كما نعلم بالفعل، يمكن أن توجد المادة في ثلاث حالات من التجمع: الغازي, صعبو سائل. الأكسجين، الذي يكون في الظروف العادية في حالة غازية، عند درجة حرارة -194 درجة مئوية يتحول إلى سائل مزرق، وعند درجة حرارة -218.8 درجة مئوية يتحول إلى كتلة تشبه الثلج مع بلورات زرقاء.
يتم تحديد المدى الحراري لوجود المادة في الحالة الصلبة من خلال نقاط الغليان والانصهار. المواد الصلبة هي بلوريو عديم الشكل.
ش مواد غير متبلورةلا توجد نقطة انصهار ثابتة - عند تسخينها، فإنها تلين تدريجيا وتتحول إلى حالة سائلة. في هذه الحالة، على سبيل المثال، يتم العثور على الراتنجات المختلفة والبلاستيك.
المواد البلوريةوتتميز بالترتيب المنتظم للجزيئات التي تتكون منها: الذرات والجزيئات والأيونات، في نقاط محددة بدقة في الفضاء. عندما ترتبط هذه النقاط بخطوط مستقيمة، يتم إنشاء إطار مكاني، ويسمى الشبكة البلورية. تسمى النقاط التي تقع فيها الجزيئات البلورية العقد شعرية.
يمكن أن تحتوي عقد الشبكة التي نتخيلها على أيونات وذرات وجزيئات. هذه الجسيمات تؤدي حركات تذبذبية. وعندما ترتفع درجة الحرارة، يزداد أيضًا مدى هذه التذبذبات، مما يؤدي إلى التمدد الحراري للأجسام.
اعتمادًا على نوع الجزيئات الموجودة في عقد الشبكة البلورية وطبيعة الاتصال بينها، يتم تمييز أربعة أنواع من الشبكات البلورية: أيوني, الذري, جزيئيو معدن.
أيونيوتسمى هذه الشبكات البلورية حيث توجد الأيونات في العقد. وتتكون من مواد ذات روابط أيونية، والتي يمكن أن تربط كلاً من الأيونات البسيطة Na+، Cl-، والأيونات المعقدة SO24-، OH-. وهكذا فإن الشبكات البلورية الأيونية تحتوي على أملاح وبعض الأكاسيد والهيدروكسيلات المعدنية، أي. تلك المواد التي توجد فيها رابطة كيميائية أيونية. لنأخذ على سبيل المثال بلورة كلوريد الصوديوم، فهي تتكون من أيونات Na+ وأيونات CL- السالبة بالتناوب الإيجابي، وتشكل معًا شبكة على شكل مكعب. الروابط بين الأيونات في مثل هذه البلورة مستقرة للغاية. ولهذا السبب، تتمتع المواد ذات الشبكة الأيونية بقوة وصلابة عالية نسبيًا؛ فهي مقاومة للحرارة وغير متطايرة.
الذريالشبكات البلورية هي تلك الشبكات البلورية التي تحتوي عقدها على ذرات فردية. وفي مثل هذه الشبكات، ترتبط الذرات ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية قوية جدًا. على سبيل المثال، الماس هو أحد التعديلات المتآصلة للكربون.
المواد ذات الشبكة البلورية الذرية ليست شائعة جدًا في الطبيعة. وتشمل هذه البورون البلوري والسيليكون والجرمانيوم، بالإضافة إلى المواد المعقدة، على سبيل المثال تلك التي تحتوي على أكسيد السيليكون (IV) - SiO 2: السيليكا والكوارتز والرمل والبلور الصخري.
الغالبية العظمى من المواد ذات الشبكة البلورية الذرية لها نقاط انصهار عالية جدًا (بالنسبة للماس تتجاوز 3500 درجة مئوية)، وهذه المواد قوية وصلبة وغير قابلة للذوبان عمليًا.
جزيئيوتسمى هذه الشبكات البلورية حيث توجد الجزيئات في العقد. يمكن أيضًا أن تكون الروابط الكيميائية في هذه الجزيئات قطبية (HCl, H 2 0) أو غير قطبية (N 2, O 3). وعلى الرغم من أن الذرات الموجودة داخل الجزيئات مرتبطة بروابط تساهمية قوية جدًا، إلا أن قوى الجذب بين الجزيئات الضعيفة تعمل بين الجزيئات نفسها. ولهذا السبب تتميز المواد ذات الشبكات البلورية الجزيئية بالصلابة المنخفضة ونقطة الانصهار المنخفضة والتطاير.
