В отличие от газов между молекулами жидкости действуют достаточно большие силы взаимного притяжения, что определяет своеобразный характер молекулярного движения. Тепловое движение молекулы жидкости включает колебательное и поступательное движения. Каждая молекула в течение какого-то времени колеблется около определенной точки равновесия, затем перемещается и снова занимает новое равновесное положение. Это определяет ее текучесть. Силы межмолекулярного притяжения не дают молекулам при их движении далеко отходить друг от друга. Суммарный эффект притяжения молекул можно представить, как внутреннее давление жидкостей, которое достигает очень больших значений. Этим и объясняются постоянство объема и практическая несжимаемость жидкостей, хотя они легко принимают любую форму.
С помощью мощного микроскопа мы приходим к тому, чтобы различать несколько крупных микроэлементов на волосах. Теперь в микроне все еще можно найти место из десяти тысяч атомов, уложенных в ряд: их средний размер, фактически, составляет десятую часть нанометра. Чтобы исследовать структуру вещества, этого недостаточно для оптического микроскопа, но необходимы различные и более мощные средства.
Среди них сенсационные туннельные микроскопы, изобретенные в восьмидесятые годы двадцатого века. Благодаря безупречному наконечнику, который исследует поверхность металла, они измеряют более слабые электрические токи, связанные с поверхностными атомами, а затем восстанавливают их изображение. При изменении атомного силового микроскопа изображение атомов может быть получено, даже если поверхность изолирована и, следовательно, не пересекается токами.
Свойства жидкостей зависят также от объема молекул, формы и полярности их. Если молекулы жидкости полярны, то происходит объединение (ассоциация) двух и более молекул в сложный комплекс. Такие жидкости называют ассоциированными жидкостями. Ассоциированные жидкости (вода, ацетон, спирты) имеют более высокие температуры кипения, обладают меньшей летучестью, более высокой диэлектрической проницаемостью. Например, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одинаковую молекулярную формулу (С 2 Н 6 О). Спирт является ассоциированной жидкостью и кипит при более высокой температуре, чем диметиловый эфир, который относится к неассоциированным жидкостям.
Если вы хотите знать, как атомы помещаются внутри образца или как они перемещаются, следует использовать один из различных типов спектрометров, которые были изобретены в течение последних двух столетий. Эти приборы используются для регистрации изменения света, рентгеновских лучей или легких частиц, таких как электроны или нейтроны, когда они пересекают материал. Из изменений, которые подверглись этим быстрым «зондам», это можно проследить до того, как компьютеры обрабатываются так, как образец «сделан».
Физики, химики и биологи чаще всего используют синхротронный свет в качестве зонда для исследования структуры вещества. Это очень интенсивное белое излучение, которое генерируется электронами при движении по круговым орбитам со скоростью, близкой к скорости света. Синхротронии, теперь более правильно называемые скоплениями, - это отличные машины, которые все промышленно развитые страны только что построили, чтобы получить этот драгоценный свет: самое современное итальянское кольцо под названием Элеттра и было построено около Триеста.
Жидкое состояние характеризуют такие физические свойства, как плотность, вязкость, поверхностное натяжение.
Поверхностное натяжение.
Состояние молекул, находящихся в поверхностном слое, существенно отличается от состояния молекул в глубине жидкости. Рассмотрим простой случай – жидкость – пар (рис. 2).
Рис. 2. Действие межмолекулярных сил на поверхности раздела и внутри жидкости
Изучение структуры материи не мотивировано исключительно научным любопытством. На основе ежедневного опыта человек давно научился классифицировать все тела на три категории или состояния материи: такие же, как меч, который держал, жидкости, такие как вода, которая пила, и газы, подобные дыхательный воздух. Он также знал, что эти состояния могут быть преобразованы друг в друга: например, он увидел, что вода стала зимним льдом, и более трех тысяч лет назад он уже знал, что растопит железо в тигле.
