Ионды кристалдар 7 страница

2. Аморф заттар аномалді жоғары тұтқыр, бірақ бәріміз әйнектердің « ағатынын» білеміз ( терезе жақтауларында жыл өте келе жуандаған жерлер пайда болады). Бірақ жоғары орнықтылықтың да мысалдары (мысалы, янтарь өзінің қасиеттерін милондаған жылдар сақтайды) бар.

3. Аморф күйде заттар кристалл заттарға қарағанда неғұрлым жоғары реакциялық қабілеттілікке ие.

4. Аморф заттар изотропты, яғни олардың механикалық, оптикалық, электрлік және басқа қасиеттері барлық бағытта бірдей.

5. Аморф күйде жүйелердің бөлшектер арасындағы химиялық байланыстары біркелкі болмайтындықтан фиксирленген балқу температурасы болмайды: қыздыру барысында олар біртіндеп жұмсарады және балқиды. Бұл процестердің температуралық интервалы силикатты әйнектер үшін мысалы 200⁰C құрайды.

6. Заттың аморф күйден сұйық күйге өту қасиеттердің секірмелі түрде өзгерістерімен бірге жүрмейді, себебі бөлшектердің орналасу сипаты өзгермейді, тек олардың қозғалғыштығы артады.

7. Аморф күйдің физикалық моделі әлі жасалған жоқ.

8.3. Аморф жартылай өткізгіштер

 

Бұлар қатты аморф күйде жартылай өткізгіштер қасиеттеріне ие заттар. Олар 3 топқа бөлінеді: ковалентті (аморфты Ge және Si, InSb, GaAs және т.б.), халькогенидті әйнектер (мысалы, As₃₁Ge₃₀Se₂₁Te₁₈), оксидті әйнектер (мысалы, V₂O₅ - P₂O₅) және диэлектрик жабындылар (SiO_x, Al₂O₃, Si₃N₄ және т.б.).

Аморф жартылай өткізгіштің энергетикалық спектрі кристалл жартылай өткізгіштен тыйым салынған аймаққа енетін электрондық күйлер тығызыдығының «құйрықтарының» болуымен ерекшеленеді. Теориялардың бірінде, аморфты жартылайөткізгіштерді өткізігішітік аймағының «түбі» мен валенттік аймақтың «төбесі» флуктуацияланатын, және бұл ірі масштабты флуктуациялар тыйым салынған аймақтың еніндей болатын күшті легирленген және күшті компенсацияланған жартылай өткізгіш деп қарастыруға болады. Өткізгіштік аймақтағы электрондар (және валенттік аймақтағы кемтіктер) потенциалдық релеф шұңқырларында орналасқан және биік тосқауылдармен бөлінген « тамшылар» жүйесіне бөлінеді. Аморфты жартылай өткізгіштегі электр өткізгіштік өте төменгі температураларда секірмелі өткізгіштікке аналогиялы шұңқырлардың арасындағы электрондардың тосқауыл алдындағы туннелденуімен іске асады. Неғұрлым жоғары температураларда электр өткізгіштік тасымалдаушылардың жоғары энергетикалық деңгейлерге жылулық «лақтырылуына» негізделген.

Аморф жартылай өткізгіштер әртүрлі практикалық мақсаттарда қолданылады. Халькогенидті әйнектер инфрақызыл сәуленің мөлдірлігінің, жоғары кедергі және жоғары фотосезгіштікке сай беруші теледидар түтіктерінде, сонымен қатар голограммалар жазуда қолданылады. Диэлектрик пленкалар МДП құрылымдарында қолданылады (металл- диэлектрик - жартылайөткізгіш). Металл – аморф жартылай өткізгіш пленкасы- металл жүйесінде жеткілікті жоғары кернеуде (табалдырықтан жоғары) аморфты жартылай өткізгішітің жоғары омды күйден төменгі омды күйге жылдам (10^-10 с.) ауысуы байқалады. Жеке алғанда кернеуді алғаннан кейін де жоғары өткізгіштік күй сақталатын « жадпен» ауысу да орын алады (жад әдетте күшті және қысқа ток импульсімен «өшіріледі»). Жадты жүйелерде төменгі омды күй аморф жартылай өткізгіштің ішінара кристалдануына байланысты.

