“Amorfna tijela. Topljenje amorfnih tela.” Amorfne supstance. Kristalno i amorfno stanje materije. Primjena amorfnih tvari

Većina supstanci u umjerenoj klimi na Zemlji je u čvrstom stanju. Čvrste tvari zadržavaju ne samo svoj oblik, već i volumen.

Na osnovu prirode relativnog rasporeda čestica, čvrste materije se dele na tri tipa: kristalne, amorfne i kompozitne.

Amorfna tela. Primjeri amorfnih tijela uključuju staklo, razne očvrsnute smole (ćilibar), plastiku, itd. Ako se amorfno tijelo zagrije, ono postepeno omekšava, a prijelaz u tečno stanje zauzima značajan temperaturni raspon.

Sličnost sa tečnostima objašnjava se činjenicom da atomi i molekuli amorfnih tela, kao i molekuli tečnosti, imaju „uređen život“. Ne postoji specifična tačka topljenja, tako da se amorfna tela mogu smatrati prehlađenim tečnostima sa veoma visokim viskozitetom. Odsustvo reda dugog dometa u rasporedu atoma amorfnih tijela dovodi do činjenice da tvar u amorfnom stanju ima manju gustoću nego u kristalnom stanju.

Poremećaj u rasporedu atoma amorfnih tijela dovodi do toga da je prosječna udaljenost između atoma u različitim smjerovima ista, dakle oni su izotropni, odnosno sva fizička svojstva (mehanička, optička itd.) ne zavise od pravac spoljašnjeg uticaja. Znak amorfnog tijela je nepravilan oblik površine kada je slomljena. Amorfna tijela nakon dužeg vremenskog perioda i dalje mijenjaju svoj oblik pod utjecajem gravitacije. Zbog toga izgledaju kao tečnosti. Kako temperatura raste, ova promjena oblika se događa brže. Amorfno stanje je nestabilno, dolazi do prijelaza iz amorfnog u kristalno stanje. (Staklo postaje mutno.)

Kristalna tijela. Ako postoji periodičnost u rasporedu atoma (redak dugog dometa), čvrsta supstanca je kristalna.

Ako zrnca soli pregledate povećalom ili mikroskopom, primijetit ćete da su ograničena ravnim rubovima. Prisustvo takvih lica je znak da se nalazi u kristalnom stanju.

Tijelo koje je jedan kristal naziva se monokristal. Većina kristalnih tijela sastoji se od mnogo nasumično lociranih malih kristala koji su srasli. Takva tijela se nazivaju polikristali. Komad šećera je polikristalno tijelo. Kristali različitih supstanci imaju različite oblike. Veličine kristala su također različite. Veličine polikristalnih kristala mogu se mijenjati tokom vremena. Mali kristali željeza pretvaraju se u velike, ovaj proces se ubrzava udarima i udarcima, javlja se u čeličnim mostovima, željezničkim šinama itd., zbog čega se čvrstoća konstrukcije vremenom smanjuje.

Vrlo mnogo tijela istog hemijskog sastava u kristalnom stanju, ovisno o uvjetima, može postojati u dvije ili više varijanti. Ovo svojstvo se naziva polimorfizam. Ice ima do deset poznatih modifikacija. Polimorfizam ugljika - grafit i dijamant.

Bitno svojstvo jednog kristala je anizotropija – različitost njegovih svojstava (električnih, mehaničkih, itd.) u različitim smjerovima.

Polikristalna tijela su izotropna, odnosno pokazuju ista svojstva u svim smjerovima. To se objašnjava činjenicom da su kristali koji čine polikristalno tijelo nasumično orijentirani jedan prema drugom. Kao rezultat toga, nijedan od pravaca se ne razlikuje od ostalih.

Stvoreni su kompozitni materijali čija su mehanička svojstva superiornija od prirodnih materijala. kompozitni materijali (kompoziti) sastoje se od matrice i punila. Kao matrica koriste se polimerni, metalni, karbonski ili keramički materijali. Punila se mogu sastojati od brkova, vlakana ili žica. Konkretno, kompozitni materijali uključuju armirani beton i ferografit.

Armirani beton je jedna od glavnih vrsta građevinskih materijala. To je kombinacija betonske i čelične armature.

