Аморфні тіла – фізичні властивості. Тверді тіла

На відміну від кристалічних твердих тіл, розташування частинок в аморфному тілі немає строгого порядку.

Хоча аморфні тверді тіла здатні зберігати форму, кристалічних ґрат у них немає. Деяка закономірність спостерігається лише молекул і атомів, розташованих поруч. Такий порядок називається ближнім порядком . Він не повторюється в усіх напрямках і не зберігається на великих відстаняхяк у кристалічних тіл.

Приклади аморфних тіл - скло, бурштин, штучні смоли, віск, парафін, пластилін та ін.

Особливості аморфних тіл

Атоми в аморфних тілах чинять коливання навколо точок, які розташовані хаотично. Тому структура цих тіл нагадує структуру рідин. Але частки у них менш рухливі. Час їх коливання навколо положення рівноваги більший, ніж у рідинах. Перескоки атомів в інше положення також відбуваються набагато рідше.

Як поводяться при нагріванні тверді кристалічні тіла? Вони починають плавитися за певної температурі плавлення. І деякий час одночасно перебувають у твердому та рідкому стані, Доки не розплавиться вся речовина.

У аморфних тіл певної температури плавлення немає . При нагріванні вони не плавляться, а поступово розм'якшуються.

Покладемо шматок пластиліну поблизу нагрівального приладу. Через якийсь час він стане м'яким. Це відбувається миттєво, а протягом деякого інтервалу часу.

Так як властивості аморфних тіл схожі з властивостями рідин, їх розглядають як переохолоджені рідини з дуже великою в'язкістю (застиглі рідини). При звичайних умовахтекти вони не можуть. Але при нагріванні перескоки атомів у них відбуваються частіше, зменшується в'язкість і аморфні тіла поступово розм'якшуються. Що температура, тим менше в'язкість, і поступово аморфне тіло стає рідким.

Звичайне скло – тверде аморфне тіло. Його одержують, розплавляючи оксид кремнію, соду та вапно. Нагрів суміш до 1400 про З, отримують рідку склоподібну масу. При охолодженні рідке склоне твердне, як кристалічні тіла, а залишається рідиною, в'язкість якої збільшується, а плинність зменшується. За звичайних умов воно здається нам твердим тілом. Але насправді це рідина, яка має величезну в'язкість і плинність, настільки малу, що вона ледь відрізняється найчутливішими приладами.

Аморфний стан речовини нестійкий. Згодом з аморфного стану воно поступово переходить у кристалічний. Цей процес у різних речовинахпроходить з різною швидкістю. Ми бачимо, як покриваються кристалами цукру льодяники. Для цього потрібно небагато часу.

А для того, щоб кристали утворилися у звичайному склі, часу має пройти чимало. При кристалізації скло втрачає свою міцність, прозорість, каламутніє, стає крихким.

Ізотропність аморфних тіл

У кристалічних твердих тілах фізичні властивостірозрізняються у різних напрямках. А в аморфних тілах вони в усіх напрямках однакові. Це явище називають ізотропністю .

Аморфне тіло однаково проводить електрику та теплоту в усіх напрямках, однаково заломлює світло. Звук також однаково поширюються в аморфних тілах у всіх напрямках.

Властивості аморфних речовин використовуються в сучасних технологіях. Особливий інтересвикликають металеві сплави, які не мають кристалічної структури та відносяться до твердих аморфних тіл. Їх називають металевим склом . Їх фізичні, механічні, електричні та інші властивості відрізняються від аналогічних властивостей звичайних металів на краще.

Так, у медицині використовують аморфні сплави, міцність яких перевищує міцність титану. З них роблять гвинти чи пластини, якими з'єднують зламані кістки. На відміну від титанових деталей кріплення, цей матеріал поступово розпадається і згодом замінюється кістковим матеріалом.

Застосовують високоміцні сплави при виготовленні металорізальних інструментів, арматури, пружин, деталей механізмів.

У Японії розроблено аморфний сплав, що має високу магнітну проникність. Застосувавши його у сердечниках трансформаторів замість текстурованих листів трансформаторної сталі, можна знизити втрати на вихрових струмах у 20 разів.