Но как вещи настолько разнообразны между ними? Первые научные исследования природы вещества относятся к мерам, принимаемым газами от Евангелиста Торричелли - ученика Галилео Галилея и французского современного Блейса Паскаля. Было также обнаружено, что когда газ, содержащийся в заданном объеме, нагревается, его давление увеличивается. Однако для того, чтобы понять микроскопическое происхождение давления, потребовалось еще два столетия.
На рис. 2 молекула (а) находится внутри жидкости, молекула (б) – в поверхностном слое. Сферы вокруг них – расстояния, на которые распространяются силы межмолекулярного притяжения окружающих молекул.
На молекулу (а) равномерно действуют межмолекулярные силы со стороны окружающих молекул, поэтому силы межмолекулярного взаимодействия компенсируются, равнодействующая этих сил равна нулю (f=0).
В отличие от газа, однако, жидкости занимают определенный объем: капля дождя может достигать земли с больших высот без диспергирования, так как газ просто открывает кран цилиндра, содержащего его. Это означает, что в жидкости атомы удерживаются вместе сильными силами притяжения, которые, как мы знаем, сегодня имеют электромагнитную природу. Лишь несколько молекул случайно удаляются с поверхности, то есть испаряются, а другие снова пойманы и вынуждены конденсироваться. Таким образом, в замкнутой среде всегда устанавливается баланс между жидкостью и ее паром.
Плотность пара значительно меньше плотности жидкости, так как молекулы удалены друг от друга на большие расстояния. Поэтому молекулы, находящиеся в поверхностном слое, почти не испытывают силы притяжения со стороны этих молекул. Равнодействующая всех этих сил будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь и, тем самым, сократить поверхность жидкости.
Жидкости также могут нести электричество, когда есть свободные вещества, называемые электролитами: их атомы теряют электрон, превращаются в положительные ионы или приобретают их, превращаясь в отрицательные ионы. Так работает автомобильный аккумулятор.
Почти все жидкости, когда затвердевают, уменьшаются в объеме: вода является исключением, а когда она становится льдом, она расширяется. Однако между телом в жидком состоянии и твердом состоянии разность объема не очень велика, а это означает, что в обоих состояниях атомы очень близки друг к другу. Однако, если мы наблюдаем поверхность твердого тела с атомно-силовым микроскопом, мы замечаем регулярное чередование пустот и сильно отличаемся от хаотического беспорядка, который, как мы знаем, существует в жидкости из-за броуновского движения.
Чтобы увеличить поверхность раздела жидкости, необходимо затратить работу А (Дж). Работа, необходимая для увеличения поверхности раздела S на 1 м 2 , является мерой поверхностной энергии или поверхностным натяжением .
Таким образом, поверхностное натяжение д (Дж/м 2 = Нм/м 2 = Н/м) – результат некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном слое:
Эта закономерность атомов обнаруживается, хотя и в разных формах, в структуре всех кристаллов, существующих в природе. Эта правильная форма - кубическая, пирамидальная, гексагональная и т.д. - повторяется миллиарды раз в миллиарды раз: и закономерность может быть настолько совершенной, что мы находим ее в той же внешней форме кристалла. Только в нескольких твердых телах атомы являются случайными: они являются аморфными твердыми частицами, а наиболее распространенным из них является стекло.
Даже атомы твердого движения движутся: они вибрируют, как будто они привязаны друг к другу невидимыми пружинами. Эти «пружины» на самом деле являются электромагнитными силами между атомом и атомом, особенно интенсивными в твердых телах. Вибрации увеличивают амплитуду с температурой и беспорядочны, подобно движениям людей, забитых как сардины, ожидающие рок-концерта; но атомы также могут вибрировать в унисон, точно так же, как зрители колеблются, когда начинается музыка. Из-за этих колебаний вы заказываете звук, например, перемещается от одного конца к другому из твердого тела намного лучше, чем в воздухе.
