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

Čvrste tvari karakteriziraju konstantan oblik i volumen i dijele se na kristalne i amorfne.

Kristalna tijela

Svaka hemijska supstanca u kristalnom stanju odgovara specifičnoj kristalnoj rešetki, koja određuje fizička svojstva kristala.

Da li ste znali?
Prije mnogo godina u Sankt Peterburgu, u jednom od negrijanih skladišta, bile su velike zalihe bijelih limenih sjajnih dugmadi. I odjednom su počele da tamne, gube sjaj i raspadaju se u prah. U roku od nekoliko dana, planine dugmadi pretvorile su se u gomilu sivog praha. "Limena kuga"- tako se zvala ova "bolest" bijelog lima.
A ovo je bilo samo preuređenje reda atoma u kristalima kalaja. Kalaj se, prelazeći iz bijele u sivu, raspada u prah.
I bijeli i sivi kalaj su kristali kalaja, ali se na niskim temperaturama mijenja njihova kristalna struktura, a kao rezultat toga mijenjaju se fizička svojstva tvari.

Kristali mogu imati različite oblike i ograničeni su na ravne ivice.

U prirodi postoje:
A) monokristali- to su pojedinačni homogeni kristali koji imaju oblik pravilnih poligona i imaju kontinuiranu kristalnu rešetku

Pojedinačni kristali kuhinjske soli:

b) polikristali- to su kristalna tijela spojena iz malih, haotično smještenih kristala.
Većina čvrstih materija ima polikristalnu strukturu (metali, kamenje, pesak, šećer).

polikristali bizmuta:

Anizotropija kristala

U kristalima se opaža anizotropija- zavisnost fizičkih svojstava (mehanička čvrstoća, električna provodljivost, toplotna provodljivost, prelamanje i apsorpcija svetlosti, difrakcija, itd.) od pravca unutar kristala.

Anizotropija se uočava uglavnom kod pojedinačnih kristala.

U polikristalima (na primjer, u velikom komadu metala), anizotropija se ne pojavljuje u normalnom stanju.
Polikristali se sastoje od velikog broja malih kristalnih zrnaca. Iako svaki od njih ima anizotropiju, zbog poremećaja njihovog rasporeda, polikristalno tijelo u cjelini gubi svoju anizotropiju.

Svaka kristalna supstanca se topi i kristalizuje na strogo definisanom nivou tačka topljenja: gvožđe - na 1530°, kalaj - na 232°, kvarc - na 1713°, živa - na minus 38°.

Čestice mogu poremetiti red rasporeda u kristalu samo ako se počne topiti.

Sve dok postoji red čestica, postoji kristalna rešetka, kristal postoji. Ako je struktura čestica poremećena, to znači da se kristal otopio - pretvorio u tečnost, ili ispario - pretvorio se u paru.

Amorfna tela

Amorfna tijela nemaju strogi poredak u rasporedu atoma i molekula (staklo, smola, ćilibar, smola).

U amorfnim tijelima se primjećuje izotropija- njihova fizička svojstva su ista u svim smjerovima.

Pod vanjskim utjecajima ispoljavaju se amorfna tijela istovremeno elastična svojstva (kada su udareni, raspadaju se na komade poput čvrstih materija) i fluidnost (kod dužeg izlaganja teku kao tečnosti).

Na niskim temperaturama amorfna tijela po svojim svojstvima podsjećaju na čvrste tvari, a na visokim temperaturama slična su vrlo viskoznim tekućinama.

Amorfna tela nemaju određenu tačku topljenja, a time i temperatura kristalizacije.
Kada se zagreju, postepeno omekšaju.

Amorfna tijela zauzimaju srednja pozicija između kristalnih čvrstih materija i tečnosti.

Ista supstanca može se pojaviti u kristalnom i nekristalnom obliku.

U tekućem topljenju tvari, čestice se kreću potpuno nasumično.
Ako, na primjer, otopite šećer, tada:

1. ako se talina stvrdnjava polako, mirno, tada se čestice skupljaju u ravnomjerne redove i formiraju se kristali. Tako se dobija granulirani šećer ili grudni šećer;

2. ako do hlađenja dođe vrlo brzo, onda čestice nemaju vremena da se poredaju u pravilne redove i talina se stvrdnjava nekristalno. Dakle, ako rastopljeni šećer sipate u hladnu vodu ili na veoma hladan tanjir, nastaje šećerna bombona, nekristalni šećer.

