Propriedades físicas de corpos amorfos. Enciclopédia escolar

>>Física: Corpos amorfos

Nem todos os sólidos são cristais. Existem muitos corpos amorfos. Como eles são diferentes dos cristais?
Os corpos amorfos não possuem uma ordem estrita no arranjo dos átomos. Apenas os átomos vizinhos mais próximos estão organizados em alguma ordem. Mas não há repetibilidade estrita em todas as direções do mesmo elemento estrutural, característico dos cristais, em corpos amorfos.
Em termos do arranjo dos átomos e do seu comportamento, os corpos amorfos são semelhantes aos líquidos.
Freqüentemente, a mesma substância pode ser encontrada nos estados cristalino e amorfo. Por exemplo, o quartzo SiO 2 pode estar na forma cristalina ou amorfa (sílica). A forma cristalina do quartzo pode ser representada esquematicamente como uma rede de hexágonos regulares ( Figura 12.6, uma). A estrutura amorfa do quartzo também tem o aspecto de uma treliça, mas de formato irregular. Junto com hexágonos, contém pentágonos e heptágonos ( Figura: 12.6, b).
Propriedades dos corpos amorfos. Todos os corpos amorfos são isotrópicos, ou seja, suas propriedades físicas são iguais em todas as direções. Corpos amorfos incluem vidro, resina, breu, açúcar doce, etc.
Sob influências externas, os corpos amorfos exibem propriedades elásticas, como os sólidos, e fluidez, como os líquidos. Assim, sob impactos (impactos) de curta duração, eles se comportam como corpos sólidos e, sob forte impacto, quebram-se em pedaços. Mas com uma exposição muito longa, corpos amorfos fluem. Você pode ver isso por si mesmo se for paciente. Siga o pedaço de resina que está sobre uma superfície dura. Aos poucos a resina se espalha sobre ela, e quanto maior a temperatura da resina, mais rápido isso acontece.
Átomos ou moléculas de corpos amorfos, como moléculas de um líquido, têm um certo tempo de “vida estável” - o tempo de oscilações em torno da posição de equilíbrio. Mas, ao contrário dos líquidos, este tempo é muito longo.
Então, para var em t= 20°C o tempo de “vida estabilizada” é de aproximadamente 0,1 s. Nesse aspecto, os corpos amorfos estão próximos dos cristalinos, uma vez que os saltos dos átomos de uma posição de equilíbrio para outra ocorrem relativamente raramente.
Os corpos amorfos a baixas temperaturas assemelham-se aos corpos sólidos nas suas propriedades. Quase não têm fluidez, mas à medida que a temperatura aumenta, amolecem gradualmente e as suas propriedades tornam-se cada vez mais próximas das propriedades dos líquidos. Isso acontece porque com o aumento da temperatura, os saltos dos átomos de uma posição de equilíbrio para outra tornam-se gradualmente mais frequentes. Certo ponto de fusão Os corpos amorfos, diferentemente dos cristalinos, não.
Cristais líquidos. Na natureza existem substâncias que possuem simultaneamente as propriedades básicas de um cristal e de um líquido, nomeadamente anisotropia e fluidez. Este estado da matéria é chamado cristal líquido. Os cristais líquidos são principalmente substâncias orgânicas cujas moléculas têm um formato longo, semelhante a um fio ou placa plana.
Consideremos o caso mais simples, quando um cristal líquido é formado por moléculas semelhantes a fios. Essas moléculas estão localizadas paralelamente umas às outras, mas são deslocadas aleatoriamente, ou seja, a ordem, ao contrário dos cristais comuns, existe apenas em uma direção.
Durante o movimento térmico, os centros destas moléculas movem-se aleatoriamente, mas a orientação das moléculas não muda e elas permanecem paralelas a si mesmas. A orientação molecular estrita não existe em todo o volume do cristal, mas em pequenas regiões chamadas domínios. A refração e a reflexão da luz ocorrem nos limites do domínio, razão pela qual os cristais líquidos são opacos. Porém, em uma camada de cristal líquido colocada entre duas placas finas, cuja distância entre elas é de 0,01-0,1 mm, com depressões paralelas de 10-100 nm, todas as moléculas ficarão paralelas e o cristal se tornará transparente. Se a tensão elétrica for aplicada a algumas áreas do cristal líquido, o estado do cristal líquido será interrompido. Estas áreas tornam-se opacas e começam a brilhar, enquanto as áreas sem tensão permanecem escuras. Este fenômeno é utilizado na criação de telas de televisão de cristal líquido. Deve-se notar que a própria tela consiste em um grande número de elementos e o circuito de controle eletrônico de tal tela é extremamente complexo.
Física do estado sólido. A humanidade sempre usou e continuará a usar sólidos. Mas se anteriormente a física do estado sólido ficou para trás no desenvolvimento da tecnologia baseada na experiência direta, agora a situação mudou. A pesquisa teórica leva à criação de sólidos cujas propriedades são completamente incomuns.
Seria impossível obter tais corpos por tentativa e erro. A criação dos transistores, que será discutida mais adiante, é um exemplo notável de como a compreensão da estrutura dos sólidos levou a uma revolução em toda a engenharia de rádio.
A obtenção de materiais com propriedades mecânicas, magnéticas, elétricas e outras especificadas é uma das principais direções da moderna física do estado sólido. Aproximadamente metade dos físicos do mundo trabalham agora nesta área da física.
Os sólidos amorfos ocupam uma posição intermediária entre sólidos cristalinos e líquidos. Seus átomos ou moléculas estão organizados em ordem relativa. Compreender a estrutura dos sólidos (cristalinos e amorfos) permite criar materiais com as propriedades desejadas.

