Chất rắn là một trong những bốn cơ bản các trạng thái vật chất khác ngoài chất lỏng, khí và plasma. Nó được đặc trưng bởi độ cứng cấu trúc và khả năng chống lại những thay đổi về hình dạng hoặc khối lượng. Không giống như chất lỏng, vật rắn không chảy hoặc có hình dạng như vật chứa nó. Chất rắn không giãn nở để lấp đầy toàn bộ thể tích sẵn có như chất khí.
Nguyên tử trong cơ thể rắn chắcđược kết nối chặt chẽ với nhau, ở trạng thái có trật tự trong các nút mạng tinh thể(là kim loại, nước đá thông thường, đường, muối, kim cương) hoặc được sắp xếp không đều, không có tính lặp lại nghiêm ngặt trong cấu trúc của mạng tinh thể (đây là những vật thể vô định hình, như kính cửa sổ, nhựa thông, mica hoặc nhựa).
Thể tinh thể
Chất rắn hoặc tinh thể kết tinh có đặc tính đặc biệt tính năng bên trong- cấu trúc ở dạng mạng tinh thể trong đó các nguyên tử, phân tử hoặc ion của một chất chiếm một vị trí nhất định.
Mạng tinh thể dẫn đến sự tồn tại của các mặt phẳng đặc biệt trong tinh thể, giúp phân biệt chất này với chất khác. Khi tiếp xúc với tia X, mỗi mạng tinh thể sẽ phát ra một mẫu đặc trưng có thể được sử dụng để xác định chất đó. Các cạnh của tinh thể giao nhau ở những góc nhất định để phân biệt chất này với chất khác. Nếu tinh thể bị tách ra, các mặt mới sẽ giao nhau ở cùng góc với mặt ban đầu.
Ví dụ: galena - galena, pyrit - pyrit, thạch anh - thạch anh. Các mặt tinh thể giao nhau ở các góc vuông trong galena (PbS) và pyrit (FeS 2), và ở các góc khác trong thạch anh.
Tính chất của tinh thể
- khối lượng không đổi;
- hình dạng hình học chính xác;
- dị hướng - sự khác biệt về tính chất cơ, ánh sáng, điện và nhiệt theo hướng trong tinh thể;
- một điểm nóng chảy được xác định rõ ràng, vì nó phụ thuộc vào tính đều đặn của mạng tinh thể. Lực liên phân tử giữ chất rắn với nhau, đồng nhất và cần cùng một lượng năng lượng nhiệt để phá vỡ từng tương tác cùng một lúc.
Cơ thể vô định hình
Ví dụ cơ thể vô định hình không có cấu trúc chặt chẽ và độ lặp lại của các tế bào mạng tinh thể là: thủy tinh, nhựa, Teflon, polyurethane, naphthalene, polyvinyl clorua.
Họ có hai tính chất đặc trưng: đẳng hướng và thiếu điểm nóng chảy cụ thể.
Tính đẳng hướng của vật vô định hình được hiểu là những tính chất vật lý giống nhau của một chất theo mọi hướng.
Trong chất rắn vô định hình, khoảng cách đến các nút lân cận của mạng tinh thể và số lượng nút lân cận thay đổi trong toàn bộ vật liệu. Vì vậy, để phá vỡ tương tác giữa các phân tử cần phải có số lượng khác nhau năng lượng nhiệt. Kể từ đây, chất vô định hình làm mềm từ từ trong phạm vi nhiệt độ rộng và không có điểm nóng chảy rõ ràng.
Đặc điểm của chất rắn vô định hình là khi nhiệt độ thấp chúng có tính chất của chất rắn và khi nhiệt độ ngày càng tăng - tính chất của chất lỏng.
BỘ GIÁO DỤC
VẬT LÝ LỚP 8
Báo cáo chủ đề:
“Những cơ thể vô định hình. Sự tan chảy của những cơ thể vô định hình.”
học sinh lớp 8:
2009
Cơ thể vô định hình.
