Тверді тіла. Кристалічні тіла. Аморфні тіла. Аморфні тіла - Гіпермаркет знань

На відміну від кристалічних твердих тіл, розташування частинок в аморфному тілі немає строгого порядку.

Хоча аморфні тверді тіла здатні зберігати форму, кристалічних ґрат у них немає. Деяка закономірність спостерігається лише молекул і атомів, розташованих поруч. Такий порядок називається ближнім порядком . Він не повторюється за всіма напрямами і не зберігається на великих відстанях, як у кристалічних тіл.

Приклади аморфних тіл - скло, бурштин, штучні смоли, віск, парафін, пластилін та ін.

Особливості аморфних тіл

Атоми в аморфних тілах чинять коливання навколо точок, які розташовані хаотично. Тому структура цих тіл нагадує структуру рідин. Але частки у них менш рухливі. Час їх коливання навколо положення рівноваги більший, ніж у рідинах. Перескоки атомів в інше положення також відбуваються набагато рідше.

Як поводяться при нагріванні тверді кристалічні тіла? Вони починають плавитися за певної температурі плавлення. І деякий час одночасно перебувають у твердому та рідкому стані, поки не розплавиться вся речовина.

У аморфних тіл певної температури плавлення немає . При нагріванні вони не плавляться, а поступово розм'якшуються.

Покладемо шматок пластиліну поблизу нагрівального приладу. Через якийсь час він стане м'яким. Це відбувається не миттєво, а протягом певного інтервалу часу.

Так як властивості аморфних тіл схожі з властивостями рідин, їх розглядають як переохолоджені рідини з дуже великою в'язкістю (застиглі рідини). За звичайних умов текти вони не можуть. Але при нагріванні перескоки атомів у них відбуваються частіше, зменшується в'язкість і аморфні тіла поступово розм'якшуються. Що температура, тим менше в'язкість, і поступово аморфне тіло стає рідким.

Звичайне скло – тверде аморфне тіло. Його одержують, розплавляючи оксид кремнію, соду та вапно. Нагрів суміш до 1400 про З, отримують рідку склоподібну масу. При охолодженні рідке скло не твердне, як кристалічні тіла, а залишається рідиною, в'язкість якої збільшується, а плинність зменшується. За звичайних умов воно здається нам твердим тілом. Але насправді це рідина, яка має величезну в'язкість і плинність, настільки малу, що вона ледь відрізняється найчутливішими приладами.

Аморфний стан речовини нестійкий. Згодом з аморфного стану воно поступово переходить у кристалічний. Цей процес у різних речовинах проходить із різною швидкістю. Ми бачимо, як покриваються кристалами цукру льодяники. Для цього потрібно небагато часу.

А для того, щоб кристали утворилися у звичайному склі, часу має пройти чимало. При кристалізації скло втрачає свою міцність, прозорість, каламутніє, стає крихким.

Ізотропність аморфних тіл

У кристалічних твердих тілах фізичні властивості розрізняються у різних напрямках. А в аморфних тілах вони в усіх напрямках однакові. Це явище називають ізотропністю .

Аморфне тіло однаково проводить електрику та теплоту в усіх напрямках, однаково заломлює світло. Звук також однаково поширюються в аморфних тілах у всіх напрямках.

Властивості аморфних речовин використовуються у сучасних технологіях. Особливий інтерес викликають металеві сплави, які мають кристалічної структури і ставляться до твердим аморфним тілам. Їх називають металевим склом . Їх фізичні, механічні, електричні та інші властивості відрізняються від аналогічних властивостей звичайних металів на краще.

Так, у медицині використовують аморфні сплави, міцність яких перевищує міцність титану. З них роблять гвинти чи пластини, якими з'єднують зламані кістки. На відміну від титанових деталей кріплення, цей матеріал поступово розпадається і згодом замінюється кістковим матеріалом.

Застосовують високоміцні сплави для виготовлення металорізальних інструментів, арматури, пружин, деталей механізмів.

У Японії розроблено аморфний сплав, що має високу магнітну проникність. Застосувавши його у сердечниках трансформаторів замість текстурованих листів трансформаторної сталі, можна знизити втрати на вихрових струмах у 20 разів.

