Tahke aine on üks neli põhilist muud aine olekud peale vedeliku, gaasi ja plasma. Seda iseloomustab struktuurne jäikus ja vastupidavus kuju või mahu muutustele. Erinevalt vedelikust ei voola tahke objekt ega võta selle anuma kuju, millesse see asetatakse. Tahke aine ei paisu, et täita kogu olemasolevat mahtu, nagu gaas.
Aatomid sisse tahke kehaüksteisega tihedalt seotud, on sõlmedes korrastatud olekus kristallvõre(need on metallid, tavaline jää, suhkur, sool, teemant) või on paigutatud ebakorrapäraselt, neil ei ole kristallvõre struktuuris ranget korratavust (need on amorfsed kehad, nt aknaklaas, kampol, vilgukivi või plast).
Kristallkehad
Kristallilised tahked ained või kristallid on iseloomulikud sisemine omadus- kristallvõre kujul olev struktuur, milles aine aatomid, molekulid või ioonid hõivavad teatud positsiooni.
Kristallvõre toob kaasa spetsiaalsete lamedate tahkude olemasolu kristallides, mis eristavad üht ainet teisest. Röntgenikiirgusega kokkupuutel kiirgab iga kristallvõre iseloomulikku mustrit, mille abil saab ainet tuvastada. Kristallide servad ristuvad teatud nurkade all, mis eristavad üht ainet teisest. Kui kristall on poolitatud, ristuvad uued tahud originaaliga samade nurkade all.
Näiteks galeen - galeen, püriit - püriit, kvarts - kvarts. Galeenis (PbS) ja püriidis (FeS 2) ristuvad kristallide pinnad täisnurga all ning kvartsis muude nurkade all.
Kristallide omadused
- püsiv maht;
- õige geomeetriline kuju;
- anisotroopia - mehaaniliste, valguse, elektriliste ja termiliste omaduste erinevus suunast kristallis;
- täpselt määratletud sulamistemperatuur, kuna see sõltub kristallvõre korrapärasusest. Intermolekulaarsete jõudude hoidmine tahke koos on homogeensed ja iga interaktsiooni üheaegseks katkestamiseks kulub sama palju soojusenergiat.
Amorfsed kehad
Näited amorfsed kehad millel puudub kristallvõrerakkude range struktuur ja korratavus, on: klaas, vaik, teflon, polüuretaan, naftaleen, polüvinüülkloriid.
Neil on kaks iseloomulikud omadused: isotroopsus ja spetsiifilise sulamistemperatuuri puudumine.
Amorfsete kehade isotroopia all mõistetakse aine ühesuguseid füüsikalisi omadusi igas suunas.
Amorfses tahkis on kaugus kristallvõre naabersõlmedest ja naabersõlmede arv kogu materjali ulatuses erinev. Seetõttu on see vajalik molekulidevaheliste interaktsioonide katkestamiseks erinev kogus soojusenergia. Seega amorfsed ained pehmenevad aeglaselt laias temperatuurivahemikus ja neil ei ole selget sulamistemperatuuri.
Amorfsete tahkete ainete tunnuseks on see, et millal madalad temperatuurid neil on tahkete ainete omadused ja temperatuuri tõustes - vedelike omadused.
HARIDUSMINISTEERIUM
FÜÜSIKA 8. KLASS
Aruanne teemal:
"Amorfsed kehad. Amorfsete kehade sulamine.
8. klassi õpilane:
2009
Amorfsed kehad.
Teeme katse. Vajame plastiliinitükki, steariinküünalt ja elektrikaminat. Paneme peale plastiliini ja küünla võrdsed vahemaad kaminast. Mõne aja pärast osa steariinist sulab (muutub vedelaks) ja osa jääb tahkeks tükiks. Samal ajal pehmeneb plastiliin vaid veidi. Mõne aja pärast sulab kogu steariin ja plastiliin hakkab järk-järgult "korrodeeruma" piki laua pinda, pehmendades üha enam.
