Jeste li se ikada zapitali što su te misteriozne amorfne tvari? Po strukturi se razlikuju i od krutih i od tekućina. Činjenica je da su takva tijela u posebnom kondenziranom stanju, koje ima samo red kratkog dometa. Primjeri amorfnih tvari su smola, staklo, jantar, guma, polietilen, polivinil klorid (naši omiljeni plastični prozori), razni polimeri i drugi. To su čvrste tvari koje nemaju kristalnu rešetku. To također uključuje pečatni vosak, razna ljepila, tvrdu gumu i plastiku.
Neobična svojstva amorfnih tvari
Tijekom cijepanja u amorfnim krutinama ne nastaju rubovi. Čestice su potpuno nasumične i nalaze se na malim udaljenostima jedna od druge. Mogu biti vrlo gusti ili viskozni. Kako na njih utječu vanjski utjecaji? Pod utjecajem različitih temperatura tijela postaju fluidna, poput tekućina, a ujedno i prilično elastična. U slučajevima kada vanjski utjecaj ne traje dugo, tvari amorfne strukture mogu snažan udarac razbiti u komade. Dugotrajni utjecaj izvana dovodi do činjenice da oni jednostavno teku.
Isprobajte mali eksperiment sa smolom kod kuće. Stavite ga na tvrdu površinu i primijetit ćete da počinje glatko teći. Tako je, to je supstanca! Brzina ovisi o očitanjima temperature. Ako je jako visoka, smola će se početi širiti znatno brže.
Što je još karakteristično za takva tijela? Mogu imati bilo koji oblik. Ako se amorfne tvari u obliku sitnih čestica stave u posudu, npr. u vrč, tada će i one poprimiti oblik posude. Oni su također izotropni, to jest, pokazuju ista fizikalna svojstva u svim smjerovima.
Taljenje i prijelaz u druga stanja. Metal i staklo
Amorfno stanje tvari ne podrazumijeva održavanje određene temperature. Pri niskim vrijednostima tijela se smrzavaju, pri visokim tope. Usput, o tome ovisi i stupanj viskoznosti takvih tvari. Niska temperatura potiče smanjenu viskoznost, visoka temperatura, naprotiv, povećava.
Za tvari amorfnog tipa može se razlikovati još jedna značajka - prijelaz u kristalno stanje i spontano. Zašto se ovo događa? Unutarnja energija u kristalnom tijelu mnogo je manja nego u amorfnom. To možemo uočiti na primjeru proizvoda od stakla – s vremenom se staklo zamuti.
Metalno staklo - što je to? Metal se tijekom taljenja može ukloniti iz kristalne rešetke, odnosno tvar amorfne strukture može postati staklasta. Tijekom skrućivanja tijekom umjetnog hlađenja ponovno se formira kristalna rešetka. Amorfni metal ima nevjerojatnu otpornost na koroziju. Na primjer, karoserija automobila izrađena od njega ne bi trebala razne premaze, jer ne bi bila podložna spontanom uništenju. Amorfna tvar je tijelo čija atomska struktura ima neviđenu snagu, što znači da bi se amorfni metal mogao koristiti u apsolutno svakom industrijskom sektoru.
Kristalna struktura tvari
Da biste dobro razumjeli karakteristike metala i mogli raditi s njima, potrebno je poznavati kristalnu strukturu pojedinih tvari. Proizvodnja metalnih proizvoda i područje metalurgije ne bi se moglo toliko razviti da ljudi nisu imali određena znanja o promjenama u strukturi legura, tehnološkim tehnikama i pogonskim svojstvima.
Četiri agregatna stanja
Poznato je da postoje četiri agregatna stanja: čvrsto, tekuće, plinovito i plazma. Amorfne čvrste tvari također mogu biti kristalne. S ovom strukturom može se uočiti prostorna periodičnost u rasporedu čestica. Te čestice u kristalima mogu izvoditi periodično gibanje. Kod svih tijela koja promatramo u plinovitom ili tekućem stanju možemo uočiti kretanje čestica u obliku kaotičnog nereda. Amorfne krute tvari (na primjer, metali u kondenziranom stanju: tvrda guma, stakleni proizvodi, smole) mogu se nazvati smrznutim tekućinama, jer kada promijene oblik, možete primijetiti karakteristična značajka, poput viskoznosti.
