Аморфни тела. Топене на аморфни тела. Аморфни вещества. Кристално и аморфно състояние на материята. Приложение на аморфни вещества

Твърдите тела се характеризират с постоянна форма и обем и се делят на кристални и аморфни.

Кристални тела

Всяко химично вещество в кристално състояние отговаря на определена кристална решетка, която определя физичните свойства на кристала.

Знаеше ли?
Преди много години в Санкт Петербург, в един от неотопляемите складове, имаше големи запаси от бели тенекиени лъскави копчета. И изведнъж започнаха да потъмняват, да губят блясъка си и да се разпадат на прах. В рамките на няколко дни планините от копчета се превърнаха в купчина сив прах. "калаена чума"- така се нарича тази "болест" на белия калай.
И това беше просто пренареждане на реда на атомите в калаените кристали. Калайът, преминавайки от бял сорт към сив, се разпада на прах.
Както белият, така и сивият калай са кристали от калай, но при ниски температури тяхната кристална структура се променя и в резултат на това се променят физичните свойства на веществото.

Кристалите могат да имат различни форми и са ограничени до плоски ръбове.

В природата има:
а) единични кристали- това са единични хомогенни кристали, които имат формата на правилни многоъгълници и имат непрекъсната кристална решетка

Единични кристали готварска сол:

б) поликристали- това са кристални тела, слети от малки, хаотично разположени кристали.
Повечето твърди вещества имат поликристална структура (метали, камъни, пясък, захар).

Бисмутови поликристали:

Анизотропия на кристалите

При кристалите се наблюдава анизотропия- зависимост на физичните свойства (механична якост, електропроводимост, топлопроводимост, пречупване и поглъщане на светлината, дифракция и др.) от посоката вътре в кристала.

Анизотропията се наблюдава главно в монокристалите.

В поликристалите (например в голямо парче метал) анизотропията не се появява в нормално състояние.
Поликристалите се състоят от голям брой малки кристални зърна. Въпреки че всеки от тях има анизотропия, поради нарушение на тяхното разположение, поликристалното тяло като цяло губи своята анизотропия.

Всяко кристално вещество се топи и кристализира при строго определена точка на топене: желязо - при 1530°, калай - при 232°, кварц - при 1713°, живак - при минус 38°.

Частиците могат да нарушат реда на подреждане в кристал само ако той започне да се топи.

Докато има ред на частиците, има кристална решетка, съществува кристал. Ако структурата на частиците е нарушена, това означава, че кристалът се е стопил - превърнал се е в течност или се е изпарил - превърнал се е в пара.

Аморфни тела

Аморфните тела нямат строг ред в подреждането на атомите и молекулите (стъкло, смола, кехлибар, колофон).

При аморфните тела се наблюдава изотропия- физическите им свойства са еднакви във всички посоки.

При външни въздействия аморфните тела се проявяват едновременноеластични свойства (при удар те се разпадат на парчета като твърди тела) и течливост (при продължително излагане те текат като течности).

При ниски температури аморфните тела приличат на твърди вещества по своите свойства, а при високи температури те са подобни на много вискозни течности.

Аморфни тела нямат определена точка на топене, а оттам и температурата на кристализация.
При нагряване те постепенно омекват.

Аморфните тела заемат междинно положениемежду кристални твърди вещества и течности.

Същото веществоможе да се появи както в кристална, така и в некристална форма.

В течна стопилка на вещество частиците се движат напълно произволно.
Ако например разтопите захар, тогава:

1. ако стопилката се втвърдява бавно, спокойно, тогава частиците се събират в равни редове и се образуват кристали. Така се получава гранулирана захар или захар на бучки;

2. ако охлаждането настъпи много бързо, тогава частиците нямат време да се подредят в правилни редове и стопилката се втвърдява некристална. Така че, ако изсипете разтопена захар в студена вода или върху много студена чинийка, се образува захарен бонбон, некристална захар.

чудесно!

С течение на времето некристалното вещество може да се „дегенерира“, или по-точно да кристализира, частиците в тях се събират в правилни редове.

Само периодът е различен за различните вещества: за захарта е няколко месеца, а за камъка е милиони години.

Оставете бонбона да лежи спокойно два-три месеца, ще се покрие с рехава коричка. Погледнете го с лупа: това са малки кристалчета захар. Започва растеж на кристали в некристална захар. Изчакайте още няколко месеца - и не само кората, но и целият бонбон ще кристализира.

Дори нашето обикновено прозоречно стъкло може да кристализира. Много старото стъкло понякога става напълно мътна, защото в него се образува маса от малки непрозрачни кристали.

