โครงสร้างของสาร โปรยคริสตัล

โครงสร้างของสารถูกกำหนดไม่เพียงแต่โดยการจัดเรียงสัมพัทธ์ของอะตอมในอนุภาคเคมีเท่านั้น แต่ยังพิจารณาจากตำแหน่งของอนุภาคเคมีเหล่านี้ในอวกาศด้วย การจัดเรียงอะตอม โมเลกุล และไอออนมีลำดับมากที่สุด คริสตัล(จากภาษากรีก " คริสตัลลอส" - น้ำแข็ง) ซึ่งอนุภาคเคมี (อะตอม, โมเลกุล, ไอออน) ถูกจัดเรียงตามลำดับที่แน่นอนทำให้เกิดโครงตาข่ายคริสตัลในอวกาศ ภายใต้เงื่อนไขของการก่อตัวบางอย่างพวกมันสามารถมีรูปร่างตามธรรมชาติของรูปทรงหลายเหลี่ยมสมมาตรปกติ สถานะของผลึกคือ โดดเด่นด้วยการมีลำดับระยะยาวในการจัดเรียงอนุภาคและโครงตาข่ายคริสตัลสมมาตร

สถานะอสัณฐานมีลักษณะเฉพาะคือการมีลำดับระยะสั้นเท่านั้น โครงสร้างของสารอสัณฐานมีลักษณะคล้ายของเหลว แต่มีสภาพคล่องน้อยกว่ามาก สถานะอสัณฐานมักจะไม่เสถียร ภายใต้อิทธิพลของแรงทางกลหรือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ วัตถุอสัณฐานสามารถตกผลึกได้ ปฏิกิริยาของสารในสถานะสัณฐานจะสูงกว่าในสถานะผลึกมาก

สารอสัณฐาน

ป้ายหลัก สัณฐาน(จากภาษากรีก " อมอร์ฟอส" - ไม่มีรูปแบบ) สถานะของสสาร - การไม่มีตาข่ายอะตอมหรือโมเลกุลนั่นคือคาบสามมิติของลักษณะโครงสร้างของสถานะผลึก

เมื่อสารของเหลวถูกทำให้เย็นลง สารนั้นจะไม่ตกผลึกเสมอไป ภายใต้เงื่อนไขบางประการ สถานะของแข็งอสัณฐาน (คล้ายแก้ว) ที่ไม่สมดุลสามารถเกิดขึ้นได้ สถานะคล้ายแก้วอาจมีสารอย่างง่าย (คาร์บอน ฟอสฟอรัส สารหนู ซัลเฟอร์ ซีลีเนียม) ออกไซด์ (เช่น โบรอน ซิลิคอน ฟอสฟอรัส) เฮไลด์ ชาลโคจิไนด์ และโพลีเมอร์อินทรีย์หลายชนิด

ในสถานะนี้สารสามารถคงตัวได้เป็นระยะเวลานาน เช่น อายุของแก้วภูเขาไฟบางชนิดประมาณเป็นล้านปี คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของสารในสถานะอสัณฐานคล้ายแก้วอาจแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญจากคุณสมบัติของสารที่เป็นผลึก ตัวอย่างเช่น เจอร์เมเนียมไดออกไซด์คล้ายแก้วมีฤทธิ์ทางเคมีมากกว่าผลึก ความแตกต่างในคุณสมบัติของสถานะอสัณฐานของเหลวและของแข็งถูกกำหนดโดยธรรมชาติของการเคลื่อนที่ทางความร้อนของอนุภาค: ในสถานะอสัณฐาน อนุภาคสามารถเคลื่อนที่แบบสั่นและแบบหมุนได้เท่านั้น แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่ภายในสารได้

มีสารที่สามารถมีอยู่ได้เฉพาะในรูปของแข็งในสถานะสัณฐานเท่านั้น นี่หมายถึงโพลีเมอร์ที่มีลำดับหน่วยไม่ปกติ

ร่างกายอสัณฐาน ไอโซโทรปิกนั่นคือคุณสมบัติทางกล ทางแสง ไฟฟ้า และคุณสมบัติอื่นๆ ไม่ได้ขึ้นอยู่กับทิศทาง วัตถุอสัณฐานไม่มีจุดหลอมเหลวคงที่: การหลอมเหลวเกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด การเปลี่ยนผ่านของสารอสัณฐานจากของแข็งไปเป็นสถานะของเหลวไม่ได้มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติอย่างกะทันหัน ยังไม่ได้สร้างแบบจำลองทางกายภาพของสถานะอสัณฐาน

สารที่เป็นผลึก

แข็ง คริสตัล- การก่อตัวสามมิติโดดเด่นด้วยการทำซ้ำอย่างเข้มงวดขององค์ประกอบโครงสร้างเดียวกัน ( เซลล์หน่วย) ในทุกทิศทาง เซลล์หน่วยเป็นปริมาตรที่เล็กที่สุดของผลึกในรูปของผลึกขนานที่ทำซ้ำในผลึกจำนวนอนันต์

ประการแรก รูปร่างที่ถูกต้องของคริสตัลถูกกำหนดโดยโครงสร้างภายในที่สม่ำเสมออย่างเคร่งครัด แทนที่จะเป็นอะตอม ไอออน หรือโมเลกุลในคริสตัล ถ้าเราพรรณนาจุดที่เป็นจุดศูนย์ถ่วงของอนุภาคเหล่านี้ เราจะได้การกระจายจุดดังกล่าวอย่างสม่ำเสมอแบบสามมิติ เรียกว่าโครงตาข่ายคริสตัล จุดนั้นเรียกว่า โหนดตาข่ายคริสตัล

ประเภทของโปรยคริสตัล

คริสตัลประเภทต่างๆ มีความแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับว่าอนุภาคใดที่คริสตัลขัดแตะทำขึ้นและลักษณะของพันธะเคมีระหว่างอนุภาคเหล่านั้นคืออะไร

