Теория кристаллитов рассматривает стекло как совокупность мельчайших монокристаллических областей – кристаллитов.

Теория непрерывной неправильной сетки предполагает, что в стекле, как и в монокристалле, существует пространственная сетка из химически связанных атомов. Но, в отличие от монокристалла, отсутствует строгое периодическое повторение фрагментов сетки.

Например, диоксид кремния (SiO2) может существовать как в кристаллическом состоянии – кварц, так и в стеклообразном − кварцевое стекло (плавленый кварц). И в том и другом состоянии структурной единицей является тетраэдр SiO2, в центре которого находится ион кремния, а в вершинах – ионы кислорода. Тетраэдры связаны между собой через ионы кислорода, которые одновременно принадлежат двум тетраэдрам. В кристаллическом состоянии структура периодически повторяется, а в стеклообразном она искажена и не повторяется в объеме (рис. 4.17).

Кристалл Стекло

Рис. 4.17. Проекция структуры кристаллического и стеклообразного SiO2: ● – атом кремния, ○ – атом кислорода

К аморфным веществам относятся также и мелкодисперсные порошки, состоящие из частиц, размер которых составляет величину порядка 10…100 длин химической связи (наночастицы), например сажа – мелкодисперсный углерод. Вещество в таком состоянии, в отличие от поликристаллов, не имеет фиксированной температуры плавления.

4.3. Химическая связь в жидкостях

Жидкое состояние вещества по степени упорядоченности взаимного расположения частиц и характеру их теплового движения занимает промежуточное положение между газообразным и кристаллическим.

126

Строение вещества и характер взаимодействия между частицами в жидкости имеет много общего с кристаллическим состоянием. Это сходство обусловлено близким взаимным расположением частиц (конденсированное состояние вещества) и сохранением характера химической связи между ними при фазовом переходе. Как правило, при плавлении молекулярных кристаллов получают молекулярные жидкости (частицами, образующими жидкость, являются молекулы), при плавлении ионных кристаллов – жидкости, состоящие только из ионов (электролиты), при плавлении металлических кристаллов – жидкие металлы. При плавлении ковалентных кристаллов в силу специфики характера ковалентной связи (насыщенность и направленность) поведение частиц в жидкости будет в сильной степени зависеть от химического состава вещества; при этом могут образовываться молекулярные и ионные жидкости (происходит полная или частичная диссоциация молекул на ионы) или жидкие металлы.

Частицы в жидкости, как и в твердом теле, совершают тепловые колебания около положений равновесия (период тепловыхколебаний

t0 10-12 c). Расположение частиц в пространстве в жидкости аналогично расположению частиц в стеклообразном состоянии («стекло – переохлажденная жидкость»).

Однако если в твердых телах эти положения равновесия фиксированы в пространстве и практически не изменяются во времени, то в жидком состоянии частицы по истечении некоторого времени t перескакивают в новое положение равновесия, перемещаясь на расстояние порядка среднего расстояния между ними. Эти перемещения и обусловливают текучесть жидкости, в силу которой жидкости изменяют свою геометрическую форму в поле силы тяжести, принимая форму сосуда или растекаясь по поверхности. Частицы поверхностного слоя обладают избыточной энергией по сравнению с объемными частицами, поскольку часть химических связей у них не реализуется (отсутствует часть ближайших соседей). Минимум энергии системы в отсутствие силы тяжести будет соответствовать форме, при которой доля поверхностных частиц будет минимальной, поэтому жидкое вещество самопроизвольно примет сферическую форму.

Для перехода из одного состояния равновесия в соседнее частицам необходимо преодолеть энергетический барьер Еа, величина которого зависит от характера химической связи между ними.

127

Процесс подобен образованию собственных дефектов в кристалле. Среднее время между переходами (t) называется временем «оседлой жизни» частиц. Оно зависит от природы жидкости, т.е. от характера химической связи между частицами, и быстро

E		a		, где t0		-12
уменьшается с ростом температуры: t =t0 exp					10		c,
kT

k – константа Больцмана, Т – температура, К. Для маловязких жидкостей время «оседлой жизни» частиц при комнатной температуре составляет примерно 10-11 с. Поэтому поведение примесных частиц в жидкости, если их концентрация невелика (сильноразбавленные растворы), подчиняется законам идеального газа.

Вещества, обладающие одновременно свойством текучести, как жидкость, и анизотропией некоторых физико-химических свойств, как кристалл вследствие упорядоченности расположения молекул, называются жидкими кристаллами. Таким свойством могут обладать вещества, состоящие из молекул, имеющих определенную удлиненную палочкообразную или дискообразную форму. Палочкообразную форму чаще всего имеют органические молекулы, представляющие собой цепочки с чередованием линейных и циклических атомных группировок. Такая форма позволяет образовывать упорядоченные структуры с приблизительно параллельным расположением молекул, что является основным признаком жидких кристаллов.

В жидкокристаллическом состоянии могут находиться вещества, молекулы которых состоят из одного или нескольких бензольных колец с заместителями в пара-положениях (рис. 4.18).

Z,Y X Y,Z

X: -CH2-CH2-; -CH=CH-; -CH=N-; ...

Y,Z: -R; -CN; -NO2; -NH2; Cl-; Br-;...

Рис. 4.18. Структурная формула молекул веществ, которые могут находиться в жидкокристаллическом состоянии

По степени упорядоченности структуры можно выделить три типа жидких кристаллов. Наименее упорядоченную структуру имеют нематические жидкие кристаллы, молекулы которых параллельны, но сдвинуты относительно друг друга на произвольные

128