В стъкларските фабрики понякога в пещта се образува „коза“, тоест блок от кристално стъкло. Това кристално стъкло е много издръжливо, по-лесно е да разрушите пещ, отколкото да избиете упорита „коза“ от нея.
Изследвайки го, учените създадоха нов, много издръжлив стъклен материал - керамично стъкло. Това е стъклокристален материал, получен в резултат на обемна кристализация на стъкло.

Любопитен!

Могат да съществуват различни кристални форми същото вещество.
Например въглерод.

Графите кристален въглерод. Гнилата за моливи са направени от графит, който оставя следа върху хартията при лек натиск. Структурата на графита е слоеста. Слоевете графит се разместват лесно, така че графитните люспи залепват за хартията, когато пишете.

Но има друга форма на кристален въглерод - диамант.

АМОРФНИ ТЕЛА(гръцки amorphos - безформен) - тела, в които елементарни съставни частици (атоми, йони, молекули, техни комплекси) са произволно разположени в пространството. За разграничаване на аморфни тела от кристални (виж Кристали) се използва рентгенов дифракционен анализ (виж). Кристалните тела на рентгенови дифракционни модели дават ясна, дефинирана дифракционна картина под формата на пръстени, линии, петна, докато аморфните тела дават замъглено, неправилно изображение.

Аморфните тела имат следните характеристики: 1) при нормални условия те са изотропни, т.е. техните свойства (механични, електрически, химични, топлинни и т.н.) са еднакви във всички посоки; 2) нямат определена точка на топене и с повишаване на температурата повечето аморфни тела, постепенно омекващи, преминават в течно състояние. Следователно аморфните тела могат да се разглеждат като преохладени течности, които не са имали време да кристализират поради рязко увеличаване на вискозитета (виж) поради увеличаване на силите на взаимодействие между отделните молекули. Много вещества, в зависимост от методите на производство, могат да бъдат в аморфно, междинно или кристално състояние (протеини, сяра, силициев диоксид и т.н.). Има обаче вещества, които съществуват почти изключително в едно от тези състояния. По този начин повечето метали и соли са в кристално състояние.

Аморфните тела са широко разпространени (стъкло, естествени и изкуствени смоли, каучук и др.). Изкуствените полимерни материали, които също са аморфни тела, станаха незаменими в техниката, бита и медицината (лакове, бои, пластмаси за протезиране, различни полимерни филми).

В живата природа аморфните тела включват цитоплазмата и повечето от структурните елементи на клетките и тъканите, състоящи се от биополимери - дълговерижни макромолекули: протеини, нуклеинови киселини, липиди, въглехидрати. Молекулите на биополимерите лесно взаимодействат помежду си, давайки агрегати (вижте Агрегация) или рояк-коацервати (вижте Коацервация). Аморфните тела се намират и в клетките под формата на включвания и резервни вещества (нишесте, липиди).

Характеристика на полимерите, които изграждат аморфните тела на биологични обекти, е наличието на тесни граници на физикохимични зони на обратимо състояние, например. Когато температурата се повиши над критичната, структурата и свойствата им се променят необратимо (белтъчна коагулация).

Аморфните тела, образувани от редица изкуствени полимери, в зависимост от температурата могат да бъдат в три състояния: стъкловидно, силно еластично и течно (вискозен флуид).

Клетките на живия организъм се характеризират с преминаване от течно към силно еластично състояние при постоянна температура, например прибиране на кръвен съсирек, мускулно свиване (виж). В биологичните системи аморфните тела играят решаваща роля за поддържане на цитоплазмата в стационарно състояние. Важна е ролята на аморфните тела в поддържането на формата и здравината на биологичните обекти: целулозната мембрана на растителните клетки, мембраните на спорите и бактериите, животинската кожа и др.

Библиография: Bresler S. E. и Yerusalimsky B. L. Физика и химия на макромолекулите, M.-L., 1965; Китайгородски A.I. Рентгеноструктурен анализ на финокристални и аморфни тела, M.-L., 1952; известен още като Ред и безредие в света на атомите, М., 1966; Кобеко П. П. Аморфни вещества, М.-Л., 1952; Сетлоу Р. и Полард Е. Молекулярна биофизика, прев. от английски, М., 1964.

Твърдото вещество е едно от четирите основни състояния на материята, освен течност, газ и плазма. Характеризира се със структурна твърдост и устойчивост на промени във формата или обема. За разлика от течността, твърдият предмет не тече и не приема формата на съда, в който е поставен. Твърдото тяло не се разширява, за да запълни целия наличен обем, както прави газът.
Атомите в твърдото тяло са тясно свързани помежду си, са в подредено състояние във възлите на кристалната решетка (това са метали, обикновен лед, захар, сол, диамант) или са подредени неправилно, нямат стриктна повторяемост в структура на кристалната решетка (това са аморфни тела, като прозоречно стъкло, колофон, слюда или пластмаса).