ผลึกไอออนิกเกิดขึ้นจากแคตไอออนและแอนไอออน (เช่น เกลือและไฮดรอกไซด์ของโลหะส่วนใหญ่) ในนั้นมีพันธะไอออนิกระหว่างอนุภาค

ผลึกไอออนิกอาจประกอบด้วย โมเลกุลเดี่ยวไอออน นี่คือวิธีการสร้างคริสตัล โซเดียมคลอไรด์,โพแทสเซียมไอโอไดด์,แคลเซียมฟลูออไรด์.
ไอออนบวกของโลหะเชิงเดี่ยวและไอออนโพลีอะตอมมิก เช่น ไนเตรตไอออน NO 3 −, ซัลเฟตไอออน SO 4 2−, คาร์บอเนตไอออน CO 3 2− มีส่วนร่วมในการก่อตัวของผลึกไอออนิกของเกลือหลายชนิด

เป็นไปไม่ได้ที่จะแยกโมเลกุลเดี่ยวออกจากผลึกไอออนิก ไอออนบวกแต่ละตัวจะดึงดูดไอออนแต่ละตัวและถูกผลักด้วยไอออนบวกอื่น ๆ คริสตัลทั้งหมดถือได้ว่าเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ ขนาดของโมเลกุลดังกล่าวไม่จำกัด เนื่องจากสามารถเติบโตได้โดยการเติมแคตไอออนและแอนไอออนใหม่

สารประกอบไอออนิกส่วนใหญ่จะตกผลึกในประเภทโครงสร้างประเภทใดประเภทหนึ่ง ซึ่งแตกต่างจากกันในเรื่องค่าของหมายเลขโคออร์ดิเนต ซึ่งก็คือจำนวนเพื่อนบ้านรอบๆ ไอออนที่กำหนด (4, 6 หรือ 8) สำหรับสารประกอบไอออนิกที่มีจำนวนแคตไอออนและแอนไอออนเท่ากัน จะรู้จักโครงผลึกสี่ประเภทหลัก: โซเดียมคลอไรด์ (หมายเลขโคออร์ดิเนตของไอออนทั้งสองคือ 6), ซีเซียมคลอไรด์ (หมายเลขโคออร์ดิเนตของไอออนทั้งสองคือ 8), สฟาเลอไรต์ และเวิร์ทไซต์ (โครงสร้างทั้งสองประเภทมีลักษณะเฉพาะด้วยหมายเลขโคออร์ดิเนตของแคตไอออนและแอนไอออนเท่ากับ 4) ถ้าจำนวนแคตไอออนเป็นครึ่งหนึ่งของจำนวนแอนไอออน จำนวนโคออร์ดิเนตของแคตไอออนจะต้องเป็นสองเท่าของจำนวนโคออร์ดิเนตของแอนไอออน ในกรณีนี้ จะมีการรับรู้ประเภทโครงสร้างของฟลูออไรต์ (หมายเลขประสานงาน 8 และ 4), รูไทล์ (หมายเลขประสานงาน 6 และ 3) และคริสโตบาไลท์ (หมายเลขประสานงาน 4 และ 2)

โดยทั่วไปแล้ว ผลึกไอออนิกจะแข็งแต่เปราะ ความเปราะบางของพวกมันเกิดจากความจริงที่ว่าถึงแม้จะมีการเสียรูปเล็กน้อยของคริสตัล แคตไอออนและแอนไอออนก็ถูกแทนที่ในลักษณะที่แรงผลักกันระหว่างไอออนที่คล้ายกันเริ่มมีชัยเหนือแรงดึงดูดระหว่างไอออนบวกและแอนไอออน และคริสตัลก็ถูกทำลาย

ผลึกไอออนิกมีจุดหลอมเหลวสูง ในสถานะหลอมเหลว สารที่ก่อตัวเป็นผลึกไอออนิกจะนำไฟฟ้าได้ เมื่อละลายในน้ำ สารเหล่านี้จะแยกตัวออกเป็นแคตไอออนและแอนไอออน และสารละลายที่ได้จะเป็นตัวนำกระแสไฟฟ้า

ความสามารถในการละลายสูงในตัวทำละลายที่มีขั้วพร้อมด้วยการแยกตัวด้วยไฟฟ้าเกิดจากความจริงที่ว่าในสภาพแวดล้อมของตัวทำละลายที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูง ε พลังงานของการดึงดูดระหว่างไอออนจะลดลง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของน้ำสูงกว่าสุญญากาศ 82 เท่า (มีเงื่อนไขอยู่ในผลึกไอออนิก) และแรงดึงดูดระหว่างไอออนในสารละลายที่เป็นน้ำจะลดลงด้วยปริมาณที่เท่ากัน ผลกระทบจะเพิ่มขึ้นโดยการละลายไอออน

ผลึกอะตอมประกอบด้วยอะตอมเดี่ยวที่ยึดติดกันด้วยพันธะโควาเลนต์ ในบรรดาสารเชิงเดี่ยวมีเพียงธาตุโบรอนและหมู่ IVA เท่านั้นที่มีโครงผลึกดังกล่าว บ่อยครั้งที่สารประกอบของอโลหะซึ่งเชื่อมต่อกัน (เช่น ซิลิคอนไดออกไซด์) ก็ก่อตัวเป็นผลึกอะตอมเช่นกัน

เช่นเดียวกับคริสตัลไอออนิก ผลึกอะตอมถือได้ว่าเป็นโมเลกุลขนาดยักษ์ มีความทนทานและแข็งมาก และนำความร้อนและไฟฟ้าได้ไม่ดี สารที่มีโครงผลึกอะตอมจะละลายที่อุณหภูมิสูง พวกมันแทบไม่ละลายในตัวทำละลายใดๆ มีลักษณะเป็นปฏิกิริยาต่ำ

