Реферат: Кристаллы в природе
Точно также В.И.Вернадский пытался увидеть историческую роль минералов.
рис. 8 рис. 9
Он считал минералы остатками тех химических реакций, которые происходили в разных точках земного шара; эти реакции идут согласно известным законам, и которые, скорее всего, находятся в тесной связи с общими изменениями, какие претерпевает Земля как планета. В.И.Вернадский пытался связать эти разные фазисы Земли с общими законами небесной механики. На основании этих скупых данных в виде осколков различных элементов он пробует понять развитие планеты и космоса.
Вакуум при жизни В.И.Вернадского понимался преимущественно как отсутствие в данном объеме каких-либо частиц (атомов, молекул, ионов газа). Однако В.И.Вернадский считал, что вакуум не есть пустота с температурой абсолютного нуля, а есть активная область максимальной энергии нам доступного Космоса. То есть, пустоты нет. Под эти размышления подходит гипотеза, предполагающая самопроизвольное рождение атомов в космическом вакууме. Она хорошо объясняет некоторые природные явления, но требует отказа от закона сохранения энергии (точнее, ничтожных по величине отклонений от закона). Однако никто не мешает предположить, что эта энергия, сосредоточенная в вакууме, имеет принципиально другую природу. С этих позиций очень своевременно звучат слова В.И.Вернадского: «Об этих пространствах с рассеянными атомами и молекулами правильнее мыслить не как о материальной пустоте «вакуума», но как о концентрации своеобразной энергии, в рассеянном виде содержащей колоссальные запасы материи и энергии...»
С начала XX века стало преобладать понятие о едином и неразделимом пространстве - времени. Но если пространство и время — части единого целого, то нельзя делать научные выводы о времени, не обращая внимания на пространство. Все особенности пространства отражаются так или иначе во времени. Наконец, возникает вопрос: охватывает ли пространство-время всю научную реальность? Есть ли явления вне пространства-времени? По мнению В.И.Вернадского, такими объектами могут быть кванты — мельчайшие неделимые порции энергии. Натуралист наблюдает реальные объекты, подвластные времени, изменяющиеся непременно, как ни медленно проходили бы подобные изменения. Эти превращения чаще всего не сводимы к механическому перемещению. Это «внутренние» преобразования, которые остаются вне внимания физиков, вырабатывающих свое представление о пространстве-времени на основе теории относительности. В.И.Вернадский придавал особое значение принципу единства пространства-времени. Геологические объекты обладают разнообразными свойствами, структурными особенностями. Одно из проявлений такой разнородности — различные, реальные кристаллические пространства. В их пределах по-разному организована материя (атомы, молекулы), по-разному проявляется симметрия. Реальное пространство планеты крайне неоднородно, мозаично... Такая формулировка по старинке предполагает разделение пространства и времени. А если научно доказано их единство, то следует говорить о мозаичности пространства - времени. Когда мы исследуем структуру различных видов реального пространства, как утверждает В.И.Вернадский, надо иметь в виду возможность структурных особенностей времени для каждого такого вида.
II Силы взаимодействия и строение кристаллов
2.1.Природа сил связи в кристаллах.
Различные типы кристаллов и возможное расположение узлов (точка, относительно которой атом (молекула) совершает колебания) в пространственной решётке изучает кристаллография. По характеру сил, которые действуют между частицами, находящимися в узлах решётки кристалла, различают четыре типичные кристаллические структуры: ионную, атомную, молекулярную и металлическую.
ИОННАЯ кристаллическая структура характеризуется наличием положительных и отрицательных ионов в узлах решётки. Силами, которые удерживают ионы в узлах такой решётки, являются силы электрического притяжения и отталкивания между этими ионами.
Разноимённо заряжённые ионы в ионной решётке расположены ближе друг другу, чем одноимённо заряжённые, поэтому силы притяжения между ионами решётки преобладают над силами отталкивания. Этим и обуславливается значительная прочность кристаллов с ионной решёткой (рис10).
рис. 10
При плавлении веществ с ионной кристаллической решёткой из узлов решётки в расплав переходят ионы, которые становятся свободными носителями зарядов. Поэтому такие расплавы являются хорошими проводниками электрического тока.
АТОМНАЯ кристаллическая структура характеризуется наличием нейтральных атомов в узлах решётки, между которыми имеется ковалентная связь.
Современный уровень физики позволяет рассчитать вероятность пребывания электрона в то или иной области пространства, занятого атомом. Эту область пространства можно изобразить в виде электронного облака, которое гуще там, где электрон бывает чаще, т.е. где больше вероятность пребывания электрона (рис 11).
