Строение аморфных тел. Исследования при помощи электронного микроскопа и рентгеновских лучей свидетельствуют, что в аморфных телах не наблюдается строгого порядка в расположении их частиц. В отличие от кристаллов, где существует дальний порядок в расположении частиц, в строении аморфных тел есть ближний порядок. Это значит, что некая упорядоченность расположения частиц сохраняется лишь вблизи каждой отдельной частицы (см. рисунок).
На верхней части рисунка изображено расположение частиц в кристаллическом кварце, на нижней – в аморфной форме существования кварца. Эти вещества состоят из одних и тех же частиц – молекул оксида кремния SiO2.
Как и частицы любых тел, частицы аморфных тел непрерывно и беспорядочно колеблются и чаще, чем частицы кристаллов, могут перескакивать с места на место. Этому способствует то, что частицы аморфных тел расположены неодинаково плотно – между их частицами кое-где имеются сравнительно большие промежутки. Однако это не то же, что «вакансии» в кристаллах (см. § 7-е).
Кристаллизация аморфных тел. С течением времени (недели, месяцы) некоторые аморфные тела самопроизвольно переходят в кристаллическое состояние. Например, сахарные леденцы или мёд, оставленные в покое на несколько месяцев, становятся непрозрачными. В этом случае говорят, что мёд и леденцы «засахарились». Разломив засахарившийся леденец или зачерпнув мёд ложкой, мы действительно увидим образовавшиеся кристаллики сахара, прежде существовавшего в аморфном состоянии.
Самопроизвольная кристаллизация аморфных тел свидетельствует, чтокристаллическое состояние вещества является более устойчивым, чем аморфное. МКТ объясняет это так. Cилы отталкивания «соседок» заставляют частицы аморфного тела перемещаться преимущественно туда, где есть большие промежутки. В результате возникает более упорядоченное расположение частиц, то есть происходит кристаллизация.
Проверь себя:
- Цель этого параграфа – познакомиться...
- Какую сравнительную характеристику мы дали аморфным телам?
- Для опыта используем следующее оборудование и материалы: ...
- Во время подготовки к опыту мы...
- Что мы увидим по ходу опыта?
- Каков результат опыта со стеариновой свечой и куском пластилина?
- В отличие от аморфных тел, кристаллические тела...
- При плавлении кристаллического тела...
- В отличие от кристаллических тел, аморфные...
- К аморфным телам относят тела, для которых...
- Что делает аморфные тела похожими на жидкости? Они...
- Опишите начало опыта по подтверждению текучести аморфных тел.
- Опишите результат опыта по подтверждению текучести аморфных тел.
- Сформулируйте вывод из опыта.
- Откуда нам известно, что у аморфных тел нет строгого порядка в расположении их частиц?
- Как мы понимаем термин «ближний порядок» в расположении частиц аморфного тела?
- Одинаковые молекулы оксида кремния имеются как в кристаллической, так и...
- Каков характер движения частиц аморфного тела?
- Каков характер расположения частиц аморфного тела?
- Что может происходить с аморфными телами с течением времени?
- Как можно убедиться в наличии поликристаллов сахара в леденце или в засахарившемся меду?
- Почему мы считаем, что кристаллическое состояние вещества более устойчиво, чем аморфное?
- Как МКТ объясняет самостоятельную кристаллизацию некоторых аморфных тел?
В отличие от кристаллических твёрдых тел, в расположении частиц в аморфном теле нет строгого порядка.
Хотя аморфные твёрдые тела способны сохранять форму, кристаллической решётки у них нет. Некоторая закономерность наблюдается лишь для молекул и атомов, расположенных по соседству. Такой порядок называется ближним порядком . Он не повторяется по всем направлениям и не сохраняется на больших расстояниях, как у кристаллических тел.
Примеры аморфных тел - стекло, янтарь, искусственные смолы, воск, парафин, пластилин и др.
Особенности аморфных тел
Атомы в аморфных телах совершают колебания вокруг точек, которые расположены хаотично. Поэтому структура этих тел напоминает структуру жидкостей. Но частицы в них менее подвижны. Время их колебания вокруг положения равновесия больше, чем в жидкостях. Перескоки атомов в другое положение также происходят намного реже.
Как ведут себя при нагревании твёрдые кристаллические тела? Они начинают плавиться при определённой температуре плавления . И некоторое время одновременно находятся в твёрдом и жидком состоянии, пока не расплавится всё вещество.
У аморфных тел определённой температуры плавления нет . При нагревании они не плавятся, а постепенно размягчаются.