ผลึกโมเลกุลถูกสร้างขึ้นจากแต่ละโมเลกุล ซึ่งภายในอะตอมเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ แรงระหว่างโมเลกุลที่อ่อนกว่าทำหน้าที่ระหว่างโมเลกุล พวกมันถูกทำลายได้ง่าย ดังนั้นผลึกโมเลกุลจึงมีจุดหลอมเหลวต่ำ ความแข็งต่ำ และมีความผันผวนสูง สารที่ก่อตัวเป็นโครงผลึกโมเลกุลไม่มีการนำไฟฟ้าและสารละลายและการหลอมของพวกมันก็ไม่นำกระแสไฟฟ้าด้วย

แรงระหว่างโมเลกุลเกิดขึ้นเนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างไฟฟ้าสถิตของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบของโมเลกุลหนึ่งกับนิวเคลียสที่มีประจุบวกของโมเลกุลข้างเคียง ความแรงของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัย สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการมีพันธะขั้วโลกนั่นคือการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่งไปอีกอะตอมหนึ่ง นอกจากนี้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลจะแข็งแกร่งขึ้นระหว่างโมเลกุลที่มีอิเล็กตรอนจำนวนมากขึ้น

อโลหะส่วนใหญ่อยู่ในรูปของสารธรรมดา (เช่น ไอโอดีนฉัน 2 , อาร์กอน Ar, ซัลเฟอร์ S 8) และสารประกอบซึ่งกันและกัน (เช่นน้ำ, คาร์บอนไดออกไซด์, ไฮโดรเจนคลอไรด์) รวมถึงสารอินทรีย์ที่เป็นของแข็งเกือบทั้งหมดจะก่อตัวเป็นผลึกโมเลกุล

โลหะมีลักษณะเป็นโครงตาข่ายคริสตัลเมทัลลิก มันมีพันธะโลหะระหว่างอะตอม ในผลึกโลหะ นิวเคลียสของอะตอมจะถูกจัดเรียงในลักษณะที่การอัดแน่นของพวกมันมีความหนาแน่นมากที่สุด พันธะในผลึกดังกล่าวจะถูกแยกส่วนและขยายออกไปทั่วทั้งผลึก ผลึกโลหะมีค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนสูง มีความแวววาวและความทึบของโลหะ และสามารถเปลี่ยนรูปได้ง่าย

การจำแนกประเภทของโครงผลึกสอดคล้องกับกรณีจำกัด ผลึกของสารอนินทรีย์ส่วนใหญ่เป็นของประเภทกลาง - โควาเลนต์ - ไอออนิก, โมเลกุล - โควาเลนต์ ฯลฯ ตัวอย่างเช่นในคริสตัล กราไฟท์ภายในแต่ละชั้น พันธะจะเป็นโควาเลนต์-โลหะ และระหว่างชั้นจะเป็นระหว่างโมเลกุล

มอร์ฟิซึมและพหุมอร์ฟิซึม

สารผลึกหลายชนิดมีโครงสร้างเหมือนกัน ในเวลาเดียวกัน สารชนิดเดียวกันสามารถสร้างโครงสร้างผลึกที่แตกต่างกันได้ สิ่งนี้สะท้อนให้เห็นในปรากฏการณ์ มอร์ฟิซึมและ ความหลากหลาย.

มอร์ฟิซึมอยู่ที่ความสามารถของอะตอม ไอออน หรือโมเลกุลในการแทนที่กันในโครงสร้างผลึก คำนี้ (จากภาษากรีก " ไอโซ" - เท่ากันและ" มอร์ฟี" - รูปแบบ) เสนอโดย E. Mitscherlich ในปี 1819 กฎของ isomorphism ถูกกำหนดโดย E. Mitscherlich ในปี 1821 ในลักษณะนี้: “ อะตอมจำนวนเท่ากันที่เชื่อมต่อกันในลักษณะเดียวกันให้รูปแบบผลึกเดียวกัน ยิ่งไปกว่านั้น รูปแบบผลึกไม่ได้ขึ้นอยู่กับลักษณะทางเคมีของอะตอม แต่ถูกกำหนดโดยจำนวนและตำแหน่งสัมพัทธ์เท่านั้น"

การทำงานในห้องปฏิบัติการเคมีของมหาวิทยาลัยเบอร์ลิน Mitscherlich ดึงความสนใจไปที่ความคล้ายคลึงกันโดยสิ้นเชิงของผลึกของตะกั่ว แบเรียม และสตรอนเซียมซัลเฟต และความคล้ายคลึงของรูปแบบผลึกของสารอื่น ๆ อีกมากมาย การสังเกตของเขาดึงดูดความสนใจของ J.-Ya นักเคมีชาวสวีเดนผู้โด่งดัง Berzelius ผู้เสนอแนะให้ Mitscherlich ยืนยันรูปแบบที่สังเกตได้โดยใช้ตัวอย่างสารประกอบของกรดฟอสฟอริกและสารหนู จากผลการศึกษาสรุปได้ว่า "เกลือทั้งสองชุดแตกต่างกันเพียงชุดหนึ่งมีสารหนูเป็นอนุมูลกรด และอีกชุดหนึ่งมีฟอสฟอรัส" การค้นพบของ Mitscherlich ดึงดูดความสนใจของนักแร่วิทยาในไม่ช้า ซึ่งเริ่มการวิจัยเกี่ยวกับปัญหาการทดแทนธาตุแบบไอโซมอร์ฟิกในแร่ธาตุ

