Твердые тела и жидкости

Твердые тела — это те тела, которые сохраняют свою форму и объем. Они подразделяются на кристаллические и аморфные тела. Аморфные тела, как, например, стекло, не имеют кристаллической структуры, и они могут быть описаны как застывшие жидкости.

В естественных условиях в земной коре под влиянием вулканической деятельности, воды, ветра идет постоянное перемешивание разных сортов атомов и молекул между собой. Ho, несмотря на это, они отыскивают себе подобных, соединяются с ними и, в конце концов, образуют кристалл.

Почему кристалл, начав свое формирование, присоединяет к себе атомы только определенного сорта? Это происходит потому, что присое

динение атомов такого сорта обеспечивает в кристалле наименьший уровень его внутренней энергии. Распознает он атомы по их эфирным полям: форме, размерам и частоте колебаний. Форма эфирного поля зависит от количества электронов, находящихся во внешнем электронном слое.

Сферическая форма эфирного поля свойственна только тем атомам, у которых внешний электронный слой заполнен полностью. У остальных атомов она будет отличаться от сферической формы. Так, например, при нахождении во внешнем электронном слое одного электрона на поверхности сфероида в районе нахождения этого электрона будет определенный выступ («бородавка»), а при нахождении двух и более электронов сфероид превращается в эллипсоид. Размер (объем) и частота колебаний эфирного поля атома определяются атомным номером химического элемента. Чем больше атомный вес, тем меньше частота колебаний ядра атома. И хотя частота колебаний эфирного поля атома возрастает от ядра к внешней оболочке атома, частота ее колебаний для каждого сорта атома является своей.

Таким образом, форма, размер и частота колебаний эфирного поля атома являются своеобразной «визитной карточкой» для каждого химического элемента, по которым они «узнают «друг друга и взаимодействуют друг с другом.

Одной из главных черт кристаллических тел является регулярность расположения атомов (молекул). Поэтому такие тела имеет кристаллическую решетку, в которой одно и то же расположение атомов повторяется на протяжении нескольких тысяч атомных рядов, прежде чем подобный узор снова начинает повторяться, но с ориентацией атомов уже в другта# направлении. Часто причиной перемены смены узора являются атомы примеси. Ho когда атомы выстраиваются медленно, то может сформироваться единый кржЯалл — монокристалл.

Кристаллическая решетка может иметь множество геометрических форм. У большинства металлов и инертных газов (в твердом состоянии) кристаллическая решетка имеет кубическую форму, которая может быть двух видов: обьемноцентрированная кубическая и гранецен- трированная кубическая (рис. 3.8.1). На рисунках приведена элементарная ячейка (кубик), из которых формируется кристаллическая решетка. Для простоты на рисунках показаны только ядра атомов, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга, а на самом деле атомы своими эфирными полями соприкасаются друг с другом. Темные и светлые шарики на рисунках могут означать как разные, так и одинаковые сорта атомов.

Физические свойства кристаллических тел, имеющих данные формы решеток, совершенно различные. При этом одно и тоже тело,

в зависимости от внешних условий, может иметь ту или другую форму кристаллической решетки. Так, железо при низких температурах имеет объемноцентриро- ванную кубическую форму, а при более высоких температурах — гранецентрированную. Почему форма решетки, в частности у металлов, зависит от температуры? С увеличением температуры тела амплитуды колебаний эфитонов в эфирном поле каждого атома начинают возрастать, что ведет к увеличению объема этого поля

и,              соответственно, к увеличению объема атома в целом. А так как объемноцентрированная кубическая форма обеспечивает более плотную «упаковку» атомов, чем гранеЦентрированная, то с возрастанием объема атомов наступаем момент, когда они уже не умещаются в прежней элементарной ячейке и поэтому «вынуждены» осуществлять перестройку своей кристаллической решетки.

Форма кристаллической решетки в значительной степени определяет физические свойства вещества (тела).

Так, например, алмаз и графит с точки зрения химического состава являются углеродом, но не похожи друг на друга. Алмаз тверд, прозрачен, диэлектрик. Графит мягок, непрозрачен, хороший проводник электрического тока. Кристаллическая решетка алмаза октаэдрической формы, а кристаллы графита имеют призматическую форму, в которой интервалы между атомами неодинаковы, и поэтому пропорционально этим интервалам электронные связи между атомами по разным направлениям в графите будут также разными.

С использованием метода рентгеноструктурного анализа установлено, что каждый структурный элемент кристаллической решетки (атом, молекула) имеет практически непроницаемую «сферу действия», а расстояние между атомами в кристалле равно сумме радиусов их сфер действия. «Сфера действия» атома — это не что иное, как эфирное поле атома с его электронными слоями.