Аморфні метали мають унікальними властивостями. Їх називають матеріалом майбутнього.

Ви коли-небудь замислювалися про те, що є загадковими аморфні речовини? За будовою вони відрізняються і від твердих, і рідких. Справа в тому, що такі тіла знаходяться в особливому конденсованому стані, який має лише ближній порядок. Приклади аморфних речовин – смола, скло, бурштин, каучук, поліетилен, полівінілхлорид (наші улюблені пластикові вікна), різні полімери та інші. Це тверді тіла, які не мають кристалічних ґрат. Ще до них можна віднести сургуч, різні клеї, ебоніти та пластмаси.

Незвичайні властивості аморфних речовин

Під час розщеплення у аморфних тілах не утворюються грані. Частинки абсолютно безладні і знаходяться на близької відстаніодин до одного. Вони можуть бути як сильно густими, так і в'язкими. Як впливають на них зовнішні впливи? Під впливом різних температур тіла стають плинними, немов рідини, і водночас досить пружними. У випадку, коли зовнішній впливтриває недовго, речовини аморфної будовиможуть при потужному ударірозколотися на шматочки. Тривалий вплив ззовні призводить до того, що вони просто течуть.

Спробуйте провести вдома невеликий експериментіз застосуванням смоли. Покладіть її на тверду поверхню і ви помітите, що вона починає плавно розтікатися. Правильно, адже речовина! Швидкість залежить від показників температури. Якщо вона буде дуже високою, то розтікатися смола почне помітно швидше.

Що ще притаманно таких тіл? Вони можуть набувати будь-якої форми. Якщо аморфні речовини у вигляді маленьких частинок помістити в посудину, наприклад, у глечик, то вони також набудуть форми судини. Ще вони є ізотропними, тобто виявляють однакові фізичні властивості у всіх напрямках.

Плавлення та перехід в інші стани. Метал та скло

Аморфний стан речовини не передбачає підтримки будь-якої певної температури. При низьких показниках тіла застигають, при високих – плавляться. До речі, від цього залежить і рівень в'язкості таких речовин. Низька температура сприяє зниженій в'язкості, висока, навпаки, її підвищує.

Для речовин аморфного типу можна виділити ще одну особливість – перехід у кристалічний стан, причому мимовільний. Чому так відбувається? Внутрішньої енергії у кристалічному тілі набагато менше, ніж у аморфному. Ми це можемо помітити на прикладі скляної продукції - з часом скла стають каламутними.

Металеве скло - що це таке? Метал можна позбавити кристалічної решітки в ході плавлення, тобто зробити речовину аморфної будови склоподібною. Під час застигання при штучному охолодженні кристалічні грати знову утворюються. Аморфний метал має просто вражаючу стійкість до корозії. Наприклад, зроблений з нього кузов автомобіля не потребував би різних покриттів, так як не піддавався б мимовільному руйнуванню. Аморфною речовиною є таке тіло, атомна структураякого має небачену міцність, а значить, аморфний метал міг би застосовуватися в будь-якій промисловій галузі.

Кристалічна будова речовин

Щоб добре розумітися на характеристиках металів і вміти з ними працювати, потрібно мати знання про кристалічну будову тих чи інших речовин. Виробництво продукції з металів і область металургії не змогли б отримати такий розвиток, якби у людей не було певних знань про зміни в структурі сплавів, технологічні прийоми та експлуатаційні характеристики.

Чотири стани речовини

Загальновідомо, що існує чотири агрегатних стану: тверде, рідке, газоподібне, плазмове. Тверді аморфні речовини можуть бути кристалічними. За такої будови може спостерігатися просторова періодичність розташування частинок. Ці частинки в кристалах можуть виконувати періодичний рух. У всіх тілах, які ми спостерігаємо в газоподібному або рідкому стані, можна побачити рух частинок у вигляді хаотичного безладдя. Аморфні тверді речовини (наприклад, метали в конденсованому стані: ебоніт, скляна продукція, смоли) можна називати рідинами замороженого типу, тому що у них при зміні форми можна помітити таку характерну рисуяк в'язкість.