Положим кусок пластилина вблизи нагревательного прибора. Через какое-то время он станет мягким. Это происходит не мгновенно, а в течение некоторого интервала времени.
Так как свойства аморфных тел схожи со свойствами жидкостей, то их рассматривают как переохлаждённые жидкости с очень большой вязкостью (застывшие жидкости). При обычных условиях течь они не могут. Но при нагревании перескоки атомов в них происходят чаще, уменьшается вязкость, и аморфные тела постепенно размягчаются. Чем выше температура, тем меньше вязкость, и постепенно аморфное тело становится жидким.
Обычное стекло - твёрдое аморфное тело. Его получают, расплавляя оксид кремния, соду и известь. Нагрев смесь до 1400 о С, получают жидкую стекловидную массу. При охлаждении жидкое стекло не затвердевает, как кристаллические тела, а остаётся жидкостью, вязкость которой увеличивается, а текучесть уменьшается. При обычных условиях оно кажется нам твёрдым телом. Но на самом деле это жидкость, которая имеет огромную вязкость и текучесть, настолько малую, что она едва различается самыми сверхчувствительными приборами.
Аморфное состоянием вещества неустойчиво. Со временем из аморфного состояния оно постепенно переходит в кристаллическое. Этот процесс в разных веществах проходит с разной скоростью. Мы видим, как покрываются кристаллами сахара леденцы. Для этого нужно не очень много времени.
А для того чтобы кристаллы образовались в обычном стекле, времени должно пройти немало. При кристаллизации стекло теряет свою прочность, прозрачность, мутнеет, становится хрупким.
Изотропность аморфных тел
В кристаллических твёрдых телах физические свойства различаются в разных направлениях. А в аморфных телах они по всем направлениям одинаковы. Это явление называют изотропностью .
Аморфное тело одинаково проводит электричество и теплоту по всем направлениям, одинаково преломляет свет. Звук также одинаково распространяются в аморфных телах по всем направлениям.
Свойства аморфных веществ используются в современных технологиях. Особый интерес вызывают металлические сплавы, которые не имеют кристаллической структуры и относятся к твёрдым аморфным телам. Их называют металлическими стёклами . Их физические, механические, электрические и другие свойства отличаются от аналогичных свойств обычных металлов в лучшую сторону.
Так, в медицине используют аморфные сплавы, прочность которых превышает прочность титана. Из них делают винты или пластины, которыми соединяют сломанные кости. В отличие от титановых деталей крепления этот материал постепенно распадается и со временем заменяется костным материалом.
Применяют высокопрочные сплавы при изготовлении металлорежущих инструментов, арматуры, пружин, деталей механизмов.
В Японии разработан аморфный сплав, обладающий высокой магнитной проницаемостью. Применив его в сердечниках трансформаторов вместо текстурованных листов трансформаторной стали, можно снизить потери на вихревых токах в 20 раз.
Аморфные металлы обладают уникальными свойствами. Их называют материалом будущего.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
ФИЗИКА 8 КЛАСС
Доклад на тему:
“Аморфные тела. Плавление аморфных тел.”
ученица 8 “б” класса:
2009
Аморфные тела.
Проделаем опыт. Нам понадобятся кусок пластилина, стеариновая свеча и электрокамин. Поставим пластилин и свечу на равных расстояниях от камина. По прошествии некоторого времени часть стеарина расплавится (станет жидкостью), а часть - останется в виде твердого кусочка. Пластилин за то же время лишь немного размягчится. Еще через некоторое время весь стеарин расплавится, а пластилин - постепенно "разъедется" по поверхности стола, все более и более размягчаясь.
Итак, существуют тела, которые при плавлении не размягчаются, а из твердого состояния превращаются сразу в жидкость. Во время плавления таких тел всегда можно отделить жидкость от еще не расплавившейся (твердой) части тела. Эти тела - кристаллические. Существуют также твердые тела, которые при нагревании постепенно размягчаются, становятся все более текучими. Для таких тел невозможно указать температуру, при которой они превращаются в жидкость (плавятся). Эти тела называют аморфными.
Проделаем следующий опыт. В стеклянную воронку бросим кусок смолы или воска и оставим в теплой комнате. По прошествии примерно месяца окажется, что воск принял форму воронки и даже начал вытекать из нее в виде "струи" (Рис.1). В противоположность кристаллам, которые почти вечно сохраняют собственную форму, аморфные тела даже при невысоких температурах обладают текучестью. Поэтому их можно рассматривать как очень густые и вязкие жидкости.