???
1. Como os corpos amorfos diferem dos corpos cristalinos?
2. Dê exemplos de corpos amorfos.
3. A profissão de soprador de vidro teria surgido se o vidro fosse um sólido cristalino em vez de amorfo?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Física 10ª série

Se você tiver correções ou sugestões para esta lição,

MINISTRO DA EDUCAÇÃO

FÍSICA 8ª série

Relatório sobre o tema:

“Corpos amorfos. Derretimento de corpos amorfos.”

Aluno do 8º ano:

2009

Corpos amorfos.

Vamos fazer uma experiência. Precisaremos de um pedaço de plasticina, uma vela de estearina e uma lareira elétrica. Vamos colocar a plasticina e uma vela a distâncias iguais da lareira. Depois de algum tempo, parte da estearina derreterá (tornar-se-á líquida) e parte permanecerá na forma de um pedaço sólido. Ao mesmo tempo, a plasticina amolecerá apenas um pouco. Depois de algum tempo, toda a estearina derreterá e a plasticina irá gradualmente “corroer” ao longo da superfície da mesa, amolecendo cada vez mais.

Portanto, existem corpos que não amolecem quando derretidos, mas passam imediatamente do estado sólido para o líquido. Durante a fusão de tais corpos, é sempre possível separar o líquido da parte ainda não derretida (sólida) do corpo. Esses corpos são cristalino. Existem também sólidos que, quando aquecidos, amolecem gradativamente e tornam-se cada vez mais fluidos. Para tais corpos é impossível indicar a temperatura na qual eles se transformam em líquidos (derretem). Esses corpos são chamados amorfo.

Vamos fazer o seguinte experimento. Jogue um pedaço de resina ou cera em um funil de vidro e deixe-o em uma sala quente. Depois de cerca de um mês, descobrirá que a cera assumiu a forma de um funil e até começou a escorrer dele em forma de “riacho” (Fig. 1). Em contraste com os cristais, que mantêm a sua forma quase para sempre, os corpos amorfos apresentam fluidez mesmo a baixas temperaturas. Portanto, podem ser considerados líquidos muito espessos e viscosos.

