§ 1 Кристаллическое состояние вещества
Вы уже знакомы с разным агрегатным состоянием веществ - газообразным, жидким, твердым, переходами их из одного состояния в другое.
В твердом состоянии вещества имеют преимущественно кристаллическую структуру. Кристаллических веществ много. Их кристаллы разнообразны, но геометрически правильной формы.
Кристаллы поваренной соли имеют форму куба, горного хрусталя - форму тетраэдра, калийной селитры - форму призмы.
Кристалл (от древнегреческого kristallos - лед, горный хрусталь) - это твердое тело, состоящее из закономерно расположенных частиц. Кристаллическое твердое состояние вещества характеризуется регулярной повторяемостью в расположении частиц в любом направлении, так называемым дальним порядком.
Кристаллическая решетка - это порядок расположения частиц в кристалле. На изображениях кристаллических решеток пересекающиеся прямые линии обозначают грани кристалла, а точки их пересечения - центры частиц, которые называются узлами кристаллической решетки.
В узлах расположены атомы, молекулы или ионы, стянутые в кристалл разными силами (связями).
Силы притяжения частиц в кристалле характеризуют энергию кристаллической решетки в кДж/моль, ее прочность. Любая кристаллическая решетка построена из повторяющихся одинаковых структурных единиц, индивидуальных для каждого кристалла. Таковые называются элементарными ячейками. Элементарная ячейка - это предел делимости кристалла, наименьший его объем, при котором он сохраняет форму и свойства.
В кристалле хлорида натрия каждый ион окружён шестью ионами противоположного знака.
§ 2 Основные типы кристаллических решеток
Остановимся на характеристике основных типов кристаллических решеток и установим зависимость от них свойств веществ.
Молекулярные кристаллические решетки - это решетки, в узлах которых расположены молекулы, связанные между собой слабыми силами межмолекулярного взаимодействия.
Примером веществ с молекулярной кристаллической решёткой может служить кристаллический оксид углерода (IV) СО2 - «сухой лед». Рассмотрим модель его кристаллической решетки. В ее узлах находятся молекулы.
Многие вещества в твердом состоянии имеют молекулярную кристаллическую решетку, особенно органические. Атомы в их молекулах связаны прочными ковалентными связями. Молекулы же в кристаллах стянуты слабыми межмолекулярными силами, которые легко разорвать. Поэтому кристаллы с молекулярной решеткой обладают малой твердостью, легкоплавки, летучи. Молекулярные вещества легко переходят из одного агрегатного состояния в другое. Сухой лед при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. Такое явление называется возгонкой.
Атомные кристаллические решётки - решетки, в которых расположены атомы, стянутые в кристалле прочными ковалентными связями.
Атомных кристаллов сравнительно немного. Примерами таких твердых веществ служат простые вещества - алмаз, кремний, сложные вещества - карбид кальция, сульфид цинка, оксид кремния (IV) и другие. Так, например, кристалл алмаза имеет форму тетраэдра. Следовательно, структурную его единицу представляет тетраэдр. В центре его ячейки расположен атом углерод, прочно связанный с четырьмя другими атомами углерода с помощью электронных пар. Все связи одинаковы, как и углы, образующиеся между атомами. Кстати, давший название кристаллу горный хрусталь или кварц тоже имеет атомную кристаллическую решетку. Это оксид кремния (IV).
Благодаря высокой прочности ковалентной связи атомные кристаллы имеют высокую прочность, они тугоплавки. Температура плавления алмаза +3500 °С.
Алмаз - одно из самых твердых веществ.
Ионные кристаллические решетки - это решетки, в узлах которых расположены ионы с противоположными зарядами.
Связь между ионами осуществляется за счет электростатического притяжения. Типичный представитель веществ с такой решеткой - поваренная соль. Ионные кристаллические решетки характерны для многих соединений с ионной связью. Это соли, щелочи.
Энергия кристаллических решеток ионных соединений высокая, для хлорида натрия она равна 778 кДж/моль, для хлорида кальция - 2283 кДж/моль.
Ионные кристаллы отличаются высокой твердостью и температурой плавления, малой летучестью. По свойствам они сходны с атомными кристаллами.
Металлические кристаллические решетки присущи простым веществам - металлам. В узлах металлических кристаллических решеток находятся катионы или атомы металла.
Соединяются они при помощи свободных электронов, оторвавшихся от атомов металла при превращении их в катионы. Особенности строения металлической кристаллической решетки определяют особые свойства металлов как простых веществ, а именно ковкость и пластичность, электропроводность и теплопроводность, относительно низкие температуры плавления.
§ 3 Краткие итоги по теме
Таким образом, многие простые и сложные вещества имеют кристаллическую структуру. Для них характерны закономерное расположение частиц в трехмерном пространстве и строгая правильная геометрическая форма кристаллов. Свойства таких веществ зависят не только от строения образующих их атомов и характера их химической связи, но и от кристаллической структуры веществ.
Список использованной литературы:
- Н.Е. Кузнецова. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. – М. Вентана-Граф, 2012
Использованные изображения:
Физические состояния полимеров определяются как кинетической энергией частиц (агрегатными состояниями), так и их взаимным расположением в пространстве (фазовыми состояниями) [рис. 1].
Изменение интенсивности теплового движения частиц и энергии межмолекулярного взаимодействия при повышении или понижении температуры вызывает изменение агрегатного состояния вещества.