Gvožđe-grafit je metal-keramički materijal koji se sastoji od gvožđa (95-98%) i grafita (2-5%). Od njega se izrađuju ležajevi i čahure za razne komponente i mehanizme mašina.

Stakloplastika je također kompozitni materijal, koji je mješavina staklenih vlakana i stvrdnute smole.

Ljudske i životinjske kosti su kompozitni materijal koji se sastoji od dvije potpuno različite komponente: kolagena i mineralne tvari.

MINISTARSTVO OBRAZOVANJA

FIZIKA 8. RAZRED

Izvještaj na temu:

“Amorfna tijela. Topljenje amorfnih tela.”

Učenik 8. razreda:

2009

Amorfna tela.

Hajde da 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. U isto vrijeme, plastelin će samo malo omekšati. Nakon nekog vremena sav stearin će se otopiti, a plastelin će postupno "korodirati" duž površine stola, omekšavajući sve više i više.

Dakle, postoje tijela koja pri topljenju ne omekšaju, već se iz čvrstog stanja odmah pretvaraju u tekućinu. Prilikom topljenja takvih tijela uvijek je moguće odvojiti tekućinu od još neotopljenog (čvrstog) dijela tijela. Ova tijela jesu kristalno. Postoje i čvrste materije koje, kada se zagreju, postepeno omekšaju i postaju sve tečnije. Za takva tijela je nemoguće naznačiti temperaturu na kojoj se pretvaraju u tekućinu (topi se). Ova tijela se zovu amorfna.

Hajde da uradimo sledeći eksperiment. Komad smole ili voska bacite u stakleni lijevak i ostavite u toploj prostoriji. Nakon otprilike mjesec dana, ispostavit će se da je vosak poprimio oblik lijevka i da je čak počeo da teče iz njega u obliku "potoka" (slika 1). Za razliku od kristala, koji gotovo zauvijek zadržavaju svoj oblik, amorfna tijela pokazuju fluidnost čak i na niskim temperaturama. Stoga se mogu smatrati vrlo gustim i viskoznim tekućinama.

Struktura amorfnih tijela. Istraživanja pomoću elektronskog mikroskopa, kao i pomoću rendgenskih zraka, pokazuju da u amorfnim tijelima ne postoji strogi red u rasporedu njihovih čestica. Pogledajte, slika 2 prikazuje raspored čestica u kristalnom kvarcu, a ona desno prikazuje raspored čestica u amorfnom kvarcu. Ove supstance se sastoje od istih čestica - molekula silicijum oksida SiO 2.

Kristalno stanje kvarca se postiže ako se rastopljeni kvarc polako hladi. Ako je hlađenje taline brzo, tada molekuli neće imati vremena da se "poređaju" u uredne redove, a rezultat će biti amorfni kvarc.

Čestice amorfnih tijela osciliraju kontinuirano i nasumično. 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. Vremenom (nekoliko mjeseci, godina) amorfne tvari spontano prelaze u kristalno stanje. Na primjer, šećerne bombone ili svježi med ostavljeni na toplom mjestu postat će neprozirni nakon nekoliko mjeseci. Kažu da su med i slatkiši „ušećereni“. Razbijanjem slatkiša ili žličicom grabimo med, zapravo ćemo vidjeti kristale šećera koji su se formirali.

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

Topljenje amorfnih tijela.

Kako temperatura raste, energija vibracijskog kretanja atoma u čvrstoj tvari se povećava i, konačno, dolazi trenutak kada veze između atoma počnu pucati. U tom slučaju, čvrsta tvar prelazi u tečno stanje. Ova tranzicija se zove topljenje. Pri fiksnom pritisku, topljenje se odvija na strogo određenoj temperaturi.

Količina topline potrebna za pretvaranje jedinice mase tvari u tekućinu na njenoj tački naziva se specifična toplina fuzije λ .

Da se otopi supstanca mase m potrebno je potrošiti količinu topline jednaku:

Q = λ m .