Niisiis, on kehasid, mis ei pehmene mitte sulades, vaid alates tahkes olekus muutub kohe vedelaks. Selliste kehade sulamise käigus on alati võimalik vedelik eraldada veel sulamata (tahkest) kehaosast. Need kehad on kristalne. Samuti on tahkeid aineid, mis kuumutamisel järk-järgult pehmenevad ja muutuvad järjest vedelamaks. Selliste kehade puhul on võimatu näidata temperatuuri, mille juures need vedelikuks muutuvad (sulavad). Neid kehasid nimetatakse amorfne.
Teeme järgmise katse. Visake tükk vaiku või vaha klaaslehtrisse ja jätke see sooja ruumi. Umbes kuu aja pärast selgub, et vaha on võtnud lehtri kuju ja hakkas sellest lausa “ojana” välja voolama (joonis 1). Erinevalt kristallidest, mis säilivad peaaegu igavesti enda vorm, on amorfsed kehad voolavad isegi madalatel temperatuuridel. Seetõttu võib neid pidada väga paksudeks ja viskoosseteks vedelikeks.
Amorfsete kehade ehitus. Uuringud elektronmikroskoobiga ja ka röntgenikiirgusega näitavad, et amorfsetes kehades pole range kord nende osakeste paigutuses. Vaadake, joonis 2 näitab osakeste paigutust kristallilises kvartsis ja parempoolne osakeste paigutus amorfses kvartsis. Need ained koosnevad samadest osakestest - ränioksiidi SiO 2 molekulidest.
Kvartsi kristalliline olek saadakse siis, kui sulakvartsi jahutatakse aeglaselt. Kui sulatise jahtumine on kiire, siis pole molekulidel aega järjestatud ridadesse "joonduda" ja tulemuseks on amorfne kvarts.
Amorfsete kehade osakesed võnguvad pidevalt ja juhuslikult. Nad võivad hüpata kohast teise sagedamini kui kristalliosakesed. Seda soodustab ka asjaolu, et amorfsete kehade osakesed paiknevad ebaühtlaselt tihedalt: nende vahel on tühimikud.
Amorfsete kehade kristalliseerumine. Aja jooksul (mitu kuud, aastat) muutuvad amorfsed ained spontaanselt kristalliliseks olekuks. Näiteks sooja kohta üksi jäetud suhkrukommid või värske mesi muutuvad mõne kuu pärast läbipaistmatuks. Nad ütlevad, et mesi ja kommid on "suhkrustatud". Purustades kommirooga või lusikaga mett kühveldades näeme tegelikult tekkinud suhkrukristalle.
Amorfsete kehade spontaanne kristalliseerumine näitab, et aine kristalne olek on stabiilsem kui amorfsel. Molekulidevaheline teooria selgitab seda nii. Molekulidevahelised tõmbe- ja tõukejõud põhjustavad amorfse keha osakeste hüppamist eelistatult sinna, kus on tühimikud. Selle tulemusena tekib osakeste senisest korrastatum paigutus ehk moodustub polükristall.
Amorfsete kehade sulamine.
Temperatuuri tõustes suureneb aatomite vibratsioonilise liikumise energia tahkis ja lõpuks saabub hetk, mil aatomitevahelised sidemed hakkavad katkema. Sel juhul muutub tahke aine vedelaks. Seda üleminekut nimetatakse sulamine. Fikseeritud rõhul toimub sulamine rangelt määratletud temperatuuril.
Soojushulka, mis on vajalik aine massiühiku muutmiseks vedelikuks selle sulamistemperatuuril, nimetatakse erisoojus sulamine λ .
Massilise aine sulatamiseks m on vaja kulutada soojust, mis on võrdne:
Q = λ m .
Amorfsete kehade sulamisprotsess erineb sulamisest kristalsed kehad. Temperatuuri tõustes amorfsed kehad järk-järgult pehmenevad ja muutuvad viskoosseks, kuni muutuvad vedelaks. Erinevalt kristallidest ei ole amorfsetel kehadel kindlat sulamistemperatuuri. Amorfsete kehade temperatuur muutub pidevalt. See juhtub seetõttu, et amorfsetes tahketes ainetes, nagu ka vedelikes, võivad molekulid üksteise suhtes liikuda. Kuumutamisel nende kiirus suureneb ja nendevaheline kaugus suureneb. Selle tulemusena muutub keha järjest pehmemaks, kuni muutub vedelaks. Amorfsete kehade tahkumisel langeb pidevalt ka nende temperatuur.
