Текст книги "Первоначала вещей (Очерк о строении вещества)"
Автор книги: Борис Кудрявцев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 8 страниц)
III
В МИРЕ ПОРЯДКА
Кристаллы
При затвердевании объем почти всех жидкостей уменьшается. Поэтому можно считать, что, как правило, молекулы или атомы в твердых телах расположены еще ближе друг к другу, чем в жидкостях.
Если в газе молекулы находятся в хаотичном беспорядке, а в жидкости беспорядочное движение молекул сочетается с некоторым порядком в их расположении, то в твердых телах частицы располагаются уже в полном порядке.
Ученые нашли способы узнавать, как расположены частицы, образующие твердые тела. Оказывается, в твердых телах частицы занимают строго определенные положения. При затвердевании жидкости соседние частицы вещества располагаются в вершинах правильных геометрических тел: кубов, пирамид, призм и т. д.
Все хорошо знают обычную поваренную соль, употребляемую в пищу. Каждая крупинка такой соли представляет собою один или несколько соединенных вместе кубиков.
Такая форма частиц соли не случайна.
Поваренная соль – это химическое соединение двух различных веществ: хлора и натрия.
Частицы, образующие кристалл поваренной соли, являются не молекулами хлора и натрия, а электрически заряженными атомами этих веществ, так называемыми ионами. Ионы в каждой крупинке поваренной соли расположены так, как это изображено на рисунке 44 (крупные шарики – ионы хлора, более мелкие – ионы натрия).
Рис. 44. Расположение ионов в кристалле поваренной соли.
Такое расположение ионов наиболее компактно, не занятое ими пространство сведено к минимуму. В науке такое расположение называют плотной упаковкой.
Для того чтобы закономерность в строении твердого тела показать более наглядно, удобно расположение шариков-ионов, при котором какой-либо ион загораживает соседние с ним, заменить расположением их центров, как это сделано на рисунке 45.
Рис. 45. Кристаллическая решетка поваренной соли.
В этом случае черные шарики – центры ионов натрия, а белые – центры ионов хлора. Каждый черный шарик окружен шестью белыми, а каждый белый, в свою очередь, – шестью черными.
Такой порядок наблюдается в любой части крупинки поваренной соли.
Порядок в расположении частиц, из которых построены твердые тела, объясняет их правильную форму.
Если перед вами лежит бесформенная глыба, то это не означает еще, что в ней нарушен присущий твердому телу порядок частиц. Отколите маленькую крупинку и посмотрите на нее в лупу или микроскоп. Вы увидите четкие грани и ребра правильных геометрических фигур. Глыба образовалась в результате случайного сращения множества маленьких частиц правильной формы.
Так, поваренная соль, где бы мы ее ни получили – в соляных копях, из солончаковых озер близ Каспийского моря или из вод Северного Ледовитого океана, – всегда имеет форму кубиков.
Если разбить кубик поваренной соли, он рассыплется на несколько меньших кубиков.
Твердые тела, имеющие присущую им от природы правильную форму, вызванную правильным расположением частиц, их образующих, называют кристаллами.
Остов кристалла, который получается, когда изображают расположение центров образующих кристалл частиц, называют кристаллической решеткой, а те места, в которых эти центры помещаются, – узлами кристаллической решетки.
Не у всех кристаллических тел частицы расположены так же, как у поваренной соли.
Замечательный русский кристаллограф Е. С. Федоров математическим путем доказал возможность существования 230 разновидностей симметрических фигур, в которые могут слагаться атомы в кристаллах.
Существует твердое тело – графит.
Графит построен из частичек углерода, из которого состоит и обычный древесный уголь. Проведите куском графита по твердой поверхности – останется черный след. Такая мягкость графита, способность его «мазаться», обеспечивает возможность применения его в качестве материала для изготовления карандашей и особых смазок.
Дело в том, что графит, не плавясь, выносит температуру более 2 тысяч градусов, поэтому графитные смазки можно применять тогда, когда нельзя воспользоваться никакими другими. Из графита изготовляют огнеупорные тигли, в которых плавят самые тугоплавкие вещества.
Кристаллическая решетка графита изображена на рисунке 46. Как мы видим, она состоит из отдельных слоев, каждый из которых напоминает рисунком паркетный пол.