A estrutura dos corpos amorfos. Estudos com microscópio eletrônico, bem como com raios X, indicam que em corpos amorfos não existe uma ordem estrita no arranjo de suas partículas. Dê uma olhada, a figura 2 mostra o arranjo das partículas no quartzo cristalino, e a da direita mostra o arranjo das partículas no quartzo amorfo. Essas substâncias consistem nas mesmas partículas - moléculas de óxido de silício SiO 2.

O estado cristalino do quartzo é obtido se o quartzo fundido for resfriado lentamente. Se o resfriamento do fundido for rápido, as moléculas não terão tempo de “alinhar-se” em fileiras ordenadas e o resultado será quartzo amorfo.

Partículas de corpos amorfos oscilam contínua e aleatoriamente. Eles podem pular de um lugar para outro com mais frequência do que partículas de cristal. Isso também é facilitado pelo fato de que as partículas dos corpos amorfos estão localizadas de forma desigualmente densa: há vazios entre elas.

Cristalização de corpos amorfos. Com o tempo (vários meses, anos), as substâncias amorfas transformam-se espontaneamente em um estado cristalino. Por exemplo, balas de açúcar ou mel fresco deixados em um local quente ficarão opacos após alguns meses. Dizem que mel e doces são “cristalizados”. Ao quebrar uma bengala de doce ou pegar mel com uma colher, veremos de fato os cristais de açúcar que se formaram.

A cristalização espontânea de corpos amorfos indica que o estado cristalino de uma substância é mais estável que o amorfo. A teoria intermolecular explica desta forma. As forças intermoleculares de atração e repulsão fazem com que as partículas de um corpo amorfo saltem preferencialmente para onde existem vazios. Como resultado, surge um arranjo de partículas mais ordenado do que antes, ou seja, forma-se um policristal.

Fusão de corpos amorfos.

À medida que a temperatura aumenta, a energia do movimento vibracional dos átomos em um sólido aumenta e, finalmente, chega um momento em que as ligações entre os átomos começam a se romper. Nesse caso, o sólido passa para o estado líquido. Essa transição é chamada Derretendo. A uma pressão fixa, a fusão ocorre a uma temperatura estritamente definida.

A quantidade de calor necessária para converter uma unidade de massa de uma substância em um líquido em seu ponto de fusão é chamada de calor específico de fusão. λ .

Para derreter uma substância de massa eu é necessário gastar uma quantidade de calor igual a:

Q = λ m .

O processo de fusão de corpos amorfos difere da fusão de corpos cristalinos. À medida que a temperatura aumenta, os corpos amorfos amolecem gradualmente e tornam-se viscosos até se transformarem em líquidos. Os corpos amorfos, diferentemente dos cristais, não possuem um ponto de fusão específico. A temperatura dos corpos amorfos muda continuamente. Isso acontece porque nos sólidos amorfos, como nos líquidos, as moléculas podem se mover umas em relação às outras. Quando aquecidos, sua velocidade aumenta e a distância entre eles aumenta. Como resultado, o corpo fica cada vez mais macio até se transformar em líquido. Quando os corpos amorfos solidificam, a sua temperatura também diminui continuamente.

A maioria das substâncias no clima temperado da Terra está no estado sólido. Os sólidos mantêm não apenas a sua forma, mas também o seu volume.

Com base na natureza do arranjo relativo das partículas, os sólidos são divididos em três tipos: cristalinos, amorfos e compósitos.

Corpos amorfos. Exemplos de corpos amorfos incluem vidro, várias resinas endurecidas (âmbar), plásticos, etc. Se um corpo amorfo for aquecido, ele amolece gradualmente e a transição para o estado líquido ocorre em uma faixa significativa de temperatura.

A semelhança com os líquidos é explicada pelo fato de que os átomos e moléculas dos corpos amorfos, assim como as moléculas dos líquidos, têm um tempo de “vida estável”. Não existe um ponto de fusão específico, portanto os corpos amorfos podem ser considerados líquidos super-resfriados com viscosidade muito alta. A ausência de ordem de longo alcance no arranjo dos átomos dos corpos amorfos leva ao fato de que uma substância no estado amorfo tem uma densidade menor do que no estado cristalino.