Proces topljenja amorfnih tijela razlikuje se od topljenja kristalnih tijela. Kako temperatura raste, amorfna tijela postepeno omekšaju i postaju viskozna dok ne pređu u tekućinu. Amorfna tijela, za razliku od kristala, nemaju određenu tačku topljenja. Temperatura amorfnih tijela se kontinuirano mijenja. To se dešava zato što se u amorfnim čvrstim materijama, kao iu tečnostima, molekule mogu kretati jedna u odnosu na drugu. Kada se zagriju, njihova brzina se povećava, a udaljenost između njih se povećava. Kao rezultat, tijelo postaje sve mekše i mekše dok se ne pretvori u tekućinu. Kada se amorfna tijela stvrdnu, njihova temperatura također kontinuirano opada.

>>Fizika: Amorfna tijela

Nisu sve čvrste materije kristali. Postoji mnogo amorfnih tijela. Po čemu se razlikuju od kristala?
Amorfna tijela nemaju strogi red u rasporedu atoma. Samo najbliži susedni atomi su raspoređeni u nekom redosledu. Ali ne postoji stroga ponovljivost u svim pravcima istog strukturnog elementa, što je karakteristično za kristale, u amorfnim tijelima.
U pogledu rasporeda atoma i njihovog ponašanja, amorfna tijela su slična tekućinama.
Često se ista supstanca može naći u kristalnom i amorfnom stanju. Na primjer, kvarc SiO 2 može biti u kristalnom ili amorfnom obliku (silicijum dioksid). Kristalni oblik kvarca može se shematski predstaviti kao rešetka pravilnih šesterokuta ( 12.6, a). Amorfna struktura kvarca također ima izgled rešetke, ali nepravilnog oblika. Zajedno sa šesterokutima, sadrži peterokute i sedmokute ( 12.6, b).
Osobine amorfnih tijela. Sva amorfna tijela su izotropna, odnosno njihova fizička svojstva su ista u svim smjerovima. Amorfna tijela uključuju staklo, smolu, kolofonij, šećerne bombone, itd.
Pod vanjskim utjecajima, amorfna tijela pokazuju kako elastična svojstva, poput čvrstih tijela, tako i fluidnost, poput tekućina. Tako se pod kratkotrajnim udarima (udarima) ponašaju kao čvrsta tijela i pod snažnim udarom raspadaju se u komade. Ali uz veoma dugu ekspoziciju, amorfna tijela teku. To možete i sami vidjeti ako ste strpljivi. Pratite komad smole koji leži na tvrdoj površini. Postupno se smola širi po njoj, a što je temperatura smole viša, to se brže dešava.
Atomi ili molekuli amorfnih tijela, kao i molekuli tekućine, imaju određeno vrijeme „sređenog života“ - vrijeme oscilacija oko ravnotežnog položaja. Ali za razliku od tečnosti, ovo vreme je veoma dugo.
Dakle, za var at t= 20°C vrijeme „umjerenog vijeka trajanja“ je približno 0,1 s. U tom pogledu, amorfna tijela su bliska kristalnim, jer se skokovi atoma iz jednog ravnotežnog položaja u drugi događaju relativno rijetko.
Amorfna tijela na niskim temperaturama po svojim svojstvima podsjećaju na čvrsta tijela. Gotovo da nemaju fluidnost, ali kako temperatura raste postepeno omekšaju i njihova svojstva postaju sve bliža svojstvima tečnosti. To se događa jer s povećanjem temperature skokovi atoma iz jednog ravnotežnog položaja u drugi postepeno postaju sve češći. Određena tačka topljenja Amorfna tijela, za razliku od kristalnih, nemaju.
Tečni kristali. U prirodi postoje tvari koje istovremeno posjeduju osnovna svojstva kristala i tekućine, a to su anizotropija i fluidnost. Ovo stanje materije se zove tečni kristal. Tečni kristali su uglavnom organske tvari čije molekule imaju dugu niti ili ravnu ploču.
Razmotrimo najjednostavniji slučaj, kada tečni kristal formiraju molekule nalik na niti. Ovi molekuli se nalaze paralelno jedan s drugim, ali su nasumično pomaknuti, tj. red, za razliku od običnih kristala, postoji samo u jednom smjeru.
Prilikom termičkog kretanja, centri ovih molekula kreću se nasumično, ali se orijentacija molekula ne mijenja i oni ostaju paralelni sami sebi. Stroga molekularna orijentacija ne postoji u cijelom volumenu kristala, već u malim regijama koje se nazivaju domeni. Refrakcija i refleksija svjetlosti nastaju na granicama domena, zbog čega su tečni kristali neprozirni. Međutim, u sloju tečnog kristala smještenom između dvije tanke ploče, razmak između kojih je 0,01-0,1 mm, sa paralelnim udubljenjima od 10-100 nm, svi molekuli će biti paralelni i kristal će postati providan. Ako se električni napon dovede na neke oblasti tečnog kristala, stanje tečnog kristala je poremećeno. Ova područja postaju neprozirna i počinju svijetliti, dok područja bez napetosti ostaju tamna. Ovaj fenomen se koristi u stvaranju televizijskih ekrana od tečnih kristala. Treba napomenuti da se sam ekran sastoji od ogromnog broja elemenata i da je elektronski kontrolni krug za takav ekran izuzetno složen.
Fizika čvrstog stanja.Čovječanstvo je oduvijek koristilo i nastavit će koristiti čvrste tvari. Ali ako je ranije fizika čvrstog stanja zaostajala za razvojem tehnologije zasnovane na direktnom iskustvu, sada se situacija promijenila. Teorijska istraživanja dovode do stvaranja čvrstih tijela čija su svojstva potpuno neobična.
Takva tijela bilo bi nemoguće dobiti pokušajem i greškom. Stvaranje tranzistora, o čemu će biti riječi kasnije, upečatljiv je primjer kako je razumijevanje strukture čvrstih tijela dovelo do revolucije u cijeloj radiotehnici.
Dobijanje materijala sa određenim mehaničkim, magnetskim, električnim i drugim svojstvima jedan je od glavnih pravaca savremene fizike čvrstog stanja. Otprilike polovina svjetskih fizičara sada radi u ovoj oblasti fizike.
Amorfne čvrste materije zauzimaju srednju poziciju između kristalnih čvrstih materija i tečnosti. Njihovi atomi ili molekuli su raspoređeni u relativnom redu. Razumijevanje strukture čvrstih tijela (kristalnih i amorfnih) omogućava vam stvaranje materijala sa željenim svojstvima.

