В предыдущем параграфе мы узнали, что некоторые твёрдые тела (например, соль, кварц, металлы и другие) являются моно- или поликристаллами. Познакомимся теперь с аморфными телами . Они занимают промежуточное положение между кристаллами и жидкостями, поэтому их нельзя однозначно назвать твёрдыми.
Проделаем опыт. Нам понадобятся: кусок пластилина, стеариновая свеча и электрический обогреватель. Поставим пластилин и свечу на равных расстояниях от обогревателя. Вскоре часть свечи расплавится, часть останется в виде твёрдого тела, а пластилин «обмякнет». Некоторое время спустя весь стеарин расплавится, а пластилин постепенно «расплывётся», став совсем мягким.
Подобно стеарину, существуют и другие кристаллические вещества , которые при нагревании не размягчаются, и во время плавления всегда можно видеть как жидкость, так и ещё не расплавившуюся часть тела. Это, например, все металлы. Но существуют и аморфные вещества , которые при нагревании постепенно размягчаются, становятся всё более текучими, поэтому невозможно указать температуру, при которой тело превращается в жидкость (плавится).
Аморфные тела при любой температуре обладают текучестью . Подтвердим это опытом. В стеклянную воронку бросим кусок аморфного вещества и оставим в тёплой комнате (на рисунке – смола гудрон; из неё делают асфальт). Через несколько недель окажется, что смола приняла форму воронки и даже начала вытекать из неё наподобие «струи». То есть аморфное тело ведёт себя как очень густая и вязкая жидкость.
Строение аморфных тел. Исследования электронным микроскопом и рентгеновскими лучами показывают, что в аморфных телах не наблюдается строгого порядка в расположении их частиц. В отличие от кристаллов, где существует дальний порядок в расположении частиц, в строении аморфных тел наблюдается только ближний порядок – некая упорядоченность расположения частиц сохраняется лишь вблизи каждой отдельной частицы (см. рисунок). Сверху изображено расположение частиц в кристаллическом кварце, снизу – в аморфной форме кварца. Эти вещества состоят из одних и тех же частиц – молекул оксида кремния SiO 2 .
Как и частицы любых тел, частицы аморфных тел непрерывно и беспорядочно колеблются и чаще, чем частицы кристаллов, могут перескакивать с места на место. Этому способствует то, что частицы аморфных тел расположены неодинаково плотно, местами создавая сравнительно большие промежутки. Однако это не то же самое, что «вакансии» в кристаллах (см. § 7-е).
Кристаллизация аморфных тел. С течением времени (недели, месяцы) аморфные вещества самопроизвольно переходят в кристаллическое состояние. Например, сахарные леденцы или мёд, оставленные в покое на несколько месяцев, становятся непрозрачными. В этом случае говорят, что мёд и леденцы «засахарились». Разломив такой леденец или зачерпнув такой мёд ложкой, мы увидим образовавшиеся кристаллики сахара, прежде существовавшего в аморфном состоянии.
Самопроизвольная кристаллизация аморфных тел свидетельствует, что кристаллическое состояние вещества более устойчиво, чем аморфное. МКТ объясняет это так. Силы притяжения и отталкивания «соседок» перемещают частицы аморфного тела в такие положения, где потенциальная энергия минимальна (см. § 7-г). При этом возникает более упорядоченное расположение частиц, что и означает, что происходит самостоятельная кристаллизация.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
ФИЗИКА 8 КЛАСС
Доклад на тему:
“Аморфные тела. Плавление аморфных тел.”
ученица 8 “б” класса:
2009
Аморфные тела.
Проделаем опыт. Нам понадобятся кусок пластилина, стеариновая свеча и электрокамин. Поставим пластилин и свечу на равных расстояниях от камина. По прошествии некоторого времени часть стеарина расплавится (станет жидкостью), а часть - останется в виде твердого кусочка. Пластилин за то же время лишь немного размягчится. Еще через некоторое время весь стеарин расплавится, а пластилин - постепенно "разъедется" по поверхности стола, все более и более размягчаясь.
