Глава 10. Ключевые термины и уравнения

Ключевые термины

сила сцепления (адгезия) (adhesive force)

сила притяжения между молекулами разной химической природы.

аморфное (некристаллическое) твёрдое тело (amorphous solid, noncrystalline solid)

твёрдое тело, частицы которого не имеют упорядоченной внутренней структуры.

объёмноцентрированная кубическая (ОЦК) структура (body-centered cubic, BCC, solid)

кристаллическая структура с кубической элементарной ячейкой, узлы решётки которой расположены в вершинах куба и в его центре.

объёмноцентрированная кубическая элементарная ячейка (body-centered cubic unit cell)

простейшая повторяющаяся единица объёмноцентрированного кубического кристалла; куб, содержащий узлы решётки в каждой вершине и в центре куба.

температура кипения (boiling point)

температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно давлению газа над ней.

уравнение Брэгга (Bragg equation)

уравнение, связывающее углы, под которыми атомы кристалла дифрагируют рентгеновские лучи.

капиллярный эффект (капиллярное течение) (capillary action)

движение жидкости в пористом материале, обусловленное притяжением молекул жидкости к поверхности материала и друг к другу.

уравнение Клаузиуса—Клапейрона (Clausius–Clapeyron equation)

математическое соотношение между температурой, давлением насыщенного пара и энтальпией испарения вещества.

сила сцепления (когезия) (cohesive force)

сила притяжения между одинаковыми молекулами.

конденсация (condensation)

переход из газообразного состояния в жидкое.

координационное число (coordination number)

число атомов, ближайших к данному атому в кристалле, либо к центральному атому металла в комплексе.

ковалентный каркасный кристалл (covalent network solid)

твёрдое тело, частицы которого удерживаются ковалентными связями.

критическая точка (critical point)

температура и давление, выше которых газ нельзя сконденсировать в жидкость.

кристаллическое твёрдое тело (crystalline solid)

твёрдое тело, частицы которого расположены в определённом, повторяющемся порядке.

кубическая плотнейшая упаковка (КПУ) (cubic closest packing, CCP)

кристаллическая структура, в которой плотноупакованные плоскости атомов или ионов чередуются в виде трёх слоёв разной относительной ориентации (ABC).

десублимация (deposition)

переход непосредственно из газообразного состояния в твёрдое.

дифракция (diffraction)

изменение направления распространения электромагнитного излучения, возникающее при встрече с препятствием подходящего размера.

диполь-дипольное притяжение (dipole-dipole attraction)

межмолекулярное притяжение двух постоянных диполей.

дисперсионная сила (силы Лондона) (dispersion force, London dispersion force)

притяжение между двумя быстро флуктуирующими временными диполями; существенно лишь тогда, когда частицы находятся очень близко друг к другу.

динамическое равновесие (dynamic equilibrium)

состояние системы, в котором взаимно обратные процессы протекают с одинаковыми скоростями.

гранецентрированная кубическая (ГЦК) структура (face-centered cubic, FCC, solid)

кристаллическая структура с кубической элементарной ячейкой; узлы решётки расположены в вершинах куба и в центре каждой грани.

гранецентрированная кубическая элементарная ячейка (face-centered cubic unit cell)

простейшая повторяющаяся единица гранецентрированного кубического кристалла; куб, содержащий узлы решётки в каждой вершине и в центре каждой грани.

замерзание (кристаллизация) (freezing)

переход из жидкого состояния в твёрдое.

температура замерзания (кристаллизации) (freezing point)

температура, при которой твёрдая и жидкая фазы вещества находятся в равновесии; см. также «температура плавления».

гексагональная плотнейшая упаковка (ГПУ) (hexagonal closest packing, HCP)

кристаллическая структура, в которой плотноупакованные слои атомов или ионов чередуются в виде двух слоёв разной относительной ориентации (AB).

пустота (интерстиция) (hole, interstice)

пространство между атомами в кристалле.

водородная связь (hydrogen bonding)

возникает при притяжении исключительно сильных диполей; связь, образующаяся, когда водород соединён с одним из трёх самых электроотрицательных элементов: \(\ce{F}\), \(\ce{O}\) или \(\ce{N}\).

индуцированный диполь (induced dipole)

временный диполь, образующийся при искажении электронной плотности атома или молекулы под действием мгновенного диполя соседнего атома или молекулы.

мгновенный диполь (instantaneous dipole)

временный диполь, возникающий на короткое время, когда электроны атома или молекулы распределены асимметрично.

межмолекулярная сила (intermolecular force)

нековалентная сила притяжения между атомами, молекулами и (или) ионами.

междоузлия (interstitial sites)

пространства между регулярными положениями частиц в любом массиве атомов или ионов.

ионный кристалл (ionic solid)

твёрдое тело, состоящее из положительных и отрицательных ионов, удерживаемых сильными электростатическими взаимодействиями.