ومن أمثلة هذه المواد الماء الصلب - الجليد، وأول أكسيد الكربون الصلب (IV) - "الثلج الجاف"، وكلوريد الهيدروجين الصلب وكبريتيد الهيدروجين، والمواد الصلبة البسيطة التي تتكون من واحد - (الغازات النبيلة)، واثنين - (H 2، O 2، CL 2 , N 2 , I 2)، ثلاثة - (O 3)، أربعة - (P 4)، ثمانية جزيئات (S 8). تحتوي الغالبية العظمى من المركبات العضوية الصلبة على شبكات بلورية جزيئية (النفثالين والجلوكوز والسكر).
blog.site، عند نسخ المادة كليًا أو جزئيًا، يلزم وجود رابط للمصدر الأصلي.
يسمى انتقال المادة من الحالة البلورية الصلبة إلى الحالة السائلة ذوبان. لإذابة جسم بلوري صلب، يجب تسخينه إلى درجة حرارة معينة، أي أنه يجب توفير الحرارة.تسمى درجة الحرارة التي تذوب عندها المادةنقطة انصهار المادة.
وتحدث العملية العكسية – الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة – عندما تنخفض درجة الحرارة، أي تتم إزالة الحرارة. يسمى تحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبةتصلب , أو كريستالlization . تسمى درجة الحرارة التي تتبلور عندها المادةدرجة حرارة الكريستالشؤون .
تظهر التجربة أن أي مادة تتبلور وتذوب عند نفس درجة الحرارة.
يوضح الشكل رسمًا بيانيًا لدرجة حرارة الجسم البلوري (الجليد) مقابل وقت التسخين (من النقطة أالى حد، الى درجة د)ووقت التبريد (من النقطة دالى حد، الى درجة ك). يظهر الوقت على طول المحور الأفقي، ودرجة الحرارة على المحور الرأسي.
يوضح الرسم البياني أن ملاحظة العملية بدأت منذ اللحظة التي كانت فيها درجة حرارة الجليد -40 درجة مئوية، أو كما يقولون، درجة الحرارة في اللحظة الأولى من الزمن ربداية= -40 درجة مئوية (نقطة أعلى الرسم البياني). مع مزيد من التسخين، تزداد درجة حرارة الجليد (على الرسم البياني هذا هو القسم أ.ب). ترتفع درجة الحرارة إلى 0 درجة مئوية - درجة حرارة ذوبان الجليد. عند 0 درجة مئوية، يبدأ الجليد في الذوبان وتتوقف درجة حرارته عن الارتفاع. خلال فترة الذوبان بأكملها (أي حتى يذوب كل الجليد)، لا تتغير درجة حرارة الجليد، على الرغم من استمرار الموقد في الاحتراق وبالتالي توفير الحرارة. تتوافق عملية الذوبان مع القسم الأفقي من الرسم البياني شمس . فقط بعد ذوبان كل الجليد وتحوله إلى ماء، تبدأ درجة الحرارة في الارتفاع مرة أخرى (القسم 1). قرص مضغوط). بعد أن تصل درجة حرارة الماء إلى +40 درجة مئوية، ينطفئ الموقد ويبدأ الماء في البرودة، أي تتم إزالة الحرارة (للقيام بذلك، يمكنك وضع وعاء به ماء في وعاء آخر أكبر به ثلج). تبدأ درجة حرارة الماء في الانخفاض (القسم دي). عندما تصل درجة الحرارة إلى 0 درجة مئوية، تتوقف درجة حرارة الماء عن الانخفاض، على الرغم من استمرار إزالة الحرارة. هذه هي عملية تبلور الماء - تكوين الجليد (مقطع أفقي إي.إف.). حتى يتحول كل الماء إلى الجليد، لن تتغير درجة الحرارة. فقط بعد ذلك تبدأ درجة حرارة الجليد في الانخفاض (القسم FK).
يتم شرح مظهر الرسم البياني المدروس على النحو التالي. الموقع على أ.ببسبب الحرارة الموردة، يزداد متوسط الطاقة الحركية لجزيئات الجليد، وترتفع درجة حرارتها. الموقع على شمسيتم إنفاق كل الطاقة التي تتلقاها محتويات القارورة على تدمير الشبكة البلورية الجليدية: يتم استبدال الترتيب المكاني المنظم لجزيئاتها بآخر غير منتظم، وتتغير المسافة بين الجزيئات، أي. يتم إعادة ترتيب الجزيئات بحيث تصبح المادة سائلة. لا يتغير متوسط الطاقة الحركية للجزيئات، وبالتالي تظل درجة الحرارة دون تغيير. زيادة أخرى في درجة حرارة الماء المثلج المنصهر (في المنطقة قرص مضغوط) يعني زيادة في الطاقة الحركية لجزيئات الماء بسبب الحرارة التي يوفرها الموقد.