Hãy làm một thí nghiệm. Chúng ta sẽ cần một miếng nhựa dẻo, một cây nến stearine và một chiếc lò sưởi điện. Hãy đặt chất dẻo và một ngọn nến lên khoảng cách bằng nhau từ lò sưởi. Sau một thời gian, một phần stearin sẽ tan chảy (trở thành chất lỏng) và một phần sẽ ở dạng rắn. Trong thời gian đó, nhựa sẽ chỉ mềm đi một chút. Sau một thời gian, toàn bộ stearin sẽ tan chảy, và chất dẻo sẽ dần dần “ăn mòn” dọc theo bề mặt bàn, ngày càng mềm ra.
Vì vậy, có những vật không mềm ra khi tan chảy mà từ trạng thái rắn lập tức biến thành chất lỏng. Trong quá trình tan chảy của các vật thể như vậy, luôn có thể tách chất lỏng ra khỏi phần chưa tan chảy (rắn) của vật thể. Những cơ thể này là tinh thể. Ngoài ra còn có chất rắn khi đun nóng sẽ mềm dần và ngày càng trở nên lỏng hơn. Đối với những vật thể như vậy, không thể chỉ ra nhiệt độ mà chúng biến thành chất lỏng (tan chảy). Những cơ thể này được gọi là vô định hình.
Hãy làm thí nghiệm sau. Ném một miếng nhựa hoặc sáp vào phễu thủy tinh và để nó trong phòng ấm. Sau khoảng một tháng, sáp sẽ có hình phễu và thậm chí bắt đầu chảy ra khỏi nó dưới dạng “dòng” (Hình 1). Ngược lại với tinh thể, thứ có thể tồn tại gần như mãi mãi hình thức riêng, các vật thể vô định hình thể hiện tính lưu loát ngay cả ở nhiệt độ thấp. Vì vậy, chúng có thể được coi là chất lỏng rất dày và nhớt.
Cấu trúc của vật thể vô định hình. Các nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử cũng như sử dụng tia X cho thấy rằng trong các vật thể vô định hình không có trật tự nghiêm ngặt trong sự sắp xếp các hạt của chúng. Hãy nhìn xem, hình 2 cho thấy sự sắp xếp của các hạt trong thạch anh tinh thể, và hình bên phải cho thấy sự sắp xếp của các hạt trong thạch anh vô định hình. Những chất này bao gồm các hạt giống nhau - phân tử silicon oxit SiO 2.
Trạng thái tinh thể của thạch anh thu được nếu thạch anh nóng chảy được làm nguội chậm. Nếu quá trình tan chảy nguội đi nhanh chóng thì các phân tử sẽ không có thời gian để “xếp hàng” thành hàng có trật tự và kết quả sẽ là thạch anh vô định hình.
Các hạt của vật thể vô định hình dao động liên tục và ngẫu nhiên. Chúng có thể nhảy từ nơi này sang nơi khác thường xuyên hơn các hạt tinh thể. Điều này cũng được tạo điều kiện thuận lợi bởi thực tế là các hạt của vật thể vô định hình có mật độ không đồng đều: giữa chúng có những khoảng trống.
Sự kết tinh của các cơ thể vô định hình. Theo thời gian (vài tháng, nhiều năm), các chất vô định hình tự động chuyển sang trạng thái kết tinh. Ví dụ, kẹo đường hoặc mật ong tươi để ở nơi ấm áp sẽ trở nên đục sau vài tháng. Họ nói rằng mật ong và kẹo là “kẹo”. Bằng cách bẻ một cây kẹo hoặc dùng thìa múc mật ong, chúng ta sẽ thấy các tinh thể đường đã hình thành.
Sự kết tinh tự phát của các thể vô định hình cho thấy trạng thái kết tinh của một chất ổn định hơn trạng thái vô định hình. Lý thuyết liên phân tử giải thích nó theo cách này. Lực hút và lực đẩy giữa các phân tử làm cho các hạt của vật thể vô định hình nhảy tốt hơn đến nơi có khoảng trống. Kết quả là sự sắp xếp các hạt có trật tự hơn trước, tức là hình thành một đa tinh thể.
Sự tan chảy của các cơ thể vô định hình.