Строение аморфных тел. Исследования при помощи электронного микроскопа, а также при помощи рентгеновских лучей свидетельствуют, что в аморфных телах не наблюдается строгого порядка в расположении их частиц. Взгляните, на рисунке 2 изображено расположение частиц в кристаллическом кварце, а на правом - в аморфном кварце. Эти вещества состоят из одних и тех же частиц - молекул оксида кремния SiO 2 .
Кристаллическое состояние кварца получается, если расплавленный кварц охлаждать медленно. Если же охлаждение расплава будет быстрым, то молекулы не успеют "выстроиться" в стройные ряды, и получится аморфный кварц.
Частицы аморфных тел непрерывно и беспорядочно колеблются. Они чаще, чем частицы кристаллов могут перескакивать с места на место. Этому способствует и то, что частицы аморфных тел расположены неодинаково плотно: между ними имеются пустоты.
Кристаллизация аморфных тел. С течением времени (несколько месяцев, лет) аморфные вещества самопроизвольно переходят в кристаллическое состояние. Например, сахарные леденцы или свежий мед, оставленные в покое в теплом месте, через несколько месяцев становятся непрозрачными. Говорят, что мед и леденцы "засахарились". Разломив леденец или зачерпнув мед ложкой, мы действительно увидим образовавшиеся кристаллики сахара.
Самопроизвольная кристаллизация аморфных тел свидетельствует, что кристаллическое состояние вещества является более устойчивым, чем аморфное. Межмолекулярная теория объясняет это так. Межмолекулярные силы притяжения-отталкивания заставляют частицы аморфного тела перескакивать преимущественно туда, где имеются пустоты. В результате возникает более упорядоченное, чем прежде расположение частиц, то есть образуется поликристалл.
Плавление аморфных тел.
По мере возрастания температуры энергия колебательного движения атомов в твёрдом теле возрастает и, наконец, наступает такой момент, когда связи между атомами начинают разрываться. При этом твердое тело переходит в жидкое состояние. Такой переход называется плавлением. При фиксированном давлении плавление происходит при строго определённой температуре.
Количество тепла, необходимое для превращения единицы массы вещества в жидкость при температуре плавления, называют удельной теплотой плавления λ .
Для плавления вещества массой m необходимо затратить количество теплоты равное:
Q = λ · m .
Процесс плавления аморфных тел отличается от плавления кристаллических тел. При повышении температуры аморфные тела постепенно размягчаются, становятся вязкими, до тех пор, пока не превратятся в жидкость. Аморфные тела в противоположность кристаллам не имеют определенной температуры плавления. Температура аморфных тел при этом изменяется непрерывно. Это происходит потому, что в аморфных твердых телах, как и в жидкостях, молекулы могут перемещаться друг относительно друга. При нагревании их скорость увеличивается, увеличивается расстояние между ними. В результате тело становится все мягче и мягче, пока не превратится в жидкость. При отвердевании аморфных тел их температура также понижается непрерывно.
Наряду с кристаллическими твердыми телами встречаются аморфные твердые тела. У аморфных тел в отличие от кристаллов нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи - располагаются в некотором порядке. Но
строгой повторяемости во всех направлениях одною того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет.
Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решетки из правильных шестиугольников (рис. 77, а). Аморфная структура кварца также имеет вид решетки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти- и семиугольники (рис. 77, б).
Свойства аморфных тел. Все аморфные тела изотропны: их физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам принадлежат стекло, многие пластмассы, смола, канифоль, сахарный леденец и др.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твердым телам, и текучесть, подобно жидкостям. При кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твердое тело и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. Так, например, кусок смолы постепенно растекается по твердой поверхности. Атомы или молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют определенное время «оседлой жизни» время колебаний около положения равновесия. Но в отличие от жидкостей это время у них весьма велико. В этом отношении аморфные тела близки к кристаллическим, так как перескоки атомов из одного положения равновесия в другое происходят редко.
При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства все более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения
равновесия в другое. Никакой определенной температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.
Физика твердого тела. Все свойства твердых тел (кристаллических и аморфных) могут быть объяснены на основе знания их атомно-молекулярной структуры и законов движения молекул, атомов, ионов и электронов, слагающих твердые тела. Исследования свойств твердых тел объединены в большой области современной физики - физики твердого тела. Развитие физики твердого тела стимулируется в основном потребностями техники. Приблизительно половина физиков мира работает в области физики твердого тела. Разумеется, достижения в этой области немыслимы без глубоких знаний всех остальных разделов физики.
