Školska enciklopedija. Amorfne tvari. Kristalno i amorfno stanje tvari. Primjena amorfnih tvari

Uz kristalne tvari nalaze se i amorfne tvari. Amorfna tijela, za razliku od kristala, nemaju strog red u rasporedu atoma. Samo najbliži atomi - susjedi - raspoređeni su po nekom redu. Ali

U amorfnim tijelima ne postoji stroga ponovljivost u svim smjerovima istog strukturnog elementa, karakteristična za kristale.

Često se ista tvar može naći i u kristalnom i u amorfnom stanju. Na primjer, kvarc može biti u kristalnom ili amorfnom obliku (silicijev dioksid). Kristalni oblik kvarca može se shematski prikazati kao rešetka pravilnih šesterokuta (slika 77, a). Amorfna struktura kvarca također ima oblik rešetke, ali nepravilnog oblika. Uz šesterokute, sadrži pentagone i heptagone (slika 77, b).

Svojstva amorfnih tijela. Sva su amorfna tijela izotropna: fizička svojstva su im ista u svim smjerovima. Amorfna tijela uključuju staklo, mnoge vrste plastike, smolu, smolu, šećerne bombone itd.

Na vanjski utjecaji amorfna tijela pokazuju i elastična svojstva, poput čvrstih tijela, i fluidnost, poput tekućina. Pri kratkotrajnim udarima (udarcima) ponašaju se kao čvrsto tijelo i pri jakom udaru se raspadaju na komade. Ali s vrlo dugom ekspozicijom, amorfna tijela teku. Na primjer, komad smole postupno se širi preko čvrste površine. Atomi ili molekule amorfnih tijela, kao i molekule tekućine, imaju određeno vrijeme" ustaljeni život»vrijeme osciliranja oko ravnotežnog položaja. Ali za razliku od tekućina, ovo vrijeme je jako dugo. U tom su pogledu amorfna tijela bliska kristalnim, jer se rijetko događaju skokovi atoma iz jednog ravnotežnog položaja u drugi.

Na niske temperature amorfna tijela svojim svojstvima nalikuju čvrstim tijelima. Gotovo da nemaju fluidnost, ali s porastom temperature postupno omekšavaju i svojim se svojstvima sve više približavaju svojstvima tekućina. To se događa jer s porastom temperature skokovi atoma s jedne pozicije postupno postaju sve češći.

ravnotežu drugome. Ne postoji određeno talište za amorfna tijela, za razliku od kristalnih.

Fizika čvrstog stanja. Sva svojstva krutih tijela (kristalnih i amorfnih) mogu se objasniti na temelju poznavanja njihove atomsko-molekularne strukture i zakonitosti gibanja molekula, atoma, iona i elektrona koji grade krute tvari. Proučavanja svojstava čvrstih tijela objedinjena su u veliko područje moderne fizike – fiziku čvrstog stanja. Razvoj fizike čvrstog stanja potaknut je uglavnom potrebama tehnologije. Otprilike polovica svjetskih fizičara radi u području fizike čvrstog stanja. Naravno, dostignuća u ovom području nezamisliva su bez dubokog poznavanja svih ostalih grana fizike.

1. Po čemu se kristalna tijela razlikuju od amorfnih? 2. Što je anizotropija? 3. Navedite primjere monokristalnih, polikristalnih i amorfnih tijela. 4. Po čemu se rubne dislokacije razlikuju od vijčanih dislokacija?

Izraz "amorfno" preveden je s grčkog doslovno kao "nije oblik", "nije oblik". Takve tvari nemaju kristalnu strukturu; ne podliježu cijepanju u obliku kristalnih površina. Amorfno tijelo je u pravilu izotropno, odnosno njegova fizikalna svojstva ne ovise o smjeru vanjskog utjecaja.

Tijekom određenog vremena (mjeseci, tjedni, dani) pojedina amorfna tijela mogu spontano prijeći u kristalno stanje. Na primjer, možete promatrati kako med ili šećerna bombona nakon nekog vremena gube svoju prozirnost. U takvim slučajevima obično kažu da su proizvodi "ušećereni". Istovremeno, zahvatajući žličicom ušećereni med ili razbijajući bombonu, zapravo možete promatrati formirane kristale šećera koji su prije postojali u amorfnom obliku.

