Процесс кристаллизации веществ

Все кристаллические вещества при нагреве сохраняют твердое состояние до определённой температуры. Чем выше температура ве­щества, тем больше амплитуда колебаний атомов, находящихся в узлах кристаллической решетки. При достижении, некоторой крити­ческой температуры амплитуда колебаний атомов увеличивается На­столько, что происходит разрушение кристаллической решетки, в результате чего вещество из твердого состояния переходит в жид­кое. Температура, при которой вещество переходит из твердого в жидкое состояние, называется температурой плавления.

Обратный переход кристаллических веществ из жидкого состоя­ния в твердое происходит при определённой температуре, называе­мой температурой кристаллизации, а сам процесс образования крис­таллов из жидкости называют кристаллизацией.

Рисунок 1.7- Кривые нагревания и охлаждения кристаллического и аморфного вещества

Пока вещество находится в жидком состоянии, температура по­нижается равномерно до точки А рисунок 1.7(а). Чтобы вызвать кристаллизацию, ве­щество надо охладить до температуры переохлаждения Тпр, т.е. его температура додана быть несколько ниже температуры плавле­ния Тпл. Разницу температур Тпл-Тпр называют степенью переохлаж­дения Δ Т.

При температуре Тпр в расплаве образуется центры кристаллизации, число которых увеличивается по мере отвода тепла. При этом ранее возникшие кристаллы увеличиваются за счет присоеди­нения новых атомов расплава. До тех пор, пока вся жидкость не затвердеет (в точке В), температура расплава остаётся постоян­ной, так как процесс кристаллизации сопровождается выделением теплоты. После затвердевания расплава температура снова равно­мерно понижается.

Если скорость охлаждения расплава большая, то образуется большое число центров кристаллизации, а размеры кристаллов бу­дут малы. Следовательно, при быстром охлаждении вещество будет иметь мелкозернистую кристаллическую структуру.

Таким образом, управляя скоростью охлаждения вещества, можно получить вещества с различной кристаллической структурой, а следовательно, и с различными свойствами. Это явление лежит в осно­ве термической обработки материалов.

При получении монокристаллических тел для создания единст­венного центра кристаллизации в расплав искусственно вводят маленький кусочек монокристаллического вещества, называемый зат­равкой. При медленном охлаждении вещество, кристаллизуясь, продолжает кристаллическую структуру затравки.

Кривая охлаждения аморфного вещества (рисунок 1.7 б) в отличие от кривой охлаждения кристаллического вещества на воем протяжении идёт плавно, что указывает на постепенное его отвердевание.

Полиморфизм (аллотропия)

Многие вещества в зависимости от условий кристаллизации могут иметь различные кристаллические решетки при неизменном химическом составе. Способность вещества перестраивать свою кристаллическую решетку называют полиморфизмом или аллотро­пией.

Рисунок 1.8 - Кривая охлаждения железа.

Такая перестройка происходит главным обра­зом под влиянием темпера­туры, хотя не исключено влияние и других факторов – давления, наличия примесей. Вещества с постоянным химическим составом, но имеющие различные кристалли­ческие решётки, называют аллотропическими модификациями и обозначают их гре­ческими буквами в алфавитном порядке по мере возрастании температуры.

Аллотропические модификации имеют кобальт, железо (рисунок 1.8), олово, титан, селен, фосфор, углерод и другие вещества. Полиморфизм широко используется при получении материалов с различными свой­ствами, например, из графита получают искусственные алмазы.