A desordem no arranjo dos átomos dos corpos amorfos leva ao fato de que a distância média entre os átomos nas diferentes direções é a mesma, portanto são isotrópicos, ou seja, todas as propriedades físicas (mecânicas, ópticas, etc.) não dependem de a direção da influência externa. Um sinal de corpo amorfo é o formato irregular da superfície quando fraturado. Corpos amorfos após um longo período de tempo ainda mudam de forma sob a influência da gravidade. Isso faz com que pareçam líquidos. À medida que a temperatura aumenta, esta mudança de forma ocorre mais rapidamente. O estado amorfo é instável; ocorre uma transição do estado amorfo para o estado cristalino. (O vidro fica turvo.)

Corpos cristalinos. Se houver periodicidade no arranjo dos átomos (ordem de longo alcance), o sólido é cristalino.

Se você examinar os grãos de sal com uma lupa ou microscópio, notará que eles são limitados por bordas planas. A presença de tais faces é um sinal de estar em estado cristalino.

Um corpo que é um cristal é chamado de cristal único. A maioria dos corpos cristalinos consiste em muitos pequenos cristais localizados aleatoriamente que cresceram juntos. Esses corpos são chamados de policristais. Um pedaço de açúcar é um corpo policristalino. Cristais de diferentes substâncias têm formas diferentes. Os tamanhos dos cristais também são variados. Os tamanhos dos cristais policristalinos podem mudar com o tempo. Pequenos cristais de ferro transformam-se em grandes, este processo é acelerado por impactos e choques, ocorre em pontes de aço, trilhos ferroviários, etc., como resultado a resistência da estrutura diminui com o tempo.

Muitos corpos com a mesma composição química no estado cristalino, dependendo das condições, podem existir em duas ou mais variedades. Essa propriedade é chamada de polimorfismo. O gelo tem até dez modificações conhecidas. Polimorfismo de carbono – grafite e diamante.

Uma propriedade essencial de um único cristal é a anisotropia - a dissimilaridade de suas propriedades (elétricas, mecânicas, etc.) em diferentes direções.

Os corpos policristalinos são isotrópicos, ou seja, apresentam as mesmas propriedades em todas as direções. Isso se explica pelo fato de os cristais que compõem o corpo policristalino estarem orientados aleatoriamente entre si. Como resultado, nenhuma das direções é diferente das outras.

Foram criados materiais compósitos cujas propriedades mecânicas são superiores às dos materiais naturais. Materiais compósitos (compósitos) consistem em uma matriz e enchimentos. Materiais poliméricos, metálicos, de carbono ou cerâmicos são usados ​​​​como matriz. Os enchimentos podem consistir em bigodes, fibras ou fios. Em particular, os materiais compósitos incluem concreto armado e ferrografite.

O concreto armado é um dos principais tipos de materiais de construção. É uma combinação de reforço de concreto e aço.

O grafite de ferro é um material metalocerâmico composto por ferro (95-98%) e grafite (2-5%). A partir dele são feitos rolamentos e buchas para vários componentes e mecanismos de máquinas.

A fibra de vidro também é um material compósito, que é uma mistura de fibras de vidro e resina endurecida.

Ossos humanos e animais são um material composto composto por dois componentes completamente diferentes: colágeno e matéria mineral.

A estrutura dos corpos amorfos. Estudos usando microscópio eletrônico e raios X indicam que em corpos amorfos não existe uma ordem estrita no arranjo de suas partículas. Ao contrário dos cristais, onde há ordem de longo alcance no arranjo das partículas, na estrutura dos corpos amorfos existe ordem de fechamento. Isto significa que uma certa ordem no arranjo das partículas é preservada apenas perto de cada partícula individual (ver figura).

A parte superior da figura mostra o arranjo das partículas no quartzo cristalino, a parte inferior mostra a forma amorfa de existência do quartzo. Essas substâncias consistem nas mesmas partículas - moléculas de óxido de silício SiO2.