Изменение взаимного расположения частиц при повышении или понижении температуры приводит к изменению фазового состояния вещества. Фазовые состояния: кристаллическое, жидкое (аморфное) и газообразное, в которых могут находиться вещества, отличаются друг от друга лишь взаимным расположением частиц - атомов, молекул (их «порядком»). Порядком во взаимном расположении частиц называется максимальная вероятность нахождения центра тяжести данной частицы на расстояниях, равных или кратных диаметру частицы, от центра тяжести которой ведется отсчет.
Для газообразного фазового состояния характерно полное отсутствие упорядоченности во взаимном расположении частиц. Жидкое (аморфное) состояние определяется ближним порядком во взаимном расположении частиц и отсутствием дальнего порядка. Кристаллическое состояние вещества характеризуется как ближним, так и дальним порядком во взаимном расположении частиц. Как отмечалось ранее, особенностью полимерных молекул является анизотропия их формы. Поэтому в кристаллических высокомолекулярных соединениях понятие «дальний порядок» включает в себя как максимальную вероятность нахождения центра тяжести данной молекулы от той, от которой ведется отсчет («координационный порядок»), так и преимущественную ориентацию анизотропных частиц, какими являются макромолекулы («ориентационный порядок»).
Иными словами, если в аморфном полимере вероятность нахождения центров тяжести соседних макромолекул максимальна только на расстояниях, соизмеримых с размером этих частиц, то в кристаллических полимерах эти максимумы вероятности наблюдаются и на расстояниях, в целое число раз превышающих размеры частиц (рис. 2); кристаллическое состояние характеризуется «трансляционной пространственной симметрией».
Изменение взаимного расположения частиц в пространстве под влиянием температуры называется фазовым переходом. Такая перестройка структуры полимера обусловливает скачкообразное изменение термодинамических параметров: объема, внутренней энергии, энтальпии - и сопровождается поглощением или выделением тепла («фазовые переходы первого рода»).
Вместе с тем фазовые переходы, происходящие без поглощения или выделения тепла («текучесть - сверхтекучесть», «проводник - сверхпроводник»), но при которых происходит скачкообразное изменение теплоемкости, изотермической сжимаемости, изобарного коэффициента теплового расширения, называются «фазовыми переходами второго рода». При этом изменяется симметрия во взаимном расположении частиц при непрерывном изменении объема, внутренней энергии и других термодинамических параметров.
Иными словами, фазовые переходы первого рода обусловливают скачкообразное изменение первой производной, а фазовые переходы второго рода - второй производной по химическому потенциалу.
Все волокнообразующие полимеры могут находиться в аморфном состоянии. Аморфное состояние полимеров описывается исходя из допущения преобладающей роли вторичного и третичного уровней структурной организации вещества.
Удобным способом характеристики полимерных тел в аморфном состоянии является оценка их механических свойств при различных температурах.
Уравнения, устанавливающие связь между напряженностью внешних силовых полей, деформируемостью полимерного тела и скоростями деформации, называются реологическими уравнениями состояния систем. Эти уравнения с определенным приближением могут описывать реальные свойства полимерных материалов так же, как известные газовые законы описывают свойства реальных газов.
Если в результате воздействия внешних сил на полимерное тело в нем происходит накопление внутренней энергии, а рассеяния ее не происходит, тело называется упругим. В случае, когда работа внешних сил полностью рассеивается, тело характеризуется как вязкое. Наконец, если в полимерном теле происходит под воздействием внешних сил лишь частичное накопление энергии, а остальная часть ее рассеивается, такое тело называют вязкоупругим (или упруговязким).
После прекращения действия внешних сил упругая среда (упругое тело) под влиянием запасенной упругой энергии претерпевает обратимое изменение формы.
После снятия нагрузки вязкая среда остается в том же состоянии: отсутствуют источники энергии, способные вызывать дальнейшую обратимую (хотя бы частично) ее деформацию. Под влиянием нагревания или растворяющих (пластифицирующих) веществ один и тот же полимер может приобретать свойства, характерные для каждой реологической группы. Изменения формы и размеров полимерного материала, происходящие под влиянием внешних сил, называются деформацией.
Способность полимерных материалов к деформации под действием внешних силовых полей определяется особенностями их первичной, вторичной и более высоких уровней структурной организации, а также температурой и средой, в которой эта деформация реализуется.
Твердое (стеклообразное) состояние полимеров
Деформационная способность полимерных материалов, обусловленная полностью обратимым изменением валентных углов и межатомных расстояний в полимерном субстрате под действием внешних сил, характерна для проявления упругих свойств. Температура, ниже которой полимерное тело может деформироваться под действием внешних сил как упругое, называется температурой хрупкости Т хр. Действие внешних силовых полей может быть представлено (рис. 3.3, а ) как всестороннее сжатие, сдвиг и растяжение. Вместе с тем всякая конечная деформация полимерного материала проявляется, с одной стороны, как деформация объемного сжатия (или расширения), характеризующая изменение объема тела при сохранении его формы (дилатансия), а с другой, - как деформация сдвига, характеризующая изменение формы тела при изменении его объема (см. рис. 3.3, б ). В связи с этим реологическое уравнение состояния должно описывать как эффекты, связанные с изменением объема деформируемого тела, так и влияние напряжений на изменение его формы. В общем случае деформация проявляется в двух видах: как обратимая и как необратимая. Энергия, затрачиваемая на необратимую деформацию, не регенерируется.