Рис. 46. Кристаллическая решетка графита.
Обратите внимание на то, что соседние атомы углерода, лежащие в одном и том же слое, почти в два с половиной раза ближе друг к другу, чем соседние же, но расположенные в смежных слоях. Эта особенность определяет многие свойства графита.
Чем ближе друг к другу частицы вещества, тем больше действующие между ними силы. Поэтому атомы углерода, образующие какой-либо слой, связаны между собою гораздо прочнее, чем атомы, принадлежащие соседним слоям. Малое сцепление соседних слоев позволяет им легко скользить один по другому, а это дает возможность использовать графит для приготовления смазки. Этим же объясняется тот факт, что графит чаще всего встречается в виде чешуек.
Строение кристалла в первую очередь зависит от химического состава вещества, и поэтому можно, казалось бы, думать, что каждому веществу свойственна только одна определенная кристаллическая решетка. Но это не так. У многих веществ частицы могут располагаться, образуя кристаллические решетки различных типов. Все знают, как красиво сияют в лучах света отшлифованные алмазы, или, как их называют, бриллианты. А ведь алмаз состоит из тех же самых атомов углерода, что и черный, матовый графит, только кристаллическая решетка алмаза совсем не похожа на решетку графита (рис. 47).
Рис. 47. Кристаллическая решетка алмаза.
Иное расположение атомов приводит к совершенно иным свойствам. Графит – мягкое тело, алмаз – самый твердый минерал, из него не приготовишь смазки. Графит не прозрачен, алмаз прозрачен. Графит – хороший проводник электрического тока, алмаз тока не проводит. Эти различия в свойствах вызваны разным расположением атомов, разным строением решетки.
Вообще говоря, при определенных условиях одна форма кристаллической решетки может превратиться в другую. Эта мысль была движущей пружиной бесчисленных попыток искусственного получения алмазов. До сих пор эти попытки оставались безуспешными. Вероятно, образование алмазов в природе происходило при условиях, которые не удается воспроизвести. Оно протекало в результате кристаллизации углерода, растворенного в расплавленных магмах при очень высоком давлении и быстром охлаждении. Искусственное же получение алмазов пытались осуществить при таких условиях, когда более устойчивой формой кристаллического углерода являлся графит.
В 1940 году советский ученый О. П. Лейпунский определил границы температур (2000°) и давлений (60 тысяч атмосфер), при которых в природе происходил процесс кристаллизации алмазов.
У некоторых веществ превращение одной кристаллической формы в другую происходит довольно легко. Подобное превращение однажды явилось причиной большого несчастья.
В 1910 году известный полярный исследователь Р. Скотт отправился на корабле «Терра нова» в экспедицию к Южному полюсу. Полюса экспедиция достигла в январе 1912 года. На обратном пути Р. Скотт и его четыре спутника погибли. Как оказалось, причиной их гибели была потеря жидкого топлива: бачки, в которых оно находилось, разрушились. Это произошло в результате превращения олова, которым были пропаяны бачки, из привычного для нас белого олова в порошкообразное серое.
Белое и серое олово различаются так же, как и алмаз и графит, строением кристалла. При температурах ниже 18 градусов более устойчиво серое олово, однако скорость превращения обычного олова в порошкообразное серое при температуре, не слишком сильно отличающейся от 18 градусов, ничтожно мала. При понижении же температуры скорость образования серого олова возрастает, достигая максимальной величины при – 33 градусах. Это и привело к гибели отважных путешественников.
Превращение белого олова в серое значительно ускоряется, если добавить к нему затравку – крупинку серого олова. Затравка может быть очень малой, – иногда достаточно привести обычное олово в соприкосновение с серым, чтобы превращение пошло быстро; серое олово как бы «заражает» своим прикосновением белое.
В средние века домашняя утварь делалась из различных сплавов, основной частью которых было олово. И если в каком-нибудь доме на тарелке, ложке или ином предмете образовывалось небольшое количество серого олова, такой предмет «заражал» другие и вся утварь разрушалась. Это бедствие очень напоминало эпидемическое заболевание, и народ, со свойственной ему меткостью, назвал его «оловянной чумой». Особенно страдали от «оловянной чумы» органные трубы, изготовлявшиеся из чистого олова.
