Багато кристалічні речовини мають однакові структури. У той же час одне і те ж речовина може утворювати різні кристалічні структури. Це знаходить відображення в явищах ізоморфізму і поліморфізму.
Ізоморфізм полягає в здатності атомів, іонів або молекул заміщати один одного в кристалічних структурах. Цей термін (від грецьких "изос" - рівний і "морфе" - форма) був запропонований Е. Мічерліхом в 1819 р Закон ізоморфізму би сформульований Е. Мічерліхом в 1821 р таким чином: "Однакові кількості атомів, з'єднані однаковим способом, дають однакові кристалічні форми; при цьому кристалічна форма не залежить від хімічної природи атомів, а визначається тільки їх числом і відносним становищем ".
Ізоморфізм широко поширений в природі. Більшість мінералів є ізоморфні суміші складного змінного складу. Наприклад, в мінералі Сфалерит ZnS до 20% атомів цинку можуть бути заміщені атомами заліза (при цьому ZnS і FeS мають різні кристалічні структури). З изоморфизмом пов'язано геохімічне поведінка рідкісних і розсіяних елементів, їх поширення в гірських породах і рудах, де вони містяться у вигляді ізоморфних домішок.
Ізоморфне заміщення визначає багато корисних властивостей штучних матеріалів сучасної техніки - напівпровідників, ферромагнетиков, лазерних матеріалів.
Багато речовин можуть утворювати кристалічні форми, що мають різні структуру і властивості, але однаковий склад (поліморфні модифікації). Поліморфізм - здатність твердих речовин і рідких кристалів існувати в двох або декількох формах з різною кристалічною структурою і властивостями при одному і тому ж хімічному складі. Це слово походить від грецького "поліморфос" - різноманітний. Явище поліморфізму було відкрито М. Клапрот, який в 1798 р виявив, що два різних мінералу - кальцит і арагоніт - мають однаковий хімічний склад СаСО3.
Поліморфізм простих речовин зазвичай називають аллотропией, в той же час поняття поліморфізму не відноситься до некристалічні алотропна формам (наприклад, газоподібним О2 і О3). Типовий приклад поліморфних форм - модифікації вуглецю (алмаз, лонсдейліт, графіт, карбін і фулерени), які суттєво різняться за властивостями. Найбільш стабільною формою існування вуглецю є графіт, однак і інші його модифікації при звичайних умовах можуть зберігатися як завгодно довго. При високих температурах вони переходять в графіт. У разі алмазу це відбувається при нагріванні вище 1000 ° С за відсутності кисню. Зворотний перехід здійснити набагато важче. Необхідна не тільки висока температура (1200-1600 ° С), але і гігантське тиск - до 100 тисяч атмосфер. Перетворення графіту в алмаз проходить легше в присутності розплавлених металів (заліза, кобальту, хрому та інших).
У разі молекулярних кристалів поліморфізм проявляється в різній упаковці молекул в кристалі або в зміні форми молекул, а в іонних кристалах - в різному взаємне розташування катіонів та аніонів. Деякі прості і складні речовини мають більше двох поліморфних модифікацій. Наприклад, діоксид кремнію має десять модифікацій, фторид кальцію - шість, нітрат амонію - чотири. Поліморфні модифікації прийнято позначати грецькими буквами # 945 ;, # 946 ;, # 947 ;, # 948 ;, # 949 ;. починаючи з модифікацій, стійких при низьких температурах.
При кристалізації з пара, розчину або розплаву речовини, що має кілька поліморфних модифікацій, спочатку утворюється модифікація, менш стійка в даних умовах, яка потім перетворюється в більш стійку. Наприклад, при конденсації пари фосфору утворюється білий фосфор, який в звичайних умовах повільно, а при нагріванні швидше перетворюється в червоний фосфор. При зневодненні гідроксиду свинцю спочатку (близько 70 ° С) утворюється менш стійкий при низьких температурах жовтий # 946; -PbO, близько 100 ° С він перетворюється в червоний # 945; -PbO, а при 540 ° С - знову в # 946; -PbO.
Перехід однієї поліморфної модифікації в іншу називається поліморфними перетвореннями. Ці переходи відбуваються при зміні температури або тиску і супроводжуються стрибкоподібним зміною властивостей.
Процес переходу однієї модифікації в іншу може бути оборотним або необоротним. Так, при нагріванні білого м'якого графітоподібний речовини складу BN (нітрид бору) при 1500-1800 ° С і тиску в кілька десятків атмосфер утворюється його високотемпературна модифікація - боразон, по твердості близький до алмазу. При зниженні температури і тиску до значень, що відповідають звичайним умовам, боразон зберігає свою структуру. Прикладом оборотного переходу може служити взаємні перетворення двох модифікацій сірки (ромбічної і моноклінної) при 95 ° С.
Поліморфні перетворення можуть проходити і без істотної зміни структури. Іноді зміна кристалічної структури взагалі відсутня, наприклад, при переході # 945; -Fe в # 946; -Fe при 769 ° С структура заліза не змінюється, проте зникають його феромагнітні властивості.
Питання 8. Рівняння Бернуллі. Вимірювання витрати та швидкості.