При одноосном растяжении упругого образца (блока, стержня, волокна) происходит его обратимое удлинение (см. рис. 3, в -1), описываемое законом Гука:
полимер термотропный липотропный стеклообразный
где е х = Дl /l ; Е = tgц - модуль упругости (модуль Юнга); у o - приложенное напряжение.
Однако при одноосном растяжении происходит обратимое уменьшение площади поперечного сечения образца, обусловливающее деформацию сжатия е y (см. рис. 3, б -3):
где м - коэффициент Пуассона.
При этом относительное изменение объема тела ДV /V 0 при растяжении составит
Для полимерных тел выше Т с значения м? 0,5.
В процессе растяжения осуществляется также сдвиговая деформация, так как при этом реализуется плосконапряженное состояние. Напряжение сдвига ф при обратимой деформации определяется как отношение силы к площади поверхности, к которой она приложена.
Деформация сдвига е с - это мера деформации, определяемая как
е с = Дх /Ду и ф = G е c (4)
где G - модуль упругости при сдвиге (модуль сдвига).
Если учесть, что коэффициент Пуассона является мерой поперечного сжатия, сопровождающего продольное растяжение, то
E = 2G (1 + м) (5)
При м = 0,5 получаем Е = 3G . Сдвиговая деформация может проявляться в виде «простого» и чистого» сдвига. Для полимерных систем эти характеристики отличаются тем, что простой сдвиг может привести к конформационным перестройкам в полимерном субстрате. Сдвиговые деформации приводят к перестройке всей надмолекулярной организации полимера. Деформируемость полимерных тел при сдвиге характеризуется интегральной характеристикой, какой является модуль сдвига G . Так как Е = 3G , то
При простом сдвиге (см. рис. 3.3, б -2) деформация Д х приводит к смещению точки А в положение А ", причем угол б мал. Это обусловливает одновременный поворот диагонали ОВ в положение ОВ ", причем ц = б/2. Аналогично будет происходить сдвиговая деформация по оси у . Наложение сдвиговых деформаций по осям х и у приводит к вращению деформируемого объема.
При чистом сдвиге деформируемый объем как бы растягивается, а диагональ АС перемещается параллельно самой себе, занимая положение DE . Это перемещение сопровождается удлинением диагонали ОВ на величину ВК . Поэтому вращения элементов среды при чистом сдвиге не происходит. Вместе с тем анализ трехмерной картины напряженного состояния полимерного тела при одномерном сдвиге приводит к необходимости учета возникновения нормальных напряжений у.
При большом увеличении е прямолинейная зависимость у = f (е), описываемая законом Гука, нарушается.
Типичная диаграмма нагрузка - удлинение (у-е) полимерных материалов в твердом состоянии иллюстрируется рис. 4. УчастокОА характерен для идеально упругих тел. На участке ВС реализуется «площадка пластичности», после чего вновь на участке CD значения е i растут с увеличением у i вплоть до разрыва образца (у р). При повышении температуры модуль упругости уменьшается, а участок ВС удлиняется. Величина у р также снижается. Рост скорости деформации приводит к повышению у р, но снижению е р.
В зависимости от величины площадки пластичности - податливости П - судят о способности полимерного материала к пластической деформации, т.е. о его способности необратимо изменять свою форму под действием приложенного напряжения. Количественно П может быть определена по диаграмме у-е, если сопоставить значения тангенсов угла наклона касательных в точке В и точке С , т.е.
Площадь, ограниченная ODK , характеризует «работоспособность» полимерного материала и составляет
Для волокон и пленок величину А П можно при постоянных скорости деформации и температуре в первом приближении оценить как
Важной характеристикой полимерных тел является временнамя зависимость их физических свойств.
Переход любой системы из неустойчивого в устойчивое состояние называется релаксацией. Длительность этого процесса определяется как время релаксации ф р. Поэтому можно говорить о релаксации деформации (усадке) или напряжения. В простейшем случае кинетика процесса релаксации описывается уравнением
Физические свойства полимерных материалов определяются соотношением длительности воздействия t на систему внешнего силового поля и времени релаксации ф р:
где De - критерий Деборы.
Значение De определяет изменение физических свойств полимерных систем. Большие значения De характерны для твердых тел, а малые - для жидкостей.
Величина ф р существенно зависит от температуры. Эта зависимость описывается формулой Александрова - Гуревича
где ДU - изменение внутренней энергии полимерного тела; б р - коэффициент, зависящий от структуры полимера; у - напряжение, приложенное к полимерному телу.
Повышение температуры, приводя к интенсификации сегментального движения макромолекул, обусловливает снижение у р. К такому же эффекту приводит увеличение напряженности силового поля, приложенного к полимерному телу.
Увеличение длины макромолекул (молекулярной массы) полимера существенно изменяет характер термомеханических кривых. На рис. 5 приведены термомеханические кривые для низкомолекулярного и высокомолекулярного веществ. Например, парафин (фракция С 10 -С 14) при нагревании размягчается и переходит в вязкотекучее состояние. Переход из твердого состояния в жидкое происходит постепенно в некоторой температурной области Т 1 . При этом изменяется вязкость парафина от 10 10 -10 13 до 1,0-10 Па·с, но никаких изменений во взаимной упорядоченности частиц, т.е. никаких фазовых превращений, не происходит. Температура перехода в твердое агрегатное состояние (температура стеклования Т с) и температура перехода в вязкотекучее состояние Т т практически совпадают, т.е. для низкомолекулярных веществТ 1 = Т с = Т т.