Predivno!

Vremenom se nekristalna tvar može "degenerirati", ili, preciznije, kristalizirati; čestice u njima se skupljaju u pravilne redove.

Samo je period različit za različite supstance: za šećer je nekoliko meseci, a za kamen milioni godina.

Ostavite bombon da mirno leži dva-tri mjeseca i prekriće se labavom korom. Pogledajte to sa povećalom: to su mali kristali šećera. Počeo je rast kristala u nekristalnom šećeru. Sačekajte još nekoliko mjeseci - i ne samo kora, već i cijeli slatkiš će se kristalizirati.

Čak i naše obično prozorsko staklo može kristalizirati. Vrlo staro staklo ponekad se potpuno zamuti jer se u njemu formira masa malih neprozirnih kristala.

U tvornicama stakla ponekad se u peći formira "koza", odnosno blok kristalnog stakla. Ovo kristalno staklo je vrlo izdržljivo, lakše je uništiti peć nego iz nje izbiti tvrdoglavu "kozu".
Proučavajući ga, naučnici su stvorili novi, vrlo izdržljiv stakleni materijal - keramičko staklo. Ovo je stakleno-kristalni materijal dobijen kao rezultat volumetrijske kristalizacije stakla.

Radoznalo!

Mogu postojati različiti kristalni oblici iste supstance.
Na primjer, ugljenik.

Grafit je kristalni ugljenik. Olovke su napravljene od grafita, koji ostavlja trag na papiru kada se lagano pritisne. Struktura grafita je slojevita. Slojevi grafita se lako pomiču, tako da se grafitne pahuljice lijepe za papir prilikom pisanja.

Ali postoji još jedan oblik kristalnog ugljika - dijamant.

AMORPNA TIJELA(grč. amorfos - bezobličan) - tijela u kojima su elementarne sastavne čestice (atomi, ioni, molekuli, njihovi kompleksi) nasumično smješteni u prostoru. Za razlikovanje amorfnih tijela od kristalnih (vidi Kristali), koristi se analiza difrakcije rendgenskih zraka (vidi). Kristalna tijela na uzorcima difrakcije rendgenskih zraka daju jasnu, definiranu difrakcijsku sliku u obliku prstenova, linija, mrlja, dok amorfna tijela daju zamućenu, nepravilnu sliku.

Amorfna tela imaju sledeće karakteristike: 1) u normalnim uslovima su izotropna, odnosno njihova svojstva (mehanička, električna, hemijska, termička i dr.) su ista u svim pravcima; 2) nemaju određenu tačku topljenja, a s povećanjem temperature većina amorfnih tijela, postepeno omekšavajući, prelazi u tečno stanje. Stoga se amorfna tijela mogu smatrati prehlađenim tekućinama koje nisu imale vremena da se kristaliziraju zbog naglog povećanja viskoznosti (vidi) zbog povećanja sila interakcije između pojedinačnih molekula. Mnoge tvari, ovisno o načinu proizvodnje, mogu biti u amorfnom, srednjem ili kristalnom stanju (proteini, sumpor, silicijum dioksid itd.). Međutim, postoje tvari koje postoje gotovo isključivo u jednom od ovih stanja. Dakle, većina metala i soli je u kristalnom stanju.

Amorfna tijela su široko rasprostranjena (staklo, prirodne i umjetne smole, guma i dr.). Umjetni polimerni materijali, koji su ujedno i amorfna tijela, postali su nezamjenjivi u tehnici, svakodnevnom životu i medicini (lakovi, boje, plastike za protetiku, razne polimerne folije).

U živoj prirodi amorfna tijela uključuju citoplazmu i većinu strukturnih elemenata stanica i tkiva, koji se sastoje od biopolimera - dugolančanih makromolekula: proteina, nukleinskih kiselina, lipida, ugljikohidrata. Molekuli biopolimera lako stupaju u interakciju jedni s drugima, dajući agregate (vidi Agregacija) ili rojeve koacervate (vidi Koacervacija). Amorfna tijela se također nalaze u ćelijama u obliku inkluzija i rezervnih supstanci (škrob, lipidi).