Сильное нагревание твердого тела может привести к переходу вещества из кристаллической фазы в жидкую (плавление) или газообразную (сублимация, возгонка). Это происходит при такой температуре, когда смещение частиц из положения равновесия соизмеримы с равновесными расстояниями между частицами в решетке.

В отличие от твердых тел, жидкости имеют объем, но не имеют формы. Им свойственны сильное молекулярное взаимодействие и малая сжимаемость, которая объясняется тем, что небольшое уменьшение расстояния между молекулами на малых взаимных расстояниях приводит к появлению больших сил межмолекулярного отталкивания. Отсюда следует, что в жидкости внешние оболочки эфирных полей молекул практически соприкасаются между собой, обеспечивая при ее сжатии сильное межмолекулярное отталкивание.

Образно говоря, молекулы жидкости можно представить в виде несжимаемых клейких шариков, которые заполняют некоторый объем («жидкостная форма»).

Клей — это межмолекулярные связи с соседними молекулами на уровне взаимодействия их эфирных полей.

Молекулы жидкости совершают колебания около положений равновесия со средней частотой, близкой к частоте колебаний атомов в кристаллах, и амплитудой, определяемой «свободным объемом» представленным молекуле ее соседями. Ho, несмотря на внешние различия между жидкостями и твердями телами, имеется и данные, свидетельствующие о ряде сходств между ними. Рентгеноструктурный анализ жидкости показывает, что при температурах, близких к температурам кристаллизации, расположение частиц в жидкостях становится относительно упорядоченным. -Рентгенограммы жидкости становятся сходными с рентгенограммами поликристаллических твердых тел, т.е. жидкость уже можно рассматривать как тело, состоящее из очень большого числа беспорядочно ориентированных кристаллов субмикроско- пических размеров.

При плавлении твердых тел в расположении частиц жидкости сохраняется некоторое сходство с расположением частиц в твердом теле, а объем расплавленного тела увеличивается незначительно (-10%). Это объясняется тем, что переход от кристаллической формы «упаковки» к плотной «жидкостной форме» обеспечивает частичную компенсацию

увеличения объема тела, несмотря на достаточно большое увеличение объема атомов при температуре плавления.

Жидкости подразделяются на неассоциированные и ассоциированные. Первые имеют малые значения относительной (по сравнению с вакуумом) диэлектрической проницаемости е, не зависящие от температуры, а дипольные моменты их молекул равны нулю (гек- сан, бензол и др.). У вторых от

носительная диэлектрическая проницаемость е зависит от температуры и изменяется от 2 (неполярные углеводы) до 81 (вода).

Одной из загадок природы является вода, без которой невозможна органическая жизнь. Почему вода имеет максимальную плотность при температуре +40°, а при нагревании и охлаждении происходит увеличение ее объема? Дадим возможный механизм этого явления.

При температуре +4CQ угол H-O-H (рис. 3.8.2) составляет 105 градусов, а при тебмпературе замерзания воды (образовании льда) он возрастает до 108 градусов. Аналогичным образом этот угол возрастает и при нагревании воды свыше +4С°.

При нагревании воды, как и у большинства других тел, возрастает энергетика эфирных полей атомов и молекул. Это выражается в виде увеличения амплитуды колебаний эфитонов эфирных полей этих тел и, как следствие, в увеличении амплитуды колебаний электронов, атома и молекул в целом. Молекула как бы «разбухает» и, соответственно, плотность воды уменьшается. При понижении же температуры плотность воды возрастает вплоть до +4С°, а при дальнейшем понижении температуры начинает возрастать. Почему?

Молекула воды — это достаточно сильный электрический диполь. Одну сторону этого диполя образуют молекула водорода, а другую сторону — атом кислорода. Между атомами в молекуле водорода сохраняется гоМеополярная (ковалентная) связь, т.е. в молекуле воды существует кулоновское взаимодействие между всеми ее составляющими: двумя атомами водорода и атомом кислорода. Сила этого взаимодействия во многом определяется величиной относительной

диэлектрической проницаемости воды (8 ~ 81), которая очень сильно зависит от ее температуры. С понижением температуры воды до O0C и ниже, уменьшается сила кулоновского взаимодействия между атомами, растет расстояние между ними, увеличивается угол H-O-H

и,              соответственно, молекула воды увеличивается в объеме. Кроме того, при переходе молекулы воды в состояние льда происходит переход от плотной «жидкостной формы» упаковки молекул к менее плотной поликристаллической упаковке.