Sólidos. Corpos cristalinos. Corpos amorfos. Corpos amorfos – Hipermercado do Conhecimento

Ao contrário dos sólidos cristalinos, não existe uma ordem estrita no arranjo das partículas em um sólido amorfo.

Embora os sólidos amorfos sejam capazes de manter sua forma, eles não possuem uma rede cristalina. Um certo padrão é observado apenas para moléculas e átomos localizados nas proximidades. Esta ordem é chamada fechar pedido . Não se repete em todas as direções e não persiste por longas distâncias, como acontece com os corpos cristalinos.

Exemplos de corpos amorfos são vidro, âmbar, resinas artificiais, cera, parafina, plasticina, etc.

Características de corpos amorfos

Átomos em corpos amorfos vibram em torno de pontos localizados aleatoriamente. Portanto, a estrutura desses corpos se assemelha à estrutura dos líquidos. Mas as partículas neles contidas são menos móveis. O tempo que eles oscilam em torno da posição de equilíbrio é maior do que nos líquidos. Os saltos de átomos para outra posição também ocorrem com muito menos frequência.

Como os sólidos cristalinos se comportam quando aquecidos? Eles começam a derreter em um certo ponto de fusão. E por algum tempo ficam simultaneamente no estado sólido e líquido, até que toda a substância derreta.

Sólidos amorfos não têm um ponto de fusão específico . Quando aquecidos, eles não derretem, mas amolecem gradualmente.

Coloque um pedaço de plasticina próximo ao aquecedor. Depois de algum tempo, ele ficará macio. Isso não acontece instantaneamente, mas durante um determinado período de tempo.

Como as propriedades dos corpos amorfos são semelhantes às dos líquidos, eles são considerados líquidos super-resfriados com viscosidade muito alta (líquidos congelados). Em condições normais, eles não podem fluir. Mas quando aquecidos, os saltos de átomos ocorrem com mais frequência, a viscosidade diminui e os corpos amorfos amolecem gradualmente. Quanto maior a temperatura, menor a viscosidade e gradualmente o corpo amorfo torna-se líquido.

O vidro comum é um corpo sólido amorfo. É obtido pela fusão de óxido de silício, soda e cal. Ao aquecer a mistura a 1400 o C, obtém-se uma massa líquida vítrea. Quando resfriado, o vidro líquido não solidifica como os corpos cristalinos, mas permanece líquido, cuja viscosidade aumenta e a fluidez diminui. Em condições normais, parece-nos um corpo sólido. Mas na verdade é um líquido que possui enorme viscosidade e fluidez, tão baixas que mal pode ser distinguido pelos instrumentos mais ultrassensíveis.

O estado amorfo de uma substância é instável. Com o tempo, ele gradualmente passa de um estado amorfo para um estado cristalino. Este processo ocorre em taxas diferentes em substâncias diferentes. Vemos bastões de doces ficando cobertos de cristais de açúcar. Isso não leva muito tempo.

E para que os cristais se formem no vidro comum, deve passar muito tempo. Durante a cristalização, o vidro perde resistência, transparência, torna-se turvo e quebradiço.

Isotropia de corpos amorfos

Em sólidos cristalinos, as propriedades físicas variam em diferentes direções. Mas nos corpos amorfos eles são iguais em todas as direções. Este fenômeno é chamado isotropia .

Um corpo amorfo conduz eletricidade e calor igualmente em todas as direções e refrata a luz igualmente. O som também viaja igualmente em corpos amorfos em todas as direções.

As propriedades das substâncias amorfas são utilizadas em tecnologias modernas. De particular interesse são as ligas metálicas que não possuem estrutura cristalina e pertencem a sólidos amorfos. Eles são chamados óculos de metal . Suas propriedades físicas, mecânicas, elétricas e outras diferem das dos metais comuns para melhor.

Assim, na medicina utilizam-se ligas amorfas cuja resistência excede a do titânio. Eles são usados ​​para fazer parafusos ou placas que conectam ossos quebrados. Ao contrário dos fixadores de titânio, este material desintegra-se gradualmente e é substituído ao longo do tempo por material ósseo.

Ligas de alta resistência são usadas na fabricação de ferramentas de corte de metal, acessórios, molas e peças de mecanismos.