Аморфні метали мають унікальні властивості. Їх називають матеріалом майбутнього.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ

ФІЗИКА 8 КЛАС

Доповідь на тему:

Аморфні тіла. Плавлення аморфних тіл.

учениця 8 "б" класу:

2009

Аморфні тіла.

Зробимо досвід. Нам знадобляться шматок пластиліну, стеаринова свічка та електрокамін. Поставимо пластилін і свічку на рівних відстанях від каміна. Через деякий час частина стеарину розплавиться (стане рідиною), а частина - залишиться у вигляді твердого шматочка. Пластилін за той самий час лише трохи розм'якшиться. Ще через деякий час весь стеарин розплавиться, а пластилін - поступово "роз'їдеться" по поверхні столу, дедалі більше розм'якшуючись.

Отже, існують тіла, які при плавленні не розм'якшуються, а з твердого стану перетворюються одразу на рідину. Під час плавлення таких тіл завжди можна відокремити рідину від твердої частини тіла, що ще не розплавилася. Ці тіла - кристалічні.Існують також тверді тіла, які при нагріванні поступово розм'якшуються, стають дедалі текучими. Для таких тіл неможливо вказати температуру, за якої вони перетворюються на рідину (плавляться). Ці тіла називають аморфними.

Зробимо наступний досвід. У скляну вирву кинемо шматок смоли або воску і залишимо в теплій кімнаті. Через місяць виявиться, що віск прийняв форму воронки і навіть почав витікати з неї у вигляді "струмені" (Рис.1). На противагу кристалам, які майже завжди зберігають власну форму, аморфні тіла навіть при невисоких температурах мають плинність. Тому їх можна розглядати як дуже густі та в'язкі рідини.

Будова аморфних тіл.Дослідження за допомогою електронного мікроскопа, а також за допомогою рентгенівських променів свідчать, що в аморфних тілах немає строгого порядку розташування їх частинок. Погляньте, малюнку 2 зображено розташування частинок в кристалічному кварці, але в правому - в аморфному кварці. Ці речовини складаються з тих самих частинок - молекул оксиду кремнію SiO 2 .

Кристалічний стан кварцу утворюється, якщо розплавлений кварц охолоджувати повільно. Якщо ж охолодження розплаву буде швидким, молекули не встигнуть "вишикуватися" в стрункі ряди, і вийде аморфний кварц.

Частинки аморфних тіл безперервно і безладно вагаються. Вони частіше ніж частинки кристалів можуть перескакувати з місця на місце. Цьому сприяє і те, що частинки аморфних тіл розташовані неоднаково щільно: між ними є порожнечі.

Кристалізація аморфних тіл.З часом (кілька місяців, років) аморфні речовини мимоволі переходять у кристалічний стан. Наприклад, цукрові льодяники або свіжий мед, спокої в теплому місці, через кілька місяців стають непрозорими. Кажуть, що мед та льодяники "зацукрилися". Розломивши льодяник або зачерпнувши мед ложкою, ми дійсно побачимо кристалики цукру, що утворилися.

Мимовільна кристалізація аморфних тіл свідчить, що кристалічний стан речовини є більш стійким, ніж аморфний. Міжмолекулярна теорія це пояснює так. Міжмолекулярні сили тяжіння-відштовхування змушують частки аморфного тіла перескакувати переважно туди, де є порожнечі. В результаті виникає більш впорядковане, ніж колись розташування частинок, тобто утворюється полікристал.

Плавлення аморфних тіл.

У міру зростання температури енергія коливального руху атомів у твердому тілі зростає і нарешті настає такий момент, коли зв'язки між атомами починають розриватися. При цьому тверде тіло перетворюється на рідкий стан. Такий перехід називається плавленням.При фіксованому тиску плавлення відбувається за строго певної температури.

Кількість тепла, необхідне перетворення одиниці маси речовини на рідину за нормальної температури плавлення, називають питомою теплотою плавлення λ .

Для плавлення речовини масою m необхідно витратити кількість теплоти рівну:

Q = λ · m .