Красивы и разнообразны кристаллы различных веществ (рис. 48).
Рис. 48. Внешний вид различных кристаллов.
Многие из них вы можете получить сами. Прибавьте к горячей воде какое-либо вещество, например поваренную соль или квасцы, в таком количестве, чтобы оно перестало в ней растворяться. Перемешайте раствор, дайте нерастворившемуся веществу осесть на дно и осторожно слейте прозрачный раствор в чистый стакан. Поставьте стакан с раствором в теплое, защищенное от тряски место. Через несколько дней, когда часть жидкости испарится, на дне стакана выпадут кристаллы растворенного вещества.
Когда переохлаждение невелико и кристаллизация происходит медленно, образуются большие, с правильными гранями кристаллы. Если же жидкость сильно переохладить и тем ускорить рост кристаллов, то они приобретают причудливый вид переплетенных нитей или ветвистого дерева.
Вспомните тонкие морозные узоры на окнах: здесь можно увидеть и цветы, и деревья, и замысловатые орнаменты, превосходящие сложностью то, что может создать фантазия художника.
Особенно красивы и разнообразны формы снежинок (рис. 49).
Рис. 49. Снежинки.
Они возникают потому, что снежинка, падая на землю, непрерывно перемещается из одного слоя атмосферы в другой и при этом непрерывно изменяются условия кристаллизации – иными делаются температура, количество водяных паров и т. д.
Не все кристаллы состоят из атомов или ионов. Существуют кристаллы, состоящие из молекул.
Примером тому сухой лед, которым охлаждают мороженое. Это превращенный в твердое кристаллическое тело углекислый газ. Частицы, образующие кристалл сухого льда, – молекулы. Они, так же как и ионы в кристалле поваренной соли, уложены с возможно большей плотностью. Однако молекулы углекислого газа имеют более сложную форму, чем шарики-ионы, и уложить их плотно труднее. Поэтому упаковка кристалла, состоящего из молекул (рис. 50), получается более рыхлой, чем у кристалла, состоящего из ионов или атомов.
Рис. 50. Строение кристалла сухого льда.
Особенно неплотно упакованы молекулы воды в кристалле льда, модель которого изображена на рисунке 51. Для удобства здесь атомы водорода (черные шарики) и кислорода (белые шарики) изображены одинаковыми, хотя в действительности их размеры различны.
Рис. 51. Строение кристалла обычного льда.
Ажурный характер кристалла льда – причина его малой плотности: мы знаем, что лед плавает на поверхности воды.
При таянии льда молекулы укладываются более плотно и объем, занимаемый веществом, уменьшается.
Свойства кристаллов
Упорядоченное расположение частиц делает свойства кристаллов не похожими на свойства жидкостей и газов.
Жидкость, например, одинаково сопротивляется растяжению, вне зависимости от того, в каком направлении ее растягивать. Если жидкость разрывается, то никаких определенных плоскостей, по которым преимущественно происходил бы этот разрыв, указать нельзя. Один раз разрыв произойдет так, другой раз иначе.
Совсем по-иному ведут себя кристаллы.
В каждом из них имеются плоскости, по которым разрыв происходит легче, чем по другим. Они называются плоскостями спайности.
Кристалл поваренной соли, какова бы ни была его форма, раскалывается на кусочки, каждый из которых кубик или прямоугольный параллелепипед.
Слюда от самого незначительного усилия расщепляется на отдельные пластинки. При желании можно изготовить тончайшие слюдяные пластинки, более тонкие, чем бумажный листок.
Эти особенности кристаллов объясняются строением их кристаллических решеток.
Взгляните на кристаллическую решетку поваренной соли. На плоскостях, параллельных какой-либо грани куба, располагаются вперемежку ионы натрия и ионы хлора. Ионы натрия, находящиеся в одной плоскости, будут притягиваться ионами хлора, лежащими в соседней плоскости, и одновременно отталкиваться лежащими в этой плоскости одноименными с ними ионами натрия. А так как ионов натрия и ионов хлора в каждой плоскости одинаковое количество, то такие плоскости будут притягиваться одна к другой в общем с небольшой силой. Это и есть плоскости спайности.
Иная картина наблюдается на диагональных плоскостях (рис. 52).
Рис. 52. Диагональные плоскости в кристалле поваренной соли.