عند تبريد الماء (القسم دي) يتم أخذ جزء من الطاقة منه، وتتحرك جزيئات الماء بسرعات أقل، وينخفض متوسط طاقتها الحركية - تنخفض درجة الحرارة، ويبرد الماء. عند 0 درجة مئوية (القسم الأفقي إي.إف.) تبدأ الجزيئات في الاصطفاف بترتيب معين، لتشكل شبكة بلورية. وإلى أن تتم هذه العملية، لن تتغير درجة حرارة المادة، على الرغم من إزالة الحرارة، مما يعني أنه عند التصلب، يطلق السائل (الماء) طاقة. هذه هي بالضبط الطاقة التي امتصها الجليد وتحول إلى سائل (القسم 1). شمس). الطاقة الداخلية للسائل أكبر من الطاقة الصلبة. أثناء الذوبان (والتبلور)، تتغير الطاقة الداخلية للجسم بشكل حاد.
تسمى المعادن التي تذوب عند درجات حرارة أعلى من 1650 درجة مئوية المواد المقاومة للحرارة(التيتانيوم، الكروم، الموليبدينوم، الخ). التنغستن لديه أعلى نقطة انصهار بينها - حوالي 3400 درجة مئوية. تُستخدم المعادن المقاومة للحرارة ومركباتها كمواد مقاومة للحرارة في بناء الطائرات، وتكنولوجيا الصواريخ والفضاء، والطاقة النووية.
دعونا نؤكد مرة أخرى أنه عند الذوبان، تمتص المادة الطاقة. أثناء التبلور، على العكس من ذلك، فإنه يطلقه في البيئة. عند تلقي كمية معينة من الحرارة المنبعثة أثناء التبلور، يسخن الوسط. وهذا معروف لدى العديد من الطيور. لا عجب أنه يمكن رؤيتهم في الشتاء في طقس فاتر وهم يجلسون على الجليد الذي يغطي الأنهار والبحيرات. بسبب إطلاق الطاقة عندما يتشكل الجليد، يكون الهواء فوقه أكثر دفئًا بعدة درجات منه في الأشجار في الغابة، وتستفيد الطيور من ذلك.
ذوبان المواد غير المتبلورة.
توافر معين نقط الذوبان- وهذه سمة مهمة للمواد البلورية. ومن خلال هذه الميزة يمكن تمييزها بسهولة عن الأجسام غير المتبلورة، والتي تصنف أيضًا على أنها مواد صلبة. وتشمل هذه، على وجه الخصوص، الزجاج والراتنجات شديدة اللزوجة والبلاستيك.
مواد غير متبلورة(على عكس البلورية) ليس لها نقطة انصهار محددة - فهي لا تذوب ولكنها تلين. عند تسخينها، قطعة من الزجاج، على سبيل المثال، تصبح أولًا ناعمة من الصلبة، ويمكن ثنيها أو تمديدها بسهولة؛ عند درجة حرارة أعلى، تبدأ القطعة في تغيير شكلها تحت تأثير جاذبيتها. ومع تسخينها، تأخذ الكتلة اللزجة السميكة شكل الوعاء الذي تقع فيه. تكون هذه الكتلة في البداية سميكة مثل العسل، ثم مثل القشدة الحامضة، وفي النهاية تصبح تقريبًا نفس السائل منخفض اللزوجة مثل الماء. ومع ذلك، من المستحيل الإشارة إلى درجة حرارة معينة لانتقال المادة الصلبة إلى السائل هنا، لأنها غير موجودة.
تكمن أسباب ذلك في الاختلاف الأساسي في بنية الأجسام غير المتبلورة عن بنية الأجسام البلورية. يتم ترتيب الذرات في الأجسام غير المتبلورة بشكل عشوائي. الأجسام غير المتبلورة تشبه السوائل في بنيتها. بالفعل في الزجاج الصلب، يتم ترتيب الذرات بشكل عشوائي. وهذا يعني أن زيادة درجة حرارة الزجاج لا تؤدي إلا إلى زيادة نطاق اهتزازات جزيئاته، مما يمنحها تدريجيًا حرية حركة أكبر وأكبر. لذلك، يلين الزجاج تدريجيًا ولا يظهر انتقالًا حادًا من "الصلب إلى السائل"، وهو ما يميز الانتقال من ترتيب الجزيئات بترتيب صارم إلى ترتيب غير منظم.
حرارة الانصهار.