 

8.4.Заттың сұйық күйі. Сұйықтардың қасиеттері. Сұйық кристаллдар

Сұйық бөлшектердің жинақы орналасуымен сипатталады, бұл газбен салыстырғанда аз сығылғыштықты береді. Сұйықтарда бөлшектер бөлшектердің реттсіз орналасқан облыстарымен бөлінген лабилді реттелген агрегаттар түзеді («жақын реттілік»). Бөлшектер агрегаттары (және олар салыстырмалы әлсіз ван-дер-вальстік немесе жеткілікті мықты сутектік байланыстармен кішігірім топтарға біріктірілгендіктен оларды тағы кластерлер деп атайды) күрт шекаралары жоқ: сұйықтарда қозғала отырып олар бір бөлшектерін жоғалтады және басқаларын алады, толығымен жойылып және қайтадан пайда болуы мүмкін.

Температура төмендегенде бөлшектер агрегаттарының өлшемдері ұлғаяды, үлкен орнықтылыққа және орналасудағы реттілікке ие болады. Кристалдану температурасының маңында агрегаттар қатты фазаның кристалдануының дәнектеріне айналады.

Сұйық күйдің молекула-кинетикалық теориясына сай сұйық фазаның реттілік дәрежесі молекулалардың полярлығының артумен бірге артады.

Сұйықтар қатты фазадан бөлшектер қозғалғыштығымен және изотроптылықпен - жарық сәулесінің (сұйық арқылы өткенде) сыну коэффициентінің оптикалық остердің барлық бағытында бірдей болуымен ерекшеленеді.

Сұйықтардың қасиеттері:

1. Ван-дер-ваальс күштерінің мықты болмауының салдарынан сұйық молекулалары хаосты сипаттағы үздіксіз флуктуация, яғни жекелеген молекулалардың орын ауыстыру жылдамдығы мен кинетикалық энергиясы ерекшеленетін және үздіксіз өзгеретін броундық қозғалыс жасайды. Әйткенмен газдар секілді сұйықтар Масвел-Больцманның таралу заңына бағынады.

2. Салыстырмалы жоғары энергияға ие жекелеген молекулалар, сұйық фазадан шығып және газ тәріздес күйге өте алады. Бұл процесс сұйықтың булануы деп аталады. Сұйықтың булануға қабілеттілігі ұшқыштық деп аталады. Молекуларалық әсерлесу күштері неғұрлым аз болса ( яғни сұйық молекулалары неғұрлым аз полярлы болады) сұйықтың ұшқыштығы солғұрлым жоғары болады.

3. Булану нәтижесінде қарастырылған сұйықтың молекулаларының сұйықтың үстіндегі газ фазасындағы парциаль қысымы артады. Бұл өз кезегінде булануға қарама-қарсы сұйық бетінің газды фазадан өз молекулаларын қармау процесін туғызып- бу конденсациясы іске асады. Парциал қысымның қандай да бір мәнінде булану жылдамдығы мен бу конденсациясының жылдамдығы теңеседі. Мұндай қысым сұйықтың қаныққан бу қысымы деп аталады. Молекулалар арасындағы әсерлесу энергиясы артуымен бірге (берілген температурада) сұйықтың қаныққан бу қысымы азаяды (8.1 суретті қара).

8.1 сурет - Кейбір сұйықтардың қаныққан буының қысымы: ацетон (1), этанол (2), су (3), сірке қышқылы (4), этиленгликол (5). Қалыпты қысымдағы судың қайнау температурасы (6).

4. Қаныққан бу қысымы температураның артуымен бірге күрт аратады.

Сұйық буының қаныққан буларының атмосфералық қысымға тең парциаль қысымында сұйықтың өзінің ішінде сұйық буының көпіршіктері пайда болады, және қайнау басталады. Бұл күйге қол жеткізілетін температура сұйықтың қайнау температурасы Т_кип. деп аталады. Сұйық молекулаларының арасында әсерлесу күштері неғұрлым үлкен болса, оның қайнау температурасы солғұрлым жоғары болады. Қайнау температурасы сыртқы қысымға да тәуелді: ол неғұрлым жоғары болса сұйық солғұрлым жоғары температурада қайнайды. Міне осыған байланысты жабық ыдыстарда асты дайындау жылдамдығы жоғары (процесс негғрлым жаоғары температураларда өтеді), және керісінше тауда жазықтағыға қарағанда бұған көп уақыт жұмсау керек.