д = F/S (F – поверхностная энергия) (2.3)
Существует большое число методов определения поверхностного натяжения. Наиболее распространены сталагмометрический метод (метод счета капель) и метод наибольшего давления газовых пузырьков.
При помощи методов рентгеноструктурного анализа было установлено, что в жидкостях есть некоторая упорядоченность пространствен-ного расположения молекул в отдельных микрообъемах. Вблизи каждой молекулы наблюдается так называемый ближний порядок. При удалении от нее на некоторое расстояние эта закономерность нарушается. И во всем объеме жидкости порядка в расположении частиц нет.
Как вы можете видеть в некоторых западных фильмах, прикладывая ухо к рельсам, благодаря невидимым вибрациям атомов железа вы можете ощутить шум поезда, когда он еще далеко. Поскольку люди научились использовать экстраординарные свойства твердых тел, это состояние материи изменило их существование и их историю. Из-за твердости металлов они производили инструменты и оружие до бронзы, а затем железа. Прозрачность стекла позволила жить в теплых и ярких средах, а затем производить линзы, микроскопы и телескопы.
Драгоценный блеск и неизменность золота, серебра и меди предлагали изобретение монеты, из которых возникла современная экономика. Мы видим отвертку: душа металлическая, но ручка изготовлена из дерева или пластика. Мы знаем, что эта защита не заставляет нас дрожать, то есть изолировать нас от тока. На самом деле, существуют твердые тела, называемые проводниками, которые несут ток, металлы и твердые частицы, которые его не пропускают, такие как древесина и пластик, которые являются изолирующими.
Рис. 3. Сталагмометр Рис. 4. Вискозиметр
Вязкость з (Па·с) – свойство оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. В практической жизни человек сталкивается с большим множеством жидких систем, вязкость которых различна, – вода, молоко, растительные масла, сметана, мед, соки, патока и т.д.
Свободные электроны и электроны. Как объяснить различия между изоляторами и проводниками в микроскопическом мире атомов? В изоляторе атомы нейтральны, т.е. все отрицательные электроны, которые отлично компенсируют положительный заряд ядер, остаются плотными. Если этот изолятор подключен к двум полюсам токового генератора, он не может обеспечить свободный заряд, и поэтому ток не проходит. Вместо этого металл сделан из положительных ионов, которые потеряли свои электроны дальше от ядра: эти частицы могут двигаться в кристалле, как в случае с отрицательными ионами в проводящей жидкости, и, следовательно, поскольку каждый из них несет заряд вместе они едут на электричество.
Вязкость жидкостей обусловлена межмолекулярным воздействием, ограничивающим подвижность молекул. Она зависит от природы жидкости, температуры, давления.
Для измерения вязкости служат приборы, называемые вискозиметрами. Выбор вискозиметра и метода определения вязкости зависит от состояния исследуемой системы и ее концентрации.
Через нить лампочки мощностью 60 Вт весит 4 миллиарда миллиардов электронов в секунду! Нить нагревается, потому что электроны блокируются в их движении положительными ионами металла. Если кристаллическая решетка была совершенно гладкой и ионы были твердыми, сопротивление было бы ничем, и нить не стала бы светящейся; но, как мы уже говорили, ионы вибрируют, и, кроме того, в кристалле всегда есть дефекты и примеси, которые замедляют электроны.
Поскольку он не сталкивается с сопротивлением и, следовательно, не потребляет энергию, ток может беспрепятственно протекать в сверхпроводящую цепь без необходимости в батарее или другом генераторе: это сверхток. Фактически, они были замечены в лаборатории сверхтоков, которая циркулировала годами и годами, пока эксперимент не был прерван случайными причинами!
Для жидкостей с малой величиной вязкости или небольшой концентрацией широко используют вискозиметры капиллярного типа.