1. Чем отличаются кристаллические тела от аморфных? 2. Что такое анизотропия? 3. Приведите примеры монокристаллических, поликристал-лических и аморфных тел. 4. Чем отличаются краевые дислокации от винтовых?
Вы когда-нибудь задумывались о том, что представляют собой загадочные аморфные вещества? По строению они отличаются и от твердых, и от жидких. Дело в том, что такие тела находятся в особом конденсированном состоянии, имеющем только ближний порядок. Примеры аморфных веществ - смола, стекло, янтарь, каучук, полиэтилен, поливинилхлорид (наши любимые пластиковые окна), различные полимеры и другие. Это твердые тела, у которых нет кристаллической решетки. Еще к ним можно отнести сургуч, различные клеи, эбонит и пластмассы.
Необыкновенные свойства аморфных веществ
Во время расщепления в аморфных телах не образуются грани. Частицы совершенно беспорядочны и находятся на близком расстоянии друг к другу. Они могут быть как сильно густыми, так и вязкими. Как на них влияют внешние воздействия? Под влиянием различных температур тела становятся текучими, словно жидкости, и одновременно довольно упругими. В случае, когда внешнее воздействие длится недолго, вещества аморфного строения могут при мощном ударе расколоться на кусочки. Длительное влияние извне приводит к тому, что они просто-напросто текут.
Попробуйте провести дома небольшой эксперимент с применением смолы. Положите ее на твердую поверхность, и вы заметите, что она начинает плавно растекаться. Правильно, ведь вещество! Скорость зависит от показателей температуры. Если она будет сильно высокой, то растекаться смола начнет заметно быстрее.
Что еще характерно для таких тел? Они могут принимать любую форму. Если аморфные вещества в виде маленьких частиц поместить в сосуд, например, в кувшин, то они также примут форму сосуда. Еще они являются изотропными, то есть проявляют одинаковые физические свойства по всем направлениям.
Плавление и переход в другие состояния. Металл и стекло
Аморфное состояние вещества не подразумевает поддержания какой-либо определенной температуры. При низких показателях тела застывают, при высоких - плавятся. Кстати, от этого зависит и степень вязкости таких веществ. Низкая температура способствует пониженной вязкости, высокая, наоборот, ее повышает.
Для веществ аморфного типа можно выделить еще одну особенность - переход в кристаллическое состояние, причем самопроизвольный. Почему так происходит? Внутренней энергии в кристаллическом теле намного меньше, чем в аморфном. Мы это можем заметить на примере стеклянной продукции - со временем стекла становятся мутными.
Металлическое стекло - что же это такое? Металл можно избавить от кристаллической решетки в ходе плавления, то есть сделать вещество аморфного строения стеклообразным. Во время застывания при искусственном охлаждении кристаллическая решетка снова образуется. Аморфный металл имеет просто поразительную стойкость к коррозии. Например, сделанный из него кузов автомобиля не нуждался бы в различных покрытиях, так как не подвергался бы самопроизвольному разрушению. Аморфным веществом является такое тело, атомная структура которого обладает невиданной прочностью, а значит, аморфный металл мог бы применяться в совершенно любой промышленной отрасли.
Кристаллическое строение веществ
Чтобы хорошо разбираться в характеристиках металлов и уметь с ними работать, нужно обладать знаниями о кристаллическом строении тех или иных веществ. Производство продукции из металлов и область металлургии не смогли бы получить такое развитие, если бы у людей не было определенных знаний об изменениях в структуре сплавов, технологических приемах и эксплуатационных характеристиках.
Четыре состояния вещества
Общеизвестно, что существует четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное, плазменное. Твердые аморфные вещества могут быть и кристаллическими. При таком строении может наблюдаться пространственная периодичность в расположении частиц. Эти частицы в кристаллах могут выполнять периодическое движение. Во всех телах, которые мы наблюдаем в газообразном или жидком состоянии, можно заметить движение частиц в виде хаотичного беспорядка. Аморфные твердые вещества (например, металлы в конденсированном состоянии: эбонит, стеклянная продукция, смолы) можно называть жидкостями замороженного типа, потому что у них при изменении формы можно заметить такую характерную черту, как вязкость.
Отличие аморфных тел от газов и жидкостей
Проявления пластичности, упругости, упрочнения при деформации свойственны многим телам. Кристаллические и аморфные вещества в большей степени обладают этими характеристиками, в то время как жидкости и газы не имеют таких свойств. Но зато можно заметить, что они способствуют упругому изменению объема.