Итак, существуют тела, которые при плавлении не размягчаются, а из твердого состояния превращаются сразу в жидкость. Во время плавления таких тел всегда можно отделить жидкость от еще не расплавившейся (твердой) части тела. Эти тела - кристаллические. Существуют также твердые тела, которые при нагревании постепенно размягчаются, становятся все более текучими. Для таких тел невозможно указать температуру, при которой они превращаются в жидкость (плавятся). Эти тела называют аморфными.
Проделаем следующий опыт. В стеклянную воронку бросим кусок смолы или воска и оставим в теплой комнате. По прошествии примерно месяца окажется, что воск принял форму воронки и даже начал вытекать из нее в виде "струи" (Рис.1). В противоположность кристаллам, которые почти вечно сохраняют собственную форму, аморфные тела даже при невысоких температурах обладают текучестью. Поэтому их можно рассматривать как очень густые и вязкие жидкости.
Строение аморфных тел. Исследования при помощи электронного микроскопа, а также при помощи рентгеновских лучей свидетельствуют, что в аморфных телах не наблюдается строгого порядка в расположении их частиц. Взгляните, на рисунке 2 изображено расположение частиц в кристаллическом кварце, а на правом - в аморфном кварце. Эти вещества состоят из одних и тех же частиц - молекул оксида кремния SiO 2 .
Кристаллическое состояние кварца получается, если расплавленный кварц охлаждать медленно. Если же охлаждение расплава будет быстрым, то молекулы не успеют "выстроиться" в стройные ряды, и получится аморфный кварц.
Частицы аморфных тел непрерывно и беспорядочно колеблются. Они чаще, чем частицы кристаллов могут перескакивать с места на место. Этому способствует и то, что частицы аморфных тел расположены неодинаково плотно: между ними имеются пустоты.
Кристаллизация аморфных тел. С течением времени (несколько месяцев, лет) аморфные вещества самопроизвольно переходят в кристаллическое состояние. Например, сахарные леденцы или свежий мед, оставленные в покое в теплом месте, через несколько месяцев становятся непрозрачными. Говорят, что мед и леденцы "засахарились". Разломив леденец или зачерпнув мед ложкой, мы действительно увидим образовавшиеся кристаллики сахара.
Самопроизвольная кристаллизация аморфных тел свидетельствует, что кристаллическое состояние вещества является более устойчивым, чем аморфное. Межмолекулярная теория объясняет это так. Межмолекулярные силы притяжения-отталкивания заставляют частицы аморфного тела перескакивать преимущественно туда, где имеются пустоты. В результате возникает более упорядоченное, чем прежде расположение частиц, то есть образуется поликристалл.
Плавление аморфных тел.
По мере возрастания температуры энергия колебательного движения атомов в твёрдом теле возрастает и, наконец, наступает такой момент, когда связи между атомами начинают разрываться. При этом твердое тело переходит в жидкое состояние. Такой переход называется плавлением. При фиксированном давлении плавление происходит при строго определённой температуре.
Количество тепла, необходимое для превращения единицы массы вещества в жидкость при температуре плавления, называют удельной теплотой плавления λ .
Для плавления вещества массой m необходимо затратить количество теплоты равное:
Q = λ · m .
Процесс плавления аморфных тел отличается от плавления кристаллических тел. При повышении температуры аморфные тела постепенно размягчаются, становятся вязкими, до тех пор, пока не превратятся в жидкость. Аморфные тела в противоположность кристаллам не имеют определенной температуры плавления. Температура аморфных тел при этом изменяется непрерывно. Это происходит потому, что в аморфных твердых телах, как и в жидкостях, молекулы могут перемещаться друг относительно друга. При нагревании их скорость увеличивается, увеличивается расстояние между ними. В результате тело становится все мягче и мягче, пока не превратится в жидкость. При отвердевании аморфных тел их температура также понижается непрерывно.
