Почему некоторые вещи кристаллизуются? (А другие нет, если уж на то пошло.)

Кристаллическое состояние почти всегда является конфигурацией с наименьшей энергией для любого твердого тела) Я говорю почти, чтобы прикрыть спину, но я не могу вспомнить ни одного твердого тела, где это не так), поэтому при любом переходе из жидкости в твердое тело будет сформировать кристалл, если это возможно.

Жидкости не обладают дальним порядком, поэтому по мере замерзания вещества составляющие его частицы (атомы, ионы, молекулы и т. д.) должны иметь возможность перестраиваться в конфигурации, необходимые для кристаллической структуры. Это не происходит мгновенно, а требует времени, связанного со скоростью диффузии частиц компонента в расплаве. Как правило, если замораживание происходит медленно по сравнению со шкалой времени диффузии, то образуется кристалл, а при быстрой заморозке по сравнению со шкалой времени диффузии образуется аморфное твердое вещество.

Если взять такой металл, как висмут, то расплав содержит одиночные атомы висмута, которые быстро диффундируют. Это означает, что висмут (и большинство металлов) при замораживании образуют кристаллы. Можно получить аморфные металлы , но для этого требуется чрезвычайно быстрое охлаждение расплава. Даже тогда, когда я в последний раз смотрел (это не моя область), аморфные металлы были на самом деле кристаллическими, но с очень маленьким размером зерна.

С другой стороны, если вы возьмете такой полимер, как диметикон, молекулы будут огромными и диффундируют очень медленно. Это означает, что фактически невозможно сформировать кристалл диметикона путем замораживания расплава.

Самым известным аморфным твердым телом является стекло, и, поскольку оно состоит из SiO$_2$молекулы, вы можете задаться вопросом, почему при замерзании он образует аморфное твердое вещество. Ответ заключается в том, что в расплаве молекулы диоксида кремния соединяются, образуя длинные цепи, так что это фактически полимер, подобный диметикону. На самом деле возможно образование кристаллов стекла при замораживании, но вы должны поддерживать расплав при температуре замерзания в течение длительного времени.

Наконец, вы упомянули замерзание воды. Вода содержит H$_2$Молекулы O маленькие и быстро диффундируют, поэтому можно было бы ожидать, что они образуют кристаллическое твердое вещество, что в большинстве случаев и происходит. Однако быстрое охлаждение может привести к образованию аморфного льда .

Я могу попытаться ответить на ваш самый первый вопрос. Вода образует лед, потому что молекула воды испытывает электрический диполь (молекула воды полярна ). Эта полярность является результатом угла связи между атомом кислорода и каждым атомом водорода, а также того факта, что кислород имеет более сильное притяжение к отрицательно заряженным электронам. Этот постоянный дипольный момент дает молекуле области положительного заряда и области отрицательного заряда. Когда вода достигает точки замерзания, молекулы имеют меньшую колебательную энергию и гораздо меньше движутся друг относительно друга. Молекулы воды замерзают, и каждая молекула занимает одно неподвижное место в решетке. Из-за полярности молекулы воды образуют решетку, подобную решетке твердого ионного соединения, такого как соль.

Хорошее объяснение полярности воды (и хороший сайт в целом для HS или физики и химии в колледже) - http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/diph2o.html

Вот мультяшное изображение с сайтаlearnbiochemistry.wordpress.com , на котором изображена кристаллическая решетка, образованная твердой фазой воды. Кислороды (отрицательные) ориентированы на водороды (положительные).