Takva spontana kristalizacija tvari ukazuje na različite stupnjeve stabilnosti stanja. Dakle, amorfno tijelo je manje stabilno.

Krutina je jedno od četiri osnovna agregatna stanja materije, osim tekućine, plina i plazme. Karakterizira ga strukturna krutost i otpornost na promjene oblika ili volumena. Za razliku od tekućine, čvrsti predmet ne teče niti poprima oblik posude u kojoj se nalazi. Krutina se ne širi kako bi ispunila cijeli raspoloživi volumen kao plin.
Atomi unutra čvrsto tijelo međusobno su usko povezani, u čvorovima kristalne rešetke su u uređenom stanju (to su metali, obični led, šećer, sol, dijamant), ili su nepravilno raspoređeni, nemaju strogu ponovljivost u strukturi kristala rešetka (to su amorfna tijela, kao što su prozorsko staklo, kolofonij, tinjac ili plastika).

Kristalna tijela

Kristalni čvrste tvari ili kristali imaju osebujnu unutarnje obilježje- struktura u obliku kristalne rešetke u kojoj atomi, molekule ili ioni tvari zauzimaju određeni položaj.
Kristalna rešetka dovodi do postojanja posebnih ravnih površina u kristalima, koje razlikuju jednu tvar od druge. Kada je izložena X-zrakama, svaka kristalna rešetka emitira karakterističan uzorak koji se može koristiti za identifikaciju tvari. Rubovi kristala sijeku se pod određenim kutovima koji razlikuju jednu tvar od druge. Ako se kristal razdvoji, nova lica će se presijecati pod istim kutovima kao i originalna.

Na primjer, galenit - galenit, pirit - pirit, kvarc - kvarc. Plohe kristala sijeku se pod pravim kutom kod galenita (PbS) i pirita (FeS 2), a pod ostalim kutovima kod kvarca.

Svojstva kristala

• konstantan volumen;
• ispravan geometrijski oblik;
• anizotropija - razlika mehaničkih, svjetlosnih, električnih i toplinskih svojstava od smjera u kristalu;
• točno određeno talište, budući da ovisi o pravilnosti kristalne rešetke. Održavanje međumolekularnih sila čvrsta zajedno, homogeni su i potrebna je ista količina toplinske energije da se prekine svaka interakcija istovremeno.

Amorfna tijela

Primjeri amorfnih tijela koja nemaju strogu strukturu i ponovljivost ćelija kristalne rešetke su: staklo, smola, teflon, poliuretan, naftalen, polivinil klorid.

Imaju dva karakteristična svojstva: izotropija i nedostatak specifične točke tališta.
Izotropnost amorfnih tijela podrazumijeva se kao istovjetnost fizička svojstva tvari u svim smjerovima.
U amorfnom krutom tijelu, udaljenost do susjednih čvorova kristalne rešetke i broj susjednih čvorova variraju kroz materijal. Stoga je za prekidanje međumolekulskih interakcija potrebno različita količina Termalna energija. Posljedično, amorfne tvari polako omekšavaju u širokom rasponu temperatura i nemaju jasno talište.
Značajka amorfnih krutina je da na niskim temperaturama imaju svojstva krutina, a kada temperatura poraste imaju svojstva tekućina.

MINISTARSTVO OBRAZOVANJA

FIZIKA 8. RAZRED

Izvješće o temi:

“Amorfna tijela. Taljenje amorfnih tijela.”

Učenik 8. razreda:

2009

Amorfna tijela.

Napravimo eksperiment. Trebat će nam komad plastelina, stearinska svijeća i električni kamin. Postavimo plastelin i svijeću na jednake udaljenosti od kamina. Nakon nekog vremena dio stearina će se otopiti (postati tekući), a dio će ostati u obliku čvrstog komada. Za isto vrijeme plastelin će samo malo omekšati. Nakon nekog vremena sav će se stearin otopiti, a plastelin će postupno "korodirati" po površini stola, sve više i više omekšavajući.

Dakle, postoje tijela koja se ne omekšaju topljenjem, već od kruto stanje odmah se pretvara u tekućinu. Tijekom taljenja takvih tijela uvijek je moguće odvojiti tekućinu od još neotopljenog (krutog) dijela tijela. Ova tijela su kristalan. Postoje i krutine koje zagrijavanjem postupno omekšavaju i postaju sve tečnije. Za takva je tijela nemoguće naznačiti temperaturu na kojoj prelaze u tekućinu (tape se). Ta se tijela nazivaju amorfan.