Como partículas de qualquer corpo, partículas de corpos amorfos flutuam contínua e aleatoriamente e, mais frequentemente do que partículas de cristais, podem saltar de um lugar para outro. Isso é facilitado pelo fato de que as partículas de corpos amorfos estão localizadas de forma desigualmente densa - em alguns lugares existem lacunas relativamente grandes entre suas partículas. No entanto, isto não é o mesmo que “vagas” nos cristais (ver § 7º).

Cristalização de corpos amorfos. Com o tempo (semanas, meses), alguns corpos amorfos espontaneamente transformar em um estado cristalino. Por exemplo, rebuçados de açúcar ou mel deixados sozinhos durante vários meses tornam-se opacos. Neste caso, diz-se que o mel e os doces são “cristalizados”. Ao quebrar uma bala cristalizada ou pegar o mel com uma colher, veremos na verdade a formação de cristais de açúcar que antes existiam em estado amorfo.

A cristalização espontânea de corpos amorfos indica que O estado cristalino de uma substância é mais estável que o amorfo. MKT explica desta forma. As forças repulsivas dos “vizinhos” forçam as partículas do corpo amorfo a se moverem preferencialmente para onde existem grandes lacunas. Como resultado, ocorre um arranjo mais ordenado das partículas, ou seja, ocorre a cristalização.

Verifique você mesmo:

1. O objetivo deste parágrafo é apresentar...
2. Que características comparativas demos aos corpos amorfos?
3. Para o experimento utilizamos os seguintes equipamentos e materiais: ...
4. Durante a preparação para o experimento, nós...
5. O que veremos durante o experimento?
6. Qual é o resultado da experiência com uma vela de estearina e um pedaço de plasticina?
7. Ao contrário dos corpos amorfos, os corpos cristalinos...
8. Quando um corpo cristalino derrete...
9. Ao contrário dos corpos cristalinos, amorfos...
10. Corpos amorfos incluem corpos para os quais...
11. O que faz os corpos amorfos parecerem líquidos? Eles...
12. Descreva o início do experimento para confirmar a fluidez dos corpos amorfos.
13. Descreva o resultado do experimento para confirmar a fluidez dos corpos amorfos.
14. Formule uma conclusão a partir da experiência.
15. Como sabemos que os corpos amorfos não possuem uma ordem estrita no arranjo de suas partículas?
16. Como entendemos o termo “ordem de curto alcance” no arranjo das partículas de um corpo amorfo?
17. As mesmas moléculas de óxido de silício são encontradas tanto no cristalino quanto no...
18. Qual é a natureza do movimento das partículas de um corpo amorfo?
19. Qual é a natureza do arranjo das partículas de um corpo amorfo?
20. O que pode acontecer aos corpos amorfos ao longo do tempo?
21. Como você pode ter certeza de que existem policristais de açúcar em doces ou mel cristalizado?
22. Por que pensamos que o estado cristalino de uma substância é mais estável que o amorfo?
23. Como o MCT explica a cristalização independente de alguns corpos amorfos?

FÍSICA 8ª série

Relatório sobre o tema:

“Corpos amorfos. Derretimento de corpos amorfos.”

Aluno do 8º ano:

2009

Corpos amorfos.

Vamos fazer uma experiência. Precisaremos de um pedaço de plasticina, uma vela de estearina e uma lareira elétrica. Vamos colocar a plasticina e uma vela a distâncias iguais da lareira. Depois de algum tempo, parte da estearina derreterá (tornará-se líquida) e parte permanecerá na forma de um pedaço sólido. Ao mesmo tempo, a plasticina amolecerá apenas um pouco. Depois de algum tempo, toda a estearina derreterá e a plasticina irá gradualmente “corroer” ao longo da superfície da mesa, amolecendo cada vez mais.