Uma liga amorfa com alta permeabilidade magnética foi desenvolvida no Japão. Ao usá-lo em núcleos de transformadores em vez de chapas de aço texturizadas de transformadores, as perdas por correntes parasitas podem ser reduzidas em 20 vezes.

Os metais amorfos têm propriedades únicas. Eles são chamados de materiais do futuro.

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 (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.

CORPOS AMORFOS(Grego amorphos - sem forma) - corpos nos quais partículas constituintes elementares (átomos, íons, moléculas, seus complexos) estão localizadas aleatoriamente no espaço. Para distinguir corpos amorfos de cristalinos (ver Cristais), é usada a análise de difração de raios X (ver). Os corpos cristalinos nos padrões de difração de raios X fornecem um padrão de difração claro e definido na forma de anéis, linhas, manchas, enquanto os corpos amorfos fornecem uma imagem borrada e irregular.

Os corpos amorfos apresentam as seguintes características: 1) em condições normais são isotrópicos, ou seja, suas propriedades (mecânicas, elétricas, químicas, térmicas, etc.) são iguais em todas as direções; 2) não possuem ponto de fusão determinado e, com o aumento da temperatura, a maioria dos corpos amorfos, amolecendo gradativamente, passam ao estado líquido. Portanto, os corpos amorfos podem ser considerados como líquidos super-resfriados que não tiveram tempo de cristalizar devido a um aumento acentuado na viscosidade (ver) devido a um aumento nas forças de interação entre moléculas individuais. Muitas substâncias, dependendo dos métodos de produção, podem estar nos estados amorfo, intermediário ou cristalino (proteínas, enxofre, sílica e assim por diante). No entanto, existem substâncias que existem quase exclusivamente num destes estados. Assim, a maioria dos metais e sais estão no estado cristalino.

Os corpos amorfos são comuns (vidro, resinas naturais e artificiais, borracha e assim por diante). Os materiais poliméricos artificiais, que também são corpos amorfos, tornaram-se indispensáveis ​​​​na tecnologia, na vida cotidiana e na medicina (vernizes, tintas, plásticos para próteses, diversos filmes poliméricos).

Na natureza viva, os corpos amorfos incluem o citoplasma e a maioria dos elementos estruturais das células e tecidos, constituídos por biopolímeros - macromoléculas de cadeia longa: proteínas, ácidos nucléicos, lipídios, carboidratos. Moléculas de biopolímeros interagem facilmente umas com as outras, formando agregados (ver Agregação) ou enxame-coacervados (ver Coacervação). Os corpos amorfos também são encontrados nas células na forma de inclusões e substâncias de reserva (amido, lipídios).

Uma característica dos polímeros que constituem os corpos amorfos dos objetos biológicos é a presença de limites estreitos de zonas físico-químicas de estado reversível, por exemplo. Quando a temperatura sobe acima da temperatura crítica, sua estrutura e propriedades mudam irreversivelmente (coagulação de proteínas).

Corpos amorfos formados por uma série de polímeros artificiais, dependendo da temperatura, podem estar em três estados: vítreo, altamente elástico e líquido (fluido viscoso).

As células de um organismo vivo são caracterizadas por transições de um estado líquido para um estado altamente elástico a uma temperatura constante, por exemplo, retração de um coágulo sanguíneo, contração muscular (ver). Nos sistemas biológicos, os corpos amorfos desempenham um papel crucial na manutenção do citoplasma num estado estacionário. O papel dos corpos amorfos na manutenção da forma e da força dos objetos biológicos é importante: a membrana de celulose das células vegetais, as membranas dos esporos e bactérias, a pele dos animais e assim por diante.

Bibliografia: Bresler S. E. e Yerusalimsky B. L. Física e química de macromoléculas, M.-L., 1965; Kitaygorodsky A. I. Análise estrutural de raios X de corpos cristalinos finos e amorfos, M.-L., 1952; também conhecido como. Ordem e desordem no mundo dos átomos, M., 1966; Kobeko P. P. Substâncias amorfas, M.-L., 1952; Setlow R. e Pollard E. Biofísica molecular, trad. do inglês, M., 1964.