Уже для парафина С 40 -С 50 значение Т 2 = Т т несколько больше, чем Т с. При дальнейшем увеличении молекулярной массы величинаT i = Т т возрастает, а Т с практически не изменяется.
Горизонтальная площадка на термомеханической кривой обусловлена способностью полимерных цепей к конформационным переходам и появляется лишь тогда, когда молекула приобретает гибкость. В промежутке между Т с и Т т полимерный материал способен к высокоэластическим деформациям подобно каучуку. Это - температурная область высокоэластичности.
Полимеры, способные преимущественно к высокоэластической деформации при комнатной температуре (различные карбоцепные каучуки, полиуретаны, полисилоксаны и пр.), называются эластомерами.
В области высокоэластичности степень полимеризации связана с гибкостью макромолекул следующим соотношением:
где Р с - степень полимеризации сегмента; А и В- постоянные, характерные для данного полимергомологического ряда.
При нагревании до T т полимер переходит в вязкотекучее состояние.
Следовательно, аморфное состояние волокнообразующих полимеров может реализоваться как стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее.
При изометрическом нагреве волокон напряжение, необходимое для достижения заданной деформации е, постепенно увеличивается (рис. 6). В области температуры стеклования это напряжение достигает максимального значения у т, а затем падает. Значения у т увеличиваются с ростом степени ориентации полимера и уменьшаются с понижением степени кристалличности полимерного субстрата. Величина у т может служить мерой неравновесности (напряженности) полимерного материала.
В общем случае относительная суммарная (общая) деформация е об при заданном напряжении складывается из упругой - е н, высокоэластической - е вэ и пластической (необратимой) - е п составляющих:
Соотношение этих составляющих определяется величиной приложенного напряжения у, скоростью деформации d е/dt , температурой, а также физико-химическими свойствами системы полимер - среда, в которой проводится деформирование полимерного тела.
Упругая (гуковская) деформация связана с деформированием валентных углов и изменением межатомных расстояний. После снятия нагрузки упругая деформация полностью восстанавливается за время, меньшее 10 -3 с.
Высокоэластическая деформация вызвана изменением конформаций макромолекул и связана с изменением сегментального теплового движения макромолекул в приложенном поле сил. При одноосном растяжении полимера макромолекулы стремятся распрямиться и ориентироваться вдоль направления действия сил. После снятия нагрузки под влиянием теплового движения постепенно восстанавливается первоначальная среднестатистическая конформация макромолекул. Время, необходимое для перехода системы в равновесное стабильное состояние (время релаксации), в зависимости от выбранных условий и жесткости макромолекул может составить от 10 -2 с до 10 4 лет.
Замедленное восстановление формы, обусловленное высокоэластической деформацией, так называемая «память формы», имеет практическое значение при эксплуатации изделий из полимеров.
Пластическая деформация вызывается необратимым сдвигом макромолекул и других структурных элементов под действием приложенного напряжения.
При постоянном напряжении соотношение отдельных частей деформации определяется температурой, при которой происходит деформирование. Область стеклообразного состояния находится в диапазоне от Т хр до Т с, где Т хр - температура хрупкости, ниже которой гибкость макромолекул не проявляется.
Область высокоэластического состояния находится между Т с и T т, а область вязкотекучего состояния - между T т и Т н, где Т н - температура, выше которой полимер течет как ньютоновская жидкость. При Т хр проявляется только упругая деформация, а при Т н - только пластическая. Во всем остальном температурном диапазоне от T хр до Т н происходит высокоэластическая деформация, обусловленная гибкостью макромолекул. В стеклообразном состоянии преобладает упругая деформация, однако имеют место также высокоэластическая и пластическая.
Высокоэластическая деформация полимера в стеклообразном состоянии получила название вынужденно-эластической (по Александрову).
В твердом полимере, как и в бесконечно разбавленном растворе в и-растворителе, полимерные цепи, характеризующиеся параметром гибкости Флори f 0 > 0,63, образуют статистические клубки. Объем, занимаемый таким клубком, заполнен полимерным веществом лишь на 1,5-3,0%. Некоторая часть этого незанятого объема клубка заполняется сегментами соседних цепей. В результате полимерные цепи в массе полимера оказываются как бы перепутанными. Однако анизотропия сегментов приводит к возникновению определенной упорядоченности: молекулярное взаимодействие обусловливает возникновение ближнего порядка в их взаимном расположении. Поперечные размеры таких ассоциатов достигают 0,5 нм, а продольные - 10-15 нм.
Такие ассоциаты, пачки, домены являются важными элементами структуры полимера в аморфном состоянии.
Однако тепловое движение участков макромолекул, обусловливающее их гибкость, приводит к возникновению флуктуации плотности вещества, продолжительность жизни которых в низкомолекулярных жидкостях составляет 10 -6 -10 -9 с, а в твердых полимерах в результате ограничения подвижности сегментов, как уже было сказано, от 10 -2 с до 10 4 лет.
Следует отметить, что одна полимерная цепь может проходить через несколько таких флуктуационных пачек. В результате структура полимера в аморфном состоянии может быть представлена изотропной флуктуационной сеткой, узлами которой являются домены, пачки макромолекул. Такая сетка весьма лабильна. Под влиянием внешних силовых полей, а также при изменении температуры ее физические свойства - прочность, деформируемость - будут изменяться, причем доля вынужденной эластичности при повышении температуры возрастает.