Razlika između amorfnih tijela i plinova i tekućina
Manifestacije plastičnosti, elastičnosti i otvrdnjavanja tijekom deformacije karakteristične su za mnoga tijela. Kristalne i amorfne tvari u većoj mjeri pokazuju ova svojstva, dok tekućine i plinovi nemaju takva svojstva. Ali možete primijetiti da doprinose elastičnoj promjeni volumena.
Kristalne i amorfne tvari. Mehanička i fizikalna svojstva
Što su kristalne i amorfne tvari? Kao što je gore spomenuto, ona tijela koja imaju ogroman koeficijent viskoznosti mogu se nazvati amorfnim, a njihova fluidnost je nemoguća na uobičajenim temperaturama. Ali visoka temperatura, naprotiv, omogućuje im da budu tekućine, poput tekućine.
Čini se da su tvari kristalnog tipa potpuno drugačije. Ove krute tvari mogu imati svoje talište, ovisno o vanjskom tlaku. Dobivanje kristala moguće je ako se tekućina ohladi. Ako ne poduzmete određene mjere, primijetit ćete da se u tekućem stanju počinju javljati različiti centri kristalizacije. U području koje okružuje te centre dolazi do čvrstih formacija. Vrlo mali kristali počinju se spajati jedni s drugima nasumičnim redoslijedom i dobiva se takozvani polikristal. Takvo tijelo je izotropno.
Karakteristike tvari
Što određuje fizikalne i mehaničke karakteristike tijela? Važne su atomske veze, kao i vrsta kristalne strukture. Ionske kristale karakteriziraju ionske veze, što znači glatki prijelaz s jednog atoma na drugi. U tom slučaju dolazi do stvaranja pozitivno i negativno nabijenih čestica. Ionsko vezivanje možemo promatrati na jednostavnom primjeru - takve karakteristike karakteristične su za razne okside i soli. Još jedna značajka ionskih kristala je niska toplinska vodljivost, ali njegova se učinkovitost može značajno povećati kada se zagrije. U čvorovima kristalne rešetke možete vidjeti različite molekule koje se odlikuju jakim atomskim vezama.
Mnogi minerali koje nalazimo u prirodi imaju kristalnu strukturu. A amorfno stanje materije također je priroda u svom čistom obliku. Samo u ovom slučaju tijelo je nešto bezoblično, ali kristali mogu poprimiti oblik prekrasnih poliedra s ravnim rubovima, a također mogu formirati nova čvrsta tijela nevjerojatne ljepote i čistoće.
Što su kristali? Amorfno-kristalna struktura
Oblik takvih tijela je konstantan za određeni spoj. Na primjer, beril uvijek izgleda kao šesterokutna prizma. Pokušajte s malim eksperimentom. Uzmite mali kockasti kristal kuhinjske soli (kuglica) i stavite ga u posebnu otopinu što je više moguće zasićenu istom kuhinjskom soli. S vremenom ćete primijetiti da je to tijelo ostalo nepromijenjeno – ponovno je poprimilo oblik kocke ili lopte, što je karakteristično za kristale kuhinjske soli.
3. - polivinil klorid, odnosno poznati plastični PVC prozori. Otporan je na vatru, jer se smatra da je otporan na plamen, ima povećanu mehaničku čvrstoću i električna izolacijska svojstva.
4. Poliamid je tvar vrlo visoke čvrstoće i otpornosti na trošenje. Karakteriziraju ga visoke dielektrične karakteristike.
5. Pleksiglas, odnosno polimetil metakrilat. Možemo ga koristiti u području elektrotehnike ili ga koristiti kao materijal za konstrukcije.
6. Fluoroplastika ili politetrafluoretilen je dobro poznati dielektrik koji ne pokazuje svojstva otapanja u otapalima organskog porijekla. Širok temperaturni raspon i dobar dielektrična svojstva dopustiti da se koristi kao hidrofobni ili antifrikcijski materijal.
7. Polistiren. Na ovaj materijal ne utječu kiseline. Ona se, poput fluoroplastike i poliamida, može smatrati dielektrikom. Vrlo otporan na mehanička opterećenja. Polistiren se koristi posvuda. Na primjer, dobro se pokazao kao konstrukcijski i električni izolacijski materijal. Koristi se u elektrotehnici i radiotehnici.
