Условие задачи

Чем отличаются твёрдые кристаллические вещества от твёрдых аморфных? Приведите примеры тех и других, известных вам из повседневной жизни.

Решение

Дисциплина, к которой относится эта задача, — физическая химия (с акцентом на физику твердого тела). Ниже приводится подробное решение с использованием основ кристаллографии и структуры твердых веществ.

1. Определения и структурные особенности:

• Твёрдые кристаллические вещества характеризуются наличием долгодистантного (длиннодиапазонного) порядка в расположении атомов, ионов или молекул. Это значит, что структура представляет собой периодически повторяющуюся ячейку. Благодаря такому упорядочению кристаллы обладают определённой симметрией и направленной (анизотропной) физической свойствами.

• Твёрдые аморфные вещества не имеют регулярной кристаллической решётки. В них наличествует лишь краткосрочный порядок — на расстоянии ближайших соседей атомы могут сохранять определённую взаимную расположенность, но при дальнейшем увеличении расстояния порядок теряется. Такие вещества называют еще и неупорядоченными.

2. Физические и термические свойства:

• У кристаллических веществ часто наблюдается резкий температурный переход при плавлении — фиксированная температура плавления, так как большая энергия необходима для разрушения упорядоченной решётки.

• Аморфные вещества не имеют четко выраженной температуры плавления; вместо этого они постепенно смягчаются при нагревании. Например, стекло при нагреве переходит в вязкое состояние без резкого перехода.

• Кристаллы, как правило, обладают анизотропными свойствами: их механические, оптические или электрические характеристики могут различаться в разных направлениях. Аморфные вещества ведут себя изотропно, то есть их свойства одинаковы во всех направлениях.

3. Примеры из повседневной жизни:

• Твёрдые кристаллические вещества:
– Соль (NaCl) — имеет четко сформированную кубическую кристаллическую решётку.
– Сахар — кристаллическая структура, благодаря которой он блестит.
– Алмаз — чистая кристаллическая форма углерода с очень твёрдой решёткой.
– Металлы, как правило, тоже кристаллические (хотя и бывают примеси, влияющие на их свойства).

• Твёрдые аморфные вещества:
– Стекло — основной пример аморфного материала, где атомы углеродного диоксида, кремния и кислорода не образуют регулярной решётки.
– Пластмассы (полимеры) часто обладают аморфной структурой, что влияет на их механические и термические свойства.
– Некоторые виды клеёв или смол тоже являются аморфными.

4. Вывод:

Твёрдые кристаллические вещества отличаются регулярной, периодической структурой, что приводит к резким изменениям свойств при фазовых переходах и анизотропии, в то время как твёрдые аморфные вещества лишены такой периодичности, обладают изотропными свойствами и не имеют чётко определённой температуры плавления. Примерами кристаллических веществ являются соль, сахар, алмаз и металлы, а аморфных — стекло, пластмассы и смолы.