حرارة الانصهار- هذه هي كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى المادة عند ضغط ثابت ودرجة حرارة ثابتة تساوي نقطة الانصهار من أجل تحويلها بالكامل من الحالة البلورية الصلبة إلى الحالة السائلة. حرارة الاندماج تساوي كمية الحرارة المنبعثة أثناء تبلور المادة من الحالة السائلة. أثناء الذوبان، تذهب كل الحرارة التي يتم توفيرها للمادة إلى زيادة الطاقة الكامنة لجزيئاتها. ولا تتغير الطاقة الحركية لأن الذوبان يحدث عند درجة حرارة ثابتة.
ومن خلال الدراسة التجريبية لانصهار مواد مختلفة لها نفس الكتلة، يمكن ملاحظة أن هناك حاجة إلى كميات مختلفة من الحرارة لتحويلها إلى سائل. على سبيل المثال، من أجل إذابة كيلوغرام واحد من الجليد، تحتاج إلى إنفاق 332 جول من الطاقة، ومن أجل إذابة 1 كجم من الرصاص - 25 كيلو جول.
تعتبر كمية الحرارة الصادرة عن الجسم سلبية. لذلك، عند حساب كمية الحرارة المنبعثة أثناء تبلور مادة ذات كتلة م، يجب عليك استخدام نفس الصيغة، ولكن مع علامة الطرح:
حرارة الاحتراق.
حرارة الاحتراق(أو القيمة الحرارية, محتوى السعرات الحرارية) هي كمية الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق الكامل للوقود.
لتسخين الأجسام، غالبا ما تستخدم الطاقة المنطلقة أثناء احتراق الوقود. الوقود التقليدي (الفحم والنفط والبنزين) يحتوي على الكربون. أثناء الاحتراق، تتحد ذرات الكربون مع ذرات الأكسجين الموجودة في الهواء لتكوين جزيئات ثاني أكسيد الكربون. وتبين أن الطاقة الحركية لهذه الجزيئات أكبر من طاقة الجسيمات الأصلية. تسمى الزيادة في الطاقة الحركية للجزيئات أثناء الاحتراق بإطلاق الطاقة. الطاقة المنطلقة أثناء الاحتراق الكامل للوقود هي حرارة احتراق هذا الوقود.
تعتمد حرارة احتراق الوقود على نوع الوقود وكتلته. كلما زادت كتلة الوقود، زادت كمية الحرارة المنبعثة أثناء احتراقه الكامل.
تسمى الكمية الفيزيائية التي توضح مقدار الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق الكامل للوقود الذي يزن 1 كجم الحرارة النوعية لاحتراق الوقود.يتم تحديد الحرارة النوعية للاحتراق بالحرفسويقاس بالجول لكل كيلوغرام (J/kg).
كمية الحرارة سصدر أثناء الاحتراق ميتم تحديد كجم من الوقود بالصيغة:
للعثور على كمية الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق الكامل للوقود ذي الكتلة التعسفية، يجب ضرب الحرارة النوعية لاحتراق هذا الوقود في كتلته.
يتم تحديد بنية المادة ليس فقط من خلال الترتيب النسبي للذرات في الجزيئات الكيميائية، ولكن أيضًا من خلال موقع هذه الجزيئات الكيميائية في الفضاء. الترتيب الأكثر ترتيبًا للذرات والجزيئات والأيونات موجود بلورات(من اليونانية " بلورات" - الجليد)، حيث يتم ترتيب الجزيئات الكيميائية (الذرات والجزيئات والأيونات) بترتيب معين، وتشكيل شبكة بلورية في الفضاء. في ظل ظروف معينة للتكوين، يمكن أن يكون لها الشكل الطبيعي لمتعددات الوجوه المنتظمة المتناظرة. الحالة البلورية هي وتتميز بوجود ترتيب بعيد المدى في ترتيب الجسيمات وتماثل الشبكة البلورية.
تتميز الحالة غير المتبلورة بوجود نظام قصير المدى فقط. تشبه هياكل المواد غير المتبلورة السوائل، ولكن لديها سيولة أقل بكثير. الحالة غير المتبلورة عادة ما تكون غير مستقرة. تحت تأثير الأحمال الميكانيكية أو التغيرات في درجات الحرارة، يمكن أن تتبلور الأجسام غير المتبلورة. تفاعل المواد في الحالة غير المتبلورة أعلى بكثير منها في الحالة البلورية.
مواد غير متبلورة
العلامة الرئيسية عديم الشكل(من اليونانية " أمورفوس" - حالة عديمة الشكل) للمادة - عدم وجود شبكة ذرية أو جزيئية، أي الدورية ثلاثية الأبعاد للبنية المميزة للحالة البلورية.