Здесь на одной плоскости встречаются только ионы натрия, а на соседних с нею только ионы хлора. Силы сцепления между такими плоскостями велики, и кристалл по диагональным плоскостям не раскалывается.
В слюде, так же как и в графите, частицы, лежащие в одном и том же слое, связаны между собою гораздо крепче, чем расположенные в соседних слоях. Поэтому слюда и расщепляется на тонкие листочки.
В том, что свойства кристаллов различны в различных направлениях, можно убедиться, проделав такой простой опыт.
В природе часто встречаются прозрачные кристаллы горного хрусталя, обычно они образуют красивые сростки – друзы (рис. 53).
Рис. 53. Друзы горного хрусталя.
Горный хрусталь, или кварц, – это соединение кремния с кислородом, или, как говорят химики, двуокись кремния. Кварц – распространенный минерал. На его долю приходится примерно 12 процентов вещества земной коры.
Покроем одну из боковых граней кристалла кварца ровным слоем воска и прикоснемся к ее середине концом раскаленной проволоки. Распространяющееся от проволочки тепло заставит воск расплавиться, образуется лунка в форме эллипса (рис. 54).
Рис. 54. Плавление воска на поверхности кристалла кварца.
Почему лунка имеет такую форму?
Да потому, что тепло, идущее от конца проволочки, распространяется вдоль поверхности кристалла в разных направлениях, с разной скоростью. Способность кристалла проводить тепло, его теплопроводность, различна в разных направлениях. В том направлении, в котором теплопроводность кристалла больше, края лунки отстоят дальше от конца проволочки. В этом направлении и будет вытянут эллипс.
Еще более своеобразно поведение кристаллов по отношению к лучам света.
В 1669 году датский врач и математик Эразм Бартолин обнаружил, что предметы, рассматриваемые через прозрачную пластинку, сделанную из кристалла исландского шпата, кажутся раздвоенными (рис. 55).
Рис. 55. Двойное лучепреломление.
Происходит это потому, что в этом кристалле луч света распадается на два луча, идущих по разным направлениям. Открытое Бартолином явление назвали двойным лучепреломлением. Замечательно, что в том же кристалле исландского шпата можно найти такое направление, двигаясь вдоль которого световой луч не будет распадаться на два луча и кристалл будет подобен обычному стеклу.
Рассматривая особенности кристаллических тел, нельзя забыть об одном их удивительном свойстве, находящем в наше время важное применение в технике, а именно – о пьезоэлектрическом эффекте.
Если из кристалла кварца вырезать пластинку так, как это показано на рисунке 56, и сжать ее, то на противоположных гранях пластинки возникнут электрические заряды. Одна грань зарядится положительно, противоположная ей – отрицательно.
Рис. 56. Пьезопластинка.
При замене сжатия растяжением электрические заряды тоже появятся, но только знаки их будут обратными: грань, заряженная раньше положительно, теперь будет нести отрицательный заряд, и наоборот. Чем больше сжатие или растяжение пластинки, тем больше и возникающие заряды.
По-гречески слово «пьезо» означает давление, слово «эффект» – действие; поэтому появление электрических зарядов под действием давления и назвали пьезоэлектрическим эффектом.
Пьезоэлектрический эффект обратим. Это означает, что если противоположные грани пластинки зарядить разноименным электричеством, то в зависимости от того, какая грань заряжена положительно, а какая отрицательно, пластинка или сожмется или сделается более толстой.
Пьезоэлектрические кристаллы используются в многочисленных приборах, предназначенных для измерения давления. Действительно, для того чтобы узнать давление, достаточно измерить величину возникшего заряда, а это в наше время можно сделать очень точно.
То, что мы называем звуком, представляет собою чередующиеся сжатия и разряжения воздуха, воды или какого-либо другого материала, в котором звук распространяется. Естественно, что пьезоэлектрические кристаллы можно использовать и для устройства чувствительных приемников звука – пьезокристаллических микрофонов.
Пьезокристаллические микрофоны широко применяются в гидроакустике для обнаружения приближающихся судов или подводных лодок.
Обратный пьезоэлектрический эффект используется при устройстве кристаллических излучателей звука. Особенно велико значение этих приборов (рис. 57) при получении ультразвуков, находящих себе все более широкое применение в технике, биологии, медицине.