ในระหว่างการตกผลึกร่วมกันของสารที่มีแนวโน้มที่จะเกิดไอโซมอร์ฟิซึม ( ไอโซมอร์ฟิกสาร) ผลึกผสม (สารผสมไอโซมอร์ฟิก) จะเกิดขึ้น สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่ออนุภาคที่มาแทนที่กันมีขนาดแตกต่างกันเล็กน้อย (ไม่เกิน 15%) นอกจากนี้ สารไอโซมอร์ฟิกจะต้องมีการจัดเรียงอะตอมหรือไอออนเชิงพื้นที่คล้ายกัน ดังนั้นจึงมีผลึกที่มีรูปร่างภายนอกคล้ายกัน สารดังกล่าวได้แก่ สารส้ม เป็นต้น ในผลึกโพแทสเซียมสารส้ม KAl (SO 4) 2 . 12H 2 O โพแทสเซียมไอออนสามารถแทนที่บางส่วนหรือทั้งหมดด้วยไอออนบวกของรูบิเดียมหรือแอมโมเนียม และไอออนบวกของอะลูมิเนียมด้วยไอออนบวกของโครเมียม (III) หรือเหล็ก (III)

มอร์ฟิซึ่มแพร่หลายในธรรมชาติ แร่ธาตุส่วนใหญ่เป็นของผสมแบบไอโซมอร์ฟิคซึ่งมีองค์ประกอบที่ซับซ้อนและแปรผันได้ ตัวอย่างเช่น ในแร่สฟาเลอไรต์ ZnS สามารถแทนที่อะตอมของสังกะสีได้ถึง 20% ด้วยอะตอมของเหล็ก (ในขณะที่ ZnS และ FeS มีโครงสร้างผลึกที่แตกต่างกัน) มอร์ฟิซึมมีความเกี่ยวข้องกับพฤติกรรมธรณีเคมีของธาตุหายากและธาตุรอง การกระจายตัวของพวกมันในหินและแร่ ซึ่งพวกมันมีอยู่ในรูปของสิ่งเจือปนไอโซมอร์ฟิก

การทดแทนไอโซมอร์ฟิกกำหนดคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์มากมายของวัสดุประดิษฐ์ของเทคโนโลยีสมัยใหม่ - เซมิคอนดักเตอร์, เฟอร์โรแมกเนติก, วัสดุเลเซอร์

สารหลายชนิดสามารถเกิดรูปแบบผลึกที่มีโครงสร้างและคุณสมบัติต่างกัน แต่มีองค์ประกอบเหมือนกัน ( โพลีมอร์ฟิกการปรับเปลี่ยน) ความแตกต่าง- ความสามารถของของแข็งและผลึกเหลวที่มีอยู่ในสองรูปแบบขึ้นไปโดยมีโครงสร้างผลึกและคุณสมบัติต่างกันโดยมีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกัน คำนี้มาจากภาษากรีก " โพลีมอร์ฟอส"- หลากหลาย ปรากฏการณ์ของความหลากหลายถูกค้นพบโดย M. Klaproth ซึ่งในปี 1798 ค้นพบว่าแร่ธาตุสองชนิดที่แตกต่างกัน - แคลไซต์และอาราโกไนต์ - มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกัน CaCO 3

ความหลากหลายของสารธรรมดามักเรียกว่า allotropy ในขณะที่แนวคิดเรื่องความหลากหลายไม่สามารถใช้กับรูปแบบ allotropic ที่ไม่ใช่ผลึกได้ (เช่น ก๊าซ O 2 และ O 3) ตัวอย่างทั่วไปของรูปแบบโพลีมอร์ฟิกคือการดัดแปลงคาร์บอน (เพชร ลอนสดาไลต์ กราไฟต์ คาร์ไบน์ และฟูลเลอรีน) ซึ่งมีคุณสมบัติแตกต่างกันอย่างมาก รูปแบบการดำรงอยู่ของคาร์บอนที่เสถียรที่สุดคือกราไฟท์ อย่างไรก็ตาม การดัดแปลงอื่นๆ ภายใต้สภาวะปกติสามารถคงอยู่ได้อย่างไม่มีกำหนด ที่อุณหภูมิสูงพวกมันจะกลายเป็นกราไฟท์ ในกรณีของเพชร สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อถูกให้ความร้อนสูงกว่า 1,000 o C โดยที่ไม่มีออกซิเจน การเปลี่ยนแปลงแบบย้อนกลับนั้นทำได้ยากกว่ามาก ไม่เพียงต้องการอุณหภูมิสูงเท่านั้น (1200-1600 o C) แต่ยังมีแรงกดดันมหาศาล - มากถึง 100,000 บรรยากาศ การเปลี่ยนกราไฟต์เป็นเพชรทำได้ง่ายขึ้นเมื่อมีโลหะหลอมเหลว (เหล็ก โคบอลต์ โครเมียม และอื่นๆ)

ในกรณีของผลึกโมเลกุล ความหลากหลายจะแสดงออกมาในการอัดตัวกันของโมเลกุลที่แตกต่างกันในคริสตัลหรือในการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโมเลกุล และในผลึกไอออนิก - ในตำแหน่งสัมพัทธ์ที่แตกต่างกันของแคตไอออนและแอนไอออน สารที่เรียบง่ายและซับซ้อนบางชนิดมีโพลีมอร์ฟมากกว่าสองชนิด ตัวอย่างเช่นซิลิคอนไดออกไซด์มีการดัดแปลงสิบประการแคลเซียมฟลูออไรด์ - หกแอมโมเนียมไนเตรต - สี่ การดัดแปลงแบบโพลีมอร์ฟิกมักจะแสดงด้วยตัวอักษรกรีก α, β, γ, δ, ε,... เริ่มต้นด้วยการดัดแปลงที่มีความเสถียรที่อุณหภูมิต่ำ