Koos kristalsete tahkete ainetega leidub ka amorfseid tahkeid aineid. Erinevalt kristallidest ei ole amorfsetel kehadel aatomite paigutuses ranget järjekorda. Ainult lähimad aatomid – naabrid – on paigutatud mingisse järjekorda. Aga
Amorfsetes kehades puudub kristallidele omane ühe ja sama struktuurielemendi kõigis suundades range korratavus.
Sageli võib sama ainet leida nii kristallilisest kui amorfne olek. Näiteks kvarts võib olla kas kristalsel või amorfsel kujul (ränidioksiid). Kvartsi kristallilist vormi saab skemaatiliselt kujutada võrena korrapärased kuusnurgad(Joon. 77, a). Kvartsi amorfsel struktuuril on ka võre kuju, kuid ebakorrapärane kuju. Koos kuusnurkadega sisaldab see viisnurki ja seitsenurki (joon. 77, b).
Amorfsete kehade omadused. Kõik amorfsed kehad on isotroopsed: nende füüsikalised omadused igas suunas sama. Amorfsete kehade hulka kuuluvad klaas, paljud plastid, vaik, kampol, suhkrukommid jne.
Kell välismõjud amorfsetel kehadel on nii elastsed omadused, nagu tahked ained, kui ka voolavus, nagu vedelikud. Lühiajaliste mõjude (löökide) korral käituvad nad tugeva kehana ja purunevad tugeva löögi korral tükkideks. Aga väga pikaajaline kokkupuude amorfsed kehad voolavad. Näiteks vaigutükk levib järk-järgult üle tahke pinna. Amorfsete kehade aatomitel või molekulidel, nagu vedelatel molekulidel, on kindel aeg"istuv elu" on tasakaaluasendi ümber võnkumiste aeg. Kuid erinevalt vedelikest on see aeg väga pikk. Selles suhtes on amorfsed kehad lähedased kristallilistele kehadele, kuna aatomite hüppeid ühest tasakaaluasendist teise esineb harva.
Madalatel temperatuuridel meenutavad amorfsed kehad oma omadustelt tahkeid aineid. Neil pole peaaegu üldse voolavust, kuid temperatuuri tõustes nad järk-järgult pehmenevad ja nende omadused muutuvad vedelike omadustele üha lähedasemaks. See juhtub seetõttu, et temperatuuri tõustes sagenevad järk-järgult aatomite hüpped ühest positsioonist.
tasakaal teisele. Ei teatud temperatuur Amorfsed kehad, erinevalt kristalsetest, ei sula.
Tahkisfüüsika. Tahkete ainete kõiki omadusi (kristallilised ja amorfsed) saab selgitada nende aatom-molekulaarse struktuuri ning tahkeid aineid moodustavate molekulide, aatomite, ioonide ja elektronide liikumisseaduste põhjal. Tahkete ainete omaduste uuringud on ühendatud suur ala kaasaegne füüsika- tahkisfüüsika. Tahkisfüüsika arengut soodustavad peamiselt tehnoloogia vajadused. Umbes pooled maailma füüsikutest töötavad tahkisfüüsika valdkonnas. Muidugi on saavutused selles valdkonnas mõeldamatud sügavaid teadmisi kõik teised füüsika harud.
1. Mille poolest erinevad kristalsed kehad amorfsetest? 2. Mis on anisotroopia? 3. Too näiteid monokristalliliste, polükristalliliste ja amorfsete kehade kohta. 4. Mille poolest erinevad servanihestused kruvinihestusest?
HARIDUSMINISTEERIUM
FÜÜSIKA 8. KLASS
Aruanne teemal:
"Amorfsed kehad. Amorfsete kehade sulamine.
8. klassi õpilane:
2009
Amorfsed kehad.
Teeme katse. Vajame plastiliinitükki, steariinküünalt ja elektrikaminat. Asetame kaminast võrdsele kaugusele plastiliini ja küünla. Mõne aja pärast osa steariinist sulab (muutub vedelaks) ja osa jääb tahkeks tükiks. Samal ajal pehmeneb plastiliin vaid veidi. Mõne aja pärast sulab kogu steariin ja plastiliin hakkab järk-järgult "korrodeeruma" piki laua pinda, pehmendades üha enam.