Portanto, existem corpos que não amolecem quando derretidos, mas passam imediatamente do estado sólido para o líquido. Durante a fusão de tais corpos, é sempre possível separar o líquido da parte ainda não derretida (sólida) do corpo. Esses corpos são cristalino. Existem também sólidos que, quando aquecidos, amolecem gradativamente e tornam-se cada vez mais fluidos. Para tais corpos é impossível indicar a temperatura na qual eles se transformam em líquidos (derretem). Esses corpos são chamados amorfo.

Vamos fazer o seguinte experimento. Jogue um pedaço de resina ou cera em um funil de vidro e deixe-o em uma sala quente. Depois de cerca de um mês, descobrirá que a cera assumiu a forma de um funil e até começou a escorrer dele em forma de “riacho” (Fig. 1). Em contraste com os cristais, que mantêm a sua forma quase para sempre, os corpos amorfos apresentam fluidez mesmo a baixas temperaturas. Portanto, podem ser considerados líquidos muito espessos e viscosos.

A estrutura dos corpos amorfos. Estudos com microscópio eletrônico, bem como com raios X, indicam que em corpos amorfos não existe uma ordem estrita no arranjo de suas partículas. Dê uma olhada, a figura 2 mostra o arranjo das partículas no quartzo cristalino, e a da direita mostra o arranjo das partículas no quartzo amorfo. Essas substâncias consistem nas mesmas partículas - moléculas de óxido de silício SiO 2.

O estado cristalino do quartzo é obtido se o quartzo fundido for resfriado lentamente. Se o resfriamento do fundido for rápido, as moléculas não terão tempo de “alinhar-se” em fileiras ordenadas e o resultado será quartzo amorfo.

Partículas de corpos amorfos oscilam contínua e aleatoriamente. Eles podem pular de um lugar para outro com mais frequência do que partículas de cristal. Isso também é facilitado pelo fato de que as partículas dos corpos amorfos estão localizadas de forma desigualmente densa: há vazios entre elas.

Cristalização de corpos amorfos. Com o tempo (vários meses, anos), as substâncias amorfas transformam-se espontaneamente em um estado cristalino. Por exemplo, balas de açúcar ou mel fresco deixados em um local quente ficarão opacos após alguns meses. Dizem que mel e doces são “cristalizados”. Ao quebrar uma bengala de doce ou pegar mel com uma colher, veremos de fato os cristais de açúcar que se formaram.

A cristalização espontânea de corpos amorfos indica que o estado cristalino de uma substância é mais estável que o amorfo. A teoria intermolecular explica desta forma. As forças intermoleculares de atração e repulsão fazem com que as partículas de um corpo amorfo saltem preferencialmente para onde existem vazios. Como resultado, surge um arranjo de partículas mais ordenado do que antes, ou seja, forma-se um policristal.

Fusão de corpos amorfos.

À medida que a temperatura aumenta, a energia do movimento vibracional dos átomos em um sólido aumenta e, finalmente, chega um momento em que as ligações entre os átomos começam a se romper. Nesse caso, o sólido passa para o estado líquido. Essa transição é chamada Derretendo. A uma pressão fixa, a fusão ocorre a uma temperatura estritamente definida.

A quantidade de calor necessária para converter uma unidade de massa de uma substância em um líquido em seu ponto de fusão é chamada de calor específico de fusão. λ .

Para derreter uma substância de massa eu é necessário gastar uma quantidade de calor igual a:

Q = λ m .

O processo de fusão de corpos amorfos difere da fusão de corpos cristalinos. À medida que a temperatura aumenta, os corpos amorfos amolecem gradualmente e tornam-se viscosos até se transformarem em líquidos. Os corpos amorfos, diferentemente dos cristais, não possuem um ponto de fusão específico. A temperatura dos corpos amorfos muda continuamente. Isso acontece porque nos sólidos amorfos, como nos líquidos, as moléculas podem se mover umas em relação às outras. Quando aquecidos, sua velocidade aumenta e a distância entre eles aumenta. Como resultado, o corpo fica cada vez mais macio até se transformar em líquido. Quando os corpos amorfos solidificam, a sua temperatura também diminui continuamente.