เมื่อตกผลึกจากไอน้ำ สารละลาย หรือละลายสารที่มีการดัดแปลงโพลีมอร์ฟิกหลายอย่าง การปรับเปลี่ยนที่มีความเสถียรน้อยกว่าภายใต้สภาวะที่กำหนดจะเกิดขึ้นก่อน ซึ่งต่อมาจะกลายเป็นการปรับเปลี่ยนที่เสถียรมากขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อไอฟอสฟอรัสควบแน่น จะเกิดฟอสฟอรัสสีขาว ซึ่งภายใต้สภาวะปกติจะเกิดอย่างช้าๆ แต่เมื่อได้รับความร้อนจะเปลี่ยนเป็นฟอสฟอรัสแดงอย่างรวดเร็ว เมื่อตะกั่วไฮดรอกไซด์ถูกทำให้ขาดน้ำ ในตอนแรก (ประมาณ 70 o C) β-PbO สีเหลืองซึ่งมีความเสถียรน้อยกว่าที่อุณหภูมิต่ำจะถูกสร้างขึ้น ที่อุณหภูมิประมาณ 100 o C จะเปลี่ยนเป็น α-PbO สีแดง และที่ 540 o C จะเปลี่ยนเป็น กลับเข้าสู่ β-PbO

การเปลี่ยนจากโพลีมอร์ฟหนึ่งไปยังอีกโพลีมอร์ฟิกเรียกว่าการแปลงโพลีมอร์ฟิก การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิหรือความดันเปลี่ยนแปลง และมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติอย่างกะทันหัน

กระบวนการเปลี่ยนจากการปรับเปลี่ยนหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่งสามารถย้อนกลับหรือไม่สามารถย้อนกลับได้ ดังนั้นเมื่อสารคล้ายกราไฟท์สีขาวอ่อนที่มีองค์ประกอบ BN (โบรอนไนไตรด์) ถูกให้ความร้อนที่ 1500-1800 o C และความดันบรรยากาศหลายสิบบรรยากาศ การดัดแปลงที่อุณหภูมิสูงจะเกิดขึ้น - โบราซอนใกล้เคียงกับเพชรที่มีความแข็ง เมื่ออุณหภูมิและความดันลดลงเป็นค่าที่สอดคล้องกับสภาวะปกติ โบราโซนจะคงโครงสร้างไว้ ตัวอย่างของการเปลี่ยนแปลงแบบย้อนกลับได้คือการเปลี่ยนแปลงร่วมกันของการดัดแปลงซัลเฟอร์สองครั้ง (ออร์โธฮอมบิกและโมโนคลินิก) ที่ 95 o C

การแปลงแบบโพลีมอร์ฟิกสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่สำคัญ บางครั้งโครงสร้างผลึกจะไม่เปลี่ยนแปลงเลย ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการเปลี่ยน α-Fe เป็น β-Fe ที่ 769 o C โครงสร้างของเหล็กจะไม่เปลี่ยนแปลง แต่คุณสมบัติของเฟอร์โรแมกเนติกจะหายไป

ไม่ใช่อะตอมหรือโมเลกุลเดี่ยว ๆ ที่เข้าสู่ปฏิกิริยาทางเคมี แต่เป็นสาร สารจำแนกตามประเภทของพันธะ โมเลกุลและไม่ใช่โมเลกุล อาคาร

เหล่านี้เป็นสารที่ประกอบด้วยโมเลกุล พันธะระหว่างโมเลกุลในสารดังกล่าวมีความอ่อนแอมากอ่อนแอกว่าระหว่างอะตอมภายในโมเลกุลมากและแม้ที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำก็แตกสลาย - สารจะกลายเป็นของเหลวแล้วกลายเป็นก๊าซ (การระเหิดของไอโอดีน) จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารที่ประกอบด้วยโมเลกุลจะเพิ่มขึ้นตามน้ำหนักโมเลกุลที่เพิ่มขึ้น สารโมเลกุลประกอบด้วยสารที่มีโครงสร้างอะตอม (C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W) ในหมู่พวกเขามีโลหะและอโลหะ

โครงสร้างที่ไม่ใช่โมเลกุลของสาร

ให้กับสารต่างๆ ไม่ใช่โมเลกุลโครงสร้างประกอบด้วยสารประกอบไอออนิก สารประกอบของโลหะส่วนใหญ่ที่มีอโลหะจะมีโครงสร้างดังนี้ เกลือทั้งหมด (NaCl, K 2 S0 4) ไฮไดรด์บางส่วน (LiH) และออกไซด์ (CaO, MgO, FeO) เบส (NaOH, KOH) สารไอออนิก (ไม่ใช่โมเลกุล) มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง

ของแข็ง: ผลึกและสัณฐาน

สารอสัณฐานไม่มีจุดหลอมเหลวที่ชัดเจน - เมื่อถูกความร้อนจะค่อยๆนิ่มลงและกลายเป็นสถานะของเหลว ตัวอย่างเช่น ดินน้ำมันและเรซินต่างๆ อยู่ในสถานะสัณฐาน

สารที่เป็นผลึกโดดเด่นด้วยการจัดเรียงที่ถูกต้องของอนุภาคซึ่งประกอบด้วยอะตอมโมเลกุลและไอออน - ณ จุดที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดในอวกาศ เมื่อจุดเหล่านี้เชื่อมต่อกันด้วยเส้นตรง จะเกิดกรอบเชิงพื้นที่ขึ้น เรียกว่า ตาข่ายคริสตัล- เรียกว่าจุดที่อนุภาคคริสตัลอยู่ โหนดขัดแตะ.

ขึ้นอยู่กับชนิดของอนุภาคที่อยู่ที่โหนดของโครงตาข่ายคริสตัลและลักษณะของการเชื่อมต่อระหว่างกัน โครงตาข่ายคริสตัลสี่ประเภทมีความโดดเด่น: ไอออนิก อะตอม โมเลกุล และโลหะ .