5. Молекулалардың қозғалғыштық қасиетін сақтауы салдарынан сұйықтар аққыштыққа

(олардың өздері тұрған ыдыстың пішінін алу қабілеті) ие. Аққыштыққа сұйықтың кедргі келтіруі тұтқырлық деп аталады. Сұйықтың тұтқырлығы бөлшектердің әсерлесу энергиясының артуымен бірге жоғарылайды және молекулалардың кеңістіктік құрылысына қатты тәуелді. Сұйық температураның артуымен бірге тұтқырлығы кемиді.

6. Беттегі молекулалар арасындағы әсерлесу күштері (газ фазасымен бөліну шекарасында) теңеспеген, себебі газ тарапынан осы сұйықтың молекулалары өте аз. Сондықтан беттік молекулалардың қорытқы әсерлесу күші сұйықтың ішіне қарай бағытталған. Оның әсерінен сұйық бет ауданын кішірейтуге тырысады. Міне сондықтан сұйықтар тамшы пішініне ие, ал жіңішке капиллярларда мениск пайда болады

Сұйық бетінде пайда болатын молекулааралық әсерлесу күштері немесе жаңа бетті түзуге қажетті күштерді беттік керілу деп атайды (грек әрпі σ-мен белгіленеді, өлшем бірлігі Дж/м²).

8.2 сурет - Сұйықтың аз көлемінің тамшыға айналу (а) және жұғатын (б) және жұқпайтын (в) беттермен мениск жасау қасиеті.

 

Молекула аралық күштер неғұрлым үлкен болса солғұрлым σ беттік керілу жоғары болады. Температураның артуымен бірге сұйықтың σ беттік керілуі әлсірейді.

7. Сұйықтардағы сутектік байланыстар бірқатар арнайы қасиеттердің пайда болуына әкеледі:

- сұйық құрамынан шығатын есептік деректермен салыстырғанда Т_кр. кристалдану температурасы және Т_кип. қайнау температурасы артады;

- молекулалардың поляризациялануының жоғары дәрежесінен сұйықтың μ диэлектриктік өтімділігі артады;

- сутектік байланысты жүйелер σ беттік керілу күштерінің жоғары мәндерімен, жоғары меншікті жылу сыйымдылық салдарынан L_исп үлкен мәндерімен сипатталады ;

- ерітілетін заттың молекулаларының еріткішпен сольватациялануға (егер еріткіш су болса- гидратациялану) және үлкен ассоциаттардың (бір ерітіндіде олар ерігіштің 100 деген молекулаларынан тұруы мүмкін) ;

- сутектік байланыстар болғанда сұйық молекулалары (әсіресе полярлылары) өзіндік иондануға қабілетті. Мысалы, сұйық судың молекулалары энергетикалық пайдалы сутектік байланыстар есебінен тетраэдр ассоциаттар түрінде болады. Бөлшектердің бір біріне қатысты жылулық қозғалысы молекулалардың бірінде –О–Н байланысын әлсіретіп және оны үзуі мүмкін. Үзілу протонның көршілес молекулаға сутектік байланыстың донорлық-акцепторлық механизмімен коваленттіге айналуы есебінен іске асады. Су молекулаларының иондануы нәтижесінде өзінің бетіне еріткіштің полярлы молекулаларын тартып – иондардың гидратациялануы іске асады.

Әртүрлі таңбалы гидратталған иондар соқтығысқанда қайтадан су молекулалары пайда болады (молдану процесі). Бұдан сұйық молекуласының иондану реакциясының өзі қайтымды болатындығы шығады. Мұнымен қоса, –О–Н байланысының мықтылығының салдарынан иондану дәрежесі елеусіз болып қалады.

Ионданудың өзінің аналогиялы картинасы молекулалары бір бірімен сутектік байланыспен байланысқан басқа да сұйықтардан көрінеді:

H₃N – – HNH₂ ◄═► NH+ NH

H₂S – – HSH ◄═► SH+ SH^–

HNO₃ – – HNO₃ ◄═► NO₃H+ NO

H₂SO₄ – – HSO₄H ◄═► SO₄H+ HSO.

Н⁺ сутегі катионнын бере отырып (протон) жүретін реакциялар протолиттік деп аталады.

Басқа жағдайларда сұйықтың иондануының өзі басқа иондарды беру арқылы іске асады:

BrF₃ + FBrF₂ ◄═► BrF+ BrF

Ұқсас реакциялар апротонды деп аталады.

Сұйық кристаллдар. Кейбір сұйық заттарды салқындатқанда сұйыққа да қаттыға да ұқсайтын олардың жаңа қасиеттері пайда болады. Бұл күйде зат жартылай мөлдір немесе мөлдір емес, аққыштығын сақтайды. Бірақ анизатропты(оптикалық остер бойынша жарықтың сыну көрсеткішінің әртүрлі болуы) қасиеттерге ие болады. Құрылымының жоғары реттілігіне ие («алыс реттілік»).

