§8.1. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕЛА

Мы живем на поверхности твердого тела — земного иіара, в сооружениях, построенных из твердых тел, — домах. Наше тело, хотя и содержит приблизительно 65% воды (мозг — 80%), тоже твердое.

В § 2.6 было кратко описано молекулярное строение твердых кристаллических тел. Теперь мы рассмотрим подробнее их свойства и строение.

Кристаллы

Если рассматривать при помощи лупы или микроскопа крупинки сахара, соли, медного купороса, нафталина и т. п., то можно заметить, что они ограничены плоскими, как бы шлифованными гранями. Наличие таких естественных граней является признаком нахождения вещества в кристаллическом состоянии. Кристаллом называется тело определенной геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями.

Монокристаллы и поликристаллические тела

Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом.

На рисунке 8.1 изображен крупный монокристалл кварца (горного хрусталя). Маленькая крупинка сахарного песка тоже является моно-кристаллом. Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический монокристалл больших размеров.

Большинство кристаллических тел состоит из множества беспорядочно расположенных и сросшихся между собой мелких кристалликов. Такие тела называются поликристаллическими. Поликристаллическими являются все металлы и минералы. Кусок сахара тоже поликристаллическое тело.

Форма и размеры кристаллов

Кристаллы различных веществ имеют разнообразную форму. На рисунке 8.2 изображены кристаллы: каменной соли 1, берилла 2, алмаза 3, граната 4, кварца 5, турмалина 6, изумруда 7 и кальцита S. Один из видов кристаллов льда, образующих причудливые формы снежинок (рис. 8.3), представляет собой правильную шестиугольную призму (рис. 8.4).

18- 2915 Рис.

Рис. 8.3 Размеры кристаллов тоже разнообразны. Одни кристаллы крупны и легко различимы невооруженным глазом, другие же настолько малы, что могут быть рассмотрены только в микроскоп.

Размеры кристаллов поликристаллического типа могут с течением времени изменяться. Так, мелкие кристаллы железа и стали переходят в крупные. Этот переход ускоряется при ударах и сотрясениях. Он постоянно происходит в железнодорожных рельсах, вагонных осях, стальных мостах, отчего прочность этих сооружений с течением времени уменьшается.

Полиморфизм

Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях (модификациях). Это свойство называется полиморфизмом (много- формностью). У льда, например, известно до десяти различных модификаций, которые получают в лабораториях. В природе же встречается только один вид (см. рис. 8.4).

Особо важное значение для техники имеет полиморфизм углерода — углерод кристаллизуется в двух модификациях: графит и алмаз. Графит — мягкий материал матово-черного цвета. Из него, например, изготавливают грифели карандашей. Алмаз совершенно не похож на графит. Это прозрачный и очень твердый кристалл. При температуре около 150 °С (при нагревании в вакууме) алмаз превращается в графит. Чтобы графит превратить в алмаз, его нужно нагреть до 2000 °С под давлением Ю10Па. В настоящее время освоено промышлен- ное производство искусственных алмазов. Искусственные алмазы широко используются в различных режущих инстру-ментах.

Анизотропия кристаллов

Существенным свойством монокристалла является анизотропия — неодинаковость его свойств (механических, тепловых, электрических и т. д.) по различным направлениям. Например, если кристаллы поваренной соли, имеющие кубическую форму, раскалывать, то мелкие осколки будут иметь преимущественно форму прямоугольных параллелепипедов. Это значит, что в направлениях, параллельных граням, прочность кристалла поваренной соли гораздо меньше, чем в диагональных и других направлениях.

Кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки (рис.

Если грань кристалла, например кварца, покрыть тонким слоем парафина и прикоснуться к нему раскаленной иглой, то парафин начнет плавиться. Расплавленный парафин имеет форму не круга, а эллипса (рис. 8.6), что указывает на различие теплопроводности кристалла по разным направлениям. О неодинаковости теплового расширения кристалла по разным направлениям можно заключить из следующего опыта. Если из монокристалла, например кварца, изготовить тело шарообразной формы и нагреть его, то после нагревания оно уже не будет шаром. Вдоль трех взаимно перпендикулярных диаметров тело расширится неодинаково, и вместо шара получится так называемый эллипсоид (рис. 8.7).

Рис. 8.5

Рис. 8.6

Рис. 8.7 18*

275 Поликристаллические тела изотропн ы , т. е. обнару-живают одинаковые свойства по разным направлениям. Это объясняется тем, что кристаллики, из которых состоит поликристаллическое тело, ориентированы друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других.

Большинство кристаллических тел — поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристалликов. Одиночные кристаллы — монокристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям (анизотропия).