Электронные облака валентных электронов двух атомов, образующих молекулу с ковалентной связью, перекрываются, оба валентных электрона (по одному от каждого атома) обобществляются, т.е. принадлежат обоим атомам одновременно, и большую часть времени проводят между атомами, связывая их в молекулу (рис 12).Эта связь сильная.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ кристаллическая структура отличается пространственной решёткой, в узлах которой находятся нейтральные молекулы вещества. Силами, удерживающими молекулы в узлах этой решётки, являются силы межмолекулярного взаимодействия. Эти силы слабые. Твёрдые вещества с молекулярной решёткой легко разрушаются при механическом воздействии и имеют низкую температуру плавления. Примерами веществ с молекулярной пространственной решёткой является нафталин, твёрдый азот и большинство органических соединений.
МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ кристаллическая структура отличается наличием в узлах решётки положительно заряженных ионов металла. У атомов всех металлов валентные электроны, т.е. наиболее удалённые от ядра атома, очень слабо связаны с атомами. Электронные облака таких периферийных электронов перекрывают сразу много атомов в кристаллической решётке металла. Это означает, что валентные электроны в кристаллической решётке металла не могут принадлежать одному и даже двум атомам, а обобществляются сразу многими атомами. Такие электроны практически могут беспрепятственно двигаться между атомами.
Таким образом, каждый атом в твёрдом металле теряет свои периферийные электроны, и атомы превращаются в положительно заряженные ионы, а оторвавшиеся от них электроны движутся между ионами по всему объёму, занятому кристаллом.
Что же касается вандерваальсовой связи, то она всегда примешивается к ионно-ковалентной связи. Ведь хотя внутренние оболочки всех атомов всегда заполнены, вследствие движения электронов центр их отрицательного заряда может не совпадать с центром положительно заряжённого ядра.
2.2.Структура кристаллов
Для ионных, металлических и вандерваальсовых сил взаимодействия характерны их симметричность силы связи в молекулярных и металлических кристаллах.
Симметричный характер сил связи приводит к тому, что ионы оказываются плотно упакованными. Расположения частиц в таких кристаллах подобно плотной упаковки шаров в некотором объёме. Для того чтобы разобраться в структуре кристаллов, рассмотрим законы плотной упаковки шаров.
Остановимся на случае, когда все шары одинаковы. Первый слой шаров можно уложить плотно единственным образом так, как показано на рисунке 13. Каждый шар имеет при этом 6 соседей.
рис. 13
Шары второго слоя, для того чтобы они легли наиболее плотно, должно быть помещены в лунки первого слоя. Заполнить все лунки шарами того же самого размера нельзя, поэтому лунки заполняются через одну. Предположим, лунки отмеченные крестиком, остались пустыми, а лунки, отмеченные точками, заполнены шарами, очевидно, характер плотной упаковки не изменился бы, если бы шарами заполнили лунки, отмеченные крестиком.
Плотную упаковку из трёх слоёв можно сделать двумя различными способами. Действительно, чтобы получить плотнейшую упаковку, мы должны укладывать шары третьего слоя в лунки второго слоя. Однако шары третьего слоя при этом можно расположить либо так, что центры их будут лежать над лунками первого слоя, либо так, чтобы центры их лежали над центрами шаров первого слоя. Эти две трёхслойные постройки имеют одинаковую плотность упаковки, но структурно они отличаются друг от друга. Первой из них соответствует гранецентрированная кубическая элементарная ячейка, второй - гексанальная. При этом каждый атом, находящийся внутри упаковки, имеет 12 соседей.
2.3. Структура атомных кристаллов
Молекулярные, ионные и металлические кристаллы имеют плотноупакованные структуры вследствие того, что силы связи имеют симметричный характер. Кроме того, для этих сил не существует предельного числа атомов, на которые они могут действовать.
Ковалентные связи имеют совершенно другой характер. Они определяют число возможных «соседей» атома в кристалле и носят, кроме того, направленный характер. Например, атом углерода в кристалле может иметь только четырёх соседей, ибо он может образовывать только четыре ковалентные связи с окружающими его атомами. Кроме того, электронные облака валентных электронов имеют определённое расположение в пространстве; при «обобществлении» электронов электронные облака, частично перекрываясь, выстраиваются в цепочку и вынуждают атомы занять вполне определённое положение в пространстве. В результате каждый атом углерода оказывается в вершине правильного тетраэдра. Таким образом, структура атомных кристаллов не является плотноупакованной. Она определяется числом и видом ненасыщенных связей атомов.
