Ви коли-небудь замислювалися про те, що є загадковими аморфними речовинами? За будовою вони відрізняються і від жорстких, і від рідких. Справа в тому, що такі тіла знаходяться в особливому конденсованому стані, що 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 кристалічної решітки. 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 близькій відстані один до одного. Вони можуть бути як дуже густими, так і в'язкими. Як на них впливають зовнішні дії? Під впливом різних температур тіла стають плинними, немов рідини, і водночас досить пружними. У випадку, коли зовнішня дія триває недовго, речовини аморфної будови потужному ударірозколотися на шматочки. Тривалий вплив ззовні призводить до того, що вони просто течуть.
Спробуйте провести вдома невеликий експеримент із 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 має на увазі підтримки будь-якої певної температури. При низьких показниках тіла застигають, за 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 назвати 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 структура якого 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 галузь 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 агрегатні стани: твердий, рідкий, газоподібний, плазмовий. Тверді аморфні речовини можуть бути кристалічними. За такої будови може спостерігатися просторова періодичність розташування частинок. Ці частинки кристалах можуть виконувати періодичний рух. У всіх тілах, які ми спостерігаємо в газоподібному або рідкому стані, можна помітити рух частинок як 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 більшою мірою мають ці характеристики, у той час як рідини та 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 згадувалося вище, аморфними можна назвати ті тіла, які мають величезним коефіцієнтом в'язкості, і за звичайної температурі їх плинність неможлива. А ось висока температура, навпаки, дозволяє їм бути плинними, як рідина.
Зовсім іншими є речовини кристалічного типу. Ці тверді тіла можуть мати свою температуру плавлення, що залежить від зовнішнього тиску. Одержання кристалів можливе, якщо охолодити рідину. Якщо не вживати певних заходів, можна помітити, що у рідкому стані починають виникати різні центри кристалізації. 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 характеристики тіл? Важливе значення мають атомні зв'язки, і навіть тип кристалічної структури. Кристалам іонного типу характерні іонні зв'язки, що означає плавний перехід від одних атомів до інших. При цьому відбувається утворення позитивно та негативно заряджених частинок. Іонний зв'язок ми 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.
Безліч мінералів, які ми зустрічаємо повсюдно у природі, мають будову кристалічне. І аморфний стан речовини – це також природа у чистому вигляді. Тільки в цьому випадку тіло є чимось безформним, а ось 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 солі кубічної 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, так як вважається важкогорючим, має підвищену механічну міцність і 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 механічної дії. 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 виконана із 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 кабелів телефонних та 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 для 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.
ФІЗИКА 8 КЛАС
Доповідь на тему:
Аморфні тіла. Плавлення аморфних тіл.
учениця 8 "б" класу:
2009
Аморфні тіла.
Зробимо досвід. Нам знадобляться шматок пластиліну, стеаринова свічка та електрокамін. Поставимо пластилін і свічку на рівних відстанях від каміна. Через деякий час частина стеарину розплавиться (стане рідиною), а частина – залишиться у вигляді твердого шматочка. Пластилін за той самий час лише трохи розм'якшиться. Ще через деякий час весь стеарин розплавиться, а пластилін – поступово "роз'їдеться" по поверхні столу, дедалі більше розм'якшуючись.
Отже, існують тіла, які при плавленні не розм'якшуються, а твердого стануперетворюються відразу на рідину. Під час плавлення таких тіл завжди можна відокремити рідину від твердої частини тіла, що ще не розплавилася. Ці тіла – кристалічні.Існують також тверді тіла, які при нагріванні поступово розм'якшуються, стають дедалі текучими. Для таких тіл неможливо вказати температуру, за якої вони перетворюються на рідину (плавляться). Ці тіла називають аморфними.