Кристални тела

Кристалните твърди вещества или кристали имат отличителна вътрешна характеристика - структура под формата на кристална решетка, в която атоми, молекули или йони на веществото заемат определено положение.
Кристалната решетка води до наличието на специални плоски повърхности в кристалите, които отличават едно вещество от друго. Когато е изложена на рентгенови лъчи, всяка кристална решетка излъчва характерен модел, който може да се използва за идентифициране на веществото. Ръбовете на кристалите се пресичат под определени ъгли, които отличават едно вещество от друго. Ако кристалът е разделен, новите лица ще се пресичат под същите ъгли като оригинала.

Например галенит - галенит, пирит - пирит, кварц - кварц. Кристалните повърхности се пресичат под прав ъгъл в галенит (PbS) и пирит (FeS 2), а под други ъгли в кварц.

Свойства на кристалите

• постоянен обем;
• правилна геометрична форма;
• анизотропия - разликата в механичните, светлинните, електрическите и топлинните свойства от посоката в кристала;
• добре дефинирана точка на топене, тъй като зависи от редовността на кристалната решетка. Междумолекулните сили, които държат твърдото тяло заедно, са еднакви и е необходимо еднакво количество топлинна енергия, за да се прекъсне всяка сила едновременно.

Аморфни тела

Примери за аморфни тела, които нямат строга структура и повторяемост на клетките на кристалната решетка са: стъкло, смола, тефлон, полиуретан, нафталин, поливинилхлорид.

Те имат две характерни свойства: изотропност и липса на определена точка на топене.
Изотропията на аморфните тела се разбира като еднакви физични свойства на дадено вещество във всички посоки.
В аморфно твърдо вещество разстоянието до съседните възли на кристалната решетка и броят на съседните възли варира в целия материал. Следователно, различни количества топлинна енергия са необходими за прекъсване на междумолекулните взаимодействия. Следователно аморфните вещества се размекват бавно в широк диапазон от температури и нямат ясна точка на топене.
Особеност на аморфните твърди вещества е, че при ниски температури те имат свойствата на твърди вещества, а когато температурата се повиши, те имат свойствата на течности.

За разлика от кристалните твърди вещества, в аморфното твърдо вещество няма строг ред в подреждането на частиците.

Въпреки че аморфните твърди вещества са способни да поддържат формата си, те нямат кристална решетка. Определен модел се наблюдава само за молекули и атоми, разположени в близост. Тази поръчка се нарича затворете поръчката . Не се повтаря във всички посоки и не се запазва на големи разстояния, както при кристалните тела.

Примери за аморфни тела са стъкло, кехлибар, изкуствени смоли, восък, парафин, пластилин и др.

Характеристики на аморфните тела

Атомите в аморфните тела вибрират около произволно разположени точки. Следователно структурата на тези тела наподобява структурата на течностите. Но частиците в тях са по-малко подвижни. Времето за осцилиране около равновесното положение е по-дълго, отколкото при течности. Скокове на атоми в друга позиция също се случват много по-рядко.

Как се държат кристалните твърди вещества при нагряване? Те започват да се топят при определено точка на топене. И за известно време те са едновременно в твърдо и течно състояние, докато цялото вещество се разтопи.

Аморфните твърди вещества нямат определена точка на топене . При нагряване те не се топят, а постепенно омекват.

Поставете парче пластилин близо до нагревателя. След известно време ще стане меко. Това не се случва моментално, а през определен период от време.

Тъй като свойствата на аморфните тела са подобни на свойствата на течностите, те се считат за свръхохладени течности с много висок вискозитет (замръзнали течности). При нормални условия те не могат да текат. Но при нагряване скоковете на атомите в тях се появяват по-често, вискозитетът намалява и аморфните тела постепенно омекват. Колкото по-висока е температурата, толкова по-нисък е вискозитетът и постепенно аморфното тяло става течно.

Обикновеното стъкло е твърдо аморфно тяло. Получава се чрез топене на силициев оксид, сода и вар. При нагряване на сместа до 1400 o C се получава течна стъкловидна маса. При охлаждане течното стъкло не се втвърдява като кристалните тела, а остава течност, чийто вискозитет се увеличава и течливостта намалява. При нормални условия тя ни изглежда като твърдо тяло. Но всъщност това е течност с огромен вискозитет и течливост, толкова ниска, че едва може да бъде разпозната от най-ултрачувствителните инструменти.

Аморфното състояние на веществото е нестабилно. С течение на времето той постепенно преминава от аморфно състояние в кристално състояние. Този процес протича с различна скорост в различните вещества. Виждаме захарни бастунчета да се покриват със захарни кристали. Това не отнема много време.

А за да се образуват кристали в обикновеното стъкло, трябва да мине много време. По време на кристализация стъклото губи своята здравина, прозрачност, помътнява се и става крехко.