No parágrafo anterior aprendemos que alguns sólidos (por exemplo, sal, quartzo, metais e outros) são mono ou policristais. Vamos conhecer agora corpos amorfos. Eles ocupam uma posição intermediária entre cristais e líquidos, portanto não podem ser chamados inequivocamente de sólidos.

Vamos fazer uma experiência. Precisaremos de: um pedaço de plasticina, uma vela de estearina e um aquecedor elétrico. Vamos colocar a plasticina e a vela a distâncias iguais do aquecedor. Em breve parte da vela derreterá, parte permanecerá na forma sólida e a plasticina “ficará mole”. Depois de algum tempo, toda a estearina irá derreter e a plasticina irá gradualmente “dissolver-se”, tornando-se completamente macia.

Como a estearina, existem outros substâncias cristalinas, que não amolecem quando aquecidos, e durante o derretimento sempre é possível ver tanto o líquido quanto a parte do corpo que ainda não derreteu. Isto, por exemplo, são todos metais. Mas também existem substâncias amorfas, que ao serem aquecidos amolecem gradativamente e tornam-se cada vez mais fluidos, sendo impossível indicar a temperatura na qual o corpo se transforma em líquido (derrete).

Corpos amorfos em qualquer temperatura têm fluidez. Vamos confirmar isso com a experiência. Vamos jogar um pedaço de substância amorfa em um funil de vidro e deixá-lo em uma sala quente (na foto - resina de alcatrão; com ela é feito asfalto). Depois de algumas semanas, a resina assumiu a forma de um funil e até começou a fluir como um “jato”. Aquilo é um corpo amorfo se comporta como um líquido muito espesso e viscoso.

A estrutura dos corpos amorfos. Microscópio eletrônico e estudos de raios X mostram 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, apenas fechar pedido– uma certa ordem do arranjo das partículas é preservada apenas perto de cada partícula individual(Ver foto). A parte superior mostra o arranjo das partículas no quartzo cristalino, a parte inferior mostra a forma amorfa do quartzo. Essas substâncias consistem nas mesmas partículas - moléculas de óxido de silício SiO 2.

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, criando lacunas relativamente grandes em locais. No entanto, isto não é o mesmo que “vagas” nos cristais (ver § 7º).

Cristalização de corpos amorfos. Com o tempo (semanas, meses), substâncias amorfas 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 esse doce ou pegar o mel com uma colher, veremos 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 de atração e repulsão dos “vizinhos” movem partículas de um corpo amorfo para posições onde a energia potencial é mínima(ver § 7-d). Nesse caso, surge um arranjo mais ordenado de partículas, o que significa que ocorre uma cristalização independente.

É preciso lembrar que nem todos os corpos que existem no planeta Terra possuem estrutura cristalina. As exceções à regra são chamadas de “corpos amorfos”. Como eles são diferentes? Com base na tradução deste termo - amorfo - pode-se supor que tais substâncias diferem das demais em sua forma ou aparência. Estamos falando da ausência da chamada rede cristalina. O processo de divisão que produz arestas não ocorre. Os corpos amorfos também se distinguem pelo fato de não dependerem do meio ambiente e suas propriedades serem constantes. Essas substâncias são chamadas de isotrópicas.

Uma breve descrição de corpos amorfos

No curso escolar de física, você pode lembrar que as substâncias amorfas têm uma estrutura na qual os átomos nelas contidos são organizados de maneira caótica. Apenas as estruturas vizinhas onde tal disposição é forçada podem ter uma localização específica. Mesmo assim, fazendo uma analogia com os cristais, os corpos amorfos não têm uma ordem estrita de moléculas e átomos (na física essa propriedade é chamada de “ordem de longo alcance”). Como resultado da pesquisa, constatou-se que essas substâncias são semelhantes em estrutura aos líquidos.

Alguns corpos (por exemplo, podemos pegar o dióxido de silício, cuja fórmula é SiO 2) podem estar simultaneamente em estado amorfo e ter uma estrutura cristalina. O quartzo na primeira versão tem a estrutura de uma treliça irregular, na segunda - um hexágono regular.