изоморфный (isomorphous)

обладающий одинаковой кристаллической структурой.

плавление (melting)

переход из твёрдого состояния в жидкое.

температура плавления (melting point)

температура, при которой твёрдая и жидкая фазы вещества находятся в равновесии; см. также «температура замерзания».

металлический кристалл (metallic solid)

твёрдое тело, состоящее из атомов металла.

молекулярный кристалл (molecular solid)

твёрдое тело, состоящее из нейтральных молекул, удерживаемых межмолекулярными силами притяжения.

нормальная температура кипения (normal boiling point)

температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно \(1\ \text{атм}\) (\(760\ \text{торр}\)).

октаэдрическая пустота (octahedral hole)

свободное пространство в кристалле в центре шести частиц, расположенных в вершинах октаэдра.

фазовая диаграмма (phase diagram)

\(P\)—\(T\)-диаграмма, обобщающая условия, при которых могут существовать фазы вещества.

поляризуемость (polarizability)

мера способности заряда искажать распределение электронной плотности (электронного облака) молекулы.

простая кубическая структура (simple cubic structure)

кристаллическая структура с кубической элементарной ячейкой и узлами решётки только в вершинах.

простая (примитивная) кубическая элементарная ячейка (simple cubic unit cell, primitive cubic unit cell)

элементарная ячейка простой кубической структуры.

пространственная решётка (space lattice)

совокупность всех точек кристалла, имеющих одинаковое окружение.

сублимация (sublimation)

переход непосредственно из твёрдого состояния в газообразное.

сверхкритическая жидкость (supercritical fluid)

вещество при температуре и давлении выше его критической точки; обладает свойствами, промежуточными между свойствами газа и жидкости.

поверхностное натяжение (surface tension)

энергия, необходимая для увеличения площади (или длины) поверхности жидкости на заданную величину.

тетраэдрическая пустота (tetrahedral hole)

тетраэдрическое пространство, образованное четырьмя атомами или ионами в кристалле.

тройная точка (triple point)

температура и давление, при которых три разные фазы вещества находятся в равновесии.

элементарная ячейка (unit cell)

наименьшая часть пространственной решётки, которая, повторяясь в трёх направлениях, воспроизводит всю решётку.

вакансия (vacancy)

дефект, при котором узел, который должен быть занят атомом или ионом, оказывается свободным.

силы Ван-дер-Ваальса (van der Waals force)

силы притяжения или отталкивания между молекулами, включающие диполь-дипольные силы, силы между диполем и индуцированным диполем, а также дисперсионные силы Лондона; не включают силы, обусловленные ковалентными или ионными связями, а также взаимодействие ионов с молекулами.

давление насыщенного пара (равновесное давление пара) (vapor pressure, equilibrium vapor pressure)

давление, создаваемое паром, находящимся в равновесии с твёрдым телом или жидкостью при заданной температуре.

испарение (vaporization)

переход из жидкого состояния в газообразное.

вязкость (viscosity)

мера сопротивления жидкости течению.

рентгеновская кристаллография (X-ray crystallography)

экспериментальный метод определения расстояний между атомами в кристалле по углам дифракции рентгеновских лучей при прохождении через кристалл.

Ключевые уравнения

Уравнение Клаузиуса—Клапейрона (зависимость давления насыщенного пара от температуры):

\[ P = A\,\exp\!\left(-\dfrac{\Delta H_\text{исп}}{RT}\right) \]

или в интегральной двухточечной форме:

\[ \ln\!\dfrac{P_{2}}{P_{1}} = -\dfrac{\Delta H_\text{исп}}{R}\!\left(\dfrac{1}{T_{2}} - \dfrac{1}{T_{1}}\right) \]

Уравнение Брэгга (условие дифракции рентгеновских лучей на кристаллических плоскостях):

\[ n\lambda = 2d\sin\theta \]

где \(n\) — порядок дифракции, \(\lambda\) — длина волны рентгеновского излучения, \(d\) — расстояние между соседними кристаллическими плоскостями, \(\theta\) — угол скольжения.

Плотность металла по параметрам элементарной ячейки:

\[ \rho = \dfrac{Z\,M}{N_{A}\,V_\text{яч}} \]

где \(Z\) — число атомов в элементарной ячейке (1 для простой кубической, 2 для ОЦК, 4 для ГЦК), \(M\) — молярная масса, \(N_{A}\) — постоянная Авогадро, \(V_\text{яч} = a^{3}\) — объём кубической ячейки с ребром \(a\).

Связь ребра ячейки \(a\) и атомного радиуса \(r\) для кубических структур:

\[ a_\text{простая} = 2r,\qquad a_\text{ОЦК} = \dfrac{4r}{\sqrt{3}},\qquad a_\text{ГЦК} = \dfrac{4r}{\sqrt{2}} = 2\sqrt{2}\,r \]