Niisiis, on kehasid, mis sulamisel ei pehmene, vaid muutuvad tahkest olekust kohe vedelaks. Selliste kehade sulamise käigus on alati võimalik vedelik eraldada veel sulamata (tahkest) kehaosast. Need kehad on kristalne. Samuti on tahkeid aineid, mis kuumutamisel järk-järgult pehmenevad ja muutuvad järjest vedelamaks. Selliste kehade puhul on võimatu näidata temperatuuri, mille juures need vedelikuks muutuvad (sulavad). Neid kehasid nimetatakse amorfne.
Teeme järgmise katse. Visake tükk vaiku või vaha klaaslehtrisse ja jätke see sooja ruumi. Umbes kuu aja pärast selgub, et vaha on võtnud lehtri kuju ja hakkas sellest lausa “ojana” välja voolama (joonis 1). Erinevalt kristallidest, mis säilitavad oma kuju peaaegu igavesti, on amorfsed kehad voolavad isegi madalatel temperatuuridel. Seetõttu võib neid pidada väga paksudeks ja viskoosseteks vedelikeks.
Amorfsete kehade ehitus. Uuringud elektronmikroskoobiga ja ka röntgenikiirgusega näitavad, et amorfsetes kehades puudub nende osakeste paigutuses range kord. Vaadake, joonis 2 näitab osakeste paigutust kristallilises kvartsis ja parempoolne osakeste paigutus amorfses kvartsis. Need ained koosnevad samadest osakestest - ränioksiidi SiO 2 molekulidest.
Kvartsi kristalliline olek saadakse siis, kui sulakvartsi jahutatakse aeglaselt. Kui sulatise jahtumine on kiire, siis pole molekulidel aega järjestatud ridadesse "joonduda" ja tulemuseks on amorfne kvarts.
Amorfsete kehade osakesed võnguvad pidevalt ja juhuslikult. Nad võivad hüpata kohast teise sagedamini kui kristalliosakesed. Seda soodustab ka asjaolu, et amorfsete kehade osakesed paiknevad ebaühtlaselt tihedalt: nende vahel on tühimikud.
Amorfsete kehade kristalliseerumine. Aja jooksul (mitu kuud, aastat) muutuvad amorfsed ained spontaanselt kristalliliseks olekuks. Näiteks sooja kohta üksi jäetud suhkrukommid või värske mesi muutuvad mõne kuu pärast läbipaistmatuks. Nad ütlevad, et mesi ja kommid on "suhkrustatud". Purustades kommirooga või lusikaga mett kühveldades näeme tegelikult tekkinud suhkrukristalle.
Amorfsete kehade spontaanne kristalliseerumine näitab, et aine kristalne olek on stabiilsem kui amorfsel. Molekulidevaheline teooria selgitab seda nii. Molekulidevahelised tõmbe- ja tõukejõud põhjustavad amorfse keha osakeste hüppamist eelistatult sinna, kus on tühimikud. Selle tulemusena tekib osakeste senisest korrastatum paigutus ehk moodustub polükristall.
Amorfsete kehade sulamine.
Temperatuuri tõustes energia võnkuv liikumine Aatomite arv tahkes aines suureneb ja lõpuks saabub hetk, mil aatomitevahelised sidemed hakkavad katkema. Sel juhul läheb tahke keha sisse vedel olek. Seda üleminekut nimetatakse sulamine. Fikseeritud rõhul toimub sulamine rangelt määratletud temperatuuril.
Soojushulka, mis on vajalik aine massiühiku muutmiseks vedelikuks selle sulamistemperatuuril, nimetatakse erisulamissoojuseks. λ .
Massilise aine sulatamiseks m on vaja kulutada soojust, mis on võrdne:
Q = λ m .
