Файл: Особенности строения поверхности твердых тел. Геометрическая и энергетическая неоднородность. Поверхность твердого тела.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 55
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Особенности строения поверхности твердых тел. Геометрическая и энергетическая неоднородность.
Поверхность твердого тела – это всегда граница раздела двух фаз (сред). Это может быть граница между твердым телом и газом, жидкостью или другим твердым телом.
Поэтому сама поверхность раздела взаимодействует с обеими фазами по обе стороны от границы. Таким образом, многие задачи, связанные с поверхностью, являются не двумерными, а трехмерными. Именно изучение явлений на поверхности представляет пример взаимопроникающего единства физического и химического подходов в материаловедении.
Поверхность – это место, на котором происходит явление адсорбции – прилипание посторонних молекул к границе твердого тела. На поверхности также протекают каталитические реакции, а катализ – процесс ускорения химических реакций без вступления в реакцию самого катализатора – широко используется во многих химических технологиях. Поэтому знание свойств поверхности и умение управлять ими имеют первостепенное значение. С поверхностными свойствами многих материалов (например, металлов) связано явление коррозии, приводящей к их разрушению.
Большинство электротехнических материалов (ЭТМ) представляют собой твердые вещества, они могут иметь кристаллическую, аморфную или смешанную структуру.
► Кристаллы
Кристаллы – это твёрдые тела, частицы которых располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры. Точнее, частицы колеблются около определенных положений равновесия. Если их мысленно соединить прямыми линиями, то получается своего рода «скелет» кристалла. Такое изображение кристалла называется кристаллической решеткой. Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных атомов), которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na+ и Cl– (рисунок 1.7). Такие кристаллы называются ионными.
Рисунок 1.7 – Модель кристалла поваренной соли
Существует 6 основных кристаллических систем (триклинная, моноклинная, ромбическая, гексагональная, тетрагональная, кубическая), на основе которых геометрически возможно существование 14 различных пространственных решеток (например, кубическая кристаллическая система может иметь простую, объемно-центрированную или гранецентрированную пространственную решетки, рисунок 1.8, а - в).
| а) | б) | в) | г) |
Рисунок 1.8 – Простейшие кристаллические решетки
а)– простая кубическая решетка; б) – гранецентрированная кубическая решетка;
в) – объемноцентрированная кубическая решетка; г) – гексагональная решетка
Индексы Миллера – кристаллографические индексы, характеризующие расположение атомных плоскостей в кристалле. Индексы Миллера связаны с отрезками, отсекаемыми выбранной плоскостью на трёх осях кристаллографической системы координат (не обязательно декартовой). Таким образом, возможны три варианта относительного расположения осей и плоскости (рисунок 1.11):
-
плоскость пересекает все три оси; -
плоскость пересекает две оси, а третьей параллельна; -
плоскость пересекает одну ось и параллельна двум другим.
Индексы Миллера выглядят как три взаимно простых целых числа, записанные в круглых скобках, например, (111), (101), (110).
Рисунок 1.11 – Примеры обозначения кристаллографических плоскостей в кубическом кристалле
Кристаллические тела имеют определенную температуру плавления tпл, не изменяющуюся в процессе плавления при постоянном давлении (рисунок 1.12, кривая 1). Зная температуру плавления кристаллического тела и его текущую температуру, легко определить, в каком агрегатном состоянии оно будет находиться: если температура тела больше температуры плавления, то тело в жидком состоянии, если меньше – в твердом.
Рисунок 1.12 – Плавление кристаллических тел при постоянном давлении
Твердым телам свойственен полиморфизм, или аллотропия. Это означает, что практически все вещества в твердом состоянии могут существовать в двух или более кристаллических разновидностях (модификациях), устойчивых при различных температурах и давлениях и друг от друга отличающихся физическими свойствами.
Каждая такая кристаллическая структура называется полиморфной формой, или аллотропной модификацией вещества. Так, например, у углерода две разновидности — алмаз и графит: графит (рисунок 1.13, а) отличается мягкостью и является проводником, а алмаз (рисунок 1.13, б) тверд и представляет собой диэлектрик
| а) графит | б) алмаз |
Рисунок 1.13 – Кристаллические решетки углерода
► Аморфные тела
Характеризующуюся хаотичным расположением частиц, т.е. у аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы-соседи располагаются в некотором порядке (т.н. ближний порядок). Но строгой повторяемости по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет. На рисунке 1.15 изображена плоская схема расположения молекул кварца – кристаллического тела (а), и кварцевого стекла — аморфного тела (б).
| а) | б) |
Рисунок 1.15 – Схемы расположения молекул кварца и кварцевого стекла
Все аморфные тела изотропные, т.е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твёрдым телам, и текучесть, подобно жидкости. Аморфное тело обладает слабо выраженной текучестью. Так, если воронку наполнить кусочками воска, то через некоторое время (различное для разных температур) кусочки воска будут «расплываться». Воск примет форму воронки и начнет «вытекать» из нее.
При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твёрдые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства всё более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения в другое. Определённой температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет. Вещество в аморфном состоянии при нагревании постепенно размягчается и переходитв жидкость (см. рисунок 1.12, кривая 2).
Существует еще две группы твердых тел, заметно отличающихся по своим свойствам от кристаллов и аморфных материалов.
► Полимеры
Первая группа – это полимеры. К ним относятся вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся групп атомов (мономеров). Название «полимер» произошло от соединения двух греческих слов: πολύ – («много») и μέρος («часть»). Например, молекула полимеров образуется повторением группы СH2:
— CH2 — CH2 — CH2 — CH2 —.
К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В качестве ЭТМ используется большое количество полимеров, полученных синтетическим путём. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т.п.
Полимеры также обладают особыми механическими свойствами:
-
эластичность – способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки); -
малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло).
► Жидкие кристаллы
Ко второй группе нестандартных материалов относятся жидкие кристаллы – вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). Фактически жидкие кристаллы – это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). По структуре они представляют собой вязкие жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости (рисунок 1.16). Их внешнее состояние при нагревании может изменяться от твердого до жидкокристаллического и полностью переходить в жидкую форму при дальнейшем повышении температуры. Наиболее характерным свойством жидких кристаллов является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности.
Рисунок 1.16 – Жидкие кристаллы
Сегодня жидкие кристаллы нашли широкое применение. Одним из важных направлений использования жидких кристаллов является термография. В настоящее время цветные жидкокристаллические экраны используются в сотовых телефонах, мониторах, дисплеях измерительных приборов и т.п. Они обладают малой толщиной, малой потребляемой мощностью, высоким разрешением и яркостью.
Электрохимическая коррозия сопровождается прохождением электрического тока, возникающего в системе вследствие энергетической неоднородности отдельных участков поверхности металла. Заметное влияние неоднородность оказывает также на адсорбцию посторонних частиц вещества на поверхности металлов. Все это, вместе взятое приводит к тому, что электродные потенциалы на разных участках поверхности отличаются один от другого.