Khi nhiệt độ tăng, năng lượng chuyển động dao động của các nguyên tử trong chất rắn tăng lên và cuối cùng, một thời điểm xuất hiện khi liên kết giữa các nguyên tử bắt đầu bị phá vỡ. Trong trường hợp này, chất rắn chuyển sang trạng thái lỏng. Quá trình chuyển đổi này được gọi là tan chảy.Ở áp suất cố định, sự nóng chảy xảy ra ở nhiệt độ được xác định nghiêm ngặt.
Lượng nhiệt cần thiết để chuyển một đơn vị khối lượng của một chất thành chất lỏng tại điểm nóng chảy của nó được gọi là nhiệt dung riêng tan chảy λ .
Làm tan chảy một chất có khối lượng tôi cần tiêu hao một lượng nhiệt bằng:
Q = λm .
Quá trình tan chảy các chất vô định hình khác với quá trình tan chảy thể tinh thể. Khi nhiệt độ tăng lên, các vật thể vô định hình dần mềm đi và trở nên nhớt cho đến khi chuyển sang dạng lỏng. Các vật thể vô định hình, không giống như tinh thể, không có điểm nóng chảy cụ thể. Nhiệt độ của vật vô định hình thay đổi liên tục. Điều này xảy ra vì trong chất rắn vô định hình, cũng như trong chất lỏng, các phân tử có thể chuyển động tương đối với nhau. Khi được làm nóng, tốc độ của chúng tăng lên và khoảng cách giữa chúng tăng lên. Kết quả là cơ thể ngày càng mềm hơn cho đến khi chuyển thành chất lỏng. Khi các vật thể vô định hình đông đặc lại thì nhiệt độ của chúng cũng giảm liên tục.
Cùng với chất rắn kết tinh, chất rắn vô định hình cũng được tìm thấy. Các vật thể vô định hình, không giống như tinh thể, không có trật tự chặt chẽ trong việc sắp xếp các nguyên tử. Chỉ những nguyên tử gần nhất - những nguyên tử lân cận - mới được sắp xếp theo một thứ tự nào đó. Nhưng
Không có sự lặp lại nghiêm ngặt theo mọi hướng của cùng một thành phần cấu trúc, đặc trưng của tinh thể, trong các vật thể vô định hình.
Thường thì cùng một chất có thể được tìm thấy ở cả dạng tinh thể và dạng trạng thái vô định hình. Ví dụ, thạch anh có thể ở dạng tinh thể hoặc dạng vô định hình (silica). Dạng tinh thể của thạch anh có thể được biểu diễn dưới dạng mạng tinh thể hình lục giác đều(Hình 77, a). Cấu trúc vô định hình của thạch anh cũng có dạng mạng tinh thể, nhưng hình dạng bất thường. Cùng với các hình lục giác, nó còn chứa các hình ngũ giác và hình bảy cạnh (Hình 77, b).
Tính chất của cơ thể vô định hình. Tất cả các vật thể vô định hình đều có tính đẳng hướng: chúng tính chất vật lý giống nhau ở mọi hướng. Các vật thể vô định hình bao gồm thủy tinh, nhiều loại nhựa, nhựa thông, nhựa thông, kẹo đường, v.v..
Tại ảnh hưởng bên ngoài các vật thể vô định hình thể hiện cả tính chất đàn hồi như chất rắn và tính lưu động như chất lỏng. Dưới những tác động (tác động) ngắn hạn, chúng hoạt động như một khối rắn và khi va chạm mạnh sẽ vỡ ra thành từng mảnh. Nhưng vào lúc rất tiếp xúc lâu dài cơ thể vô định hình chảy. Ví dụ, một miếng nhựa dần dần trải ra trên một bề mặt rắn. Các nguyên tử hoặc phân tử của các chất vô định hình, giống như các phân tử chất lỏng, có thời gian nhất định“Cuộc sống tĩnh tại” là thời gian dao động xung quanh vị trí cân bằng. Nhưng không giống như chất lỏng, thời gian này rất dài. Về mặt này, các vật thể vô định hình gần giống với các vật thể kết tinh, vì sự nhảy vọt của các nguyên tử từ vị trí cân bằng này sang vị trí cân bằng khác hiếm khi xảy ra.
