межмолекулярные и ковалентные связи.

Если в узлах кристаллической решетки расположены разноименные ионы, то кристаллы называются ионными. Атомы в ионных кристаллах обмениваются электронами, образуя ионы с устойчивыми внешними оболочками. Ионы располагаются так, что силы кулоновского притяжения между ионами противоположного знака больше, чем силы отталкивания между ионами одного знака. Ионный кристалл можно рассматривать как гигантскую ионную молекулу, в которой каждый из ионов взаимодействует со всеми остальными. Поэтому ионная связь является ненаправленной и ненасыщенной.

В атомных кристаллах атомы в узлах кристаллической решетки взаимодействуют со своими ближайшими соседями за счет ковалентной химической связи. Последняя носит направленный характер: возникает между одинаковыми атомами при образовании общей пары валентных электронов - по одному от каждого атома. Наиболее характерные атомные (ковалентные) кристаллы образуются элементами четвертой группы периодической таблицы: углеродом (алмаз), кремнием, германием и др.

По аналогии с атомными кристаллами в узлах пространственной решетки металлических кристаллов размещаются положительные ионы металлов, а структурные связи обусловлены свободно перемещающимся облаком электронов (электронный газ), которое удерживает вместе положительные ионы. Металлическая связь возникает в том случае, если число валентных электронов невелико и при этом они слабее связаны с ядрами. При образовании металлов электронные оболочки валентных электронов перекрываются, поэтому валентные электроны получают возможность переходить от одного атома к другому и свободно перемещаться по всему кристаллу. Обобществленные электроны как бы «стягивают» положительные ионы в прочную структуру, уравновешивая отталкивание между ними. Металлическая связь более гибка и пластична, чем ионная.

Молекулярные кристаллы представляют собой достаточно сложную систему из взаимодействующих, плотноупакованных, устойчивых молекул, расположенных в узлах кристаллической решетки. В таких кристаллах молекулы (Н2, N2, С12, Вг2, СаО, Н20 и др.) сохраняют свою «индивидуальность» в газообразной, жидкой и твердой фазах и удерживаются в узлах решетки сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Последние являются силами притяжения и обусловлены движением электронов в атомах, ив 10... 20 раз слабее, чем силы притяжения между ионами.

Молекулы, образующие кристалл, могут быть полярными. Диполи молекул ориентируются так, что обращенные друг к другу концы соседних диполей разнополярны, и силы притяжения преобладают над силами отталкивания Молекулы, образующие кристалл, могут быть и неполярными. Однако из-за движения электронов и колебания ядер электрические центры тяжести положительных и отрицательных зарядов могут сместиться - возникает мгновенный электрический момент диполя. Диполи ориентируются соответствующим образом, и между молекулами возникают силы притяжения. Примером веществ, обладающих такой связью, служат «сухой лед» (двуокись углерода) и парафин.