Температурная область, в которой полимерные цепи имеют возможность интенсивного сегментального движения, называется температурной областью стеклования (при охлаждении полимера) или расстекловывания (при нагревании полимера) и характеризуется температурой стеклования Т с. В этой температурной области е вэ становится основной составной частью общей деформируемости полимерного материала под действием заданного внешнего напряжения. При этом изменяется и взаимная упаковка сегментов полимерной цепи.
Если V уд - общий удельный объем полимера, a V f - «свободный объем», то доля свободного объема равна f = V f /V уд. С увеличением температуры значение f возрастает (рис. 8):
где а б T - коэффициент термического расширения при температуре Т ; f c - доля свободного объема при Т ? T с, равная 0,025±0,003 (правило Симхи - Бойера).
Если б с - коэффициент термического расширения при температуре стеклования, то для гибкоцепных полимеров
С уменьшением гибкости макромолекул значения Т с возрастают (табл. 1).
Высокоэластическое состояние полимеров
Полимеры, находясь в высокоэластическом состоянии, способны к большим (4-5-кратным) обратимым деформациям.
Высокоэластическое состояние специфично для полимеров: низкомолекулярные материалы таким свойством не обладают. Температурный интервал высокоэластического состояния на термомеханической кривой находится в пределах Т т -Т с. По мере увеличения температуры от Т с до Т т доля свободного объема возрастает в соответствии с уравнением (3.13).
Для полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии, сохраняется ближний порядок во взаимном расположении сегментов макромолекул, но подвижность их существенно выше, нежели в стеклообразном состоянии: время релаксации сокращается на 5-6 десятичных порядков. Модуль упругости полимерных тел, находящихся в высокоэластическом состоянии, снижается до 0,1-0,3 Мпа. Существенно изменяется и сжимаемость полимера. Если в стеклообразном состоянии она для различных волокнообразующих полимеров заключена в пределах (1?5) 10 -12 Па -1 , то в результате расстекловывания полимерного субстрата сжимаемость возрастает до (3?6) 10 -10 Па -1 .
Наиболее вероятному состоянию полимерного тела соответствует максимальная энтропия:
Это состояние объясняется наиболее энергетически выгодной конформацией свободносочлененной цепи.
Обратимая деформация пространственной сетки полимерного субстрата, построенной из таких статистических клубков, приводит к изменению конфигурационной энтропии ДS к. Вместе с тем деформируемость такой сетки характеризуется модулем высокоэластичности Е вэ:
где с п - плотность полимера при температуре T i ; k - константа Больцмана; М с - молекулярная масса сегмента.
Следовательно, определяя Е вэ, можно оценить размер сегмента полимерной цепи в высокоэластическом состоянии. Величина e вэ возрастает при повышении Т .
При анализе процессов деформирования полимеров в высокоэластическом состоянии подвижность кинетических элементов структуры (сегментов) принимается аналогичной подвижности частиц идеальных газов. Это допущение оказывается справедливым для деформаций не более 50%. Большие деформации, характерные для полимеров в высокоэластическом состоянии, реализуются за счет не только е вэ, но и е у и е п (см. рис. 7). Эти деформации обусловливают изменение не только ДS к, но и энтальпии полимера ДH .
При больших деформациях наблюдаются также уменьшение объема полимерных тел, уплотнение их структуры и выделение некоторого количества тепла, повышающего температуру образца на 1,5-2 град.
Температурная зависимость механических свойств аморфных полимеров выше Т с может быть описана так называемой функцией приведения a T . Эта величина представляет собой отношение времени релаксации при некоторой температуре Т ко времени релаксации при температуре Т > Т 1 ? Т с, т.е.
Величина a T обусловлена температурной зависимостью гибкости макромолекул. Вместо времен релаксации ф T и ф T c могут быть выбраны другие временныме характеристики, зависящие от релаксационных свойств полимеров: вязкость, напряжение, деформация, коэффициент диффузии. Например,
где з и с - вязкость и плотность полимерной системы при температуре Т , а з 1 и с 1 - при температуре приведения Т 1 = T с + (50 ± 4).
Сопоставляя (16), (19) и (20), получаем
где бTc - коэффициент теплового расширения при Тс.
Очевидно, в общем виде можно записать
где А и С - постоянные, зависящие от доли свободного объема f c .
Соотношение (23) известно как формула Вильямса - Ланделла - Ферри (ВЛФ).
На рис. 9 представлена зависимость lga T от Т - Т с для различных систем, свидетельствующая об их универсальности. Константы, входящие в эту формулу, определяют температурные характеристики релаксационных свойств, в том числе и з эф. Они универсальны по отношению ко многим волокнообразующим полимерам.
Если в качестве температуры приведения выбраны Т с или температура менее (Т с + 50), то А = -17,44; С = 51,6. Если же в качестве температуры приведения используется Т 1 = (Т с + 50), что целесообразно для многих эластомеров, то А = -8,86; С = 101,6.
В высокоэластическом состоянии основную долю составляет е вэ, хотя вклад е у и е п также довольно существен. Повышение температуры уменьшает е у и увеличивает е вэ и е п.
Применение эластомеров определяется способностью их к высоким обратимым деформациям при комнатных температурах.
Однако в вязкотекучем состоянии основную долю деформации составляет е п. В некоторой мере при этом сохраняется еще и е у, но в несколько большей - е вэ.
При температуре выше T н доли е у и е вэ становятся исчезающе малыми.
Область перехода полимера в вязкотекучее состояние, температура Т т определяется гибкостью макромолекул, их молекулярной массой. Вместе с тем эта температурная область реализуется при f ? 0,333.