Ở nhiệt độ thấp, các vật thể vô định hình có đặc tính giống chất rắn. Chúng hầu như không có tính lưu động, nhưng khi nhiệt độ tăng lên, chúng mềm dần và tính chất của chúng ngày càng gần với tính chất của chất lỏng. Điều này xảy ra vì khi nhiệt độ tăng lên, sự nhảy vọt của các nguyên tử từ một vị trí dần dần trở nên thường xuyên hơn.
cân bằng với cái khác. KHÔNG nhiệt độ nhất định Các cơ thể vô định hình, không giống như các cơ thể kết tinh, không tan chảy.
Vật lý chất rắn. Tất cả các tính chất của chất rắn (tinh thể và vô định hình) có thể được giải thích dựa trên kiến thức về cấu trúc phân tử nguyên tử của chúng và các quy luật chuyển động của các phân tử, nguyên tử, ion và electron tạo nên chất rắn. Các nghiên cứu về tính chất của chất rắn được kết hợp thành diện tích lớn vật lý hiện đại- Vật lý chất rắn. Sự phát triển của vật lý chất rắn được kích thích chủ yếu bởi nhu cầu của công nghệ. Khoảng một nửa số nhà vật lý trên thế giới làm việc trong lĩnh vực vật lý chất rắn. Tất nhiên, những thành tựu trong lĩnh vực này là không thể tưởng tượng được nếu không có kiến thức sâu sắc tất cả các ngành vật lý khác.
1. Thể tinh thể khác với thể vô định hình như thế nào? 2. Bất đẳng hướng là gì? 3. Cho ví dụ về vật thể đơn tinh thể, đa tinh thể và vô định hình. 4. Trật khớp mép khác với trật khớp vít như thế nào?
BỘ GIÁO DỤC
VẬT LÝ LỚP 8
Báo cáo chủ đề:
“Những cơ thể vô định hình. Sự tan chảy của những cơ thể vô định hình.”
học sinh lớp 8:
2009
Cơ thể vô định hình.
Hãy làm một thí nghiệm. Chúng ta sẽ cần một miếng nhựa dẻo, một cây nến stearine và một chiếc lò sưởi điện. Hãy đặt nhựa dẻo và một cây nến ở những khoảng cách bằng nhau tính từ lò sưởi. Sau một thời gian, một phần stearin sẽ tan chảy (trở thành chất lỏng) và một phần sẽ ở dạng rắn. Trong thời gian đó, nhựa sẽ chỉ mềm đi một chút. Sau một thời gian, toàn bộ stearin sẽ tan chảy, và chất dẻo sẽ dần dần “ăn mòn” dọc theo bề mặt bàn, ngày càng mềm ra.
Vì vậy, có những vật thể không mềm ra khi tan chảy mà chuyển từ trạng thái rắn ngay thành chất lỏng. Trong quá trình tan chảy của các vật thể như vậy, luôn có thể tách chất lỏng ra khỏi phần chưa tan chảy (rắn) của vật thể. Những cơ thể này là tinh thể. Ngoài ra còn có chất rắn khi đun nóng sẽ mềm dần và ngày càng trở nên lỏng hơn. Đối với những vật thể như vậy, không thể chỉ ra nhiệt độ mà chúng biến thành chất lỏng (tan chảy). Những cơ thể này được gọi là vô định hình.
Hãy làm thí nghiệm sau. Ném một miếng nhựa hoặc sáp vào phễu thủy tinh và để nó trong phòng ấm. Sau khoảng một tháng, sáp sẽ có hình phễu và thậm chí bắt đầu chảy ra khỏi nó dưới dạng “dòng” (Hình 1). Ngược lại với các tinh thể, hầu như giữ được hình dạng riêng của chúng mãi mãi, các vật thể vô định hình thể hiện tính lưu động ngay cả ở nhiệt độ thấp. Vì vậy, chúng có thể được coi là chất lỏng rất dày và nhớt.
Cấu trúc của vật thể vô định hình. Các nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử cũng như sử dụng tia X chỉ ra rằng trong các vật thể vô định hình không có trật tự chặt chẽ trong việc sắp xếp các hạt của chúng. Hãy nhìn xem, hình 2 cho thấy sự sắp xếp của các hạt trong thạch anh tinh thể, và hình bên phải cho thấy sự sắp xếp của các hạt trong thạch anh vô định hình. Những chất này bao gồm các hạt giống nhau - phân tử silicon oxit SiO 2.