План лекции:
1 Особенности жидкого состояния
2 Поверхностное натяжение жидкости и методы его определения
3 Вязкость жидкостей
4 Особенности твердого состояния вещества
К сожалению, сверхпроводимость наблюдается только при очень низких температурах. Поэтому они хорошо работают вблизи температуры сжижения воздуха. Поскольку жидкий воздух является экономичным и простым в производстве хладагентом, это открытие открыло новые приложения для сверхпроводимости. Это позволит человечеству экономить огромное количество энергии или производить поверхностные компьютеры. Супертоки также способны создавать сильные магнитные поля, в свою очередь, постоянные.
Поскольку два магнитных поля, обращенных к полюсам с одинаковым именем, отбрасываются, если сверхпроводник опускается на намагниченный стальной диск, он может подниматься и начинать левитировать. Ученые смогли действительно сделать то, что волшебники и иллюзионисты показывают публике, используя свои трюки. Полупроводники прочны с тенденцией к изолирующей природе, но они могут приобретать более или менее выраженные свойства металлов, когда они легированы, то есть «загрязнены» атомами других веществ.
1. Жидкости по своим свойствам занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Подобно газам жидкости текучи и однородны по свойствам по всем направлениям, т. е. изотропны. Движение молекул жидкости беспорядочно, как и в газах, но величина среднего пробега молекул вследствие больших сил взаимодействия между ними мала. Силы межмолекулярного притяжения не дают молекулам удаляться друг от друга на большие расстояния, следовательно, каждая молекула жидкости находится в сфере действия соседних молекул. Поэтому жидкости отличаются постоянством объема. Хотя силы межмолекулярного сцепления и велики, но все же недостаточны, чтобы удерживать молекулы в определенных точках пространства. Поэтому жидкость не имеет постоянной формы, а приобретает форму того сосуда, в котором она находится.
Однако самое главное, что в полупроводнике ток создается не только электронами, но и положительными носителями заряда, так называемыми щелями. Наиболее используемым полупроводником является кремний, один из наиболее распространенных элементов земной коры.
Таким образом, крупными электронными компонентами могут быть достигнуты всего несколько десятков нанометров: в куске кремния размером с гвоздь найдены десятки миллионов транзисторов, диодов и других компонентов. Эти интегральные схемы сегодня являются сердцем любого электронного устройства: от компьютера или мобильного чипа до блока управления автомобиля. Предположим, у нас есть резиновый шар объемом около литра, наполненный газом, и практиковать дыру в нем, из которой выпустить газ. Предположим, что из дыры существует огромное количество атомов в секунду, скажем, миллиард.
Изучение жидкостей показало, что по внутреннему строению они даже ближе к твердым веществам. Молекулы жидкости стремятся к некоторому упорядоченному расположению в пространстве; жидкости обладают объемной упругостью, как и твердые тела, так как упруго противодействуют не только всестороннему сжатию, но и всестороннему растяжению.
Сколько времени нужно, чтобы исчерпать весь газ? Причина в том, что в литре газа есть необычайное количество атомов, и вытащить их - это не маленькая работа! Какой белый дым мы видим на горшке для макарон? Паровая вода, которая образуется в изобилии, в то время как жидкие пузырьки воды, прозрачна в солнечном свете или лампочке, поэтому мы не можем ее видеть. Однако, когда пар поднимается, он вступает в контакт с самым холодным воздухом на кухне и вспоминает в виде сферических капель. Они подобны тем, которые образуют белые облака неба: слишком светлые и слишком маленькие, чтобы отличить их.
Свойства жидкостей зависят также от объема молекул, формы и полярности их. Жидкости, образованные полярными молекулами, отличаются по свойствам от неполярных. Соседние полярные молекулы ориентируются разноименными концами диполей друг к другу; при этом между ними возникают силы электростатического притяжения. Происходит объединение (ассоциация) двух или более молекул в сложный комплекс. Ассоциация может быть вызвана, в частности, образованием водородной связи между молекулами жидкости. Свойства жидкостей зависят от степени ассоциации, так как для разрыва межмолекулярных связей требуется значительная энергия. Поэтому ассоциированные жидкости (вода, спирты, жидкий аммиак) имеют более высокие температуры кипения, обладают меньшей летучестью и т. п. Так, например, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одинаковую формулу (С 2 Н 6 О) и одинаковую молекулярную массу. Спирт - полярное вещество, относится к ассоциированным жидкостям и кипит при более высокой температуре, чем диметиловый эфир (неполярное вещество), который относится к неассоциированным жидкостям.