Karakteristika polimera koji čine amorfna tijela bioloških objekata je prisustvo uskih granica fizičko-hemijskih zona reverzibilnog stanja, na primjer. Kada temperatura poraste iznad kritične temperature, njihova struktura i svojstva se nepovratno mijenjaju (koagulacija proteina).

Amorfna tijela formirana od niza umjetnih polimera, ovisno o temperaturi, mogu biti u tri stanja: staklasto, visokoelastično i tekuće (viskozno-tečno).

Ćelije živog organizma karakteriziraju prijelazi iz tekućeg u visoko elastično stanje pri konstantnoj temperaturi, na primjer, povlačenje krvnog ugruška, kontrakcija mišića (vidi). U biološkim sistemima, amorfna tijela igraju ključnu ulogu u održavanju citoplazme u stacionarnom stanju. Važna je uloga amorfnih tijela u održavanju oblika i čvrstoće bioloških objekata: celulozne membrane biljnih stanica, membrane spora i bakterija, životinjske kože i dr.

Bibliografija: Bresler S. E. i Yerusalimsky B. L. Fizika i hemija makromolekula, M.-L., 1965; Kitaygorodsky A.I. Rentgenska strukturna analiza finokristalnih i amorfnih tijela, M.-L., 1952; aka. Red i nered u svijetu atoma, M., 1966; Kobeko P. P. Amorfne supstance, M.-L., 1952; Setlow R. i Pollard E. Molekularna biofizika, trans. sa engleskog, M., 1964.

Čvrsto tijelo je jedno od četiri osnovna stanja materije, osim tekućine, plina i plazme. Karakterizira ga strukturna krutost i otpornost na promjene oblika ili volumena. Za razliku od tečnosti, čvrsti predmet ne teče i ne poprima oblik posude u koju se nalazi. Čvrsto tijelo se ne širi kako bi ispunilo cjelokupnu raspoloživu zapreminu kao što to čini plin.
Atomi u čvrstom stanju su međusobno usko povezani, nalaze se u uređenom stanju na čvorovima kristalne rešetke (to su metali, obični led, šećer, so, dijamant), ili su raspoređeni nepravilno, nemaju strogu ponovljivost u struktura kristalne rešetke (to su amorfna tijela, kao što su prozorsko staklo, kolofonij, liskun ili plastika).

Kristalna tijela

Kristalne čvrste tvari ili kristali imaju karakterističnu unutarnju karakteristiku - strukturu u obliku kristalne rešetke, u kojoj atomi, molekuli ili ioni tvari zauzimaju određeni položaj.
Kristalna rešetka dovodi do postojanja posebnih ravnih površina u kristalima, koje razlikuju jednu supstancu od druge. Kada je izložena rendgenskim zracima, svaka kristalna rešetka emituje karakterističan uzorak koji se može koristiti za identifikaciju supstance. Rubovi kristala se sijeku pod određenim uglovima koji razlikuju jednu supstancu od druge. Ako je kristal podijeljen, nova lica će se ukrštati pod istim uglovima kao i originalna.

Na primjer, galena - galena, pirit - pirit, kvarc - kvarc. Površine kristala se seku pod pravim uglom u galenit (PbS) i pirit (FeS 2), a pod drugim uglovima u kvarcu.

Svojstva kristala

• konstantan volumen;
• ispravan geometrijski oblik;
• anizotropija - razlika u mehaničkim, svjetlosnim, električnim i toplinskim svojstvima iz smjera u kristalu;
• dobro definisana tačka topljenja, jer zavisi od pravilnosti kristalne rešetke. Intermolekularne sile koje drže čvrstu supstancu na okupu su uniformne i potrebna je ista količina toplotne energije da bi se svaka sila istovremeno razbila.

Amorfna tela

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

Imaju dva karakteristična svojstva: izotropnost i odsustvo određene tačke topljenja.
Pod izotropijom amorfnih tijela podrazumijevaju se ista fizička svojstva tvari u svim smjerovima.
U amorfnom čvrstom stanju, udaljenost do susjednih čvorova kristalne rešetke i broj susjednih čvorova varira u cijelom materijalu. Stoga su potrebne različite količine toplinske energije da bi se prekinule međumolekularne interakcije. Posljedično, amorfne tvari polako omekšaju u širokom rasponu temperatura i nemaju jasnu tačku topljenja.
Karakteristika amorfnih čvrstih materija je da na niskim temperaturama imaju svojstva čvrstih materija, a kada temperatura raste, imaju svojstva tečnosti.