8. Kod nas vjerojatno najpoznatiji polimer je polietilen. Materijal je otporan na izlaganje agresivnom okruženju, apsolutno je nepropustan za vlagu. Ako je ambalaža izrađena od polietilena, nema bojazni da će se sadržaj pokvariti prilikom jake kiše. Polietilen je također dielektrik. Njegova primjena je opsežna. Koristi se za izradu cijevnih konstrukcija, raznih električnih proizvoda, izolacijskih folija, omotača za telefonske i dalekovodne kabele, dijelova za radio i drugu opremu.
9. Polivinil klorid je visokopolimerna tvar. Sintetički je i termoplastičan. Ima molekularnu strukturu koja je asimetrična. Gotovo je nepropusna za vodu i izrađuje se prešanjem, štancanjem i kalupljenjem. Polivinilklorid se najčešće koristi u elektroindustriji. Na temelju njega izrađuju se razna toplinsko-izolacijska crijeva i crijeva za kemijsku zaštitu, baterije, izolacijske čahure i brtve, žice i kabeli. PVC je također izvrsna zamjena za štetno olovo. Ne može se koristiti kao visokofrekventni krug u obliku dielektrika. I sve zato što će u ovom slučaju dielektrični gubici biti visoki. Ima visoku vodljivost.
FIZIKA 8. RAZRED
Izvješće o temi:
“Amorfna tijela. Taljenje amorfnih tijela.”
Učenik 8. razreda:
2009
Amorfna tijela.
Napravimo eksperiment. Trebat će nam komad plastelina, stearinska svijeća i električni kamin. Postavimo plastelin i svijeću na jednake udaljenosti od kamina. Nakon nekog vremena dio stearina će se otopiti (postati tekući), a dio će ostati u obliku čvrstog komada. Za isto vrijeme plastelin će samo malo omekšati. Nakon nekog vremena sav će se stearin otopiti, a plastelin će postupno "korodirati" po površini stola, sve više i više omekšavajući.
Dakle, postoje tijela koja se taljenjem ne omekšavaju, već iz čvrstog stanja odmah prelaze u tekuće. Tijekom taljenja takvih tijela uvijek je moguće odvojiti tekućinu od još neotopljenog (krutog) dijela tijela. Ova tijela su kristalan. Postoje i krutine koje zagrijavanjem postupno omekšavaju i postaju sve tečnije. Za takva je tijela nemoguće naznačiti temperaturu na kojoj prelaze u tekućinu (tape se). Ta se tijela nazivaju amorfan.
Napravimo sljedeći pokus. U stakleni lijevak bacite komadić smole ili voska i ostavite u toploj prostoriji. Nakon otprilike mjesec dana pokazat će se da je vosak poprimio oblik lijevka i čak počeo istjecati iz njega u obliku "potoka" (slika 1). Za razliku od kristala, koji gotovo zauvijek zadržavaju vlastiti oblik, amorfna tijela pokazuju fluidnost čak i pri niskim temperaturama. Stoga se mogu smatrati vrlo gustim i viskoznim tekućinama.
Građa amorfnih tijela. Istraživanje pomoću elektronskog mikroskopa, kao i pomoću x-zrake pokazuju da u amorfnim tijelima ne postoji strogi red u rasporedu njihovih čestica. Pogledajte, slika 2 prikazuje raspored čestica u kristalnom kvarcu, a desna prikazuje raspored čestica u amorfnom kvarcu. Te se tvari sastoje od istih čestica - molekula silicijevog oksida SiO 2.
Kristalno stanje kvarca dobiva se ako se rastaljeni kvarc polako hladi. Ako je hlađenje taline brzo, tada se molekule neće imati vremena "postrojiti" u redove, a rezultat će biti amorfni kvarc.
Čestice amorfnih tijela osciliraju kontinuirano i nasumično. Oni mogu skakati s mjesta na mjesto češće od kristalnih čestica. To je također olakšano činjenicom da su čestice amorfnih tijela smještene nejednako gusto: između njih postoje praznine.