Зависимость ф р от температуры [см. уравнение (10)] обусловливает аналогичную зависимость и критерия Деборы (De). Поэтому при построении полной термомеханической кривой (см. рис. 7), включающей стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее состояния, необходимо учитывать, что продолжительность действия силы t для достижения заданной е об в различных температурных областях может изменяться на несколько десятичных порядков.
Форма макромолекул как в растворе, так и в расплаве, а также в твердом веществе характеризуется определенной анизотропией. В связи с этим самоупорядочение полимерных цепей обусловлено возможностями реализации кординационного и ориентационного дальнего порядка.
При нарушении координационного дальнего порядка образуется состояние, промежуточное между кристаллическим и аморфным, - мезофазное самоупорядочение [от «мезо» (греч.) - промежуточное]. Для жидкого агрегатного состояния оно проявляется как образование анизотропных жидкостей. Фазовое состояние таких жидкостей определяется термином «жидкий кристалл».
Вещества, потенциально способные находиться в жидкокристаллическом состоянии, называются мезогенными. Если форма макромолекул анизотропна, то переход от кристалла в изотропную жидкость может происходить через ряд мезофаз. Если переход происходит под влиянием тепла, то он определяется как термотропный мезоморфизм; если он осуществляется под действием растворителей, то процесс описывается как лиотропный. Термотропное жидкокристаллическое состояние реализуется при нагревании мезогенных веществ выше Т пл или при переохлаждении расплава.
Кристаллическое состояние вещества, характеризуется наличием дальнего порядка в расположении частиц (атомов, . молекул). В кристаллическом состоянии существует и ближний порядок, который характеризуется постоянными координационными числами, и длинами хим. связей. Инвариантность характеристик ближнего порядка в кристаллическое состояние приводит к совпадению структурных ячеек при их трансляционном перемещении и образованию трехмерной периодичности структуры (см. . Кристаллы).
Вследствие своей максимальной упорядоченности кристаллическое состояние характеризуется минимальной внутренней энергией и является термодинамически равновесным состоянием при данных параметрах - давлении, температуре, составе (в случае твердых растворов ) и др. Строго говоря, полностью упорядоченное кристаллическое состояние реально не может быть осуществлено, приближение к нему имеет место при стремлении температуры к 0 К (т. наз. идеальный кристалл). Реальные тела в кристаллическом состоянии всегда содержат некоторое количество дефектов , нарушающих как ближний, так и дальний порядок. Особенно много наблюдается в твердых растворах, в которых отдельные частицы и их группировки статистически занимают различные положения в пространстве.
Вследствие трехмерной периодичности атомного строения основными признаками являются однородность и свойств и симметрия, которая выражается, в частности, в том, что при определенных условиях образования кристаллы приобретают форму многогранников (см. выращивание). Некоторые свойства на поверхности кристалла и вблизи от нее существенно отличны от этих свойств внутри кристалла, в частности из-за нарушения симметрии. Состав и, соответственно, свойства меняются по объему кристалла из-за неизбежного изменения состава среды по мере роста кристалла. Таким образом, однородность свойств так же, как и наличие дальнего порядка, относится к характеристикам "идеального" кристаллическое состояние
Большинство тел в кристаллическое состояние является поликристаллическими и представляет собой сростки большого числа мелких кристаллитов (зерен) - участков размером порядка 10 -1 -10 -3 мм, неправильной формы и различно ориентированных. Зерна отделены друг от друга межкристаллитными слоями, в которых нарушен порядок расположения частиц. В межкристаллитных слоях происходит также концентрирование примесей в процессе кристаллизации. Из-за случайной ориентации зерен поликристаллическое тело в целом (объем, содержащий достаточно много зерен) может быть изотропным, например полученное при кристаллических с послед. . Однако обычно в процессе и особенно пластической возникает текстура - преимуществ, ориентация кристаллических зерен в определенном направлении, приводящая к анизотропии свойств.
На однокомпонентной системы вследствие кристаллическое состояние может отвечать несколько полей, расположенных в области сравнительно низких температур и повышенных . Если имеется лишь одно поле кристаллического состояния и вещество химически не разлагается при повышении температуры, то поле кристаллическое состояние граничит с полями и газа по линиям плавления и возгонки - конденсации соотв., причем жидкость и газ (пар) могут находиться в метастабильном (переохлажденном) состоянии в поле кристаллическое состояние, тогда как кристаллическое состояние не может находиться в поле или пара, т. е. кристаллическое вещество нельзя перегреть выше температуры плавления или возгонки. Некоторые (мезогены) при нагреве переходят в жидкокристаллическое состояние (см. Жидкие кристаллы ). Если на диаграмме однокомпонентной системы имеются два и более полей кристаллического состояния, эти поля граничат по линии полиморфных превращений. Кристаллическое вещество можно перегреть или переохладить ниже температуры полиморфного превращения. В этом случае рассматриваемое кристаллическое состояние может находиться в поле других кристаллических модификации и является метастабильным.
В то время как жидкость и пар благодаря существованию критической точки на линии испарения можно непрерывно перевести друг в друга, вопрос о возможности непрерывного взаимного превращения кристаллического состояния и окончательно не решен. Для некоторых веществ можно оценить критические параметры - давление и температуру, при которых DH пл и DV пл равны нулю, т. е. кристаллическое состояние и жидкость термодинамически неразличимы. Но реально такое превращение не наблюдалось ни для одного (см. Критическое состояние ).