2. Рассмотрим некоторые характерные физико-химические свойства жидкостей и, в частности, поверхностное натяжение.
Поверхностный слой жидкости по физико-химическим свойствам отличается от внутренних слоев. Каждая молекула внутри жидкости притягивает к себе все окружающие ее молекулы и одновременно с такой же силой притягивается равномерно во все стороны окружающими ее молекулами. Следовательно, силовое поле каждой молекулы внутри жидкости симметрично насыщенно. Равнодействующая сил притяжения равна нулю.
В ином положении оказываются молекулы, расположенные в поверхностном слое. На них действуют силы притяжения только со стороны молекул нижней полусферы. Действием молекул газа или пара, находящихся над поверхностью жидкости, можно пренебречь, так как их концентрация, несравнимо меньше, чем в жидкости. Равнодействующая молекулярных сил в этом случае не равна нулю и направлена вниз. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь. Это приводит к тому, что поверхность жидкости стремится сократиться.
У молекул поверхностного слоя неиспользованные силы сцепления являются источником избыточной энергии, называемой свободной поверхностной энергией. Свободная энергия единицы поверхности называется поверхностным натяжением и обозначается σ. Поверхностное натяжение σ может быть измерено той работой, которую нужно затратить на преодоление сил сцепления между молекулами для создания новой единицы поверхности.
Поверхностное натяжение можно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости, и направленную и сторону сокращения поверхности.
Поверхностное натяжение можно определить опытным путем. Возьмем проволочную рамку, одна сторона которой (CD) может свободно перемещаться. К подвижной стороне рамки CD прикреплен груз Р. Проволочку CD сдвинем к стороне АВ, смочим рамку мыльным раствором и установим ее в вертикальном положении. Подвижная сторона под действием груза Р начнет опускаться вниз. При этом между ней и рамкой образуется пленка. Пройдя некоторое расстояние h, подвижная проволока остановится, так как вес груза Р становится равным силе поверхностного натяжения. При этом груз Р совершает работу A = P*h. Работа, выполненная грузом Р, к моменту равновесия равна поверхностному натяжению мыльной пленки с поверхностью S, равной 2lh (так как поверхность образована двумя сторонами пленки).
Величину поверхностного натяжения рассчитывают по уравнению A = σS, откуда
где A - работа создания поверхности S; σ - поверхностное натяжение.
Поверхностное натяжение для чистых жидкостей зависит от природы жидкости и температуры, а для растворов от природы растворителя, а также от природы и концентрации растворенного вещества.
У жидких и расплавленных металлов поверхностное натяжение очень велико. Спирт, эфир, ацетон, бензол - жидкости с малыми значениями σ. Поверхностное натяжение жидкостей с ростом температуры уменьшается.
Поверхностное натяжение воды при различных температурах
Температура 0 +20 +40 +60 +80
σ∙ 103 75,95 72,75 69,55 66,18 62,75
Поверхностное натяжение жидкостей может резко изменяться при растворении в них различных веществ. Растворенные вещества могут понижать или повышать поверхностное натяжение! Вещества, значительно снижающие поверхностное натяжение данной жидкости, называют поверхностно-активными. По отношению, к воде поверхностно-активными веществами являются спирты, мыла, белки и др. Добавка таких веществ к воде облегчает вспенивание, т. е. образование большого количества новых поверхностных пленок жидкости, что объясняется снижением поверхностного натяжения воды.