Зробимо наступний досвід. У скляну вирву кинемо шматок смоли або воску і залишимо в теплій кімнаті. Через місяць виявиться, що віск прийняв форму вирви і навіть почав витікати з неї у вигляді "струмені" (Рис.1). На противагу кристалам, які майже вічно зберігають власну форму, аморфні тіла навіть при невисоких температурах мають плинність. Тому їх можна розглядати як дуже густі та в'язкі рідини.
Будова аморфних тіл.Дослідження за допомогою електронного мікроскопа, а також за допомогою рентгенівських променів свідчать, що в аморфних тілах немає строгого порядку розташування їх частинок. Погляньте, малюнку 2 зображено розташування частинок в кристалічному кварці, але в правому – в аморфному кварці. Ці речовини складаються з тих самих частинок – молекул оксиду кремнію SiO 2 .
Кристалічний стан кварцу утворюється, якщо розплавлений кварц охолоджувати повільно. Якщо ж охолодження розплаву буде швидким, молекули не встигнуть "вишикуватися" в стрункі ряди, і вийде аморфний кварц.
Частинки аморфних тіл безперервно і безладно коливаються. Вони частіше, ніж частинки кристалів, можуть перескакувати з місця на місце. Цьому сприяє і те, що частинки аморфних тіл розташовані неоднаково щільно: між ними є порожнечі.
Кристалізація аморфних тіл.З часом (кілька місяців, років) аморфні речовини мимоволі переходять у кристалічний стан. Наприклад, цукрові льодяники або свіжий мед, залишені у спокої у теплому місці, за кілька місяців стають непрозорими. Кажуть, що мед та льодяники "зацукрилися". Розломивши льодяник або зачерпнувши мед ложкою, ми дійсно побачимо кристалики цукру, що утворилися.
Мимовільна кристалізація аморфних тіл свідчить, що кристалічний стан речовини є більш стійким, ніж аморфний. Міжмолекулярна теорія це пояснює так. Міжмолекулярні сили тяжіння-відштовхування змушують частки аморфного тіла перескакувати переважно туди, де є порожнечі. В результаті виникає більш упорядковане, ніж колись розташування частинок, тобто утворюється полікристал.
Плавлення аморфних тіл.
У міру зростання температури енергія коливального руху атомів твердому тілізростає і нарешті настає такий момент, коли зв'язки між атомами починають розриватися. При цьому тверде тіло перетворюється на рідкий стан. Такий перехід називається плавленням.При фіксованому тиску плавлення відбувається за строго певної температури.
Кількість тепла, необхідне перетворення одиниці маси речовини на рідину за нормальної температури плавлення, називають питомою теплотою плавлення λ .
Для плавлення речовини масою m необхідно витратити кількість теплоти рівну:
Q = λ · m .
Процес плавлення аморфних тіл відрізняється від плавлення кристалічних тіл. При підвищенні температури аморфні тіла поступово розм'якшуються, стають в'язкими, доки не перетворяться на рідину. Аморфні тілана противагу кристалам не мають певної температури плавлення. Температура аморфних тіл у своїй змінюється безупинно. Це тому, що у аморфних твердих тілах, як й у рідинах, молекули можуть переміщатися друг щодо друга. При нагріванні їхня швидкість збільшується, збільшується відстань між ними. В результаті тіло стає все м'якшим і м'якшим, поки не перетвориться на рідину. При затвердінні аморфних тіл їхня температура також знижується безперервно.
При зниженні температури рідина може заморожуватися без упорядкування структури. Речовина при цьому вже перебуває у твердому стані, але структура його наближається до структури рідини – такі речовини називаються аморфними (від грецької) аморфос- безформний)
Властивості аморфних тіл:
§ Головна ознака - відсутність атомних або молекулярних ґрат, тобто тривимірної періодичності структури, характерної для кристалічного стану.
§ Для аморфного стану характерно наявність лише ближнього порядку. Структури аморфних речовин нагадують рідини, проте мають набагато меншу плинність.
§ Аморфний стан зазвичай нестійкий. Аморфний стан має деякий надлишковий запас внутрішньої енергії, тому мимоволі переходить у кристалічний стан як більш стійкий. Через це більшість речовин у звичайних умовах все ж таки перебувають у кристалічному стані.