Trạng thái tinh thể của thạch anh thu được nếu thạch anh nóng chảy được làm nguội chậm. Nếu quá trình tan chảy nguội đi nhanh chóng thì các phân tử sẽ không có thời gian để “xếp hàng” thành hàng có trật tự và kết quả sẽ là thạch anh vô định hình.
Các hạt của vật thể vô định hình dao động liên tục và ngẫu nhiên. Chúng có thể nhảy từ nơi này sang nơi khác thường xuyên hơn các hạt tinh thể. Điều này cũng được tạo điều kiện thuận lợi bởi thực tế là các hạt của vật thể vô định hình có mật độ không đồng đều: giữa chúng có những khoảng trống.
Sự kết tinh của các cơ thể vô định hình. Theo thời gian (vài tháng, nhiều năm), các chất vô định hình tự động chuyển sang trạng thái kết tinh. Ví dụ, kẹo đường hoặc mật ong tươi để ở nơi ấm áp sẽ trở nên đục sau vài tháng. Họ nói rằng mật ong và kẹo là “kẹo”. Bằng cách bẻ một cây kẹo hoặc dùng thìa múc mật ong, chúng ta sẽ thấy các tinh thể đường đã hình thành.
Sự kết tinh tự phát của các thể vô định hình cho thấy trạng thái kết tinh của một chất ổn định hơn trạng thái vô định hình. Lý thuyết liên phân tử giải thích nó theo cách này. Lực hút và lực đẩy giữa các phân tử làm cho các hạt của vật thể vô định hình nhảy tốt hơn đến nơi có khoảng trống. Kết quả là sự sắp xếp các hạt có trật tự hơn trước, tức là hình thành một đa tinh thể.
Sự tan chảy của các cơ thể vô định hình.
Khi nhiệt độ tăng, năng lượng chuyển động dao động số nguyên tử trong chất rắn tăng lên và cuối cùng đến lúc liên kết giữa các nguyên tử bắt đầu bị phá vỡ. Trong trường hợp này, vật rắn đi vào trạng thái lỏng. Quá trình chuyển đổi này được gọi là tan chảy.Ở áp suất cố định, sự nóng chảy xảy ra ở nhiệt độ được xác định nghiêm ngặt.
Lượng nhiệt cần thiết để chuyển một đơn vị khối lượng của một chất thành chất lỏng tại điểm nóng chảy của nó được gọi là nhiệt dung riêng của phản ứng tổng hợp. λ .
Làm tan chảy một chất có khối lượng tôi cần tiêu hao một lượng nhiệt bằng:
Q = λm .
Quá trình tan chảy các vật thể vô định hình khác với sự tan chảy của các vật thể tinh thể. Khi nhiệt độ tăng lên, các vật thể vô định hình dần mềm đi và trở nên nhớt cho đến khi chuyển sang dạng lỏng. Các vật thể vô định hình, không giống như tinh thể, không có điểm nóng chảy cụ thể. Nhiệt độ của vật vô định hình thay đổi liên tục. Điều này xảy ra vì trong chất rắn vô định hình, cũng như trong chất lỏng, các phân tử có thể chuyển động tương đối với nhau. Khi được làm nóng, tốc độ của chúng tăng lên và khoảng cách giữa chúng tăng lên. Kết quả là cơ thể ngày càng mềm hơn cho đến khi chuyển thành chất lỏng. Khi các vật thể vô định hình đông đặc lại thì nhiệt độ của chúng cũng giảm liên tục.
Trong đoạn trước, chúng ta đã biết rằng một số chất rắn (ví dụ: muối, thạch anh, kim loại và các loại khác) là đơn tinh thể hoặc đa tinh thể. Bây giờ chúng ta hãy làm quen với cơ thể vô định hình. Chúng chiếm vị trí trung gian giữa tinh thể và chất lỏng, vì vậy chúng không thể được gọi rõ ràng là chất rắn.