Заттың мұндай күйі сұйық кристаллдық деп аталады. Бұл балқыту процестерін бақылағанда байқалды. Кейбір заттар балқығанда жарық шашыратуға және қосарынан жарық сындыратын мөлдір емес сұйық пайда болады. Мұнда ішінара алыс реттілік бұзылады. Ары қарай қыздырғанда мөлдір емес ерітінді изотропты қасиеттерге ие мөлдір сұйыққа айналады. Молекулалық реттілігі бойынша сұйық кристаллдар үш өлшемді алыс реттілікке ие қатты кристаллдар мен бөлшектер орналасуында жақын реттілікке ие сұйықтардың арасындағы аралық күйде болады. Сондықтан сұйық кристаллдық күйді кейде мезоморфты («мезос» -аралық), ал заттың өзін –мезо-фаза деп атайды.

Сұйықтар мен кристаллдарға тән қасиеттердің өзіндік үйлесімділігі сұйық кристаллдардың ішкі молекулалық құрылымының ерекшеліктеріне негізделген. Сұйық кристаллдардың негізгі үш түрін ажыратады:

-Смектикалық(грекше «смегма» -сабын) – молекулалары тартылған түтік тәріздес пішінге ие, бір біріне параллель бағдарланған және жұқа қабаттар түзетін заттардан түзілген (9.3 сурет). Қабаттар ішінде бүйір жақтарында молекулалар орналасуындағы қатаң периодтылық жоқ. (Мысалы, түрлі сабын көпіршіктері- смектикалық кристаллдар). Смектикалық қабат қатты кристаллдың маңызды қасиетіне - оптикалық қасиеттердің анизатропиясына ие, себебі молекулалардың ұзын осінің бойымен жарық онымен көлденеңінен гөрі аз жылдамдықпен таралады, және осы бағыттардағы сыну көрсеткіштері сұйық кристаллдарда әртүрлі.

8.3 сурет - Смектикалық типті сұйық кристаллдың

құрылымы

Нематикалық (грекшеден «нема» - жіп) – сұйық кристаллдар жіп тәріздес бөлшектерден тұрады, олар ыдыс қабырғасына жабысады немесе еркін күйінде қалады. Жіптер «таралған»және бір біріне параллель бағытталған, бірақ жоғары және төмен сырғанай алады (8.4 сурет). Нематикалық сұйық кристалдарға сәйкес келетін аналогия келесі – өз осінің айналасында еркін айнала алатын қысқа карандашты ұзын қорап, қорап бойымен оалар орын ауыстыра алады, бірақ ешқашан көлденеңінен тұрмайды. Нематикалық сұйық кристаллдар смектикалықтарға қарағанда аз ретті, бірақ әйткенмен олар анизатропты және микраскоптың астында кезектескен күңгірт және жарық жолақты «муар» текстураны береді. Электр және магнит өрістерінде смектикалық сұйық кристаллдар темір түйіршіктері секілді: өрістің күштік сызықтарының бойымен орналасады.

8.4 сурет - Нематикалық типті сұйық кристаллдың құрылысы

 

Холестерикалық сұйық кристалл холестериннен туынды ретінде қарастырылады. Мұнда жазық және ұзын молекулалар қабаттарға жиналған (смектикалық кристаллдардағыдай), бірақ әрбір қабаттың ішінде бөлшектердің орналасуы нематикалық сұйық кристаллдардағыдай. Ал қабаттардың өзі кеңістікте спиралді сипаттайды (8.5 сурет). Нәтижесінде анизатропия күрделі және түзсіз сұйық кристаллдар өзгермелі температуралы аймаққа түсіп жарқын бояққа ие болады.

8.5 сурет - Холестерикалық типті сұйық кристаллдың құрылысы

 

Әлемнің зертханаларында синтезделетін мыңдаған жаңа қосылыстардың ішінен кем дегенде бесеуі сұйық кристаллдар синтездей алады. Мұндай заттардың әмбебап қасиеттері оларды ғылым мен техниканың көптеген салаларында, жеке алғанда сұйық кристал дисплейлерді, жазық экрандарды, термометрлерді, микрокалькуляторларды, сағаттар циферблаттарын, өлшеуіш медициналық приборларды дайындауда қолдануға мүмкіндік береді.