Что такое стекло

Не нужно думать, что под стеклом в науке подразумевается только обычное прозрачное оконное или посудное стекло. В стеклообразном состоянии можно получить многие вещества. Внешними признаками это состояние похоже на твердое (объем и форма сохраняются), но дальний порядок в расположении частиц отсутствует. Исходя же из внутреннего строения вещества, надо считать, что стекло — это жидкость, но настолько вязкая, что это свойство заставляет ее сохранять свою форму. При нагревании вязкость жидкостей уменьшается. Стекло при нагревании становится постепенно все более текучим, пока не приобретет и внешние признаки жидкости. Мы говорим, что стекло «расплавилось». Но в отличие от истинного твердого тела, т. е. кристалла, невозможно точно сказать, при какой именно температуре произошло «плавление» стекла. Свойства его меняются при нагревании постепенно и непрерывно, в отличие от свойств кристалла.

Схема строения молекул кислорода, нафталина и воды
Среди молекул газа (А) нет никакого порядка. Молекулы твердого тела (Б) подчинены «дальнему порядку» — все молекулы связаны общим «строем» . Молекулы жидкости (В) подчинены «ближнему порядку» — каждая молекула связана лишь с соседними молекулами.

Всякая вязкая жидкость, например глицерин, при сильном охлаждении загустевает и переходит в стеклообразное состояние. Возникает вопрос: а нельзя ли перевести такую жидкость в кристаллическое состояние? Во время Отечественной воины в очень суровую зиму на подъездных путях одного из казанских заводов надолго задержалась цистерна с глицерином. Когда наконец цистерну подали под разгрузку, к великому удивлению работников завода, в ней оказалось какое-то странное кристаллическое вещество, вовсе не похожее на глицерин. Ученые из институтов Академии наук, эвакуированных в то время в Казань, стали исследовать загадочное вещество. Оказалось, что по химическому составу это был глицерин, но только кристаллический. Итак, глицерин закристаллизовался! Затем в старых научных журналах нашли сообщение о подобном же случае, происшедшем много лет назад.

А вот в лаборатории получить кристаллы глицерина никогда никому не удавалось. В чем же здесь дело? Оказывается, все в той же вязкости. Чтобы из жидкости образовался кристалл, ее молекулы должны «выстроиться», как солдаты на параде, в строгом дальнем порядке. Но для этого каждая молекула должна двигаться свободно и найти свое место в этом строю. А вязкость препятствует свободному движению. Если жидкость быстро охлаждать, то вязкость ее возрастет раньше, чем успеют образоваться кристаллы. Жидкость загустеет, вместо того чтобы закристаллизоваться. Такие жидкости, не перешедшие, несмотря на низкую температуру, в кристаллическое состояние, называют переохлажденными. Чем больше вязкость, тем дольше жидкость может оставаться в переохлажденном состоянии. Воду тоже можно переохладить, но вязкость ее все равно будет невелика, и от любого толчка она закристаллизуется. А вот глицерин слишком вязок, он может оставаться в переохлажденном состоянии годами и все же не закристаллизоваться.

Кристалл образуется в насыщенном растворе вещества. Каждая молекула пристраивается в строго определенном порядке к уже готовой кристаллической решетке. Из каждого вещества образуются кристаллы со свойственной ему геометрической формой.

Труднее всего при кристаллизации образоваться первоначальному зародышу кристалла, в котором пока лишь небольшое число молекул расположилось в порядке. Дальше образовавшийся зародыш растет гораздо легче: ведь на его поверхности для каждой следующей молекулы есть уже определенное место, куда ей прикрепляться. Редчайшие случаи кристаллизации глицерина объясняются, видимо, тем, что в середине большой цистерны охлаждение происходило очень медленно (внешние слои действовали как «шуба») и там кристаллические зародыши успевали образоваться раньше, чем вязкость становилась слишком большой.

Ученые и инженеры научились кристаллизовать и обычное стекло. Для этого в расплавленное стекло перед застыванием добавляют вещества, которые легко образуют зародыши кристаллизации (например, окись титана). Получается кристаллическое стекло, которое гораздо прочнее обычного и может заменять не только строительные материалы, но даже и металлы. Такие кристаллические стекла называют кристаллами.