Нужно помнить, что не все тела, которые существуют на планете Земля, имеют кристаллическое строение. Исключения из правила получили название «аморфные тела». Чем же они отличаются? Исходя из перевода данного термина - аморфный - можно предположить о том, что такие вещества отличаются от других своей формой или видом. Речь идет об отсутствии так называемой кристаллической решетки. Процесс расщепления, при котором появляются грани, не происходит. Аморфные тела также отличаются тем, что не зависят от окружающей среды, и их свойства постоянны. Такие вещества называются изотропными.
Небольшая характеристика аморфных тел
Из школьного курса физики можно вспомнить то, что аморфные вещества имеют такое строение, при котором атомы в них расположены в хаотичном порядке. Определенное место могут иметь лишь структуры-соседи, где такое расположение является вынужденным. Но все же проводя аналогию с кристаллами, аморфные тела не обладают строгой упорядоченностью молекул и атомов (в физике такое свойство получило название «дальний порядок»). В результате исследований было выяснено, что по своей структуре данные вещества схожи с жидкостями.
Некоторые тела (в качестве примера можно взять диоксид кремния, чья формула SiO 2) могут одновременно находиться в аморфном состоянии и иметь кристаллическую структуру. Кварц в первом варианте обладает структурой неправильной решетки, во втором - правильного шестиугольника.
Свойство №1
Как уже говорилось выше, аморфные тела не обладают кристаллической решеткой. Их атомы и молекулы имеют ближний порядок размещения, что и будет первым отличительным свойством данных веществ.
Свойство №2
Текучестью данные тела обделены. Для того чтобы лучше объяснить второе свойство веществ, можно сделать это на примере воска. Ни для кого не секрет, что если налить воду в воронку, то она просто выльется из нее. То же самое будет и с любыми другими текучими веществами. А свойства аморфных тел не позволяют им проделывать такие «трюки». Если воск поместить в воронку, то он предварительно растечется по поверхности и лишь потом начнет стекать с нее. Это связано с тем, что молекулы в веществе перескакивают из одного положения равновесия в абсолютно другое, не имея основного местоположения.
Свойство №3
Пора поговорить о процессе плавления. Следует запомнить тот факт, что аморфные вещества не имеют определенной температуры, при которой начинается плавление. Во время поднятия градуса тело постепенно становится мягче и затем превращается в жидкость. Физики всегда делают упор не на температуре, при которой данный процесс начал происходить, а на соответствующем температурном интервале плавления.
Свойство №4
О нем уже было сказано выше. Аморфные тела изотропны. То есть их свойства в любом направлении неизменны, даже если условия пребывания в местах различны.
Свойство №5
Хоть раз каждый человек наблюдал, что с течением определенного промежутка времени стекла начинали мутнеть. Это свойство аморфных тел связно с повышенной внутренней энергией (она в разы больше, чем у кристаллов). Из-за этого данные вещества спокойно сами могут перейти в кристаллическое состояние.
Переход к кристаллическому состоянию
Спустя определенный промежуток времени любое аморфное тело переходит в кристаллическое состояние. Это можно наблюдать в привычной жизни человека. Например, если оставить леденец или мед на несколько месяцев, то можно заметить, что они оба потеряли свою прозрачность. Обычный человек скажет, что они просто засахарились. И правда, если разломать тело, то можно заметить наличие кристаллов сахара.
Итак, говоря об этом, необходимо уточнить, что самопроизвольное превращение в другое состояние связано с тем, что аморфные вещества неустойчивы. Сравнивая их с кристаллами, можно понять, что последние в разы «мощнее». Объяснить факт можно благодаря межмолекулярной теории. Согласно ей, молекулы постоянно перескакивают с одного места на другое, тем самым заполняя пустоты. Со временем образуется устойчивая кристаллическая решетка.
Плавление аморфных тел
Процессом плавления аморфных тел называется момент, когда с поднятием температуры все связи между атомами рушатся. Именно тогда вещество превращается в жидкость. Если условия плавления таковы, что давление одинаково на протяжении всего периода, то температура также должна быть фиксированной.