Вещество из кристаллическое состояние можно перевести в неупорядоченное состояние (аморфное или стеклообразное), не отвечающее минимуму свободной энергии, не только изменением параметров состояния (давления, температуры, состава), но и воздействием ионизирующего излучения или тонким измельчением. Критический размер частиц, при котором уже не имеет смысла говорить о кристаллическое состояние, примерно 1 нм, т.е. того же порядка, что и размер элементарной ячейки.
Внутри химических частиц, но и размещением самих частиц в пространстве относительно друг друга и расстояниями между ними. В зависимости от расположения частиц в пространстве различают ближний и дальний порядок.
Ближний порядок заключается в том, что частицы вещества закономерно размещаются в пространстве на определенных расстояниях и направлениях друг от друга. Если такая упорядоченность сохраняется или периодически повторяется во всем объеме твердого вещества, то формируется дальний порядок. Иначе говоря, дальний и ближний порядки — это наличие корреляции микроструктуры вещества либо в пределах всего макроскопического образца (дальний), либо в области с ограниченным радиусом (ближний). В зависимости от совокупного (или подавляющего) действия ближнего или дальнего порядка размещения частиц твердое тело может иметь кристаллическое или аморфное состояние.
Наиболее упорядоченным является размещение частиц в кристаллах (от греческого « кристалос » — лед), в которых атомы, молекулы или ионы расположены только в определенных точках пространства, названных узлами .
Кристаллическое состояние — это упорядоченная периодическая структура, которая характеризуется наличием как ближнего, так и дальнего порядка размещения частиц твердого вещества.
Характерным признаком кристаллических веществ по сравнению с аморфными является анизотропия.
Анизотропия — это разница физико-химических свойств кристаллического вещества (электро- и теплопроводности, прочности, оптических характеристик и т.д.) в зависимости от выбранного направления в кристалле.
Анизотропия обусловлена внутренним строением кристаллов. В разных направлениях расстояние между частицами в кристалле разная, поэтому и количественная характеристика того или иного свойства для этих направлений будет разной.
Особенно ярко анизотропия проявляется в монокристаллах. На этом свойстве основано производство лазеров, обработка монокристаллов полупроводников, изготовление кварцевых резонаторов и ультразвуковых генераторов. Типичным примером анизотропного кристаллического вещества является графит, структура которого представляет собой параллельные слои с различными энергиями связи в середине слоев и между отдельными слоями. Благодаря этому теплопроводность вдоль слоев в пять раз выше, чем в перпендикулярном направлении, а электропроводность в направлении отдельного слоя близка к металлической и сотни раз больше электропроводности в перпендикулярном направлении.
Структура графита (указана длина связи С-С внутри слоя и расстояние между отдельными слоями в кристалле)
Иногда одно и то же вещество может образовывать кристаллы различной формы. Это явление называют полиморфизмом, а различные кристаллические формы одного вещества — полиморфными модификациями, например, алотропы алмаз и графит; a-, b-, g- и d-железо; a- и b-кварц (обратите внимание на различие понятий «аллотропия», которое относится исключительно к простым веществам в любом , и «полиморфизм», которое характеризует строение только кристаллических соединений).
В то же время различные по составу вещества могут образовывать кристаллы одинаковой формы — это явление называют изоморфизмом. Так, изоморфными веществами, имеющими одинаковые кристаллические решетки, являются Al и Cr и их оксиды; Ag и Au; BaCl 2 и SrCl 2 ; KMnO 4 и BaSO 4 .
Подавляющее большинство твердых веществ при обычных условиях существует в кристаллическом состоянии.
Твердые вещества, не имеющие периодической структуры, относятся к аморфным (от греческого « аморфос » — бесформенный). Однако некоторая упорядоченность структуры в них присутствует. Она проявляется в закономерном размещении вокруг каждой частицы ее ближних «соседей», то есть аморфные вещества имеют только ближний порядок и этим напоминают жидкости, поэтому их с некоторым приближением можно рассматривать как переохлажденные жидкости с очень высокой вязкостью. Разница между жидким и твердым аморфным состоянием определяется характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии они способны лишь к колебательным и вращательным движения, но не могут перемещаться в толще вещества.
Аморфное состояние — это твердое состояние вещества, характеризующееся наличием ближнего порядка в размещении частиц, а также изотропностью — одинаковыми свойствами в любом направлении.
Аморфное состояние веществ менее стабильно по сравнению с кристаллическим, так аморфные вещества могут переходить в кристаллическое состояние под действием механических нагрузок или при изменении температуры. Однако некоторые вещества могут находиться в аморфном состоянии в течение достаточно большого периода. Например, вулканическое стекло (возраст которого доходит до нескольких миллионов лет), обычное стекло, смолы, воск, большинство гидроксидов переходных металлов и тому подобное. При определенных условиях в аморфном состоянии могут находиться почти все вещества, кроме металлов и некоторых ионных соединений. С другой стороны, известны вещества, способные существовать только в аморфном состоянии (органические полимеры с неравномерной последовательностью элементарных звеньев).
Физические и химические свойства вещества в аморфном состоянии могут существенно отличаться от ее свойств в кристаллическом состоянии. Реакционная способность веществ в аморфном состоянии значительно выше, чем в кристаллическом. Например, аморфный GeO 2 значительно активнее в химическом отношении, чем кристаллический.