Kristalizacija amorfnih tijela. Tijekom vremena (nekoliko mjeseci, godina) amorfne tvari spontano prelaze u kristalno stanje. Na primjer, bombone ili svježi med ostavljeni na toplom mjestu postat će neprozirni nakon nekoliko mjeseci. Kažu da su med i slatkiši "ušećereni". Razbijanjem bombonjere ili žličicom zahvatajući med, zapravo ćemo vidjeti nastale kristale šećera.
Spontana kristalizacija amorfnih tijela pokazuje da je kristalno stanje tvari stabilnije od amorfnog. Intermolekularna teorija to objašnjava na ovaj način. Međumolekularne sile privlačenja i odbijanja uzrokuju da čestice amorfnog tijela skaču prvenstveno tamo gdje postoje praznine. Kao rezultat toga, pojavljuje se uređeniji raspored čestica nego prije, odnosno nastaje polikristal.
Taljenje amorfnih tijela.
Kako temperatura raste, energija vibracijskog gibanja atoma u čvrsto tijelo raste i, konačno, dolazi trenutak kada veze između atoma počinju pucati. U tom slučaju krutina prelazi u tekuće stanje. Ovaj prijelaz se zove topljenje. Pri fiksnom tlaku, taljenje se događa na strogo određenoj temperaturi.
Količina topline potrebna za pretvaranje jedinice mase tvari u tekućinu na njenom talištu naziva se specifična toplina taljenja λ .
Za taljenje tvari mase m potrebno je potrošiti količinu topline jednaku:
Q = λ m .
Proces taljenja amorfnih tijela razlikuje se od taljenja kristalna tijela. Kako se temperatura povećava, amorfna tijela postupno omekšavaju i postaju viskozna dok se ne pretvore u tekućinu. Amorfna tijela za razliku od kristala, nemaju određeno talište. Temperatura amorfnih tijela kontinuirano se mijenja. To se događa jer se u amorfnim čvrstim tijelima, kao iu tekućinama, molekule mogu kretati jedna u odnosu na drugu. Kada se zagrijavaju, njihova brzina se povećava, a udaljenost između njih se povećava. Zbog toga tijelo postaje sve mekše i mekše dok se ne pretvori u tekućinu. Kada se amorfna tijela skrućuju, njihova temperatura također kontinuirano opada.
Kada temperatura padne, tekućina se može smrznuti bez naručivanja strukture. Supstanca je već unutra kruto stanje, ali se njegova struktura približava strukturi tekućine - takve se tvari nazivaju amorfan (od grčkog " amorfos" - bezobličan)
Svojstva amorfnih tijela:
§ Glavna značajka je nepostojanje atomske ili molekularne rešetke, odnosno trodimenzionalna periodičnost strukture karakteristična za kristalno stanje.
§ Amorfno stanje karakterizira prisutnost samo reda kratkog dometa. Strukture amorfnih tvari nalikuju tekućinama, ali imaju mnogo manju fluidnost.
§ Amorfno stanje je obično nestabilno. Amorfno stanje ima određeni višak unutarnje energije, te stoga spontano prelazi u kristalno stanje kao stabilnije. Zbog toga je većina tvari u normalnim uvjetima još uvijek u kristalnom stanju.
§ Pod utjecajem mehaničkih opterećenja ili promjena temperature amorfna tijela mogu kristalizirati.
§ Fluidnost(jer se prema nekim teorijama amorfna tijela smatraju prehlađenim tekućinama). Ovo se svojstvo može otkriti pažljivim ispitivanjem prozorskog stakla u vrlo starim kućama. Prozorsko staklo u takvim kućama je nešto deblje na dnu, jer je staklo dugo vremena stalno teklo prema dolje pod utjecajem gravitacije. Relativno nedavno smo naučili primati metali u staklastom stanju. Da biste to učinili, metal se rastali, a zatim ohladi u vrlo kratkom vremenu. Zbog brzog hlađenja u metalu se ne pojavljuje pravilna kristalna struktura, on postaje staklast. Metalno staklo karakterizira visoka tvrdoća, otpornost na habanje i koroziju.
§ Amorfna tijela izotropan , odnosno njihova mehanička, optička, električna i druga svojstva ne ovise o smjeru.