§ Під дією механічних навантажень або при зміні температури аморфні тіла можуть закристалізуватися.
§ Текучість(т.к. за деякими теоріями аморфні тіла розглядаються як переохолоджені рідини). Цю властивість можна виявити при уважному дослідженні шибок, дуже старих будинків. Віконні шибки в таких будинках внизу дещо товщі, тому що довгий час скло постійно перетікало вниз під впливом сили тяжіння. Порівняно недавно навчилися отримувати у склоподібному стані метали. Для цього метал розплавляють, а потім дуже короткий час охолоджують. Внаслідок швидкого охолодження в металі не виникає правильної кристалічної структури, він стає склоподібним. Металостекла відрізняються високою твердістю, зносостійкістю та корозійною стійкістю.
§ Аморфні тіла ізотропні , тобто механічні, оптичні, електричні та інші властивості не залежать від напрямку.
§ У аморфних тіл немає фіксованої температури плавлення: плавлення відбувається у певному температурному інтервалі. Перехід аморфної речовини з твердого стану в рідке не супроводжується стрибкоподібною зміною властивостей. Наприклад: інтервал температури плавлення силікатного скла становить приблизно 200°С.
Фізичну модель аморфного стану досі не створено.
Реакційна здатність речовин в аморфному стані значно вища, ніж у кристалічному.
Приклади аморфних речовин: природні: мед, бурштин, каніфоль, смола, бітум;
штучні: скло, багато оксидів, гідроксидів.
Існують речовини, які у твердому вигляді можуть бути лише в аморфному стані. Це відноситься до полімерамз нерегулярною послідовністю ланок.
У ряді випадків одна і теж речовина може перебувати в різних станах, наприклад: SiO 2 існує в склоподібному та в декількох кристалічних станах; також S-сірка, є аморфна сірка та дві кристалічні модифікації (ромбічна та моноклінна).
Більшість речовин у помірному кліматі Землі перебувають у твердому стані. Тверді тіла зберігають як форму, а й обсяг.
За характером відносного розташування частинок тверді тіла поділяють на три види: кристалічні, аморфні та композити.
Аморфні тіла.Прикладами аморфних тіл можуть служити скло, різні затверділі смоли (бурштин), пластики і т. д. Якщо аморфне тіло нагрівати, воно поступово розм'якшується, і перехід у рідкий стан займає значний інтервал температур.
Подібність до рідин пояснюється тим, що атоми і молекули аморфних тіл, подібно до молекул рідини, мають час «осілого життя». Певної температури плавлення немає, тому аморфні тіла можна як переохолодження рідини з дуже великою в'язкістю. Відсутність далекого порядку розташування атомів аморфних тіл призводить до того, що речовина в аморфному стані має меншу щільність, ніж у кристалічному.
Безлад у розташуванні атомів аморфних тіл призводить до того, що середня відстань між атомами по різних напрямках однакова, тому вони ізотропні, тобто всі фізичні властивості (механічних, оптичних і т. д.) не залежать від напрямку зовнішнього впливу. Ознакою аморфного тіла є неправильна форма поверхні при зламі. Аморфні по події тіла після тривалого проміжку часу все ж таки змінюють свою форму під дією сили тяжіння. Цим вони схожі на рідину. У разі підвищення температури така зміна форми відбувається швидше. Аморфний стан нестійкий, відбувається перехід аморфного стану в кристалічний. (Скло мутніє.)
Кристалічні тіла.За наявності періодичності розташування атомів (дальнього порядку) тверде тіло є кристалічним.
Якщо розглянути за допомогою лупи або мікроскопа крупинки солі, можна помітити, що вони обмежені плоскими гранями. Наявність таких граней – ознака перебування у кристалічному стані.