โครงผลึกไอออนิก

อิออนเรียกว่าคริสตัลโปรยซึ่งในโหนดที่มีไอออนอยู่ พวกมันถูกสร้างขึ้นจากสารที่มีพันธะไอออนิกซึ่งสามารถจับทั้งไอออนเชิงเดี่ยว Na +, Cl - และไอออนเชิงซ้อน S0 4 2-, OH - ดังนั้นเกลือและออกไซด์และไฮดรอกไซด์ของโลหะบางชนิดจึงมีโครงผลึกไอออนิก ตัวอย่างเช่น ผลึกโซเดียมคลอไรด์ถูกสร้างขึ้นจากการสลับ Na + และ Cl - ไอออนบวกและลบ ทำให้เกิดโครงตาข่ายรูปทรงลูกบาศก์

ตาข่ายคริสตัลไอออนิกของเกลือแกง

พันธะระหว่างไอออนในผลึกดังกล่าวมีความเสถียรมาก ดังนั้นสารที่มีโครงตาข่ายไอออนิกจึงมีความแข็งและความแข็งแรงค่อนข้างสูง พวกมันทนไฟและไม่ระเหย

โปรยคริสตัลอะตอม

อะตอมเรียกว่าผลึกขัดแตะในโหนดที่มีอะตอมเดี่ยว ในโครงตาข่ายดังกล่าว อะตอมจะเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งมาก ตัวอย่างของสสารที่มีโครงผลึกประเภทนี้คือ เพชร ซึ่งเป็นหนึ่งในการปรับเปลี่ยนคาร์บอนแบบ allotropic

ตาข่ายคริสตัลอะตอมของเพชร

สสารส่วนใหญ่ที่มีโครงผลึกอะตอมมิกมีจุดหลอมเหลวที่สูงมาก (เช่น สำหรับเพชรที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 3,500 ° C) มีความแข็งแรงและแข็ง และไม่ละลายในทางปฏิบัติ

โปรยคริสตัลโมเลกุล

โมเลกุลเรียกว่าคริสตัลแลตทิซ (crystal lattices) ซึ่งอยู่ในโหนดที่มีโมเลกุลอยู่

ตาข่ายคริสตัลโมเลกุลของไอโอดีน

พันธะเคมีในโมเลกุลเหล่านี้สามารถเป็นได้ทั้งแบบมีขั้ว (HCl, H 2 O) และแบบไม่มีขั้ว (N 2, O 2) แม้ว่าอะตอมภายในโมเลกุลจะเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งมาก แต่แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอก็ทำหน้าที่ระหว่างโมเลกุลด้วยกัน ดังนั้นสารที่มีโครงผลึกโมเลกุลจึงมีความแข็งต่ำ จุดหลอมเหลวต่ำ และมีการระเหยได้ สารประกอบอินทรีย์ที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่มีโครงผลึกโมเลกุล (แนฟทาลีน กลูโคส น้ำตาล)

โครงคริสตัลโลหะ

สารที่มีพันธะโลหะมี โลหะโปรยคริสตัล

ที่บริเวณที่มีโครงตาข่ายดังกล่าวจะมีอะตอมและไอออน (ไม่ว่าจะเป็นอะตอมหรือไอออนซึ่งอะตอมของโลหะจะหมุนไปได้อย่างง่ายดายโดยให้อิเล็กตรอนด้านนอก "เพื่อการใช้งานทั่วไป") โครงสร้างภายในของโลหะนี้จะเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นลักษณะเฉพาะ ได้แก่ ความอ่อนตัว ความเหนียว การนำไฟฟ้าและความร้อน ความแวววาวของโลหะที่มีลักษณะเฉพาะ

เรียกว่าการเปลี่ยนสถานะของสารจากสถานะผลึกแข็งไปเป็นของเหลว ละลาย. ในการละลายวัตถุที่เป็นผลึกแข็งนั้นจะต้องได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดนั่นคือจะต้องให้ความร้อนอุณหภูมิที่สารละลายเรียกว่าจุดหลอมเหลวของสาร

กระบวนการย้อนกลับ - การเปลี่ยนจากของเหลวเป็นสถานะของแข็ง - เกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง กล่าวคือ ความร้อนถูกกำจัดออกไป เรียกว่าการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวไปเป็นสถานะของแข็งการแข็งตัว , หรือ คริสตัลลิเซชัน . อุณหภูมิที่เรียกว่าสารตกผลึกอุณหภูมิคริสตัลสิ่งต่างๆ .

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าสารใดๆ ตกผลึกและละลายที่อุณหภูมิเดียวกัน

รูปนี้แสดงกราฟอุณหภูมิของวัตถุที่เป็นผลึก (น้ำแข็ง) เทียบกับเวลาในการให้ความร้อน (จากจุดนั้น กตรงประเด็น ง)และเวลาในการทำความเย็น (จากจุดที่ ดีตรงประเด็น เค). แสดงเวลาตามแกนนอน และอุณหภูมิตามแกนตั้ง

