О различных типах твердого тела, или кое-что о патоке

Атомы и молекулы

Грубо говоря, существует сотня различных сортов атомов, не считая изотопов (то есть атомов с одинаковыми химическими свойствами, но несколько различными ядрами). Около десятка атомов - вещи эфемерные, их получают ученые-ядерщики путем превращений других атомов. Остальные, вероятно, всегда существовали в природе в более или менее неизменном виде. Из них около двадцати-тридцати достаточно распространены, чтобы интересовать нас в рамках этой книги. Каждый вид атомов зовется элементом. Все атомы одного элемента в основном идентичны, но атомы разных элементов сильно различаются по своим свойствам. Это основная причина того, почему материя представляется нам в таком бесконечном разнообразии.

Атомы элемента могут существовать в чистом однородном “элементарном” состоянии, например железо (Fe), углерод (С) и т.д. Они могут также существовать в виде смеси или раствора, свойства которых представляют собой, как правило, комбинацию свойств компонентов. Наконец, элементы могут образовать определенное химическое соединение, которое оказывается уже совершенно новым веществом со своими собственными характерными свойствами. Например, хлор (Сl) в нормальном состоянии представляет собой зеленый ядовитый газ, натрий (Na) - мягкий блестящий металл. Равное число атомов этих двух элементов образуют хлористый натрий (NaCl), белый безвредный порошок, обычную поваренную соль.

Два-три десятка распространенных элементов могут комбинироваться и комбинируются с образованием громадного количества веществ, твердых, жидких и газообразных,- этим и занимается химия. Комбинация всего лишь четырех элементов - углерода, водорода, кислорода и азота - может дать необозримое множество почти всех веществ, которые мы находим в живой материи. Они же составляют основу большого числа синтетических материалов (например, пластмасс), а также бензина, масел, медикаментов, красок и т. д. Соединения этого типа называются органическими. К неорганическим соединениям относятся минералы, керамика и т.п.

Основными строительными единицами твердых тел служат атом и молекула. Например, кристалл хлористого натрия (NaCl) построен из атомов натрия и хлора. Молекула бензола C₆H₆ содержит шесть атомов углерода и шесть атомов водорода. Кроме того, многие элементы существуют в форме молекул, например I₂ (иод). Молекулы могут быть очень разных размеров - от весьма малых, содержащих пару атомов, до сложнейших структур, состоящих из сотен, а иногда и тысяч атомов.

Самые большие органические молекулы могут достигать нескольких сотен ангстрем в длину. Неорганические молекулы обычно (хотя и не всегда) меньше, их типичный размер - что-нибудь около десятка ангстрем. Существуют, однако, длинные неорганические цепи молекул (например, асбеста), которые по длине не уступают органическим.

Химические связи

Атомы и молекулы, образующие вещества, удерживаются вместе химическими связями. Существуют несколько типов связей, сильно отличающихся по своим свойствам.

Ковалентная связь. Эта связь возникает, когда электрон, двигаясь по эллиптической орбите, охватывает сразу два атома. Связь такая возникает труднее других, но, раз возникнув, она часто бывает очень прочной и жесткой. Такого типа связи существуют между атомами органических молекул, атомами углерода в графите и алмазе и в ряде других случаев.

Ионная связь. Индивидуальные атомы элементов в целом электрически нейтральны, поскольку заряды образующих их частиц сбалансированы. Но когда натрий реагирует с хлором, металл отдает внешний электрон газу - натрий оказывается заряженным положительно, а хлор отрицательно. В результате два атома взаимно притягиваются. Ионная связь в твердых телах особенно характерна для соединений, содержащих металлы. Довольно часто встречаются соединения, в которых связи имеют и ионный, и ковалентный характер. В то время как ковалентная связь строго направленная, ионная связь действует более равномерно в пространстве, окружающем заряженный атом.

Металлическая связь. Эта связь, как правило, держит вместе атомы металлов, когда они не образуют определенных химических соединений. В этом случае некоторая часть внешних электронов не удерживается непрерывно на орбитах вокруг фиксированных атомов, а свободно странствует по материалу, будучи коллективной собственностью всех атомов данного куска металла. Они образуют так называемый электронный газ. Металлическая связь довольно легко возникает, разрушается и восстанавливается. Так как электроны свободно движутся в металлах, последние являются хорошими проводниками электричества.

Водородные связи. Молекула воды H₂О в целом электрически нейтральна, но распределение электрического заряда в ее объеме неоднородно. Местные нарушения баланса зарядов могут обеспечивать большие силы притяжения. Многие соединения, особенно органические, имеют вдоль молекул многочисленные группы -ОН, каждая из которых способна притягивать другие группы -ОН, молекулы воды и т. д. Так осуществляется связь между молекулами растений и животных.

Силы Ван-дер-Ваальса. Они намного слабее других сил и возникают вследствие малых местных колебаний заряда, которые имеют тенденцию возникать по всей поверхности молекулы и не связаны с какими-то определенными химическими группами. Сцепление, основанное на вандерваальсовых силах, встречается в природе не очень часто, но оно довольно обычно для пластмасс и других искусственных органических молекул. Силы Ван-дер-Ваальса обеспечивают возможность слабенькой “склейки” почти любой пары веществ при условии, что поверхности достаточно чистые и находятся в хорошем контакте.

Теплота и плавление

Температура может подниматься вверх сколько угодно, но она не может падать ниже абсолютного нуля, положение которого впервые вычислил Кельвин и который соответствует -273° Цельсия. При абсолютном нуле все атомы и молекулы любого вещества находятся в покое и все вещества находятся в твердом состоянии *.