Propriedade nº 1

Como mencionado acima, os corpos amorfos não possuem uma rede cristalina. Seus átomos e moléculas possuem uma ordem curta de arranjo, que será a primeira propriedade distintiva dessas substâncias.

Propriedade nº 2

Esses corpos são privados de fluidez. Para explicar melhor a segunda propriedade das substâncias, podemos fazer isso usando o exemplo da cera. Não é nenhum segredo que se você colocar água em um funil, ela simplesmente sairá dele. O mesmo acontecerá com quaisquer outras substâncias fluidas. Mas as propriedades dos corpos amorfos não lhes permitem realizar tais “truques”. Se a cera for colocada em um funil, ela primeiro se espalhará pela superfície e só então começará a escorrer. Isso se deve ao fato de que as moléculas de uma substância saltam de uma posição de equilíbrio para outra completamente diferente, sem ter uma localização primária.

Propriedade nº 3

É hora de falar sobre o processo de fusão. Deve-se lembrar que as substâncias amorfas não possuem uma temperatura específica na qual começa a fusão. À medida que a temperatura aumenta, o corpo torna-se gradualmente mais macio e depois se transforma em líquido. Os físicos sempre se concentram não na temperatura na qual um determinado processo começou a ocorrer, mas na faixa correspondente de temperatura de fusão.

Propriedade nº 4

Já foi mencionado acima. Corpos amorfos são isotrópicos. Ou seja, suas propriedades em qualquer direção permanecem inalteradas, mesmo que as condições de permanência nos locais sejam diferentes.

Propriedade nº 5

Pelo menos uma vez, todas as pessoas observaram que durante um certo período de tempo o vidro começou a ficar turvo. Esta propriedade dos corpos amorfos está associada ao aumento da energia interna (é várias vezes maior que a dos cristais). Por causa disso, essas substâncias podem facilmente entrar no estado cristalino.

Transição para o estado cristalino

Após um certo período de tempo, qualquer corpo amorfo se transforma em um estado cristalino. Isso pode ser observado na vida cotidiana de uma pessoa. Por exemplo, se você deixar doces ou mel por vários meses, poderá notar que ambos perderam a transparência. A pessoa comum dirá que eles são simplesmente açucarados. Na verdade, se você quebrar o corpo, notará a presença de cristais de açúcar.

Então, falando sobre isso, é preciso esclarecer que a transformação espontânea para outro estado se deve ao fato das substâncias amorfas serem instáveis. Comparando-os com os cristais, pode-se entender que estes últimos são muitas vezes mais “poderosos”. Este fato pode ser explicado usando a teoria intermolecular. Segundo ele, as moléculas saltam constantemente de um lugar para outro, preenchendo assim os vazios. Com o tempo, uma rede cristalina estável é formada.

Derretimento de corpos amorfos

O processo de fusão dos corpos amorfos é o momento em que, com o aumento da temperatura, todas as ligações entre os átomos são destruídas. É quando a substância se transforma em líquido. Se as condições de fusão forem tais que a pressão seja a mesma durante todo o período, então a temperatura também deverá ser fixada.

Cristais líquidos

Na natureza, existem corpos que possuem uma estrutura líquido-cristalina. Via de regra, estão incluídos na lista das substâncias orgânicas e suas moléculas têm formato de fio. Os corpos em questão possuem propriedades de líquidos e cristais, nomeadamente fluidez e anisotropia.

Nessas substâncias, as moléculas estão localizadas paralelamente entre si, porém não existe uma distância fixa entre elas. Eles se movem constantemente, mas não estão dispostos a mudar de orientação, por isso estão constantemente na mesma posição.

Metais amorfos

Os metais amorfos são mais conhecidos pelo cidadão comum como vidros metálicos.

Já em 1940, os cientistas começaram a falar sobre a existência desses corpos. Já então se sabia que os metais especialmente produzidos por deposição a vácuo não possuíam redes cristalinas. E apenas 20 anos depois foi produzido o primeiro vidro desse tipo. Não atraiu muita atenção dos cientistas; e só depois de mais 10 anos é que profissionais americanos e japoneses, e depois coreanos e europeus, começaram a falar sobre ele.

Os metais amorfos são caracterizados pela viscosidade, um nível bastante elevado de resistência e resistência à corrosão.