Кристаллические и аморфные вещества. Механические и физические свойства
Что собой представляют кристаллические и аморфные вещества? Как уже упоминалось выше, аморфными можно назвать те тела, которые обладают огромным коэффициентом вязкости, и при обыкновенной температуре их текучесть невозможна. А вот высокая температура, наоборот, позволяет, им быть текучими, как жидкость.
Совершенно другими представляются вещества кристаллического типа. Эти твердые тела могут иметь свою температуру плавления, зависящую от внешнего давления. Получение кристаллов возможно, если охладить жидкость. Если не принимать определенных мер, то можно заметить, что в жидком состоянии начинают возникать различные центры кристаллизации. В области, окружающей эти центры, происходит образование твердого вещества. Очень маленькие кристаллики начинают соединяться друг с другом в беспорядочном порядке, и получается так называемый поликристалл. Такое тело является изотропным.
Характеристики веществ
Что определяет физические и механические характеристики тел? Важное значение имеют атомные связи, а также тип кристаллической структуры. Кристаллам ионного типа характерны ионные связи, что означает плавный переход от одних атомов к другим. При этом происходит образование положительно и отрицательно заряженных частиц. Ионную связь мы можем наблюдать на простом примере - такие характеристики свойственны разнообразным оксидам и солям. Еще одна особенность ионных кристаллов - низкая проводимость тепла, но ее показатели могут заметно возрастать при нагревании. В узлах кристаллической решетки можно заметить различные молекулы, которые отличаются крепкой атомной связью.
Множество минералов, которые мы встречаем повсеместно в природе, имеют строение кристаллическое. И аморфное состояние вещества - это тоже природа в чистом виде. Только в этом случае тело представляет собой нечто бесформенное, а вот кристаллы могут принимать формы красивейших многогранников с наличием плоских граней, а также образовывать новые удивительной красоты и чистоты твердые тела.
Что представляют собой кристаллы? Аморфно-кристаллическая структура
Форма таких тел постоянна для определенного соединения. Например, берилл всегда выглядит как шестигранная призма. Проведите небольшой эксперимент. Возьмите небольшой кристаллик поваренной соли кубической формы (шар) и положите его в специальный раствор как можно более насыщенный той же поваренной соли. Со временем вы заметите, что этот тело осталось неизменным - оно снова приобрело форму куба или шара, которая присуща именно кристаллам поваренной соли.
3. - поливинилхлорид, или всем известные пластиковые окна из ПВХ. Он устойчив к пожарам, так как считается трудногорючим, обладает повышенной механической прочностью и электроизоляционными свойствами.
4. Полиамид - вещество, обладающее очень высокой прочностью, стойкостью к износу. Ему свойственны высокие диэлектрические характеристики.
5. Плексиглас, или полиметилметакрилат. Его мы можем применять в сфере электротехники или использовать как материал для конструкций.
6. Фторопласт, или политетрафторэтилен, - известный диэлектрик, который не проявляет свойств растворения в растворителях органического происхождения. Обширный диапазон температур и хорошие диэлектрические свойства позволяют применять его как гидрофобный или антифрикционный материал.
7. Полистирол. Этот материал не подвержен воздействию кислот. Он, так же как фторопласт и полиамид, может считаться диэлектриком. Очень прочен в отношении механического воздействия. Полистирол используют повсеместно. Например, он хорошо зарекомендовал себя как конструкционный и электроизоляционный материал. Применяется в электро- и радиотехнике.
8. Наверное, самый известный для нас полимер - это полиэтилен. Материал проявляет устойчивость при воздействии агрессивной среды, он абсолютно не пропускает влагу. Если упаковка выполнена из полиэтилена, можно не бояться, что содержимое испортится под воздействием сильного дождя. Полиэтилен - это тоже диэлектрик. Его применение обширно. Из него изготавливают трубные конструкции, различные электротехнические изделия, изоляционную пленку, оболочки для кабелей телефонных и силовых линий, детали для радио и другой аппаратуры.
9. Полихлорвинил - это высокополимерное вещество. Он является синтетическим и термопластичным. Обладает структурой молекул, которые несимметричны. Почти не пропускает воду и изготавливается путем прессования с помощью штамповки и путем формования. Полихлорвинил применяют чаще всего в электрической промышленности. На его основе создают различные теплоизоляционные шланги и шланги для химической защиты, аккумуляторные банки, изоляционные втулки и прокладки, провода и кабели. Полихлорвинил также является отличной заменой вредному свинцу. Его нельзя применять в качестве высокочастотных цепей в виде диэлектрика. А все из-за того, что в этом случае показатели диэлектрических потерь будут высокими. Обладает высокой проводимостью.