Глава 1. Агрегатные состояния вещества (стр. 6 )

Имеется семь основных элементарных ячеек (рис. 9):

·  кубическая

·  тетрагональная или тетраэдрическая

·  гексагональная

·  тригональная или ромбоэдрическая

·  ромбическая

·  моноклинная

·  триклинная.

Рис. 9. Основные элементарные ячейки

Идеальные, т. е. с ненарушенной решеткой, кристаллы имеют строго правильную форму.

Рис. 10. Два изображения кристаллической решётки галита (NaCl). Кубическая форма элементарной ячейки отражается в форме кристалла этого минерала.

Кристаллические решетки бывают четырёх типов: молекулярные, атомные, ионные, металлические. От типа кристаллической решётки зависят такие свойства веществ как твёрдость, температура плавления и другие.

Физические свойства кристаллических тел (такие, как прочность на разрыв, эластичность, тепло - и электропроводность, светопроницаемость и др.) неодинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях. Такое свойство тел называется анизотропностью (анизотропность – неодинаковость свойств среды). Например, одно из главных свойств алмаза – анизотропия твёрдости, т. е. твёрдость имеет разные значения на разных гранях и в различных направлениях. Обработка алмаза ведётся по наименее износоустойчивым направлениям.

Свойства аморфных тел однородны во всех направлениях, т. е. аморфные тела изотропны.

Кристаллические тела делятся на монокристаллы и поликристаллы.

Монокристалл – это отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией. Монокристаллы ценны как материал, обладающий особыми физическими свойствами. Например, алмаз очень твёрдый, флюорит прозрачен для широкого диапазона волн, кварц является пьезоэлектриком. Монокристаллы могут менять свои свойства под влиянием внешних воздействий (света, электрического и магнитного полей, радиации, температуры, давления), поэтому изделия из монокристаллов применяют в качестве различных преобразователей в электронике, акустике, вычислительной технике и др. Запасы природных монокристаллов ограничены, поэтому появилась необходимость их искусственного выращивания.

Поликристалл - это совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных кристаллов разного размера и формы - кристаллитов. Каждый маленький монокристалл поликристаллического тела анизотропен, но поликристаллическое тело в целом изотропно. Поликристаллическое состояние характерно для многих природных и синтетических, технически важных материалов, например, металлов, сплавов, многих минералов, керамических материалов.

Кристаллогидраты солей

Кристаллогидраты – это вещества, которые в своём составе содержат химически связанную воду. Эта вода называется кристаллизационной. Типичными кристаллогидратами являются природные минералы, например, гипс CaSO4·2H2O, карналлит KCl·MgCl2·6H2O и другие.

Кристаллогидраты солей различаются по количеству кристаллизационной воды и по характеру связи молекул воды с другими частицами. Нередко соединение образует несколько кристаллогидратов. Например, CaCl2·6H2O, CaCl2·4H2O, CaCl2·2H2O, CaCl2·H2O.

а) б) в)

Рис. 11. Кристаллы а) CuSO4·5H2O; б) гипса; в) карналлита.

Молекулы воды могут связываться как с катионами, так и с анионами. Они могут также входить в решетку кристалла в промежутке между ионами или их слоями, взаимодействуя одновременно с несколькими ионами. Образование кристаллогидратов всегда сопровождается выделением теплоты.

1.6.  Жидкокристаллическое состояние вещества

Существует особый класс жидкостей, у которых физические свойства обладают пространственной анизотропией. Эти вещества получили название жидких кристаллов.

Жидкокристаллическим (мезоморфным) состоянием вещества называется такое состояние, свойства которого являются промежуточными между свойствами твердого кристалла и жидкости. Жидкие кристаллы сочетают в себе свойства как твердых кристаллических тел (наличие дальнего ориентационного порядка, оптические свойства – рассеяние, поляризация и преломление света, анизотропия), так и жидкостей (проявление текучести, вязкости)

В основном жидкие кристаллы представляют собой органические соединения, молекулы которых сильно вытянуты вдоль некоторого направления. В зависимости от способа ориентации молекул в пространстве жидкие кристаллы делят на четыре класса: нематики, смектики, холестерики и дискотики.

Рис. 12. Расположение молекул в жидких кристаллах

У нематических жидких кристаллов оси молекул ориентированы параллельно друг другу. Молекулы располагаются послойно, направление осей молекул перпендикулярно слоям (рис. 12,а). Молекулы смектиков также располагаются перпендикулярно слоям (рис. 12,b), однако некоторая часть молекул частично располагается в соседних слоях. У холестериков (рис. 12,c) молекулы также располагаются послойно, но оси молекул ориентированы параллельно плоскостям, в которых они лежат, и направление молекул изменяется по винтовой линии при переходе от одного слоя к другому. У дискотиков (рис. 12,d) длинные молекулы свиваются в клубочки в форме дисков (таблеток).

Жидкокристаллическое состояние обычно является мезофазой (промежуточной фазой), в которую переходят кристаллические вещества перед превращением в жидкость. В этом состоянии частично нарушается дальний порядок. С увеличением температуры жидкого кристалла дальний порядок нарушается полностью, и вещество теряет пространственную анизотропию физических свойств. При дальнейшем росте температуры может происходить разрыв молекул на отдельные фрагменты и далее - деструкция (необратимый распад) вещества.

Жидкие кристаллы изменяют свои физические свойства под действием различных физических факторов (температуры, электрических и магнитных полей, механических напряжений, излучения), что широко используется в современных устройствах и технологиях.

Широкое применение нашли жидкие кристаллы в индикаторных устройствах (электроника, часы, мобильные телефоны и т. д.), а также для производства жидкокристаллических экранов мониторов, телевизоров, табло и т. п.

Тонкие пленки холестериков используются для изготовления термометров, термоскопов, устройств, сигнализирующих о превышении температуры, и т. д.

Для защиты различных устройств (например, электромоторов) от перегрева их покрывают краской, содержащих жидкие кристаллы. При низких температурах окрашенная поверхность имеет нейтральный цвет (серый или зеленый). При перегреве окраска поверхности устройства становится более броской (например, красной), сигнализируя об опасном режиме работы прибора.

Пленки жидких кристаллов используют для сигнализации о химической опасности. Принцип действия таких устройств основан на способности молекул жидких кристаллов вступать во взаимодействие с некоторыми химическими веществами, образуя более крупные молекулы. Этот процесс сопровождается изменением окраски тонких жидкокристаллических пленок.

Рис. 13. Устройство сигнализации химической опасности.

На рис. 13 показано такое устройство, представляющее собой табло нейтрального цвета, на котором изображен сигнал опасности с помощью жидкокристаллического вещества. Если концентрация вредного вещества (например, толуола) невелика, пленка жидкого кристалла также имеет нейтральную окраску. Когда концентрация толуола в воздухе превысит предельно допустимую, надпись на табло окрашивается в красный цвет.