Вещества, повышающие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-неактивными. Поверхностное натяжение воды, например, повышается при растворении минеральных кислот, щелочей, некоторых неорганических солей.
Измеряют поверхностное натяжение различными методами. Наиболее простым является метод «счета капель» при помощи прибора, называемого сталагмометром, который представляет собой пипетку, имеющую две метки; нижняя часть сталагмометра переходит в капилляр, конец которого утолщен и отшлифован для получения одинаковых капель. Метод основан на том, что образующаяся на конце капиллярной трубки сталагмометра капля удерживается силой поверхностного натяжения. Отрывается капля в тот момент, когда ее вес станет равным или превысит на бесконечно малую величину силу поверхностного натяжения, удерживающую каплю. Для жидкостей с большим поверхностным натяжением отрыв капель затруднен и образующиеся капли будут более крупными, чем у жидкостей с меньшим поверхностным натяжением, поэтому и число их будет меньше.
Сталагмометр заполняют исследуемой жидкостью и считают число капель п, вытекающих из объема V. Затем его заполняют дистиллированной водой и считают число капель воды nо, вытекающих из этого же объема V. И в момент отрыва капли ее вес равен силе поверхностного натяжения. Если из объема V вытекает п капель жидкости, имеющей плотность р, то вес капли определяют по уравнению Р= V*ρ*g/n, где g - ускорение свободного падения.
Сила поверхностного натяжения, удерживающая каплю, равна 2πrσ; где 2πr - длина окружности отверстия капилляра, от которого отрывается капля. Для исследуемой жидкости
V*ρ*g/n = 2πrσ (II)
для воды V*ρ о *g/n о = 2πrσ о (III)
где σ о - поверхностное натяжение воды; ρ о - ее плотность; n о - число капель воды.
Поделив уравнение (II) на (III), получим
ρ*n o /ρ o *n = σ / σ o , откуда
σ = σ о * ρ*n o /ρ o *n (IV)
Плотность исследуемой жидкости, йоды и поверхностное натяжение воды σ o находят по таблицам для соответствующей температуры, при которой производится измерение.
3. Вязкостью или внутренним трением называется сопротивление, возникающее при движении одних слоев жидкости относительно других. Если перемешивать палочкой воду, а тем более сахарный сироп, подсолнечное масло, мед, глицерин, то при этом будет ощущаться сопротивление движению палочки. При движении одного слоя жидкости Соседние слои вовлекаются в это движение, но оказывают ему сопротивление. Величина этого сопротивления для разных жидкостей различна и зависит от химической природы жидкостей, т. е. от сил межмолекулярного взаимодействия. У таких жидкостей, как мёд, сахарный сироп, вязкость высокая, а у воды, этилового спирта она невелика.
Вязкость жидкости зависит от температуры; при повышении температуры она уменьшается, жидкость становится более подвижной, т. е. ее текучесть увеличивается. Обычно при повышении температуры на 1°С вязкость уменьшается примерно на 2%. Такие жидкости, как винный спирт, вода, диэтиловый эфир, легкотекучие, а мед, глицерин, патока, масло - вязкие. Иногда вязкость повышается настолько, что жидкость перестает быть текучей и приобретает свойства твердых тел.
Вязкость растворов в значительной мере зависит от их концентрации; чем выше концентрация, тем больше вязкость.
В жидкостях при перемещении одних слоев относительно других между слоями возникает сила трения, направленная противоположно направлению движения. Количественная характеристика этой силы выражается законом Ньютона:
F = η*S*Δυ/l (V)
где F - сила трения; S - площадь контакта двух слоев; Δυ - разность скоростей υ 2 и υ 1 этих слоев, находящихся на расстоянии l друг от друга; η - коэффициент пропорциональности.
Если S=1 см 2 и Δυ/l=1, то F=η. Поэтому вязкость качественно характеризуется коэффициентом вязкости, или коэффициентом внутреннего η (эта), который зависит от природы жидкости и температуры.