Відмінність аморфних тіл від газів та рідин

Прояви пластичності, пружності, зміцнення при деформації властиві багатьом тілам. Кристалічні та аморфні речовини в більшою міроюмають ці характеристики, у той час як рідини і гази не мають таких властивостей. Але можна помітити, що вони сприяють пружній зміні обсягу.

Кристалічні та аморфні речовини. Механічні та фізичні властивості

Що являють собою кристалічні та аморфні речовини? Як вже згадувалося вище, аморфними можна назвати ті тіла, які мають величезний коефіцієнт в'язкості, і при звичайній температурі їх плинність неможлива. А ось висока температура, навпаки, дозволяє їм бути текучими, як рідина.

Зовсім іншими є речовини кристалічного типу. Ці тверді тіла можуть мати свою температуру плавлення, яка залежить від зовнішнього тиску. Отримання кристалів можливе, якщо охолодити рідину. Якщо не вживати певних заходів, то можна помітити, що у рідкому стані починають виникати різні центрикристалізації. В області, що оточує ці центри, відбувається утворення твердої речовини. Дуже маленькі кристалики починають з'єднуватися один з одним безладно, і виходить так званий полікристал. Таке тіло є ізотропним.

Характеристики речовин

Що визначає фізичні та механічні характеристикитіл? Важливе значеннямають атомні зв'язкиа також тип кристалічної структури. Кристалам іонного типухарактерними є іонні зв'язки, що означає плавний перехід від одних атомів до інших. При цьому відбувається утворення позитивно та негативно заряджених частинок. Іонний зв'язокми можемо спостерігати на простому прикладі- такі характеристики властиві різноманітним оксидам та солям. Ще одна особливість іонних кристалів – низька провідність тепла, але її показники можуть помітно зростати при нагріванні. У вузлах кристалічних ґрат можна помітити різні молекули, які відрізняються міцним атомним зв'язком.

Багато мінералів, які ми зустрічаємо повсюдно в природі, мають будову кристалічну. І аморфний стан речовини - це теж природа чистому вигляді. Тільки в цьому випадку тіло є чимось безформним, а от кристали можуть набувати форм найкрасивіших багатогранників з наявністю плоских граней, а також утворювати нові дивовижної краси і чистоти тверді тіла.

Що є кристалами? Аморфно-кристалічна структура

Форма таких тіл є постійною для певного з'єднання. Наприклад, берил завжди виглядає як шестигранна призма. Проведіть невеликий експеримент. Візьміть невеликий кристалик кухонної солікубічної форми (куля) і покладіть його в спеціальний розчин якомога більш насичений тієї ж кухонної солі. Згодом ви помітите, що це тіло залишилося незмінним - воно знову набуло форми куба або кулі, яка властива саме кристалам кухонної солі.

3. - полівінілхлорид, або всім відомі пластикові вікна із ПВХ. Він стійкий до пожеж, оскільки вважається важкогорючим, має підвищену механічну міцність та електроізоляційні властивості.

4. Поліамід - речовина, що має дуже високу міцність, стійкість до зносу. Йому властиві високі діелектричні характеристики.

5. Плексиглас або поліметилметакрилат. Його ми можемо використовувати у сфері електротехніки або використовувати як матеріал для конструкцій.

6. Фторопласт, або політетрафторетилен - відомий діелектрик, який не виявляє властивостей розчинення в розчинниках органічного походження. Широкий діапазон температур і хороші діелектричні властивостідозволяють застосовувати його як гідрофобний чи антифрикційний матеріал.

7. Полістирол. Цей матеріал не піддається впливу кислот. Він, як і фторопласт і поліамід, може вважатися діелектриком. Дуже міцний щодо механічного впливу. Полістирол використовують повсюдно. Наприклад, він добре зарекомендував себе як конструкційний та електроізоляційний матеріал. Застосовується в електро- та радіотехніці.