Napravimo sljedeći pokus. U stakleni lijevak bacite komadić smole ili voska i ostavite u toploj prostoriji. Nakon otprilike mjesec dana pokazat će se da je vosak poprimio oblik lijevka i čak počeo istjecati iz njega u obliku "potoka" (slika 1). Za razliku od kristala, koji gotovo zauvijek zadržavaju vlastiti oblik, amorfna tijela pokazuju fluidnost čak i pri niskim temperaturama. Stoga se mogu smatrati vrlo gustim i viskoznim tekućinama.

Građa amorfnih tijela. Istraživanja pomoću elektronskog mikroskopa, kao i pomoću X-zraka, pokazuju da u amorfnim tijelima ne postoji strogi red u rasporedu njihovih čestica. Pogledajte, slika 2 prikazuje raspored čestica u kristalnom kvarcu, a desna prikazuje raspored čestica u amorfnom kvarcu. Te se tvari sastoje od istih čestica - molekula silicijevog oksida SiO 2.

Kristalno stanje kvarca dobiva se ako se rastaljeni kvarc polako hladi. Ako je hlađenje taline brzo, tada se molekule neće imati vremena "postrojiti" u redove, a rezultat će biti amorfni kvarc.

Čestice amorfnih tijela osciliraju kontinuirano i nasumično. Oni mogu skakati s mjesta na mjesto češće od kristalnih čestica. To je također olakšano činjenicom da su čestice amorfnih tijela smještene nejednako gusto: između njih postoje praznine.

Kristalizacija amorfnih tijela. Tijekom vremena (nekoliko mjeseci, godina) amorfne tvari spontano prelaze u kristalno stanje. Na primjer, bombone ili svježi med ostavljeni na toplom mjestu postat će neprozirni nakon nekoliko mjeseci. Kažu da su med i slatkiši "ušećereni". Razbijanjem bombonjere ili žličicom zahvatajući med, zapravo ćemo vidjeti nastale kristale šećera.

Spontana kristalizacija amorfnih tijela pokazuje da je kristalno stanje tvari stabilnije od amorfnog. Intermolekularna teorija to objašnjava na ovaj način. Međumolekularne sile privlačenja i odbijanja uzrokuju da čestice amorfnog tijela skaču prvenstveno tamo gdje postoje praznine. Kao rezultat toga, pojavljuje se uređeniji raspored čestica nego prije, odnosno nastaje polikristal.

Taljenje amorfnih tijela.

Kako temperatura raste, energija vibracijskog gibanja atoma u krutom tijelu raste i, konačno, dolazi trenutak kada veze između atoma počinju pucati. U tom slučaju krutina prelazi u tekuće stanje. Ovaj prijelaz se zove topljenje. Pri fiksnom tlaku, taljenje se događa na strogo određenoj temperaturi.

Količina topline potrebna za pretvaranje jedinice mase tvari u tekućinu na njenom talištu naziva se specifična toplina taljenja λ .

Za taljenje tvari mase m potrebno je potrošiti količinu topline jednaku:

Q = λ m .

Proces taljenja amorfnih tijela razlikuje se od taljenja kristalnih tijela. Kako se temperatura povećava, amorfna tijela postupno omekšavaju i postaju viskozna dok se ne pretvore u tekućinu. Amorfna tijela za razliku od kristala, nemaju određeno talište. Temperatura amorfnih tijela kontinuirano se mijenja. To se događa jer se u amorfnim čvrstim tijelima, kao iu tekućinama, molekule mogu kretati jedna u odnosu na drugu. Kada se zagrijavaju, njihova brzina se povećava, a udaljenost između njih se povećava. Zbog toga tijelo postaje sve mekše i mekše dok se ne pretvori u tekućinu. Kada se amorfna tijela skrućuju, njihova temperatura također kontinuirano opada.

Nisu sve čvrste tvari kristali. Postoji mnogo amorfnih tijela.

Amorfna tijela nemaju strog red u rasporedu atoma. Samo najbliži susjedni atomi nalaze se određenim redoslijedom. Ali ne postoji stroga usmjerenost u svim smjerovima istog strukturnog elementa, što je karakteristično za kristale u amorfnim tijelima.

