В прошлом химики традиционно изучали превращения веществ в газообразном и жидком состоянии. И это естественно. Что отличает такие превращения? Подвижность частиц. Возможность быстрого равномерного распределения в них подведенной теплоты, реагентов. Возможность воздействия давлением, интенсивным турбулентным перемешиванием и т. п. позволяет свести к минимуму диффузионные ограничения, обеспечивает максимальный контакт между молекулами реагирующих веществ. Поэтому изучение механизма газо- и жидкофазных реакций, определение их скоростей значительно упрощаются. При реакциях в жидкой фазе легко отводить газообразные или выпадающие в осадок продукты.

Хотя некоторые твердофазные химические процессы известны давным-давно (например, процесс обжига известняка), исследования механизма и кинетики взаимодействия веществ в твердом состоянии относятся в основном к текущему столетию, т. е. химия твердого тела — молодая ветвь науки химии. Твердые вещества характеризуются относительной неподвижностью составляющих их частиц. Внутри кристалла, например, ионы располагаются строго определенным, регулярным образом. Плотность твердых тел заметно больше, чем жидкостей, а тем более газов. Твердые тела в отличие от жидкостей сохраняют свою форму, и модуль сдвига у твердых веществ отличен от нуля. К тому же потенциальная энергия частиц в твердом теле гораздо больше, чем кинетическая энергия.

Значительные отличия! Разумеется, что твердофазные реакции существенно отличаются от газо- и жидкофазных и механизмом, и кинетикой.

Становление химии твердого тела как науки началось с исследования химической связи и структуры кристаллов, с выявления роли дефектов кристаллов в химических реакциях, механизма диффузионных явлений в твердых телах, термодинамических и кинетических закономерностей твердофазных превращений. Развитие методов инициирования реакций в твердых телах привело к использованию достижений радиационной химии, фотохимии, физики твердого тела, материаловедения, механохимии.

Твердые вещества при невысоких температурах очень медленно приходят в состояние равновесия. Время релаксации для твердых тел на несколько порядков выше, чем для жидкостей и газов. Так, прозрачное аморфное стекло метастабильно и имеет тенденцию переходить в равновесное непрозрачное кристаллическое состояние. При обычных условиях это превращение происходит сотни лет.

Закалка специальных сталей также фиксирует метастабильные состояния. При этом сталь приобретает ценные качества: высокую твердость и прочность или же повышенную коррозионную стойкость.

Твердофазные реакции многообразны, и они могут быть классифицированы по разным признакам. Некоторые превращения не требуют переноса массы или заряда на расстояния большие, чем межатомные, например при термическом разложении карбонатов, при дегидратации кристаллогидратов солей и др.

В других случаях требуется перенос атомов, ионов или электронов на расстояния, существенно превышающие межатомные расстояния в решетке кристалла. К реакциям этого типа относятся окислительно-восстановительные, диффузионные фазовые превращения и другие. Есть реакции, которые ограничиваются процессами диффузии или скоростью чисто химических превращений.

Возникает вопрос: а как же в кристалле, где царит такой порядок, происходит перемещение атомов или ионов? Ведь никакая частица в твердом теле, казалось бы, не может совершать свободного движения. В действительности идеальных кристаллов нет и быть не может. Только при температуре абсолютного нуля строение и состав кристалла может быть идеальным.

При повышении температуры происходит разупорядочение. В первую очередь возникают тепловые колебания составных частей решетки. Средняя амплитуда таких колебаний невелика и не превышает межузельного расстояния. Однако всегда существуют флуктуации энергии для частиц: некоторые из них, имея существенно большую энергию и амплитуду колебаний, могут покинуть регулярные позиции и попасть в междоузлие. Возникают дефекты двух типов: вакансии — незанятые места в решетке (дефект Шоттки), или внедрение частицы между узлами решетки (дефект Френкеля). Доказательство неизбежности наличия дефектов в кристаллах при температуре выше абсолютного нуля принадлежит Я. И. Френкелю.

В идеальном кристалле атомы идентичны, энергии одинаковых связей равны, как и расстояния между сходными узлами. Любой дефект нарушает эту гармонию. Причем нарушение распространяется не только на ближайших соседей дефекта. Количество дефектов в кристалле обусловлено стремлением системы к минимуму свободной энергии. В результате электрического или теплового воздействия появляются также электронные дефекты, когда некоторые электроны не находятся в основном состоянии, характерном для невозбужденных атомов.

Полезная информация:

С каждым годом остеопатия становится всё более популярным направлением современной медицины. Основное применение остеопатии лечение заболеваний в таких сферах как неврология, ортопедия, педиатрия и др. Врач-остеопат должен обладать высочайшей чувствительностью, глубочайшими знаниями в области анатомии и физиологии. Без этого доктор не сможет определить перенапряжение мышц и связок, застой крови, изменения в работе внутренних органов.