عندما يتم تبريد المادة السائلة، فإنها لا تتبلور دائمًا. في ظل ظروف معينة، يمكن أن تتشكل حالة صلبة غير متبلورة (زجاجية) غير متوازنة. يمكن أن تحتوي الحالة الزجاجية على مواد بسيطة (الكربون والفوسفور والزرنيخ والكبريت والسيلينيوم)، وأكاسيد (مثل البورون والسيليكون والفوسفور)، والهاليدات، والكالكوجينيدات، والعديد من البوليمرات العضوية.
وفي هذه الحالة يمكن أن تظل المادة مستقرة لفترة طويلة من الزمن، فمثلا يقدر عمر بعض الزجاج البركاني بملايين السنين. يمكن أن تختلف الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة الموجودة في الحالة الزجاجية غير المتبلورة بشكل كبير عن خصائص المادة البلورية. على سبيل المثال، ثاني أكسيد الجرمانيوم الزجاجي أكثر نشاطًا كيميائيًا من ثاني أكسيد الجرمانيوم البلوري. يتم تحديد الاختلافات في خصائص الحالة غير المتبلورة السائلة والصلبة من خلال طبيعة الحركة الحرارية للجزيئات: في الحالة غير المتبلورة، تكون الجزيئات قادرة فقط على الحركات التذبذبية والدورانية، ولكنها لا تستطيع التحرك داخل المادة.
هناك مواد لا يمكن أن توجد إلا في حالة صلبة في حالة غير متبلورة. يشير هذا إلى البوليمرات ذات التسلسل غير المنتظم للوحدات.
أجسام غير متبلورة متماثلأي أن خواصها الميكانيكية والضوئية والكهربائية وغيرها لا تعتمد على الاتجاه. ليس للأجسام غير المتبلورة نقطة انصهار ثابتة: يحدث الانصهار في نطاق درجة حرارة معين. لا يصاحب انتقال المادة غير المتبلورة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة تغير مفاجئ في خصائصها. لم يتم بعد إنشاء نموذج مادي للحالة غير المتبلورة.
المواد البلورية
صلب بلورات- تشكيلات ثلاثية الأبعاد تتميز بالتكرار الصارم لنفس العنصر الهيكلي ( وحدة الخلية) في جميع الاتجاهات. خلية الوحدة هي أصغر حجم من البلورة على شكل متوازي السطوح، تتكرر في البلورة عدد لا نهائي من المرات.
يتم تحديد الشكل الهندسي الصحيح للبلورات، أولاً وقبل كل شيء، من خلال بنيتها الداخلية المنتظمة تمامًا. إذا، بدلًا من الذرات أو الأيونات أو الجزيئات الموجودة في البلورة، قمنا بتصوير النقاط على أنها مراكز ثقل هذه الجسيمات، فسنحصل على توزيع منتظم ثلاثي الأبعاد لهذه النقاط، يسمى الشبكة البلورية. النقاط نفسها تسمى العقدشعرية الكريستال.
أنواع الشبكات الكريستالية
اعتمادًا على الجسيمات التي تتكون منها الشبكة البلورية وطبيعة الرابطة الكيميائية بينها، يتم التمييز بين أنواع مختلفة من البلورات.
تتشكل البلورات الأيونية بواسطة الكاتيونات والأنيونات (على سبيل المثال، الأملاح والهيدروكسيدات في معظم المعادن). يوجد فيها رابطة أيونية بين الجزيئات.
قد تتكون البلورات الأيونية من أحادي الذرةالأيونات. هذه هي الطريقة التي يتم بها بناء البلورات كلوريد الصوديوميوديد البوتاسيوم، فلوريد الكالسيوم.
الكاتيونات المعدنية أحادية الذرة والأنيونات متعددة الذرات، على سبيل المثال، أيون النترات NO 3 −، أيون الكبريتات SO 4 2−، أيون الكربونات CO 3 2−، تشارك في تكوين البلورات الأيونية للعديد من الأملاح.
من المستحيل عزل جزيئات مفردة في بلورة أيونية. ينجذب كل كاتيون إلى كل أنيون ويتنافر مع الكاتيونات الأخرى. يمكن اعتبار البلورة بأكملها جزيءًا ضخمًا. حجم هذا الجزيء ليس محدودا، لأنه يمكن أن ينمو بإضافة كاتيونات وأنيونات جديدة.