Za razliku od kristalnih čvrstih materija, ne postoji strogi poredak u rasporedu čestica u amorfnoj čvrstoj materiji.

Iako amorfne čvrste tvari mogu zadržati svoj oblik, one nemaju kristalnu rešetku. Određeni obrazac se opaža samo za molekule i atome koji se nalaze u blizini. Ova naredba se zove zatvori red . Ne ponavlja se u svim smjerovima i ne opstaje na velikim udaljenostima, kao kod kristalnih tijela.

Primjeri amorfnih tijela su staklo, ćilibar, umjetne smole, vosak, parafin, plastelin itd.

Osobine amorfnih tijela

Atomi u amorfnim tijelima vibriraju oko tačaka koje su nasumično locirane. Stoga struktura ovih tijela podsjeća na strukturu tekućina. Ali čestice u njima su manje pokretne. Vrijeme kada osciliraju oko ravnotežnog položaja je duže nego u tekućinama. Skokovi atoma na drugu poziciju također se dešavaju mnogo rjeđe.

Kako se kristalne čvrste materije ponašaju kada se zagreju? Počinju da se tope na određenom tačka topljenja. I neko vrijeme su istovremeno u čvrstom i tekućem stanju, dok se cijela tvar ne otopi.

Amorfne čvrste materije nemaju određenu tačku topljenja . Kada se zagreju, ne tope se, već postepeno omekšaju.

Stavite komad plastelina blizu uređaja za grijanje. Nakon nekog vremena postat će mekana. To se ne dešava odmah, već u određenom vremenskom periodu.

Budući da su svojstva amorfnih tijela slična svojstvima tekućina, smatraju se prehlađenim tekućinama vrlo visokog viskoziteta (zamrznute tekućine). U normalnim uslovima ne mogu da teče. Ali kada se zagrije, skokovi atoma u njima se češće javljaju, viskoznost se smanjuje, a amorfna tijela postupno omekšaju. Što je temperatura viša, to je niži viskozitet i postepeno amorfno tijelo postaje tečno.

Obično staklo je čvrsto amorfno tijelo. Dobija se topljenjem silicijum oksida, sode i vapna. Zagrevanjem smeše na 1400 o C dobija se tečna staklena masa. Kada se ohladi, tečno staklo se ne stvrdnjava kao kristalna tijela, već ostaje tečnost čiji se viskozitet povećava, a fluidnost smanjuje. U normalnim uslovima nam se čini kao čvrsto telo. Ali u stvari to je tečnost koja ima ogroman viskozitet i fluidnost, toliko nisku da se jedva može razlikovati od najosetljivijih instrumenata.

Amorfno stanje supstance je nestabilno. Vremenom se postepeno pretvara iz amorfnog u kristalno stanje. Ovaj proces se odvija različitom brzinom u različitim supstancama. Vidimo štapiće bombona kako se prekrivaju kristalima šećera. Ovo ne oduzima mnogo vremena.

A da bi se kristali formirali u običnom staklu, mora proći dosta vremena. Tokom kristalizacije staklo gubi snagu, prozirnost, postaje mutno i postaje krto.

Izotropija amorfnih tijela

U kristalnim čvrstim tvarima, fizička svojstva variraju u različitim smjerovima. Ali u amorfnim tijelima oni su isti u svim smjerovima. Ovaj fenomen se zove izotropija .

Amorfno tijelo provodi elektricitet i toplinu jednako u svim smjerovima i podjednako lomi svjetlost. Zvuk također putuje jednako u amorfnim tijelima u svim smjerovima.

Svojstva amorfnih supstanci koriste se u modernim tehnologijama. Od posebnog interesa su legure metala koje nemaju kristalnu strukturu i pripadaju amorfnim čvrstim materijama. Oni se nazivaju metalne čaše . Njihova fizička, mehanička, električna i druga svojstva se bolje razlikuju od običnih metala.

Tako se u medicini koriste amorfne legure čija je čvrstoća veća od titanijuma. Koriste se za izradu vijaka ili ploča koje spajaju slomljene kosti. Za razliku od titanijumskih zatvarača, ovaj materijal se postupno raspada i vremenom ga zamjenjuje koštani materijal.