Često se ista tvar može naći i u kristalnom i u amorfnom stanju. Na primjer, kvarcni SiO2 može biti u kristalnom ili amorfnom obliku (silika). Kristalni oblik kvarca može se shematski prikazati kao rešetka pravilnih šesterokuta. Amorfna struktura kvarca također ima izgled rešetke, ali nepravilnog oblika. Uz šesterokute, sadrži peterokute i sedmerokute.

Godine 1959. engleski fizičar D. Bernal izveo je zanimljive pokuse: uzeo je mnogo malih kuglica od plastelina iste veličine, uvaljao ih u prah krede i prešao u veliku kuglu. Kao rezultat toga, kuglice su se deformirale u poliedre. Ispostavilo se da su u ovom slučaju formirana pretežno peterokutna lica, a poliedri su imali prosječno 13,3 lica. Dakle, definitivno postoji neki red u amorfnim tvarima.

U amorfna tijela ubrajaju se staklo, smola, kolofonij, šećerna bombona itd. Za razliku od kristalnih tvari, amorfne tvari su izotropne, odnosno njihova mehanička, optička, električna i druga svojstva ne ovise o smjeru. Amorfna tijela nemaju fiksno talište: taljenje se događa u određenom temperaturnom rasponu. Prijelaz amorfne tvari iz krutog u tekuće stanje nije popraćen naglom promjenom svojstava. Fizikalni model amorfnog stanja još nije stvoren.

Amorfne krutine zauzimaju srednji položaj između kristalnih krutina i tekućina. Njihovi atomi ili molekule raspoređeni su relativnim redom. Razumijevanje strukture čvrstih tijela (kristalnih i amorfnih) omogućuje vam stvaranje materijala sa željenim svojstvima.

Pod vanjskim utjecajima, amorfna tijela pokazuju i elastična svojstva, poput čvrstih tijela, i fluidnost, poput tekućina. Stoga se pri kratkotrajnim udarima (udarima) ponašaju kao čvrsta tijela i pri jakom udaru se raspadaju u komade. Ali s vrlo dugom ekspozicijom, amorfna tijela teku. Slijedimo komadić smole koji leži na glatkoj površini. Postupno se smola širi preko njega, a što je viša temperatura smole, to se brže događa.

Amorfna tijela na niskim temperaturama svojim svojstvima nalikuju čvrstim tijelima. Gotovo da nemaju fluidnost, ali s porastom temperature postupno omekšavaju i svojim se svojstvima sve više približavaju svojstvima tekućina. To se događa jer s porastom temperature skokovi atoma s jednog položaja na drugi postupno postaju sve češći. Amorfna tijela, za razliku od kristalnih, nemaju određenu tjelesnu temperaturu.

Kod hlađenja tekuća tvar ne dolazi uvijek do kristalizacije. pod određenim uvjetima može nastati neravnotežno čvrsto amorfno (staklasto) stanje. U staklastom stanju mogu biti jednostavne tvari (ugljik, fosfor, arsen, sumpor, selen), oksidi (na primjer bor, silicij, fosfor), halogenidi, halkogenidi, mnogi organski polimeri. U ovom stanju tvar može biti stabilna za dugo vremensko razdoblje, na primjer, neka su vulkanska stakla stara milijunima godina. Tjelesni i Kemijska svojstva tvari u staklasto amorfnom stanju mogu se bitno razlikovati od svojstava kristalne tvari. Na primjer, staklasti germanijev dioksid je kemijski aktivniji od kristalnog. Razlike u svojstvima tekućeg i krutog amorfnog stanja određene su prirodom toplinskog gibanja čestica: u amorfnom stanju čestice su sposobne samo za vibracije i rotacijski pokreti, ali se ne može kretati kroz tvar.

Pod utjecajem mehaničkih opterećenja ili promjena temperature amorfna tijela mogu kristalizirati. Reaktivnost tvari u amorfnom stanju znatno je veća nego u kristalnom stanju. Glavni znak amorfno (od grčkog "amorphos" - bezobličan) agregatno stanje - nepostojanje atomske ili molekularne rešetke, odnosno trodimenzionalna periodičnost strukture karakteristična za kristalno stanje.

Postoje tvari koje mogu postojati samo u krutom obliku u amorfnom stanju. Ovo se odnosi na polimere s nepravilnim slijedom jedinica.