§ U amorfnim tijelima nema fiksne točke tališta: taljenje se događa u određenom temperaturnom rasponu. Prijelaz amorfne tvari iz krutog u tekuće stanje nije popraćen naglom promjenom svojstava. Na primjer: raspon temperature taljenja silikatnog stakla je približno 200°C.
Fizikalni model amorfnog stanja još nije stvoren.
Reaktivnost tvari u amorfnom stanju mnogo je veća nego u kristalnom stanju.
Primjeri amorfnih tvari: prirodno: med, jantar, kolofonij, smola, bitumen;
Umjetna: staklo, mnogi oksidi, hidroksidi.
Postoje tvari koje mogu postojati samo u krutom obliku u amorfnom stanju. Odnosi se na polimeri s nepravilnim slijedom poveznica.
U nekim slučajevima ista tvar može biti u različitim stanjima, na primjer: SiO 2 postoji u staklastom i nekoliko kristalnih stanja; također S-sumpor, postoji amorfni sumpor i dvije kristalne modifikacije (ortorombska i monoklinska).
Većina tvari u Zemljinoj umjerenoj klimi nalazi se u čvrstom stanju. Čvrste tvari zadržavaju ne samo svoj oblik, već i svoj volumen.
Na temelju prirode relativnog rasporeda čestica krutine se dijele na tri vrste: kristalne, amorfne i kompozite.
Amorfna tijela. Primjeri amorfnih tijela uključuju staklo, razne stvrdnute smole (jantar), plastiku itd. Ako se amorfno tijelo zagrijava, ono postupno omekšava, a prijelaz u tekuće stanje zauzima značajan temperaturni raspon.
Sličnost s tekućinama objašnjava se činjenicom da atomi i molekule amorfnih tijela, kao i molekule tekućina, imaju vrijeme "stabilnog života". Ne postoji određeno talište, pa se amorfna tijela mogu smatrati prehlađenim tekućinama s vrlo visokom viskoznošću. Odsutnost dalekosežnog reda u rasporedu atoma amorfnih tijela dovodi do činjenice da tvar u amorfnom stanju ima manju gustoću nego u kristalnom stanju.
Nered u rasporedu atoma amorfnih tijela dovodi do toga da je prosječna udaljenost između atoma u različitim smjerovima jednaka, stoga su izotropni, odnosno sva fizikalna svojstva (mehanička, optička itd.) ne ovise o smjer vanjskog utjecaja. Znak amorfnog tijela je nepravilan oblik površine pri lomu. Amorfna tijela nakon dužeg vremena ipak mijenjaju svoj oblik pod utjecajem gravitacije. Zbog toga izgledaju poput tekućina. Kako se temperatura povećava, ova promjena oblika događa se brže. Amorfno stanje je nestabilno, dolazi do prijelaza iz amorfnog stanja u kristalno stanje. (Staklo se zamuti.)
Kristalna tijela. Ako postoji periodičnost u rasporedu atoma (red dalekog dometa), krutina je kristalna.
Proučite li zrnca soli povećalom ili mikroskopom, primijetit ćete da su ograničena ravnim rubovima. Prisutnost takvih lica je znak bivanja u kristalnom stanju.
Tijelo koje je jedan kristal naziva se monokristal. Većina kristalnih tijela sastoji se od mnogo nasumično smještenih malih kristala koji su srasli zajedno. Takva se tijela nazivaju polikristali. Komad šećera je polikristalno tijelo. Kristali razne tvari imaju razne oblike. Veličine kristala su također različite. Veličine polikristalnih kristala mogu se mijenjati tijekom vremena. Mali kristali željeza pretvaraju se u velike, taj proces ubrzavaju udarci i udarci, javlja se u čeličnim mostovima, željezničkim tračnicama i sl., zbog čega s vremenom opada čvrstoća konstrukcije.
Toliko tijela je isto kemijski sastav u kristalnom stanju, ovisno o uvjetima, mogu postojati u dvije ili više varijanti. Ovo svojstvo naziva se polimorfizam. Ice ima do deset poznatih modifikacija. Polimorfizam ugljika - grafit i dijamant.
Bitno svojstvo monokristala je anizotropija - različitost njegovih svojstava (električnih, mehaničkih itd.) u različitim smjerovima.