Изотропия на аморфни тела

В кристалните твърди вещества физичните свойства варират в различни посоки. Но в аморфните тела те са еднакви във всички посоки. Това явление се нарича изотропия .

Аморфното тяло провежда еднакво електричество и топлина във всички посоки и еднакво пречупва светлината. Звукът също се разпространява еднакво в аморфните тела във всички посоки.

Свойствата на аморфните вещества се използват в съвременните технологии. Особен интерес представляват метални сплави, които нямат кристална структура и принадлежат към аморфни твърди вещества. Те се наричат метални очила . Техните физически, механични, електрически и други свойства се различават от тези на обикновените метали към по-добро.

Така в медицината използват аморфни сплави, чиято якост надвишава тази на титана. Те се използват за направата на винтове или пластини, които свързват счупени кости. За разлика от титаниевите крепежни елементи, този материал постепенно се разпада и с времето се заменя с костен материал.

Високоякостните сплави се използват при производството на металорежещи инструменти, фитинги, пружини и части на механизми.

В Япония е разработена аморфна сплав с висока магнитна проницаемост. Чрез използването му в ядра на трансформатори вместо текстурирани листове от трансформаторна стомана, загубите от вихрови токове могат да бъдат намалени 20 пъти.

Аморфните метали имат уникални свойства. Наричат ​​ги материалът на бъдещето.

Структурата на аморфните тела.Изследвания с електронен микроскоп и рентгенови лъчи показват, че в аморфните тела няма строг ред в подреждането на техните частици. За разлика от кристалите, където има дълга поръчкав подреждането на частиците, в структурата на аморфните тела има затворете поръчката.Това означава, че определен ред в подреждането на частиците се запазва само в близост до всяка отделна частица (виж фигурата).

Горната част на фигурата показва разположението на частиците в кристалния кварц, долната част показва аморфната форма на съществуване на кварца. Тези вещества се състоят от едни и същи частици - молекули на силициев оксид SiO2.

Като частиците на всяко тяло, частиците на аморфните тела се колебаят непрекъснато и произволно и по-често от частиците на кристалите могат да прескачат от място на място.Това се улеснява от факта, че частиците на аморфните тела са разположени неравномерно плътно - на някои места има относително големи празнини между техните частици. Това обаче не е същото като „свободни места“ в кристалите (вижте § 7).

Кристализация на аморфни тела.С течение на времето (седмици, месеци), някои аморфни тела спонтанносе превръщат в кристално състояние. Например захарни бонбони или мед, оставени няколко месеца, стават непрозрачни. В този случай се казва, че медът и бонбоните са „захаросани“. Счупвайки захаросани бонбони или загребвайки мед с лъжица, ние всъщност ще видим образуването на кристали захар, които преди са съществували в аморфно състояние.

Това показва спонтанната кристализация на аморфни тела Кристалното състояние на веществото е по-стабилно от аморфното. MKT го обяснява по следния начин. Силите на отблъскване на „съседите“ принуждават частиците на аморфното тяло да се движат предимно там, където има големи празнини. В резултат на това се получава по-подредено подреждане на частиците, тоест възниква кристализация.

Проверете себе си:

1. Целта на този параграф е да въведе...
2. Какви сравнителни характеристики сме дали на аморфните тела?
3. За експеримента използваме следното оборудване и материали: ...
4. По време на подготовката за експеримента ние...
5. Какво ще видим по време на експеримента?
6. Какъв е резултатът от опита със стеаринова свещ и парче пластилин?
7. За разлика от аморфните тела, кристалните тела...
8. Когато едно кристално тяло се разтопи...
9. За разлика от кристалните тела, аморфните...
10. Аморфните тела включват тела, за които...
11. Какво прави аморфните тела да изглеждат като течности? Те...
12. Опишете началото на експеримента за потвърждаване на течливостта на аморфните тела.
13. Опишете резултата от експеримента за потвърждаване на течливостта на аморфните тела.
14. Формулирайте заключение от опита.
15. Как да разберем, че аморфните тела нямат строг ред в подреждането на частиците си?
16. Как да разбираме термина „близък ред“ в подреждането на частиците на аморфно тяло?
17. Същите молекули силициев оксид се намират както в кристални, така и в...
18. Какъв е характерът на движението на частиците на аморфно тяло?
19. Какъв е характерът на подреждането на частиците на аморфно тяло?
20. Какво може да се случи с аморфните тела с времето?
21. Как можете да сте сигурни, че има поликристали захар в бонбони или захаросан мед?
22. Защо смятаме, че кристалното състояние на дадено вещество е по-стабилно от аморфното?
23. Как MCT обяснява независимата кристализация на някои аморфни тела?