* За исключением гелия. - Прим. ред.

Как только температура начинает расти, все атомы у молекулы начинают вибрировать. Чем выше температура, тем интенсивнее их движения - теплота определяется просто беспорядочными колебаниями атомов и молекул в теле. Вода, например, остается твердым телом, льдом, вплоть до температуры 0° С, хотя его внутренние связи все больше и больше атакуются термическими возбуждениями с ростом температуры. Наконец, при 0°С борьба заканчивается не в пользу сил сцепления и молекулы получают свободу перемены мест, которая характерна для жидкости - лед плавится, образуя воду. Если температура продолжает расти, перемещения молекул становятся все более энергичными; так продолжается до 100° С, когда вода закипает, образуя газ, или пар, в котором молекулы, освобожденные от какого бы то ни было взаимного сцепления, носятся совершенно произвольно, словно рой пчел. Когда температура понижается, те же самые события происходят в обратном порядке, пар конденсируется и рано или поздно замерзает. Эти изменения состояния обычно рассматриваются как физические события, поскольку единственной связью, которая при этом разрушается и восстанавливается, является водородная связь между молекулами воды, которые сами по себе остаются неизменными.

Хотя температуры плавления и кипения различных веществ изменяются в очень широком диапазоне, основные принципы во многом остаются неизменными для всех веществ. Некоторые вещества (иод, хлористый аммоний NH₄Cl и др.) переходят сразу из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Многие сложные твердые соединения химически разлагаются при нагреве еще до того, когда наступят условия для их плавления или испарения.

Кристаллизация

Как мы уже говорили, все молекулы с большей или меньшей силой притягиваются одна к другой, и, если тепловые толчки не помешают им в этом стремлении, они объединяются в некоторое тело, которое мы воспринимаем как твердое. Поскольку молекулы притягивают одна другую, они, естественно, пытаются сблизиться как можно теснее, а этого можно достичь, не наваливаясь способом “куча мала”, а путем некоторой правильной упаковки. Куча наваленного кирпича занимает больший объем, чем те же кирпичи, сложенные в штабель. Но, поскольку молекулы имеют более или менее свободный выбор места для себя, они стремятся при затвердевании расположиться упорядочение, подобно кирпичам в стене. Такая возможность существует, если жидкость остается совершенно текучей вплоть до момента “замерзания”, как это имеет место в случае воды и металлов. В этих условиях молекула в поисках подходящей позиции будет долго шнырять вокруг, пока не окажется в месте, которое отвечает условию плотной упаковки. В нем она и оседает.

Такой ход событий приводит к образованию кристаллов, которые представляют собой в высшей степени упорядоченную систему атомов или молекул. Поразительна регулярность расположения большого числа атомов в хорошем кристалле.

Все твердые тела имеют тенденцию быть кристаллическими, но не все достигают такого состояния. Так, металлы и многие простые неорганические вещества имеют кристаллическую структуру. Некоторые вещества могут быть кристаллическими в той или иной степени. Хорошие кристаллы часто бывают довольно большими, до нескольких сантиметров в поперечнике. Они имеют характерные, часто простые геометрические формы.

Стекла

Если жидкость перед затвердеванием очень вязкая (то есть густая) или же она очень быстро охлаждается, молекулы не имеют возможности стать в положения плотной упаковки, и материал затвердевает в форме беспорядочного нагромождения молекул. Такой материал называется аморфным или стеклообразным. Высокая вязкость жидкости при приближении ее к точке замерзания связана, как правило, с тем, что молекулы объединяются в малоподвижные цепи или сетки. Именно такой процесс идет при затвердевании некоторых окислов, например двуокиси кремния SiO₂, иначе говоря -песка, который плавится, превращаясь в вязкую жидкость, а при последующем охлаждении легко образует стекло. Точка плавления чистой двуокиси кремния очень высока (1600°С) поэтому для большинства стекол используют смесь песка, извести и соды, которая может плавиться в обычных печах.

Купленный в магазине сахар обычно кристаллический. Однако, если сахар расплавить и затем довольно быстро охладить, получится стеклообразная конфета. Патока очень вязкая, густая жидкость, при затвердевании она может перейти в стеклообразное состояние.

Полимеры

Металлы, а также вещества, подобные сахару и соли, имеют кристаллическое строение. К числу кристаллических тел относится также большая часть горных пород, имевших предостаточно времени на охлаждение. Стекло, обсидиан и ириска - аморфны. Некоторые материалы являют собой смесь этих двух структур. Например, керамическая посуда состоит из небольших кристалликов металлических окислов и силикатов, которые в процессе обжига склеиваются воедино тонкими прослойками аморфного стеклообразного материала. Глазурь на такой посуде получают наплавлением слоя легкоплавкого стекла.

Вещества живой природы, ткани растений и животных, а также все пластмассы существуют в форме полимеров. Полимеры - удобный строительный материал как для живой природы, так и для химиков-технологов. Основной принцип состоит здесь в том, что малые единичные молекулы пристраиваются одна к другой, так что образуются длинные цепочки или развитые сетки.

Эластомеры

Сюда относятся вещества, подобные натуральной и синтетической резине. Они до некоторой степени напоминают полимеры, так как их молекулы образуют длинные цепи. Но эти цепи не очень плотно прилегают одна к другой с боков. Поэтому цепи могут складываться и свиваться. Огромные механические удлинения резины определяются распутыванием этих цепочек.