8. Напевно, найвідоміший для нас полімер – це поліетилен. Матеріал виявляє стійкість при дії агресивного середовища, він абсолютно не пропускає вологу Якщо упаковка виготовлена з поліетилену, можна не боятися, що вміст зіпсується під впливом сильного дощу. Поліетилен - це також діелектрик. Його застосування широко. З нього виготовляють трубні конструкції, різні електротехнічні вироби, ізоляційну плівку, оболонки для телефонних кабелів і силових ліній, деталі для радіо та іншої апаратури.

9. Поліхлорвініл – це високополімерна речовина. Він є синтетичним та термопластичним. Має структуру молекул, які несиметричні. Майже не пропускає воду та виготовляється шляхом пресування за допомогою штампування та шляхом формування. Поліхлорвініл застосовують найчастіше в електричній промисловості. На його основі створюють різні теплоізоляційні шланги та шланги. хімічного захисту, акумуляторні банки, ізоляційні втулки та прокладки, проводи та кабелі. Поліхлорвініл також є чудовою заміною шкідливого свинцю. Його не можна застосовувати як високочастотні ланцюги у вигляді діелектрика. А все тому, що в цьому випадку показники діелектричних втрат будуть високими. Має високу провідність.

На відміну від кристалічних твердих тіл, розташування частинок в аморфному тілі немає строгого порядку.

Хоча аморфні тверді тіла здатні зберігати форму, кристалічних ґрат у них немає. Деяка закономірність спостерігається лише молекул і атомів, розташованих поруч. Такий порядок називається ближнім порядком . Він не повторюється у всіх напрямках і не зберігається на великих відстанях, як у кристалічних тіл.

Приклади аморфних тіл - скло, бурштин, штучні смоли, віск, парафін, пластилін та ін.

Особливості аморфних тіл

Як поводяться при нагріванні тверді кристалічні тіла? Вони починають плавитися за певної температурі плавлення. І деякий час одночасно перебувають у твердому та рідкому стані, поки не розплавиться вся речовина.

Так як властивості аморфних тіл схожі з властивостями рідин, їх розглядають як переохолоджені рідини з дуже великою в'язкістю (застиглі рідини). За звичайних умов текти вони не можуть. Але при нагріванні перескоки атомів у них відбуваються частіше, зменшується в'язкість і аморфні тіла поступово розм'якшуються. Що температура, тим менше в'язкість, і поступово аморфне тіло стає рідким.

Звичайне скло – тверде аморфне тіло. Його одержують, розплавляючи оксид кремнію, соду та вапно. Нагрів суміш до 1400 про З, отримують рідку склоподібну масу. При охолодженні рідке скло не твердне, як кристалічні тіла, а залишається рідиною, в'язкість якої збільшується, а плинність зменшується. За звичайних умов воно здається нам твердим тілом. Але насправді це рідина, яка має величезну в'язкість і плинність, настільки малу, що вона ледь відрізняється найчутливішими приладами.

Аморфний стан речовини нестійкий. Згодом з аморфного стану воно поступово переходить у кристалічний. Цей процес у різних речовинах проходить із різною швидкістю. Ми бачимо, як покриваються кристалами цукру льодяники. Для цього потрібно небагато часу.

Ізотропність аморфних тіл

У кристалічних твердих тілах фізичні властивості розрізняються у різних напрямках. А в аморфних тілах вони в усіх напрямках однакові. Це явище називають ізотропністю .

Властивості аморфних речовин використовуються у сучасних технологіях. Особливий інтерес викликають металеві сплави, які мають кристалічної структури і ставляться до твердим аморфним тілам. Їх називають металевим склом . Їх фізичні, механічні, електричні та інші властивості відрізняються від аналогічних властивостей звичайних металів на краще.

Аморфні метали мають унікальні властивості. Їх називають матеріалом майбутнього.