Рис. 57. Пьезоэлектрический излучатель ультразвука.
Жидкости, которые не текут
Наше знакомство с твердыми телами будет неполным, если не упомянуть о твердых телах, не имеющих правильной формы, характерной для кристаллов.
Взгляните на кусок оконного стекла. Специальной машиной ему придана хорошо знакомая нам форма тонкой пластинки. Если разбить кусок стекла, то среди осколков не удастся обнаружить правильных кристаллов. Очевидно, частицы стекла не расположены в таком строгом порядке, как частицы, образующие кристаллы. Современная наука подтверждает это заключение.
Тела, которые по своим механическим свойствам являются твердыми телами, но частицы которых расположены недостаточно упорядоченно для того, чтобы образовать кристаллы, называют аморфными телами.
Почему же возникают аморфные тела?
Ответ на этот вопрос мы, по существу, уже знаем: иногда при охлаждении жидкостей их вязкость настолько возрастает, что они теряют текучесть и по механическим свойствам уподобляются твердым телам.
Большая вязкость мешает частицам занять строго упорядоченное положение, характеризующее кристалл. Чем больше вязкость жидкости, тем труднее она кристаллизуется. Вязкость чистого глицерина более чем в тысячу раз превосходит вязкость воды. Кристаллизация глицерина происходит с большим трудом. Именно поэтому глицерин вплоть до второй половины XIX века был известен только как жидкость, хотя открыли его еще в XVIII веке.
Практически, для того чтобы получить кристаллический глицерин, в жидкость необходимо ввести несколько кристалликов его, которые послужат затравкой.
В 1867 году в Лондон из Вены привезли бочки с глицерином. Открывавшие бочки чиновники были озадачены: вместо ожидаемой жидкости бочки оказались наполненными неизвестными кристаллами. Как показал анализ, это были кристаллы глицерина, возникшие благодаря редкой комбинации движений при качке судна, перевозившего бочки. Движение судна, морская качка помогли молекулам улечься в порядке, характерном для кристалла.
Однако подобное стечение обстоятельств очень мало вероятно, и потому самопроизвольную кристаллизацию глицерина наблюдали с тех пор всего два-три раза.
При низких температурах кристаллическая форма тел более устойчива, чем аморфная; поэтому многие аморфные тела сами по себе очень медленно переходят в тела кристаллические. В стекле такой переход вызывает помутнение, а иногда и растрескивание, и известен многим из обыденной жизни. Он называется «расстекловыванием». Подобный же процесс наблюдается в аморфном сахаре, называемом «карамелью». Когда карамель самопроизвольно кристаллизуется, говорят, что она «засахаривается».
Аморфными телами являются получившие в последнее время большое распространение как в быту, так и в технике различные пластические массы.
Часто одно и то же тело может существовать как в виде кристалла, так и в виде аморфного тела.
Если расплавить кристалл кварца и затем охладить образовавшуюся жидкость, то при этом возникнут не кристаллы кварца, а аморфное кварцевое стекло.
Кварцевое стекло не обладает пьезоэлектрическим эффектом. Его свойства одинаковы во всех направлениях.
В расположении частиц, образующих аморфное тело, упорядоченность ограничивается, так же как и у жидкостей, лишь ближайшими соседями каждой из частиц.
Горный хрусталь, кварцевое стекло и многие другие вещества являются соединением атомов двух различных элементов. Если условиться изображать атомы одного из этих элементов черными кружками, а атомы другого – белыми, то соотношение в расположении частиц в кристаллическом и аморфном твердых телах можно упрощенно пояснить рисунком 58.
Рис. 58: а – строение кристалла, б – строение аморфного стекла.
Слева на рисунке представлено расположение атомов в кристаллах, а справа – в стекле. Мы видим, что порядок, наблюдаемый в расположении атомов в кристалле, нарушается при превращении последнего в стекло. Однако полностью порядок в стекле не исчезает. Возле каждого атома, взятого в отдельности, порядок сохраняется неизменным, но он оказывается нарушенным, если рассматривать все твердое тело целиком.
Отсутствие совершенного, характерного для кристаллов порядка приводит к тому, что у аморфных тел свойства не зависят от направления. В этом отношении аморфные тела напоминают жидкости.