Вязкость измеряется в пуазах. Вязкость 1 П (0,1 Н*с/м 2) – очень большая величина: так, вязкость воды при 20о С равна всего 0,01 П, оливкового масла 0,98 П, а глицерина 10,63 П. На практике обычно определяют относительную вязкость, т. е. отношение вязкости исследуемой жидкости к вязкости воды, принимая вязкость воды равной одному сантипуазу (1 сП).
Один из методов измерения вязкости основан на определении времени истечения жидкости из капиллярной трубки вискозиметра. Время истечения равных объемов (этот объем ограничен метками А и Б) воды и исследуемой жидкости определяется в секундах. На основании опытных данных, рассчитывают относительную вязкость по формуле
η отн = η о *ρ ж *τ ж /ρ о * τ о (III.22)
где η отн - относительная вязкость исследуемой жидкости по воде; η о - коэффициент вязкости воды, равный I сП; р ж и ρ о - плотность исследуемой жидкости и воды; τ ж и τ о - время истечения исследуемой жидкости и воды. Величины τ ж и τ о определяют опытным путем при постоянной температуре; р ж и ρ о для данной температуры берут из таблиц.
Определение вязкости имеет большое значение при изучении свойств растворов белков, углеводов и жиров. От вязкости зависит скорость диффузии вещества в жидких средах, а следовательно, и скорость химических ре-акций в растворах.
Растворы почти всегда более вязки, чем чистые растворители. Особенно ярко различие проявляется в растворах высокомолекулярных веществ. Поэтому жидкости, подчиняющиеся уравнению (III.22), называются ньютоновскими в отличие от растворов полимеров, которые не подчиняются этому уравнению.
4. Твердое состояние вещества
Твердые вещества в отличие от жидкостей и газов сохраняют свою форму. Частицы твердых тел так прочно связаны друг с другом силами сцепления, что поступательное движение у них отсутствует и возможно лишь колебательное движение около определенных точек. Твердые тела могут быть кристаллическими и аморфными.
Кристаллические тела имеют четкую внутреннюю структуру, обусловленную правильным расположением частиц в строго определенном периодически повторяющемся порядке. Размеры кристаллов могут быть различны: от очень мелких до гигантских. Кристаллические тела имеют строго определенную температуру плавления. Для них характерно также явление анизотропии, заключающееся в том, что свойства кристаллических тел в различных направлениях неодинаковы. Это объясняется тем, что в кристаллах теплопроводность, механическая прочность, скорость роста кристаллов, скорость растворения и другие свойства в различных направлениях различны. Например, слюда легко разделяется на пластинки только в одном направлении (параллельно ее поверхности), в других направлениях для разрушения слюды требуются значительно большие усилия. Аморфные тела не имеют строго определенной температуры плавления, они размягчаются в некотором интервале температур и постепенно переходят в жидкое состояние. При охлаждении эти расплавы переходят в твердое состояние, не образуя кристаллической структуры. Типичным представителем аморфных тел является обычное силикатное стекло, поэтому аморфное состояние часто называют стеклообразным.
В отличие от кристаллических для аморфных тел, так же как и для газов и жидкостей, характерно свойство изотропности, т. е. постоянство свойств (теплопроводности, электропроводности, механических свойств и т. д.) по всем направлениям. Следует отметить, что поликристаллические тела, состоящие из большого числа беспорядочно ориентированных мелких кристаллов, в целом также оказываются изотропными телами, например металлы.
Однако нельзя провести четкой границы между аморфными и кристаллическими телами. Например, сахар может быть как в кристаллическом (сахарный песок, кусковый сахар), так и в аморфном состоянии (карамелизованный сахар). Кроме того, некоторые вещества, полученные в аморфном состоянии, со временем могут кристаллизоваться: так кристаллизуется карамель, что нежелательно в кондитерском производстве, кристаллизуются со временем стекла, теряя прозрачность. Это явление и технике называется расстекловыванием.