تتبلور معظم المركبات الأيونية في أحد الأنواع البنائية، والتي تختلف عن بعضها البعض في قيمة رقم التنسيق، أي عدد الجيران حول أيون معين (4، 6، أو 8). بالنسبة للمركبات الأيونية التي تحتوي على عدد متساو من الكاتيونات والأنيونات، تُعرف أربعة أنواع رئيسية من الشبكات البلورية: كلوريد الصوديوم (رقم التنسيق لكلا الأيونين هو 6)، وكلوريد السيزيوم (رقم التنسيق لكلا الأيونين هو 8)، والسفاليريت والورتزيت. (يتميز كلا النوعين الهيكليين برقم تنسيق الكاتيون والأنيون يساوي 4). إذا كان عدد الكاتيونات نصف عدد الأنيونات، فيجب أن يكون عدد تنسيق الكاتيونات ضعف عدد تنسيق الأنيونات. في هذه الحالة، يتم تحقيق الأنواع الهيكلية للفلوريت (رقم التنسيق 8 و4)، والروتيل (رقم التنسيق 6 و3)، والكريستوبالايت (رقم التنسيق 4 و2).
عادةً ما تكون البلورات الأيونية صلبة ولكنها هشة. ترجع هشاشتها إلى حقيقة أنه حتى مع تشوه بسيط في البلورة، يتم إزاحة الكاتيونات والأنيونات بطريقة تبدأ قوى التنافر بين الأيونات المتشابهة في التغلب على قوى الجذب بين الكاتيونات والأنيونات، ويتم تدمير البلورة.
البلورات الأيونية لها نقاط انصهار عالية. في الحالة المنصهرة، تكون المواد التي تشكل البلورات الأيونية موصلة للكهرباء. عند ذوبانها في الماء، تتفكك هذه المواد إلى كاتيونات وأنيونات، وتقوم المحاليل الناتجة بتوصيل التيار الكهربائي.
ترجع القابلية العالية للذوبان في المذيبات القطبية، المصحوبة بالتفكك الإلكتروليتي، إلى حقيقة أنه في بيئة مذيبة ذات ثابت عازل مرتفع ε، تنخفض طاقة الجذب بين الأيونات. إن ثابت العزل الكهربائي للماء أعلى بـ 82 مرة من ثابت العزل الكهربائي في الفراغ (الموجود بشكل مشروط في البلورة الأيونية)، كما أن التجاذب بين الأيونات في المحلول المائي يتناقص بنفس المقدار. يتم تعزيز التأثير عن طريق إذابة الأيونات.
تتكون البلورات الذرية من ذرات فردية مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية. من بين المواد البسيطة، فقط عناصر البورون ومجموعة IVA لها مثل هذه الشبكات البلورية. في كثير من الأحيان، تشكل مركبات اللافلزات مع بعضها البعض (على سبيل المثال، ثاني أكسيد السيليكون) بلورات ذرية.
تمامًا مثل البلورات الأيونية، يمكن اعتبار البلورات الذرية جزيئات عملاقة. فهي متينة وصلبة جدًا، ولا توصل الحرارة والكهرباء بشكل جيد. المواد التي لها شبكات بلورية ذرية تذوب عند درجات حرارة عالية. فهي غير قابلة للذوبان عمليا في أي مذيبات. تتميز بانخفاض التفاعل.
يتم بناء البلورات الجزيئية من جزيئات فردية، حيث ترتبط الذرات بروابط تساهمية. تعمل القوى الجزيئية الأضعف بين الجزيئات. يتم تدميرها بسهولة، لذلك تتميز البلورات الجزيئية بنقاط انصهار منخفضة، وصلابة منخفضة، وتقلبات عالية. المواد التي تشكل الشبكات البلورية الجزيئية لا تتمتع بالتوصيل الكهربائي، كما أن محاليلها وذوبانها لا تقوم أيضًا بتوصيل التيار الكهربائي.
تنشأ القوى بين الجزيئات بسبب التفاعل الكهروستاتيكي للإلكترونات سالبة الشحنة لجزيء واحد مع نوى الجزيئات المجاورة موجبة الشحنة. تتأثر قوة التفاعلات بين الجزيئات بعدة عوامل. وأهمها وجود الروابط القطبية، أي تحول كثافة الإلكترون من ذرة إلى أخرى. بالإضافة إلى ذلك، تكون التفاعلات بين الجزيئات أقوى بين الجزيئات التي تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات.
معظم اللافلزات تكون على شكل مواد بسيطة (على سبيل المثال، اليودأنا 2 ، الأرجون Ar، الكبريت S 8) والمركبات مع بعضها البعض (على سبيل المثال، الماء، ثاني أكسيد الكربون، كلوريد الهيدروجين)، وكذلك جميع المواد العضوية الصلبة تقريبًا تشكل بلورات جزيئية.
تتميز المعادن بشبكة بلورية معدنية. أنه يحتوي على رابطة معدنية بين الذرات. في البلورات المعدنية، يتم ترتيب نوى الذرات بطريقة تجعل تعبئتها كثيفة قدر الإمكان. يتم إلغاء تحديد موضع الترابط في مثل هذه البلورات ويمتد في جميع أنحاء البلورة بأكملها. تتميز البلورات المعدنية بموصلية كهربائية وحرارية عالية، وبريق معدني وعتامة، وسهولة التشوه.