Переход твердых веществ в жидкое состояние в зависимости от строения имеет свои особенности. Для кристаллического вещества плавления происходит при определенной , которая является фиксированной для данного вещества, и сопровождается скачкообразным изменением ее свойств (плотность, вязкость и т.д.). Аморфные вещества, напротив, переходят в жидкое состояние постепенно, в течение некоторого интервала температур (так называемый интервал размягчения), во время которого происходит плавное, медленное изменение свойств.
Сравнительная характеристика аморфных и кристаллических веществ:
| состояние
твердого вещества |
характеристика |
примеры |
| аморфное | 1. Ближний порядок размещения частиц;
2. Изотропность физических свойств; 3. Отсутствие фиксированной температуры плавления; 4. Термодинамическая нестабильность (большой запас внутренней энергии) 5. Текучесть |
Янтарь, стекло, органические полимеры |
| кристаллическое | 1. Дальний порядок размещения частиц;
2. Анизотропнисть физических свойств; 3. Фиксированная температура плавления; 4. Термодинамическая устойчивость (небольшой запас внутренней энергии) 5. Наличие симметрии |
Металлы, сплавы, твердые соли, углерод (алмаз, графит). |
Особенностями внутреннего строения кристаллов, отличающими их от некристаллических (аморфных) тел, являются упорядоченное, периодически повторяющееся расположение материальных частиц (атомов, тонов, молекул) в пространстве и симметричность этого расположения. При этом указанная упорядоченность проявляется на расстояниях, значительно превышающих размеры самих частиц, и сохраняется в пределах всего кристалла, т.е. имеет место дальний порядок (в противоположность ближнему порядку - упорядоченности в расположении частиц в ближайших к данному атому областях, соизмеримых с размером атомов).
Второй особенностью кристаллов является их анизотропность, т.е. неодинаковость свойств по различным направлениям в кристалле. Анизотропия, или векториальность свойств кристаллов по различным направлениям, является следствием их геометрической анизотропии, т.е. различия материальных частиц и связей в различных направлениях в структуре кристалла.
Третьей особенностью свойств кристаллов является их однородность, проявляющаяся в том, что любые два участка кристалла обладают совершенно одинаковыми свойствами (по параллельным направлениям).
Кристалл - есть твердое однородное анизотропное тело, ограниченное плоскими гранями, возникающими на нем в силу свойств самого тела, причем кристаллы одного и того же вещества могут иметь разную величину, форму и количество граней, но углы между соответствующими гранями всегда остаются постоянными.
Кристаллические вещества могут существовать в виде монокристаллов или поликристаллических веществ. Монокристаллами называются одиночные кристаллы, встречающиеся в природе или выращиваемые искусственно для нужд науки и техники. Однако гораздо большее распространение имеют поликристаллические вещества, состоящие из множества мелких сросшихся монокристаллов, в обычных условиях по разному ориентированных по отношению друг к другу, сцепление между которыми осуществляется за счет межатомных и межмолекулярных сил. При такой беспорядочной ориентации характерная для монокристаллов анизотропия свойств будет, естественно, отсутствовать и в целом они будут изотропными, т.е. будут иметь по различным направлениям одинаковые свойства.
Для описания периодичности в расположении материальных частиц кристаллических фаз вводится понятие «кристаллическая решетка». Кристаллическая решетка - математическая абстракция, характеризующая схему трехмерной периодичности в бесконечной системе точек (узлов решетки) в пространстве. Всю решетку можно представить себе как бесконечную систему элементарных параллелепипедов, целиком заполняющих пространство за счет бесконечного повторения в трех независимых направлениях одного элементарного параллелепипеда, который носит название элементарной ячейки. Величина ребер элементарного параллелепипеда и углы между ними называются параметрами решетки и являются материальными константами каждого кристаллического вещества. Элементарная ячейка представляет собой наименьшую часть кристалла, которая отражает все особенности его внутреннего строения.
В зависимости от вида частиц и преимущественного типа химической связи в кристалле решетки разделяются на две большие группы: молекулярные и координационные.
В молекулярных решетках вузлах находятся молекулы. Для таких решеток характерна сильная внутримолекулярная связь и слабая остаточная (ван-дер-ваальсовая) связь между молекулами. К соединениям с такими решетками относится большинство органических веществ. Для них характерны легкоплавкость, высокая летучесть, низкая твердость.
В кристаллах с координационными решетками нельзя выделить отдельные дискретные молекулы, а силы связи между данным атомом или ионом и всеми его соседям и в координационной сфере примерно одинаковы (в этом случае весь кристалл можно рассматривать как одну гигантскую молекулу). Координационные решетки характерны для большинства неорганических веществ, в том числе силикатов и других тугоплавких соединений.
Координационные решетки, в спою очередь, можно разделить на ионные, атомные (ковалентные) и металлические. В узлах ионных решеток попеременно располагаются положительные и отрицательные ионы. В узлах атомных (ковалентных) решеток располагаются нейтральные атомы, связанные преимущественно ковалентной связью. К веществам с подобными решетками относятся, например, алмаз, кремний, некоторые карбиды, силициды и т.д. В узлах металлических решеток, характерных для металлов, располагаются ионы металла, погруженные в «электронный газ». Такое строение решетки обусловливает высокие электропроводность, теплопроводность и пластичность.
Важной характеристикой кристаллических структур является координационное число атомов или ионов. Координационным числом называется число частиц, непосредственно окружающих данный ион или атом. Так, в ионе 4- координационное число атома кремния по кислороду равно 4.