Тіло, що є одним кристалом, називається монокристалом. Більшість кристалічних тіл складається з безлічі розташованих безладно дрібних кристалів, які зрослися між собою. Такі тіла називаються полікристалами. Шматок цукру – полікристалічне тіло. Кристали різних речовинмають різноманітну форму. Розміри кристалів також різноманітні. Розміри кристалів полікристалічного типу можуть змінюватися з часом. Дрібні кристали заліза переходять у великі, цей процес прискорюється при ударах і струсох, він відбувається в сталевих мостах, залізничних рейках і т. д. від цього міцність споруди з часом зменшується.
Дуже багато тіл однакового хімічного складуу кристалічному стані в залежності від умов можуть існувати у двох або більше різновидах. Ця властивість називається поліморфізмом. Біля льоду відомо до десяти модифікацій. Поліморфізм вуглецю - графіт та алмаз.
Істотною властивістю монокристалу є анізотропія – неоднаковість його властивостей (електричні, механічні тощо) за різними напрямками.
Полікристалічні тіла ізотропні, тобто виявляють однакові властивості по всіх напрямках. Пояснюється це тим, що кристали, з яких складається полікристалічне тіло, орієнтовані по відношенню до друга хаотично. В результаті жоден із напрямків не відрізняється від інших.
Створено композиційні матеріали, механічні властивості яких перевершують природні матеріали. Композиційні матеріали (композити)складаються з матриці та наповнювачів. Як матриця застосовуються полімерні, металеві, вуглецеві або керамічні матеріали. Наповнювачі можуть складатися з ниткоподібних кристалів, волокон чи дроту. Зокрема, до композиційних матеріалів відносять залізобетон та залізографіт.
Залізобетон – один з основних видів будівельних матеріалів. Він являє собою поєднання бетону та сталевої арматури.
Залізографіт - металокерамічний матеріал, що складається із заліза (95-98%) та графіту (2-5%). З нього виготовляють підшипники, втулки для різних вузлів машин та механізмів.
Склопластик - також композиційний матеріал, що є сумішшю скляних волокон і затверділої смоли.
Кістки людини і тварин є композиційним матеріалом, що складається з двох абсолютно різних компонентів: колагену та мінеральної речовини.
Тверде тіло є одним із чотирьох фундаментальних станів 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, до якого його поміщають. Тверде тіло не розширюється, щоб заповнити весь доступний обсяг, як це робить газ.
Атоми в твердому тілі тісно 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 у структурі кристалічної решітки (це аморфні тіла, такі як шибка, каніфоль, слюда або пластмаса).
Кристалічні тіла
Кристалічні тверді тіла або кристали мають відмінну внутрішню особливість - структуру у вигляді кристалічної ґрат, у 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, то нові грані перетинатимуться під тими ж кутами, що у вихідного.
Наприклад, галена - галеніт, pyrite - пірит, quartz - кварц. Грані кристала перетинаються під прямим кутом у галеніті (PbS) та пиріті (FeS 2), під іншими кутами у кварці.
Властивості кристалів
- постійний обсяг;
- правильна геометрична форма;
- анізотропія - відмінність механічних, світлових, електричних та теплових властивостей від напрямку в кристалі;
- чітко певна температура плавлення, оскільки залежить від регулярності кристалічної решітки. Міжмолекулярні сили, що утримують тверду речовину разом, 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 дві характерні властивості: ізотропність та відсутність певної температури плавлення.
Ізотропність аморфних тіл розуміють як однакову фізичних властивостейречовини з усіх напрямків.
В аморфному твердому тілі відстань до сусідніх вузлів кристалічних ґрат і кількість сусідніх вузлів змінюється по всьому матеріалу. Тому, щоб розірвати міжмолекулярні взаємодії, потрібна різна кількість теплової енергії. Отже, аморфні речовини повільно розм'якшуються в широкому діапазоні температур і не мають точної температури плавлення.
Особливістю аморфних твердих тілє те, що за низьких температур вони мають властивості твердих тіл, а при підвищенні температури - властивості рідин.
