Кристаллохимическое строение материалов в твердом состоянии

Распространение химических элементов в земной коре и агрегатное состояние веществ

В земной коре три наиболее распространенных элемента (О, Si, А1) составляют по массе 82,58%, а 12 элементов (О, Si, Al, Fe, Са, Na, Mg, К, Н, Cl, C, Ti) — 99,29%, на долю всех остальных элементов приходится меньше 1%. По предложению А. Е. Ферсмана, частоту распределения химических элементов в земной коре принято называть «кларками». Кларки ряда элементов, по А. А. Виноградову, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Распространенность ряда химических элементов в земной коре.

В земной коре элементы чаще всего находятся в виде минералов — природных соединений определенного состава и свойств, слагающих горные породы. В земной коре наиболее распространены следующие минералы, мае. %:

полевые шпаты — 55; кремнезем (кварц и др.) — 12;

вода — 9;

оксиды железа — 3;

слюды — 3.

Около одной четверти минералов относится к группе силикатов, которые составляют девять десятых земной коры.

Агрегатное состояние веществ. Известно три агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное. Вещество в твердом состоянии сохраняет свою форму и объем, в жидком — только объем при отсутствии упругости форм, в газообразном — отсутствует упругость формы, а упругость объема имеет односторонний характер (лишь сопротивление сжатию). Твердое состояние имеет две формы: кристаллическую и аморфную. В кристаллах расположение ионов, атомов и молекул упорядоченное, т. е. имеет вид кристаллической решетки. Вещества в форме кристаллов обладают меньшей поверхностной и внутренней энергией, чем в аморфном состоянии, и поэтому более устойчивы. Физические свойства кристаллов в связи с анизотропией строения неодинаковы в разных направлениях. В аморфном веществе расположение частиц неупорядочено, и его физические свойства одинаковы в любых направлениях (изотропность). Аморфная форма вещества при определенных условиях переходит в кристаллическую.

Рис. 1. Кривые «температуравремя» при охлаждении расплава или жидкости:

а — кристаллического вещества; б — аморфного и стекловидного Системы, состоящие из твердых, жидких веществ или того и другого одновременно, называют конденсированными.

Переход расплава в кристаллическое или аморфное стеклообразное состояние изучают по кривым нагревания и охлаждения (рис. 1).

При охлаждении расплава или жидкости в случае (а) на кривой появляется горизонтальная площадка.

Эта остановка обусловлена повышенным выделением тепла в результате структурных превращений, сопровождающих переход жидкости в кристаллы, имеющие меньший запас энергии. Если скорость внутренних превращений мала, то наступает постепенное охлаждение (переохлаждение) жидкости, происходит постепенное превращение жидкости в стекло (случай б). Стеклообразное состояние вещества термодинамически неустойчивое. Стекло может самопроизвольно переходить в кристаллическое состояние, что сопровождается скачкообразным изменением свойств с выделением избыточной энергии. Кристаллическое вещество можно перевести в стеклообразное только через расплав и резкое переохлаждение.

В газообразное состояние твердые вещества переходят в основном путем термической диссоциации по цепочке: твердое — жидкое (расплав) — газообразное (испарение).