Процес плавлення аморфних тіл відрізняється від плавлення кристалічних тіл. При підвищенні температури аморфні тіла поступово розм'якшуються, стають в'язкими, доки не перетворяться на рідину. Аморфні тіла на противагу кристалам не мають певної температури плавлення. Температура аморфних тіл у своїй змінюється безупинно. Це тому, що у аморфних твердих тілах, як й у рідинах, молекули можуть переміщатися друг щодо друга. При нагріванні їхня швидкість збільшується, збільшується відстань між ними. В результаті тіло стає все м'якшим і м'якшим, поки не перетвориться на рідину. При затвердінні аморфних тіл їхня температура також знижується безперервно.

АМОРФНІ ТІЛА(грецький amorphos - безформний) - тіла, у яких елементарні складові частинки (атоми, іони, молекули, їх комплекси) розташовуються у просторі хаотично. Для відмінності аморфних тіл від кристалічних використовують рентгеноструктурний аналіз (див.). Кристалічні тіла на рентгенограмах дають чітку певну дифракційну картину як кілець, ліній, плям, а аморфні тіла - розмите неправильне зображення.

Аморфні тіла мають такі особливості: 1) у звичайних умовах ізотропні, тобто їх властивості (механічні, електричні, хімічні, теплові тощо) однакові в усіх напрямках; 2) немає певної температури плавлення, і за підвищенні температури більшість аморфних тіл, поступово розм'якшуючись, перетворюється на рідкий стан. Тому аморфні тіла можна розглядати як переохолоджені рідини, що не встигли закристалізуватися через різке зростання в'язкості (див.) через збільшення сил взаємодії між окремими молекулами. Багато речовин залежно від способів одержання можуть перебувати в аморфному, проміжному або кристалічному станах (білки, сірка, кремнезем тощо). Однак існують речовини, які знаходяться практично лише в одному з цих станів. Так, більшість металів, солей перебувають у кристалічному стані.

Аморфні тіла широко поширені (скло, природні та штучні смоли, каучук і так далі). Штучні полімерні матеріали, також аморфні тіла, стали незамінними в техніці, побуті, медицині (лаки, фарби, пластмаси для протезування, різні полімерні плівки).

У живій природі до аморфних тіл відноситься цитоплазма і більшість структурних елементів клітин і тканин, що складаються з біополімерів - довголанцюгових макромолекул: білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів. Молекули біополімерів легко взаємодіють один з одним, даючи агрегати (див. Агрегація), або рої-коацервати (див. Коацервація). Аморфні тіла знаходяться у клітинах також у вигляді включень, запасних речовин (крохмаль, ліпіди).

Особливістю полімерів, що входять до складу аморфних тіл біологічних об'єктів є наявність вузьких меж фізико-хімічних зон оборотного стану, напр. при підвищенні температури вище критичної незворотно змінюються їх структура та властивості (коагуляція білків).

Аморфні тіла, утворені поруч штучних полімерів, залежно від температури можуть перебувати в трьох станах: склоподібному, високоеластичному та рідкому (в'язко-текучому).

Для клітин живого організму характерні переходи з рідкого у високоеластичний стан за постійної температури, наприклад ретракція кров'яного згустку, м'язове скорочення (див.). У біологічних системах аморфні тіла відіграють вирішальну роль у підтримці цитоплазми у стаціонарному стані. Важлива роль аморфних тіл у підтримці форми та міцності біологічних об'єктів: целюлозна оболонка рослинних клітин, оболонки спор та бактерій, шкіра тварин тощо.

Бібліографія:Бреслер С. Є. та Єрусалимський Би. Л. Фізика та хімія макромолекул, М.-Л., 1965; Китайгородський А. І. Рентгеноструктурний аналіз дрібнокристалічних та аморфних тіл, М.-Л., 1952; він же. Порядок і безлад у світі атомів, М., 1966; Кобеко П. П. Аморфні речовини, М.-Л., 1952; Сетлоу Р. та Поллард Е. Молекулярна біофізика, пров. з англ., М., 1964.

У попередньому параграфі ми дізналися, що деякі тверді тіла (наприклад, сіль, кварц, метали та інші) є моно- або полікристалами. Познайомимося тепер з аморфними тілами. Вони займають проміжне положення між кристалами та рідинами, тому їх не можна однозначно назвати твердими.