Polikristalna tijela su izotropna, odnosno pokazuju ista svojstva u svim smjerovima. To se objašnjava činjenicom da su kristali koji čine polikristalno tijelo nasumično orijentirani jedni prema drugima. Kao rezultat toga, nijedan smjer se ne razlikuje od ostalih.
Stvoreni su kompozitni materijali čija su mehanička svojstva bolja od prirodnih materijala. Kompozitni materijali (kompoziti) sastoje se od matrice i punila. Kao matrica koriste se polimerni, metalni, karbonski ili keramički materijali. Punila se mogu sastojati od brkova, vlakana ili žica. Konkretno, kompozitni materijali uključuju armirani beton i ferografit.
Armirani beton je jedna od glavnih vrsta građevinskih materijala. To je kombinacija betona i čelične armature.
Željezni grafit je metalokeramički materijal koji se sastoji od željeza (95-98%) i grafita (2-5%). Od njega se izrađuju ležajevi i čahure za razne dijelove strojeva i mehanizama.
Fiberglass je također kompozitni materijal, koji je mješavina staklenih vlakana i stvrdnute smole.
Ljudske i životinjske kosti su kompozitni materijal koji se sastoji od dvije potpuno različite komponente: kolagena i mineralne tvari.
Krutina je jedno od četiri osnovna agregatna stanja materije, osim tekućine, plina i plazme. Karakterizira ga strukturna krutost i otpornost na promjene oblika ili volumena. Za razliku od tekućine, čvrsti predmet ne teče niti poprima oblik posude u kojoj se nalazi. Krutina se ne širi kako bi ispunila cijeli raspoloživi volumen kao plin.
Atomi u čvrstom tijelu međusobno su usko povezani, u čvorovima kristalne rešetke su u uređenom stanju (to su metali, obični led, šećer, sol, dijamant) ili su nepravilno raspoređeni, nemaju strogu ponovljivost u struktura kristalne rešetke (to su amorfna tijela, npr. prozorsko staklo, kolofonij, tinjac ili plastika).
Kristalna tijela
Kristalne čvrste tvari ili kristali imaju karakterističnu unutarnju značajku - strukturu u obliku kristalne rešetke, u kojoj atomi, molekule ili ioni tvari zauzimaju određeni položaj.
Kristalna rešetka dovodi do postojanja posebnih ravnih površina u kristalima, koje razlikuju jednu tvar od druge. Kada je izložena X-zrakama, svaka kristalna rešetka emitira karakterističan uzorak koji se može koristiti za identifikaciju tvari. Rubovi kristala sijeku se pod određenim kutovima koji razlikuju jednu tvar od druge. Ako se kristal razdvoji, nova lica će se presijecati pod istim kutovima kao i originalna.
Na primjer, galenit - galenit, pirit - pirit, kvarc - kvarc. Plohe kristala sijeku se pod pravim kutom kod galenita (PbS) i pirita (FeS 2), a pod ostalim kutovima kod kvarca.
Svojstva kristala
- konstantan volumen;
- ispravan geometrijski oblik;
- anizotropija - razlika mehaničkih, svjetlosnih, električnih i toplinskih svojstava od smjera u kristalu;
- točno određeno talište, budući da ovisi o pravilnosti kristalne rešetke. Međumolekularne sile koje drže čvrstu tvar zajedno su ujednačene i potrebna je ista količina toplinske energije da se svaka sila istovremeno prekine.
Amorfna tijela
Primjeri amorfnih tijela koja nemaju strogu strukturu i ponovljivost ćelija kristalne rešetke su: staklo, smola, teflon, poliuretan, naftalen, polivinil klorid.
Imaju dva karakteristična svojstva: izotropiju i nepostojanje određene točke tališta.
Izotropnost amorfnih tijela podrazumijeva se kao istovjetnost fizička svojstva tvari u svim smjerovima.
U amorfnom krutom tijelu, udaljenost do susjednih čvorova kristalne rešetke i broj susjednih čvorova variraju kroz materijal. Stoga su različite količine toplinske energije potrebne za prekid međumolekulskih interakcija. Posljedično, amorfne tvari polako omekšavaju u širokom rasponu temperatura i nemaju jasno talište.
Značajka amorfnog čvrste tvari je da na niskim temperaturama imaju svojstva čvrstih tvari, a kada temperatura poraste imaju svojstva tekućina.