Тверде тіло є одним з чотирьох фундаментальнихстанів матерії, крім рідини, газу та плазми. Воно характеризується структурною жорсткістю та стійкістю до зміни форми чи обсягу. На відміну від рідини, твердий об'єкт не тече, не набуває форми контейнера, в який його поміщають. Тверде тіло не розширюється, щоб заповнити весь доступний об'єм, як це робить газ.
Атоми в твердому тілітісно пов'язані один з одним, знаходяться в упорядкованому стані у вузлах кристалічної решітки (це метали, звичайний лід, цукор, сіль, алмаз), або розташовуються нерегулярно, не мають суворої повторюваності в структурі кристалічної решітки (це аморфні тіла, такі як шибка, каніфоль, слюда чи пластмаса).

Кристалічні тіла

Кристалічні тверді тіла або кристали мають відмінну внутрішню особливість- Структуру у вигляді кристалічної решітки, в якій певне положення займають атоми, молекули або іони речовини.
Кристалічна решітка призводить до існування особливих плоских граней у кристалів, які відрізняють одну речовину від іншої. При дії рентгенівських променів, кожна кристалічна решітка випромінює характерний малюнок, який можна використовувати для ідентифікації речовини. Грані кристалів перетинаються під певними кутами, що відрізняють одну речовину від іншої. Якщо кристал розщепити, нові грані будуть перетинатися під тими ж кутами, що у вихідного.

Наприклад, галена - галеніт, pyrite - пірит, quartz - кварц. Грані кристала перетинаються під прямим кутом у галеніті (PbS) і пирите (FeS 2), під іншими кутами в кварці.

Властивості кристалів

постійний обсяг;
правильна геометрична форма;
анізотропія - відмінність механічних, світлових, електричних та теплових властивостей від напрямку в кристалі;
чітко визначена температура плавлення, оскільки залежить від регулярності кристалічної решітки. Міжмолекулярні сили, що утримують тверда речовинаразом, однорідні, і потрібна однакова кількість теплової енергії, щоб одночасно розірвати кожну взаємодію.

Аморфні тіла

Прикладами аморфних тіл, що не мають строгої структури та повторюваності осередків кристалічних ґрат, є: скло, смола, тефлон, поліуретан, нафталін, полівінілхлорид.

Вони мають два характерні властивості: ізотропність та відсутність певної температури плавлення.
Ізотропність аморфних тіл розуміють, як однаковість фізичних властивостей речовини в усіх напрямках.
В аморфному твердому тілі відстань до сусідніх вузлів кристалічних ґрат і кількість сусідніх вузлів змінюється по всьому матеріалу. Тому, щоб розірвати міжмолекулярні взаємодії, потрібно різна кількістьтеплової енергії. Отже, аморфні речовини повільно розм'якшуються широкому діапазоні температур і мають точної температури плавлення.
Особливістю аморфних твердих тіл є те, що при низьких температурахвони мають властивості твердих тіл, а при підвищенні температури – властивості рідин.

Потрібно пам'ятати, що не всі тіла, які існують на планеті Земля, мають кристалічна будова. Винятки із правила отримали назву «аморфні тіла». Чим вони відрізняються? Виходячи з перекладу даного терміна- аморфний - можна припустити, що такі речовини відрізняються від інших своєю формою чи видом. Йдеться про відсутність так званих кристалічних ґрат. Процес розщеплення, у якому з'являються грані, немає. Аморфні тіла також відрізняються тим, що не залежить від навколишнього середовища, та його властивості постійні. Такі речовини називаються ізотропними.

Невелика характеристика аморфних тіл

З шкільного курсуФізики можна згадати те, що аморфні речовини мають таку будову, при якій атоми в них розташовані в хаотичному порядку. Певне місцеможуть мати лише структури-сусіди, де таке розташування є вимушеним. Але все ж таки проводячи аналогію з кристалами, аморфні тіла не мають суворої впорядкованості молекул і атомів (у фізиці така властивість отримала назву «далекий порядок»). В результаті досліджень було з'ясовано, що за своєю структурою дані речовини схожі на рідини.

Деякі тіла (як приклад можна взяти діоксид кремнію, чия формула SiO 2) можуть одночасно перебувати в аморфному станіі мати кристалічну структуру. Кварц у першому варіанті має структуру неправильної решітки, у другому - правильного шестикутника.