Зробимо досвід. Нам знадобляться: шматок пластиліну, стеаринова свічка та електричний обігрівач. Поставимо пластилін і свічку на рівних відстанях від обігрівача. Незабаром частина свічки розплавиться, частина залишиться у вигляді твердого тіла, а пластилін обм'якне. Через деякий час весь стеарин розплавиться, а пластилін поступово «розпливеться», ставши зовсім м'яким.

Подібно до стеарину, існують і інші кристалічні речовини, які при нагріванні не розм'якшуються, і під час плавлення завжди можна бачити як рідину, так і частину тіла, що ще не розплавилася.Це, наприклад, усі метали. Але існують і аморфні речовини, які при нагріванні поступово розм'якшуються, стають все більш текучими, тому неможливо вказати температуру, при якій тіло перетворюється на рідину (плавиться).

Аморфні тіла за будь-якої температури мають плинністю. Підтвердимо це досвідом. У скляну вирву кинемо шматок аморфної речовини і залишимо у теплій кімнаті (на малюнку – смола гудрон; з неї роблять асфальт). Через кілька тижнів виявиться, що смола набула форми вирви і навіть почала витікати з неї на кшталт «струмені». Тобто аморфне тіло веде себе як дуже густа та в'язка рідина.

Будова аморфних тіл.Дослідження електронним мікроскопом та рентгенівськими променями показують, що в аморфних тілах не спостерігається суворого порядку в розташуванні їх частинок. На відміну від кристалів, де існує далекий порядоку розташуванні частинок, у будові аморфних тіл спостерігається тільки ближній порядок– якась упорядкованість розташування частинок зберігається лише поблизу кожної окремої частки(Див. малюнок). Зверху зображено розташування частинок у кристалічному кварці, знизу – в аморфній формі кварцу. Ці речовини складаються з тих самих частинок – молекул оксиду кремнію SiO 2 .

Як і частинки будь-яких тіл, частинки аморфних тіл безперервно і безладно вагаються і частіше, ніж частинки кристалів, можуть перескакувати з місця на місце.Цьому сприяє те, що частинки аморфних тіл розташовані неоднаково щільно, подекуди створюючи порівняно великі проміжки. Однак це не те саме, що «вакансії» у кристалах (див. § 7-е).

Кристалізація аморфних тіл.З часом (тижня, місяці) аморфні речовини мимоволіпереходять у кристалічний стан. Наприклад, цукрові льодяники чи мед, залишені у спокої кілька місяців, стають непрозорими. У цьому випадку кажуть, що мед та льодяники «зацукрилися». Розломивши такий льодяник або зачерпнувши такий мед ложкою, ми побачимо кристалики цукру, що утворилися, раніше існував в аморфному стані.

Мимовільна кристалізація аморфних тіл свідчить, що кристалічний стан речовини стійкіший, ніж аморфний.МКТ це пояснює так. Сили тяжіння та відштовхування «сусідок» переміщують частинки аморфного тіла у такі положення, де потенційна енергія мінімальна(Див. § 7-г). При цьому виникає більш впорядковане розташування частинок, що означає, що відбувається самостійна кристалізація.

Потрібно пам'ятати, що не всі тіла, які існують на планеті Земля, мають кристалічну будову. Винятки із правила отримали назву «аморфні тіла». Чим вони відрізняються? Виходячи з перекладу даного терміна - аморфний - можна припустити, що такі речовини відрізняються від інших своєю формою або видом. Йдеться про відсутність так званих кристалічних ґрат. Процес розщеплення, у якому з'являються грані, немає. Аморфні тіла також відрізняються тим, що не залежать від довкілля, та їх властивості постійні. Такі речовини називаються ізотропними.

Невелика характеристика аморфних тіл

Зі шкільного курсу фізики можна згадати те, що аморфні речовини мають таку будову, при якій атоми в них розташовані в хаотичному порядку. Певне місце можуть мати лише структури-сусіди, де таке розташування є вимушеним. Але все ж таки проводячи аналогію з кристалами, аморфні тіла не мають суворої впорядкованості молекул і атомів (у фізиці така властивість отримала назву «далекий порядок»). В результаті досліджень було з'ясовано, що за своєю структурою дані речовини схожі на рідини.