يتوافق تصنيف الشبكات البلورية مع الحالات المحدودة. تنتمي معظم بلورات المواد غير العضوية إلى أنواع وسيطة - تساهمية أيونية، تساهمية جزيئية، إلخ. على سبيل المثال، في الكريستال الجرافيتداخل كل طبقة، تكون الروابط تساهمية معدنية، وبين الطبقات تكون بين جزيئات.
التماثل وتعدد الأشكال
العديد من المواد البلورية لها نفس الهياكل. وفي الوقت نفسه، يمكن لنفس المادة أن تشكل هياكل بلورية مختلفة. وينعكس هذا في الظواهر التماثلو تعدد الأشكال.
التماثلتكمن في قدرة الذرات أو الأيونات أو الجزيئات على استبدال بعضها البعض في الهياكل البلورية. هذا المصطلح (من اليونانية " iso"- متساوي و" يتحول" - الشكل) اقترحه E. Mitscherlich في عام 1819. وقد صاغ E. Mitscherlich قانون التماثل في عام 1821 بهذه الطريقة: "نفس أعداد الذرات المرتبطة بنفس الطريقة تعطي نفس الأشكال البلورية. علاوة على ذلك، فإن الشكل البلوري لا يعتمد على الطبيعة الكيميائية للذرات، بل يتحدد فقط بعددها وموقعها النسبي.
أثناء عمله في المختبر الكيميائي بجامعة برلين، لفت ميتشرليش الانتباه إلى التشابه الكامل بين بلورات الرصاص والباريوم وكبريتات السترونتيوم وتشابه الأشكال البلورية للعديد من المواد الأخرى. جذبت ملاحظاته انتباه الكيميائي السويدي الشهير ج.-يا. بيرسيليوس، الذي اقترح أن يؤكد ميتشرليش الأنماط المرصودة باستخدام مثال مركبات أحماض الفوسفوريك والزرنيخ. ونتيجة للدراسة، تم التوصل إلى أن "سلسلتي الأملاح تختلفان فقط في أن إحداهما تحتوي على الزرنيخ كجذر حمضي، والأخرى تحتوي على الفوسفور". وسرعان ما جذب اكتشاف ميتشرليش انتباه علماء المعادن، الذين بدأوا البحث في مشكلة الاستبدال المتماثل للعناصر في المعادن.
أثناء التبلور المشترك للمواد المعرضة للتشابه ( متماثلالمواد)، يتم تشكيل بلورات مختلطة (مخاليط متماثلة). هذا ممكن فقط إذا كانت الجزيئات التي تحل محل بعضها البعض تختلف قليلاً في الحجم (لا تزيد عن 15٪). بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تحتوي المواد المتماثلة على ترتيب مكاني مماثل للذرات أو الأيونات، وبالتالي بلورات مماثلة في الشكل الخارجي. وتشمل هذه المواد، على سبيل المثال، الشب. في بلورات الشب البوتاسيوم KAl(SO4)2 . يمكن استبدال كاتيونات البوتاسيوم 12H2O جزئيًا أو كليًا بكاتيونات الروبيديوم أو الأمونيوم، وكاتيونات الألومنيوم بكاتيونات الكروم (III) أو الحديد (III).
التماثل منتشر على نطاق واسع في الطبيعة. معظم المعادن عبارة عن مخاليط متماثلة ذات تركيبة معقدة ومتغيرة. على سبيل المثال، في معدن السفاليريت ZnS، يمكن استبدال ما يصل إلى 20٪ من ذرات الزنك بذرات الحديد (في حين أن ZnS وFeS لهما هياكل بلورية مختلفة). يرتبط التماثل بالسلوك الجيوكيميائي للعناصر النادرة والنادرة، وتوزيعها في الصخور والخامات، حيث توجد في شكل شوائب متماثلة.
يحدد الاستبدال المتماثل العديد من الخصائص المفيدة للمواد الاصطناعية للتكنولوجيا الحديثة - أشباه الموصلات والمغناطيسات الحديدية ومواد الليزر.
يمكن للعديد من المواد أن تشكل أشكالًا بلورية لها هياكل وخصائص مختلفة، ولكن التركيب نفسه ( متعدد الأشكالالتعديلات). تعدد الأشكال- قدرة المواد الصلبة والبلورات السائلة على التواجد في شكلين أو أكثر مع اختلاف التركيب والخصائص البلورية وبنفس التركيب الكيميائي. هذه الكلمة تأتي من اليونانية " متعدد الأشكال"- متنوع. تم اكتشاف ظاهرة تعدد الأشكال بواسطة M. Klaproth، الذي اكتشف في عام 1798 أن معدنين مختلفين - الكالسيت والأراجونيت - لهما نفس التركيب الكيميائي CaCO 3.