Legure visoke čvrstoće koriste se u proizvodnji alata za rezanje metala, okova, opruga i dijelova mehanizama.

U Japanu je razvijena amorfna legura visoke magnetne permeabilnosti. Upotrebom u jezgri transformatora umjesto teksturiranih transformatorskih čeličnih limova, gubici vrtložnih struja mogu se smanjiti za 20 puta.

Amorfni metali imaju jedinstvena svojstva. Nazivaju se materijalom budućnosti.

Struktura amorfnih tijela. Istraživanja pomoću elektronskog mikroskopa i rendgenskih zraka pokazuju da u amorfnim tijelima ne postoji strogi red u rasporedu njihovih čestica. Za razliku od kristala, gde ima narudžba na daljinu u rasporedu čestica, u strukturi amorfnih tijela postoji zatvori red. To znači da je određena sređenost u rasporedu čestica očuvana samo u blizini svake pojedinačne čestice (vidi sliku).

Gornji dio slike prikazuje raspored čestica u kristalnom kvarcu, donji dio prikazuje amorfni oblik postojanja kvarca. Ove supstance se sastoje od istih čestica - molekula silicijum oksida SiO2.

Kao čestice bilo kojeg tijela, čestice amorfnih tijela kontinuirano i nasumično fluktuiraju i, češće od čestica kristala, mogu skakati s mjesta na mjesto. To je olakšano činjenicom da su čestice amorfnih tijela smještene nejednako gusto - na nekim mjestima postoje relativno velike praznine između njihovih čestica. Međutim, to nije isto što i „slobodna mjesta“ u kristalima (vidi § 7.).

Kristalizacija amorfnih tijela. Vremenom (sedmicama, mesecima) nastaju neka amorfna tela spontano transformisati u kristalno stanje. Na primjer, šećerne bombone ili med ostavljeni nekoliko mjeseci postaju neprozirni. U ovom slučaju, za med i slatkiše se kaže da su "zašećereni". Razbijanjem ušećerenog slatkiša ili hvatanjem meda kašikom, zapravo ćemo videti stvaranje kristala šećera koji su ranije postojali u amorfnom stanju.

Spontana kristalizacija amorfnih tijela ukazuje na to Kristalno stanje tvari je stabilnije od amorfnog. MKT to objašnjava na ovaj način. Odbojne sile "susjeda" tjeraju čestice amorfnog tijela da se pomaknu prvenstveno tamo gdje postoje velike praznine. Kao rezultat, dolazi do uređenijeg rasporeda čestica, odnosno dolazi do kristalizacije.

Provjerite sami:

1. Svrha ovog paragrafa je da uvede...
2. Koje smo uporedne karakteristike dali amorfnim tijelima?
3. Za eksperiment koristimo sljedeću opremu i materijale: ...
4. Tokom priprema za eksperiment, mi...
5. Šta ćemo vidjeti tokom eksperimenta?
6. Kakav je rezultat eksperimenta sa stearinskom svijećom i komadom plastelina?
7. Za razliku od amorfnih tijela, kristalna tijela...
8. Kada se kristalno telo topi...
9. Za razliku od kristalnih tela, amorfna...
10. Amorfna tijela uključuju tijela za koja...
11. Šta čini da amorfna tela izgledaju kao tečnosti? Oni...
12. Opišite početak eksperimenta kako biste potvrdili fluidnost amorfnih tijela.
13. Opišite rezultat eksperimenta da potvrdite fluidnost amorfnih tijela.
14. Formulirajte zaključak iz iskustva.
15. Kako znamo da amorfna tijela nemaju strogi red u rasporedu svojih čestica?
16. Kako razumemo pojam „poredak kratkog dometa“ u rasporedu čestica amorfnog tela?
17. Isti molekuli silicijum oksida nalaze se u kristalnim i...
18. Kakva je priroda kretanja čestica amorfnog tijela?
19. Kakva je priroda rasporeda čestica amorfnog tijela?
20. Šta se može dogoditi s amorfnim tijelima tokom vremena?
21. Kako možete biti sigurni da u slatkišima ili kandiranom medu ima polikristala šećera?
22. Zašto mislimo da je kristalno stanje supstance stabilnije od amorfnog?
23. Kako MCT objašnjava nezavisnu kristalizaciju nekih amorfnih tijela?