???
1. Po čemu se amorfna tijela razlikuju od kristalnih?
2. Navedite primjere amorfnih tijela.
3. Da li bi se profesija puhača stakla pojavila da je staklo bilo kristalno čvrsto, a ne amorfno?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizika 10. razred

Ako imate ispravke ili prijedloge za ovu lekciju,

Čvrste tvari se dijele na amorfne i kristalne, ovisno o njihovoj molekularnoj strukturi i fizičkim svojstvima.

Za razliku od kristala, molekule i atomi amorfnih čvrstih tvari ne formiraju rešetku, a udaljenost između njih varira unutar određenog raspona mogućih udaljenosti. Drugim riječima, u kristalima su atomi ili molekuli međusobno raspoređeni na takav način da se formirana struktura može ponoviti u cijelom volumenu tijela, što se naziva poredak dugog dometa. U slučaju amorfnih tijela, struktura molekula je očuvana samo u odnosu na svaki takav molekul, uočava se obrazac u distribuciji samo susjednih molekula - poredak kratkog dometa. Ilustrativan primjer je predstavljen u nastavku.

U amorfna tijela spadaju staklo i druge tvari u staklastom stanju, smola, smole, ćilibar, pečatni vosak, bitumen, vosak, kao i organske tvari: guma, koža, celuloza, polietilen itd.

Osobine amorfnih tijela

Strukturne karakteristike amorfnih čvrstih materija daju im individualna svojstva:

1. Slaba fluidnost jedno je od najpoznatijih svojstava takvih tijela. Primjer bi bile staklene kapljice koje su dugo stajale u okviru prozora.
2. Amorfne čvrste materije nemaju određenu tačku topljenja, jer se prelazak u tečno stanje tokom zagrevanja odvija postepeno, omekšavanjem tela. Iz tog razloga se na takva tijela primjenjuje takozvani raspon temperature omekšavanja.