يُطلق على تعدد أشكال المواد البسيطة عادة اسم التآصل، في حين أن مفهوم تعدد الأشكال لا ينطبق على الأشكال المتآصلة غير البلورية (على سبيل المثال، الغازات O 2 و O 3). ومن الأمثلة النموذجية للأشكال المتعددة الأشكال تعديلات الكربون (الماس، واللونسداليت، والجرافيت، والبنادق القصيرة، والفوليرين)، والتي تختلف بشكل حاد في الخصائص. الشكل الأكثر استقرارًا لوجود الكربون هو الجرافيت، ومع ذلك، يمكن أن تستمر تعديلاته الأخرى في الظروف العادية إلى أجل غير مسمى. عند درجات الحرارة المرتفعة تتحول إلى الجرافيت. وفي حالة الماس، يحدث هذا عند تسخينه فوق 1000 درجة مئوية في غياب الأكسجين. إن تحقيق التحول العكسي أصعب بكثير. ليس فقط درجة الحرارة المرتفعة مطلوبة (1200-1600 درجة مئوية)، ولكن أيضا ضغط هائل - ما يصل إلى 100 ألف جو. يكون تحويل الجرافيت إلى الماس أسهل في وجود المعادن المنصهرة (الحديد والكوبالت والكروم وغيرها).
في حالة البلورات الجزيئية، يتجلى تعدد الأشكال في التعبئة المختلفة للجزيئات في البلورة أو في التغيرات في شكل الجزيئات، وفي البلورات الأيونية - في المواضع النسبية المختلفة للكاتيونات والأنيونات. تحتوي بعض المواد البسيطة والمعقدة على أكثر من شكلين متعددين. على سبيل المثال، ثاني أكسيد السيليكون لديه عشرة تعديلات، فلوريد الكالسيوم - ستة، نترات الأمونيوم - أربعة. عادةً ما يُشار إلى التعديلات متعددة الأشكال بالأحرف اليونانية α، β، γ، δ، ε،... بدءاً بالتعديلات المستقرة عند درجات الحرارة المنخفضة.
عند التبلور من البخار أو المحلول أو ذوبان مادة تحتوي على عدة تعديلات متعددة الأشكال، يتم أولاً تشكيل تعديل أقل استقرارًا في ظل ظروف معينة، والذي يتحول بعد ذلك إلى تعديل أكثر استقرارًا. على سبيل المثال، عندما يتكاثف بخار الفوسفور، يتكون الفسفور الأبيض، والذي في الظروف العادية يتحول ببطء، ولكن عند تسخينه، بسرعة إلى فسفور أحمر. عند تجفيف هيدروكسيد الرصاص، يتكون في البداية (حوالي 70 درجة مئوية) β-PbO أصفر، وهو أقل استقرارًا عند درجات الحرارة المنخفضة، وعند حوالي 100 درجة مئوية يتحول إلى α-PbO أحمر، وعند 540 درجة مئوية يتحول إلى هيدروكسيد الرصاص. العودة إلى β-PbO.
يسمى الانتقال من متعدد الأشكال إلى آخر بالتحول متعدد الأشكال. تحدث هذه التحولات عندما تتغير درجة الحرارة أو الضغط ويصاحبها تغير مفاجئ في الخصائص.
يمكن أن تكون عملية الانتقال من تعديل إلى آخر قابلة للعكس أو لا رجعة فيها. وهكذا، عندما يتم تسخين مادة بيضاء ناعمة تشبه الجرافيت من تكوين BN (نيتريد البورون) عند درجة حرارة 1500-1800 درجة مئوية وضغط عدة عشرات من الأجواء، يتم تشكيل تعديل درجة الحرارة العالية - بورازون، قريب من الماس في الصلابة. عندما تنخفض درجة الحرارة والضغط إلى القيم المقابلة للظروف العادية، يحتفظ البورازون ببنيته. مثال على التحول العكسي هو التحولات المتبادلة لتعديلين من الكبريت (محددي العظام وأحادي الميل) عند 95 درجة مئوية.
يمكن أن تحدث التحولات متعددة الأشكال دون تغييرات كبيرة في البنية. في بعض الأحيان لا يكون هناك أي تغيير في التركيب البلوري على الإطلاق، على سبيل المثال، أثناء انتقال α-Fe إلى β-Fe عند 769 درجة مئوية، لا يتغير هيكل الحديد، لكن خصائصه المغناطيسية المغناطيسية تختفي.