Hãy làm một thí nghiệm. Chúng ta sẽ cần: một miếng nhựa, một cây nến stearin và một lò sưởi điện. Hãy đặt nhựa dẻo và nến ở những khoảng cách bằng nhau so với lò sưởi. Chẳng bao lâu nữa, một phần của ngọn nến sẽ tan chảy, một phần sẽ giữ nguyên hình dạng chất rắn, và chất dẻo sẽ “đi khập khiễng”. Sau một thời gian, tất cả stearin sẽ tan chảy và nhựa sẽ dần dần “hòa tan”, trở nên mềm hoàn toàn.
Giống như stearin, có những loại khác chất kết tinh , không mềm khi đun nóng và trong quá trình tan chảy, bạn luôn có thể nhìn thấy cả chất lỏng và phần cơ thể chưa tan chảy. Ví dụ, đây là tất cả các kim loại. Nhưng cũng có chất vô định hình, khi đun nóng sẽ mềm dần và ngày càng trở nên lỏng nên không thể chỉ ra nhiệt độ mà vật chuyển sang dạng lỏng (tan chảy).
Các vật thể vô định hình ở mọi nhiệt độ đều có tính lưu loát. Hãy để chúng tôi xác nhận điều này bằng kinh nghiệm. Hãy ném một mảnh chất vô định hình vào phễu thủy tinh và để nó trong một căn phòng ấm áp (trong hình - nhựa hắc ín; nhựa đường được làm từ nó). Sau một vài tuần, hóa ra nhựa có hình phễu và thậm chí bắt đầu chảy ra khỏi nó giống như một “máy bay phản lực”. Đó là một vật thể vô định hình hoạt động giống như một chất lỏng rất đặc và nhớt.
Cấu trúc của vật thể vô định hình. Nghiên cứu kính hiển vi điện tử và tia X chứng tỏ rằng trong các vật thể vô định hình không có trật tự chặt chẽ nào trong việc sắp xếp các hạt của chúng. Không giống như tinh thể, nơi có đơn hàng tầm xa trong sự sắp xếp của các hạt, trong cấu trúc của các vật thể vô định hình, chỉ đóng lệnh– một trật tự sắp xếp nhất định của các hạt chỉ được bảo toàn ở gần từng hạt riêng lẻ(xem hình). Phía trên thể hiện sự sắp xếp của các hạt trong thạch anh kết tinh, phía dưới thể hiện dạng thạch anh vô định hình. Những chất này bao gồm các hạt giống nhau - phân tử silicon oxit SiO 2.
Giống như các hạt của bất kỳ cơ thể nào, các hạt của vật thể vô định hình dao động liên tục và ngẫu nhiên và thường xuyên hơn các hạt tinh thể, có thể nhảy từ nơi này sang nơi khác.Điều này được tạo điều kiện thuận lợi bởi thực tế là các hạt của vật thể vô định hình có mật độ không đều nhau, ở một số nơi tạo ra tương đối khoảng trống lớn. Tuy nhiên, điều này không giống như “khoảng trống” trong tinh thể (xem § 7).
Sự kết tinh của các cơ thể vô định hình. Theo thời gian (tuần, tháng), các chất vô định hình một cách tự phát chuyển sang trạng thái kết tinh. Ví dụ, kẹo đường hoặc mật ong để yên trong vài tháng sẽ trở nên đục. Trong trường hợp này, mật ong và kẹo được gọi là “kẹo”. Bằng cách bẻ một viên kẹo hoặc dùng thìa múc mật ong như vậy, chúng ta sẽ thấy sự hình thành các tinh thể đường trước đây tồn tại ở trạng thái vô định hình.
Sự kết tinh tự phát của các thể vô định hình cho thấy rằng Trạng thái kết tinh của một chất ổn định hơn trạng thái vô định hình. MKT giải thích nó theo cách này. Lực hút và lực đẩy của các hạt “láng giềng” làm chuyển động các hạt của vật thể vô định hình vào những tình huống mà năng lượng tiềm năng tối thiểu(xem § 7-d). Trong trường hợp này, sự sắp xếp các hạt có trật tự hơn xuất hiện, có nghĩa là xảy ra sự kết tinh độc lập.