1. Zbog svoje strukture, takva tijela su izotropna, odnosno njihova fizička svojstva ne zavise od izbora pravca.
2. Supstanca u amorfnom stanju ima veću unutrašnju energiju nego u kristalnom stanju. Zbog toga se amorfna tijela mogu samostalno transformirati u kristalno stanje. Ovaj fenomen se može uočiti kao rezultat zamućenja stakla tokom vremena.

Stakleno stanje

U prirodi postoje tekućine koje je praktički nemoguće prevesti u kristalno stanje hlađenjem, jer im složenost molekula ovih supstanci ne dozvoljava da formiraju pravilnu kristalnu rešetku. Takve tekućine uključuju molekule nekih organskih polimera.

Međutim, uz pomoć dubokog i brzog hlađenja, gotovo svaka tvar može preći u staklasto stanje. Ovo je amorfno stanje koje nema čistu kristalnu rešetku, ali može djelomično kristalizirati na skali malih klastera. Ovo stanje materije je metastabilno, odnosno opstaje pod određenim potrebnim termodinamičkim uslovima.

Koristeći tehnologiju hlađenja pri određenoj brzini, tvar neće imati vremena da se kristalizira i pretvorit će se u staklo. To jest, što je veća brzina hlađenja materijala, manja je vjerovatnoća da će kristalizirati. Na primjer, za proizvodnju metalnih čaša bit će potrebna brzina hlađenja od 100.000 - 1.000.000 Kelvina u sekundi.

U prirodi, tvar postoji u staklastom stanju i nastaje iz tekuće vulkanske magme, koja se, u interakciji s hladnom vodom ili zrakom, brzo hladi. U ovom slučaju, tvar se naziva vulkansko staklo. Također možete promatrati staklo nastalo kao rezultat topljenja padajućeg meteorita u interakciji s atmosferom - meteoritsko staklo ili moldavit.

Pored kristalnih čvrstih materija, nalaze se i amorfne čvrste materije. Amorfna tijela, za razliku od kristala, nemaju strogi red u rasporedu atoma. Samo najbliži atomi - susjedi - poređani su nekim redoslijedom. Ali

Ne postoji stroga ponovljivost u svim pravcima istog strukturnog elementa, što je karakteristično za kristale, u amorfnim tijelima.

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

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

Pod vanjskim utjecajima, amorfna tijela pokazuju kako elastična svojstva, poput čvrstih tijela, tako i fluidnost, poput tekućina. Pod kratkotrajnim udarima (udarcima) ponašaju se kao čvrsto tijelo i pri snažnom udaru se raspadaju u komade. Ali uz veoma dugu ekspoziciju, amorfna tijela teku. Na primjer, komad smole se postepeno širi po čvrstoj površini. Atomi ili molekuli amorfnih tijela, kao i molekuli tekućine, imaju određeno vrijeme „sređenog života“, vrijeme oscilacija oko ravnotežnog položaja. Ali za razliku od tečnosti, ovo vreme je veoma dugo. U tom pogledu, amorfna tijela su bliska kristalnim, jer se rijetko dešavaju skokovi atoma iz jednog ravnotežnog položaja u drugi.

Na niskim temperaturama, amorfna tijela po svojim svojstvima nalikuju čvrstim tvarima. Gotovo da nemaju fluidnost, ali kako temperatura raste postepeno omekšaju i njihova svojstva postaju sve bliža svojstvima tečnosti. To se događa jer s povećanjem temperature, skokovi atoma iz jedne pozicije postepeno postaju sve češći.

balans prema drugom. Ne postoji određena tačka topljenja za amorfna tela, za razliku od kristalnih.

Fizika čvrstog stanja. Sva svojstva čvrstih tijela (kristalnih i amorfnih) mogu se objasniti na osnovu poznavanja njihove atomsko-molekularne strukture i zakona kretanja molekula, atoma, jona i elektrona koji čine čvrsta tijela. Proučavanja svojstava čvrstih tijela objedinjena su u veliku oblast moderne fizike - fiziku čvrstog stanja. Razvoj fizike čvrstog stanja stimulisan je uglavnom potrebama tehnologije. Otprilike polovina svjetskih fizičara radi na polju fizike čvrstog stanja. Naravno, dostignuća u ovoj oblasti su nezamisliva bez dubokog poznavanja svih drugih grana fizike.

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