กราฟแสดงให้เห็นว่าการสังเกตกระบวนการเริ่มต้นจากช่วงเวลาที่อุณหภูมิน้ำแข็งอยู่ที่ -40 °C หรืออย่างที่พวกเขากล่าวว่าอุณหภูมิในช่วงเวลาเริ่มต้น ทีจุดเริ่มต้น = -40 องศาเซลเซียส(จุด กบนกราฟ) เมื่อให้ความร้อนมากขึ้น อุณหภูมิของน้ำแข็งจะเพิ่มขึ้น (บนกราฟนี่คือส่วนนี้) เอบี- อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น 0 °C ซึ่งเป็นอุณหภูมิละลายของน้ำแข็ง ที่อุณหภูมิ 0°C น้ำแข็งจะเริ่มละลายและอุณหภูมิจะหยุดสูงขึ้น ในช่วงเวลาการละลายทั้งหมด (นั่นคือ จนกว่าน้ำแข็งจะละลายทั้งหมด) อุณหภูมิของน้ำแข็งจะไม่เปลี่ยนแปลง แม้ว่าหัวเผาจะยังคงไหม้อยู่และดังนั้นจึงได้รับความร้อนก็ตาม กระบวนการหลอมเหลวจะสอดคล้องกับส่วนแนวนอนของกราฟ ดวงอาทิตย์ . หลังจากที่น้ำแข็งทั้งหมดละลายและกลายเป็นน้ำแข็งแล้ว น้ำอุณหภูมิเริ่มสูงขึ้นอีกครั้ง (มาตรา ซีดี- หลังจากที่อุณหภูมิของน้ำถึง +40 °C หัวเผาจะดับลงและน้ำก็เริ่มเย็นลงนั่นคือความร้อนจะถูกกำจัดออกไป (ในการทำเช่นนี้คุณสามารถวางภาชนะที่มีน้ำไว้ในภาชนะอื่นที่มีขนาดใหญ่กว่าด้วยน้ำแข็ง) อุณหภูมิของน้ำเริ่มลดลง (มาตรา เด- เมื่ออุณหภูมิสูงถึง 0 °C อุณหภูมิของน้ำจะหยุดลดลง แม้ว่าความร้อนจะยังถูกขจัดออกไปก็ตาม นี่คือกระบวนการตกผลึกของน้ำ - การก่อตัวของน้ำแข็ง (ส่วนแนวนอน อีเอฟ). อุณหภูมิจะไม่เปลี่ยนแปลงจนกว่าน้ำทั้งหมดจะกลายเป็นน้ำแข็ง หลังจากนี้อุณหภูมิน้ำแข็งจะเริ่มลดลง (มาตรา เอฟเค).

ลักษณะของกราฟที่พิจารณามีอธิบายดังนี้ บนเว็บไซต์ เอบีเนื่องจากความร้อนเข้าเฉลี่ย พลังงานจลน์จำนวนโมเลกุลน้ำแข็งเพิ่มขึ้น และอุณหภูมิก็สูงขึ้น บนเว็บไซต์ ดวงอาทิตย์พลังงานทั้งหมดที่ได้รับจากเนื้อหาของขวดนั้นถูกใช้ไปกับการทำลายล้าง ตาข่ายคริสตัลน้ำแข็ง: การจัดเรียงเชิงพื้นที่ที่ได้รับคำสั่งของโมเลกุลจะถูกแทนที่ด้วยการจัดเรียงที่ไม่เป็นระเบียบระยะห่างระหว่างโมเลกุลเปลี่ยนไปเช่น โมเลกุลจะถูกจัดเรียงใหม่ในลักษณะที่ทำให้สารกลายเป็นของเหลว พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นอุณหภูมิจึงไม่เปลี่ยนแปลง อุณหภูมิของน้ำน้ำแข็งหลอมเหลวเพิ่มขึ้นอีก (ในพื้นที่ ซีดี) หมายถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์ของโมเลกุลของน้ำเนื่องจากความร้อนที่มาจากหัวเผา

เมื่อน้ำหล่อเย็น (มาตรา เด) ส่วนหนึ่ง พลังงานถูกนำออกไปจากมัน โมเลกุลของน้ำเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ พลังงานจลน์เฉลี่ยลดลง - อุณหภูมิลดลง น้ำเย็นลง ที่ 0°C (ส่วนแนวนอน อีเอฟ) โมเลกุลเริ่มเรียงตัวกันตามลำดับจนเกิดเป็นโครงตาข่ายคริสตัล จนกว่ากระบวนการนี้จะเสร็จสมบูรณ์ อุณหภูมิของสารจะไม่เปลี่ยนแปลงแม้จะถูกกำจัดความร้อนออกไปแล้ว ซึ่งหมายความว่าเมื่อของเหลว (น้ำ) แข็งตัวจะปล่อยพลังงานออกมา นี่คือพลังงานที่น้ำแข็งดูดซับจนกลายเป็นของเหลว (มาตรา ดวงอาทิตย์- พลังงานภายในของของเหลวมีค่ามากกว่าพลังงานของของแข็ง ในระหว่างการหลอมละลาย (และการตกผลึก) พลังงานภายในของร่างกายจะเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน

โลหะที่หลอมละลายที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,650 ºСเรียกว่า วัสดุทนไฟ(ไทเทเนียม, โครเมียม, โมลิบดีนัม ฯลฯ) ทังสเตนมีจุดหลอมเหลวสูงที่สุดในหมู่พวกเขา - ประมาณ 3,400 องศาเซลเซียส- โลหะทนไฟและสารประกอบของพวกมันถูกใช้เป็นวัสดุทนความร้อนในการก่อสร้างเครื่องบิน เทคโนโลยีจรวดและอวกาศ และพลังงานนิวเคลียร์

ขอย้ำอีกครั้งว่าเมื่อหลอมละลายสารจะดูดซับพลังงาน ในระหว่างการตกผลึก ในทางกลับกัน มันจะปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม เมื่อได้รับความร้อนจำนวนหนึ่งที่ปล่อยออกมาในระหว่างการตกผลึก ตัวกลางจะร้อนขึ้น นี่เป็นที่รู้จักกันดีของนกหลายชนิด ไม่น่าแปลกใจเลยที่พวกมันสามารถพบเห็นได้ในช่วงฤดูหนาวในสภาพอากาศที่หนาวจัดโดยนั่งอยู่บนน้ำแข็งที่ปกคลุมแม่น้ำและทะเลสาบ เนื่องจากการปล่อยพลังงานเมื่อน้ำแข็งก่อตัว อากาศด้านบนจึงอุ่นกว่าต้นไม้ในป่าหลายองศา และนกก็ใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้

การหลอมละลายของสารอสัณฐาน

ความพร้อมใช้งานบางอย่าง จุดหลอมเหลว- นี่เป็นคุณสมบัติที่สำคัญของสารที่เป็นผลึก ด้วยคุณลักษณะนี้เองที่ทำให้สามารถแยกแยะได้ง่ายจากวัตถุอสัณฐานซึ่งจัดเป็นของแข็งด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งแก้ว เรซินที่มีความหนืดมาก และพลาสติก