2.4. Полиморфизм
Ни у кого не вызывает удивления тот факт, что разные вещества, имея различный химический состав, обладают весьма отличными друг от друга свойствами. Гораздо удивительнее то, что некоторые вещества, обладая, весьма различными свойствами, имеют одинаковый химический состав. Возьмём, например, олово. Это металл с характерным блеском, белого цвета, ковкий, обладающий, как и все металлы, хорошей электропроводностью и теплопроводностью. И рядом какое-то порошкообразное вещество серого цвета. Кажется, что между ними общего? А между тем химический анализ показывает, что этот порошок тоже олово.
Или алмаз - одно из самых твёрдых веществ, диэлектрик. Искусные руки ювелира превращают его в бриллиант, сверкающий драгоценный камень, играющий всеми своими гранями. Что общего у него с графитом - черным, легко расслаивающимся, электропроводным? А между тем химический анализ показывает, что графит, как и алмаз, представляет собой углерод в чистом виде.
Отличие алмаза от графита, серого олова от белого объясняется различием их кристаллических структур. У алмаза пространственная решётка объёмная, у графита - плоская, слоистая.
алмаз графит
Свойства веществ иметь две различных кристаллические структуры называются полиморфизмом.
Полиморфизм присущ практически все веществам. При одних условиях (температура и давления) энергетически выгодны одни структуры, при других - другие. Так, например, белое олово при низких температурах превращается в серое. Полиморфные превращения некоторых веществ возможны лишь при очень высоких давлениях.
2.5. Энергия связи молекул в кристалле
Рассмотрим взаимодействие двух частиц. На большом расстоянии частицы практически не взаимодействуют между собой. При сближении атомов появляются как силы притяжения между ними, так и силы отталкивания. Силы притяжения и силы отталкивания по-разному зависят от расстояния r между частицами. При уменьшении расстояния между частицами силы отталкивания возрастают быстрее, чем силы притяжения. На рисунке 16 линиями 1 и 2 изображена зависимость этих сил от расстояния между этими частицами. Силы притяжения действуют между разноимёнными зарядами и потому являются отрицательными, силы отталкивания действуют между одноимёнными зарядами и являются положительными. Линия 3 изображает зависимость результирующей этих сил от расстояния между частицами. результирующая сила взаимодействия вначале проявляет себя как сила притяжения. На расстоянии r0, равном приблизительно сумме радиусов молекул, сила отталкивания равна силе притяжения, и результирующая сила становится равной нулю. При дальнейшем сближении молекул результирующая сила является силой отталкивания и возрастает с уменьшением расстояния очень быстро.
Зная зависимость характера сил связи от расстояния, можно установить зависимость потенциальной энергии взаимодействия частиц от расстояния. При бесконечно большом расстоянии между частицами потенциальная энергия равна нулю. При сближении частиц надо учитывать действующую между ними силу притяжения. Работа этой силы положительна, она влечёт за собой увеличение кинетической энергии частиц и уменьшение потенциальной энергии их взаимодействия. Так происходит до расстояния r = r0 . При дальнейшем уменьшении расстояния между частицами силы притяжения будут преобладать над силами отталкивания (рис14).
рис. 14 рис. 15
Силы отталкивания, действуя в направлении, противоположном движению частицы, совершают отрицательную работу, в результате чего потенциальная энергия взаимодействия возрастает, причём очень резко. В точке r = r0 потенциальная энергия имеет минимальное значение, а сила взаимодействия равна нулю.
Кривая потенциальной энергии взаимодействия двух частиц изображена на рисунке 15.
В кристалле все частицы находятся на таких расстояниях друг от друга, которые соответствуют минимуму их потенциальной энергии. Кроме того, частицы обладают кинетической энергией теплового движения. Для того чтобы разорвать силы связи между двумя частицами, надо совершить работу, равную U0. величину U0 называют энергией связи двух частиц.
Знания энергии связи частиц позволяет объяснить, почему при одной и той же температуре одни вещества находятся в твёрдом, другие- в жидком, а третьи- в газообразном состоянии. Известно, что для одноатомных молекул энергия теплового движения Е=3/2RТ, где R- постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура. Если при данной температуре энергия теплового движения гораздо больше энергии связи, вещество будет находиться в газообразном состоянии. Если же энергия теплового движения меньше энергии связи, то вещество находится в твёрдом состоянии. В жидком состоянии энергия связи и энергия теплового движения частиц имеют одинаковый порядок.
2.6. Поверхностная энергия кристалла
Частицы кристалла, находящиеся на его поверхности, обладают избыточной потенциальной энергией подобно тому, как ею обладают молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости.
Избыток потенциальной энергии, которой обладают частицы поверхностного слоя кристалла, называют поверхностной энергией кристалла.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