Деякі тіла (як приклад можна взяти діоксид кремнію, чия формула SiO 2) можуть одночасно перебувати в аморфному стані і мати кристалічну структуру. Кварц у першому варіанті має структуру неправильної решітки, у другому - правильного шестикутника.

Властивість №1

Як уже говорилося вище, аморфні тіла не мають кристалічних ґрат. Їхні атоми та молекули мають ближній порядок розміщення, що і буде першою відмінною властивістю даних речовин.

Властивість №2

Плинністю ці тіла обділені. Для того, щоб краще пояснити другу властивість речовин, можна зробити це на прикладі воску. Ні для кого не секрет, що якщо налити воду у вирву, то вона просто виллється з неї. Те саме буде і з будь-якими іншими текучими речовинами. А властивості аморфних тіл не дозволяють їм робити такі «трюки». Якщо віск помістити у вирву, то він попередньо розтечеться по поверхні і лише потім почне стікати з неї. Це пов'язано з тим, що молекули в речовині перескакують з одного положення рівноваги абсолютно інше, не маючи основного розташування.

Властивість №3

Час поговорити про процес плавлення. Слід запам'ятати те що, що аморфні речовини немає певної температури, коли він починається плавлення. Під час підняття градуса тіло поступово стає м'якшим і потім перетворюється на рідину. Фізики завжди наголошують не на температурі, при якій даний процес почав відбуватися, а на відповідному температурному інтервалі плавлення.

Властивість №4

Про нього вже було сказано вище. Аморфні тіла ізотропні. Тобто їх властивості у будь-якому напрямі незмінні, навіть якщо умови перебування у місцях різні.

Властивість №5

Хоч раз кожна людина спостерігала, що з плином певного проміжку часу скло починало каламутніти. Ця властивість аморфних тіл пов'язана з підвищеною внутрішньою енергією (вона в рази більша, ніж у кристалів). Тому дані речовини спокійно самі можуть перейти в кристалічний стан.

Перехід до кристалічного стану

Через певний проміжок часу будь-яке аморфне тіло перетворюється на кристалічний стан. Це можна спостерігати у звичному житті людини. Наприклад, якщо залишити льодяник або мед на кілька місяців, то можна помітити, що вони обоє втратили свою прозорість. Звичайна людина скаже, що вони просто зацукрувалися. І справді, якщо розламати тіло, то можна помітити наявність кристалів цукру.

Отже, говорячи про це, необхідно уточнити, що мимовільне перетворення на інший стан пов'язане з тим, що аморфні речовини нестійкі. Порівнюючи їх із кристалами, можна зрозуміти, що останні в рази «потужніші». Пояснити факт можна завдяки міжмолекулярній теорії. Згідно з нею, молекули постійно перескакують з одного місця на інше, тим самим заповнюючи порожнечі. Згодом утворюється стійка кристалічна решітка.

Плавлення аморфних тіл

Процесом плавлення аморфних тіл називається момент, коли з підвищенням температури всі зв'язки між атомами руйнуються. Саме тоді речовина перетворюється на рідину. Якщо умови плавлення такі, що тиск однаково протягом усього періоду, то температура також має бути фіксованою.

Рідкі кристали

У природі існують тіла, які мають рідкокристалічну структуру. Як правило, вони входять до переліку органічних речовин, а їх молекули мають ниткоподібну форму. Тіла, про які йдеться, мають властивості рідин і кристалів, а саме плинність і анізотропію.

У таких речовинах молекули розташовуються паралельно одна одній, проте, між ними відстань, що не фіксується. Вони рухаються постійно, але орієнтацію змінювати несхильні, тому постійно перебувають у одному положенні.

Аморфні метали

Аморфні метали більше відомі звичайній людині під назвою металеве скло.

Ще 1940 року вчені заговорили про існування цих тіл. Вже тоді стало відомо, що спеціально отримані вакуумним напилюванням метали не мали кристалічних грат. І лише через 20 років було виготовлено перше скло такого типу. Особливої ​​уваги вчених воно не викликало; і лише ще через 10 років про нього заговорили американські та японські професіонали, а потім уже корейські та європейські.

Аморфні метали відрізняються в'язкістю, досить високим рівнем міцності та стійкістю до корозії.