Amorfsete kehade sulamisprotsess erineb kristalsete kehade sulamisest. Temperatuuri tõustes amorfsed kehad järk-järgult pehmenevad ja muutuvad viskoosseks, kuni muutuvad vedelaks. Erinevalt kristallidest ei ole amorfsetel kehadel kindlat sulamistemperatuuri. Amorfsete kehade temperatuur muutub pidevalt. See juhtub seetõttu, et amorfsetes tahketes ainetes, nagu ka vedelikes, võivad molekulid üksteise suhtes liikuda. Kuumutamisel nende kiirus suureneb ja nendevaheline kaugus suureneb. Selle tulemusena muutub keha järjest pehmemaks, kuni muutub vedelaks. Amorfsete kehade tahkumisel langeb pidevalt ka nende temperatuur.
Eelmises lõigus saime teada, et mõned tahked ained (näiteks sool, kvarts, metallid ja teised) on mono- või polükristallid. Saame nüüd tuttavaks amorfsed kehad. Need asuvad kristallide ja vedelike vahel vahepealsel positsioonil, mistõttu neid ei saa üheselt tahkeks nimetada.
Teeme katse. Vajame: plastiliinitükki, steariinküünalt ja elektrikerist. Asetame plastiliini ja küünla kerisest võrdsele kaugusele. Varsti osa küünlast sulab, osa jääb vormi tahke, ja plastiliin läheb lonkaks. Mõne aja pärast sulab kogu steariin ja plastiliin "lahustub" järk-järgult, muutudes täiesti pehmeks.
Nagu steariin, on ka teisi kristalsed ained , mis kuumutamisel ei pehmene ning sulamise ajal on alati näha nii vedelik kui ka veel sulamata kehaosa. See on näiteks kõik metallid. Kuid on ka amorfsed ained, mis kuumutamisel järk-järgult pehmenevad ja muutuvad järjest vedelamaks, mistõttu on võimatu näidata temperatuuri, mille juures keha vedelaks muutub (sulab).
Amorfsetel kehadel on igal temperatuuril voolavus. Kinnitagem seda kogemusega. Viskame tüki amorfset ainet klaaslehtrisse ja jätame sooja ruumi seisma (pildil - tõrvavaik; sellest tehakse asfalt). Mõne nädala pärast selgub, et vaik võttis lehtri kuju ja hakkas sellest isegi "joana" välja voolama. See on amorfne keha käitub nagu väga paks ja viskoosne vedelik.
Amorfsete kehade ehitus. Elektronmikroskoobi uuringud ja röntgenikiirgus näitavad, et amorfsetes kehades puudub nende osakeste paigutuses range kord. Erinevalt kristallidest, kus on pikamaa tellimus osakeste paigutuses, amorfsete kehade ehituses, ainult sulge järjekord– osakeste paigutuse teatud järjestus säilib ainult iga üksiku osakese juures(vt pilti). Ülaosa näitab osakeste paigutust kristallilises kvartsis, alumine kvartsi amorfne vorm. Need ained koosnevad samadest osakestest - ränioksiidi SiO 2 molekulidest.
Nagu iga keha osakesed, amorfsete kehade osakesed kõikuvad pidevalt ja juhuslikult ning võivad sagedamini kui kristallide osakesed hüpata ühest kohast teise. Seda soodustab asjaolu, et amorfsete kehade osakesed paiknevad ebaühtlaselt tihedalt, tekitades kohati suhteliselt suured vahed. See ei ole aga sama, mis “vabu kohti” kristallides (vt § 7).
Amorfsete kehade kristalliseerumine. Aja jooksul (nädalad, kuud) amorfsed ained spontaanselt muutuda kristalliliseks olekuks. Näiteks muutuvad mitmeks kuuks üksi seisnud suhkrukommid või mesi läbipaistmatuks. Sel juhul öeldakse, et mesi ja kommid on "suhkrustatud". Sellist kommi katki lüües või lusikaga sellist mett kokku kühveldades näeme varem amorfses olekus eksisteerinud suhkrukristallide teket.
Amorfsete kehade spontaanne kristalliseerumine viitab sellele Aine kristalne olek on stabiilsem kui amorfne. MKT selgitab seda nii. "Naabrite" külgetõmbe- ja tõukejõud liigutavad amorfse keha osakesi olukordadesse, kus potentsiaalne energia minimaalne(vt § 7-d). Sel juhul ilmneb osakeste korrapärasem paigutus, mis tähendab, et toimub sõltumatu kristalliseerumine.