สารอสัณฐาน(ไม่เหมือนผลึก) ไม่มีจุดหลอมเหลวเฉพาะ - ไม่ละลาย แต่จะนิ่มลง เมื่อถูกความร้อนชิ้นแก้วจะนิ่มจากแข็งก่อนอื่นสามารถงอหรือยืดได้ง่าย ที่อุณหภูมิสูงขึ้น ชิ้นส่วนจะเริ่มเปลี่ยนรูปร่างภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของมันเอง เมื่อมันร้อนขึ้น มวลที่มีความหนืดหนาจะเปลี่ยนรูปร่างของภาชนะที่มันวางอยู่ มวลนี้มีความหนาเหมือนน้ำผึ้ง ต่อมาเป็นครีมเปรี้ยว และสุดท้ายก็กลายเป็นของเหลวที่มีความหนืดต่ำเกือบจะเหมือนกับน้ำ อย่างไรก็ตาม มันเป็นไปไม่ได้ที่จะระบุอุณหภูมิที่แน่นอนของการเปลี่ยนของแข็งเป็นของเหลวที่นี่ เนื่องจากไม่มีอยู่จริง

เหตุผลนี้อยู่ที่ความแตกต่างพื้นฐานในโครงสร้างของวัตถุอสัณฐานจากโครงสร้างของผลึก อะตอมในร่างกายอสัณฐานพวกมันจะถูกจัดเรียงแบบสุ่ม ร่างกายอสัณฐานมีลักษณะคล้ายของเหลวในโครงสร้าง อะตอมจะถูกจัดเรียงแบบสุ่มในแก้วแข็งอยู่แล้ว ซึ่งหมายความว่าการเพิ่มอุณหภูมิของแก้วจะช่วยเพิ่มช่วงการสั่นสะเทือนของโมเลกุลเท่านั้น ทำให้แก้วมีอิสระในการเคลื่อนที่มากขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นแก้วจะค่อยๆอ่อนตัวลงและไม่แสดงการเปลี่ยนแปลง "ของแข็ง - ของเหลว" ที่คมชัดซึ่งเป็นลักษณะของการเปลี่ยนจากการจัดเรียงโมเลกุลตามลำดับที่เข้มงวดไปเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ไม่เป็นระเบียบ

ความร้อนของการหลอมรวม

ความร้อนของการหลอมละลาย- นี่คือปริมาณความร้อนที่ต้องให้สารที่ความดันคงที่และอุณหภูมิคงที่เท่ากับจุดหลอมเหลวเพื่อแปลงสถานะผลึกแข็งเป็นของเหลวโดยสมบูรณ์ ความร้อนของฟิวชันมีค่าเท่ากับ ปริมาณความร้อนซึ่งถูกปล่อยออกมาระหว่างการตกผลึกของสารจากสถานะของเหลว เมื่อละลายความร้อนทั้งหมดที่จ่ายให้กับสารจะเพิ่มขึ้น พลังงานศักย์โมเลกุลของมัน พลังงานจลน์ไม่เปลี่ยนแปลงเนื่องจากการหลอมละลายเกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่

จากการศึกษาการทดลองการหลอมของสารต่างๆ ที่มีมวลเท่ากัน จะสังเกตได้ว่าต้องใช้ความร้อนในปริมาณที่ต่างกันเพื่อเปลี่ยนให้เป็นของเหลว เช่น หากต้องการละลายน้ำแข็ง 1 กิโลกรัม คุณต้องใช้จ่าย 332 เจพลังงานแต่เพื่อที่จะละลาย 1 กกตะกั่ว - 25 เคเจ.

ปริมาณความร้อนที่ร่างกายปล่อยออกมาถือเป็นค่าลบ ดังนั้นเมื่อคำนวณปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการตกผลึกของสารที่มีมวล มคุณควรใช้สูตรเดียวกัน แต่มีเครื่องหมายลบ:

ความร้อนจากการเผาไหม้

ความร้อนจากการเผาไหม้(หรือ ค่าความร้อน, ปริมาณแคลอรี่) คือปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงโดยสมบูรณ์

เพื่อให้ความร้อนกับร่างกายมักจะใช้พลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิง เชื้อเพลิงธรรมดา (ถ่านหิน น้ำมัน น้ำมันเบนซิน) ประกอบด้วย คาร์บอน- เมื่อเผาไหม้อะตอมของคาร์บอนจะรวมตัวกับอะตอม ออกซิเจนที่มีอยู่ในอากาศทำให้เกิดการก่อตัวของโมเลกุล คาร์บอนไดออกไซด์- พลังงานจลน์ของโมเลกุลเหล่านี้กลายเป็นพลังงานมากกว่าอนุภาคดั้งเดิม การเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์ของโมเลกุลระหว่างการเผาไหม้เรียกว่าการปลดปล่อยพลังงาน พลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงโดยสมบูรณ์คือความร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงนี้

ความร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับชนิดของเชื้อเพลิงและมวลของเชื้อเพลิง ยิ่งมีมวลของเชื้อเพลิงมากเท่าใด ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ปริมาณทางกายภาพแสดงปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่สมบูรณ์ซึ่งมีน้ำหนัก 1 กิโลกรัมเรียกว่า ความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้เชื้อเพลิงความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้ถูกกำหนดโดยตัวอักษรถามและมีหน่วยวัดเป็นจูลต่อกิโลกรัม (J/kg)

ปริมาณความร้อน ถามปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้ มกิโลกรัมของเชื้อเพลิงถูกกำหนดโดยสูตร:

ในการค้นหาปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่มีมวลโดยพลการโดยสมบูรณ์ ความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงนี้จะต้องคูณด้วยมวลของมัน