Властивість №1

Як уже говорилося вище, аморфні тіла не мають кристалічних ґрат. Їхні атоми та молекули мають ближній порядок розміщення, що і буде першим відмінною властивістюданих речовин.

Властивість №2

Плинністю ці тіла обділені. Для того, щоб краще пояснити другу властивість речовин, можна зробити це на прикладі воску. Ні для кого не секрет, що якщо налити воду у вирву, то вона просто виллється з неї. Те саме буде і з будь-якими іншими текучими речовинами. А властивості аморфних тіл не дозволяють їм робити такі «трюки». Якщо віск помістити у вирву, то він попередньо розтечеться по поверхні і лише потім почне стікати з неї. Це пов'язано з тим, що молекули в речовині перескакують з одного положення рівноваги абсолютно інше, не маючи основного розташування.

Властивість №3

Час поговорити про процес плавлення. Слід запам'ятати те що, що аморфні речовини немає певної температури, коли він починається плавлення. Під час підняття градуса тіло поступово стає м'якшим і потім перетворюється на рідину. Фізики завжди наголошують не на температурі, при якій даний процеспочав відбуватися, але в відповідному температурному інтервалі плавлення.

Властивість №4

Про нього вже було сказано вище. Аморфні тіла ізотропні. Тобто їх властивості у будь-якому напрямі незмінні, навіть якщо умови перебування у місцях різні.

Властивість №5

Хоч раз кожна людина спостерігала, що з плином певного проміжку часу скло починало каламутніти. Ця властивість аморфних тіл пов'язана з підвищеною внутрішньою енергією (вона в рази більша, ніж у кристалів). Тому дані речовини спокійно самі можуть перейти в кристалічний стан.

Перехід до кристалічного стану

Через певний проміжок часу будь-яке аморфне тіло перетворюється на кристалічний стан. Це можна спостерігати в звичного життялюдини. Наприклад, якщо залишити льодяник або мед на кілька місяців, то можна помітити, що вони обоє втратили свою прозорість. Звичайна людина скаже, що вони просто зацукрувалися. І справді, якщо розламати тіло, то можна помітити наявність кристалів цукру.

Отже, говорячи про це, необхідно уточнити, що мимовільне перетворення на інший стан пов'язане з тим, що аморфні речовини нестійкі. Порівнюючи їх із кристалами, можна зрозуміти, що останні в рази «потужніші». Пояснити факт можна завдяки міжмолекулярній теорії. Згідно з нею, молекули постійно перескакують з одного місця на інше, тим самим заповнюючи порожнечі. Згодом утворюється стійка кристалічна решітка.

Плавлення аморфних тіл

Процесом плавлення аморфних тіл називається момент, коли з підвищенням температури всі зв'язки між атомами руйнуються. Саме тоді речовина перетворюється на рідину. Якщо умови плавлення такі, що тиск однаково протягом усього періоду, то температура також має бути фіксованою.

Рідкі кристали

У природі існують тіла, які мають рідкокристалічну структуру. Як правило, вони входять до списку органічних речовин, А їх молекули мають ниткоподібну форму. Тіла, про які йдеться, мають властивості рідин і кристалів, а саме плинністю та анізотропією.

У таких речовинах молекули розташовуються паралельно одна одній, проте, між ними відстань, що не фіксується. Вони рухаються постійно, але орієнтацію змінювати несхильні, тому постійно перебувають у одному положенні.

Аморфні метали

Аморфні метали більше відомі звичайній людиніпід назвою металеве скло.

Ще 1940 року вчені заговорили про існування цих тіл. Вже тоді стало відомо, що спеціально отримані вакуумним напиленням метали не мали кристалічних ґрат. І лише через 20 років було виготовлено перше скло такого типу. Особливої увагиу вчених воно не викликало; і лише ще через 10 років про нього заговорили американські та японські професіонали, а потім уже корейські та європейські.

Аморфні метали відрізняються в'язкістю, достатньо високим рівнемміцності та стійкістю до корозії.