Жидкие кристаллы
В природе существуют тела, которые имеют жидкокристаллическую структуру. Как правило, они входят в перечень органических веществ, а их молекулы обладают нитевидной формой. Тела, о которых идет речь, обладают свойствами жидкостей и кристаллов, а именно текучестью и анизотропией.
В таких веществах молекулы располагаются параллельно друг другу, однако, между ними нефиксируемое расстояние. Они движутся постоянно, но ориентацию менять несклонны, поэтому постоянно находятся в одном положении.
Аморфные металлы
Аморфные металлы больше известны обычному человеку под названием металлические стекла.
Еще в 1940 году ученые заговорили о существовании данных тел. Уже тогда стало известно, что специально полученные вакуумным напылением металлы, не имели кристаллических решеток. И лишь через 20 лет было произведено первое стекло такого типа. Особого внимания у ученых оно не вызвало; и только спустя еще 10 лет о нем заговорили американские и японские профессионалы, а потом уже корейские и европейские.
Аморфные металлы отличаются вязкостью, достаточно высоким уровнем прочности и стойкостью к коррозии.
Большинство веществ в умеренном климате Земли находятся в твердом состоянии. Твердые тела сохраняют не только форму, но и объем.
По характеру относительного расположения частиц твердые тела делят на три вида: кристаллические, аморфные и композиты.
Аморфные тела. Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.
Сходство с жидкостями объясняется тем, что атомы и молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют время «оседлой жизни». Определенной температуры плавления нет, поэтому аморфные тела можно рассматривать как переохлаждение жидкости с очень большой вязкостью. Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов аморфных тел приводит к тому, что вещество в аморфном состоянии имеет меньшую плотность, чем в кристаллическом.
Беспорядок в расположении атомов аморфных тел приводит к тому, что среднее расстояние между атомами по разным направлениям одинаково, поэтому они изотропны, т. е. все физические свойства (механических, оптических и т. д.) не зависят от направления внешнего воздействия. Признаком аморфного тела являются неправильная форма поверхности при изломе. Аморфные по происшествию тела после длительного промежутка времени все же меняют свою форму под действием силы тяжести. Этим они похожи на жидкости. При повышении температуры такое изменение формы происходит быстрее. Аморфное состояние неустойчиво, происходит переход аморфного состояния в кристаллическое. (Стекло мутнеет.)
Кристаллические тела. При наличии периодичности в расположении атомов (дальнего порядка) твердое тело является кристаллическим.
Если рассмотреть при помощи лупы или микроскопа крупинки соли, то можно заметить, что они ограничены плоскими гранями. Наличие таких граней - признак нахождения в кристаллическом состоянии.
Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом. Большинство кристаллических тел состоит из множества расположенных беспорядочно мелких кристаллов, которые срослись между собой. Такие тела называются поликристаллами. Кусок сахара - поликристаллическое тело. Кристаллы различных веществ имеют разнообразную форму. Размеры кристаллов тоже разнообразны. Размеры кристаллов поликристаллического типа могут изменяться с течением времени. Мелкие кристаллы железа переходят в крупные, этот процесс ускоряется при ударах и сотрясениях, он происходит в стальных мостах, железнодорожных рельсах и т. д., от этого прочность сооружения с течением времени уменьшается.
Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях. Это свойство называется полиморфизмом. У льда известно до десяти модификаций. Полиморфизм углерода - графит и алмаз.
Существенным свойством монокристалла является анизотропия - неодинаковость его свойств (электрические, механические и т. д.) по различным направлениям.
Поликристаллические тела изотропны, т. е. обнаруживают одинаковые свойства по всем направлениям. Объясняется это тем, что кристаллы, из которых состоит поликристаллическое тело, ориентированы друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других.
Созданы композиционные материалы, механические свойства которых превосходят естественные материалы. Композиционные материалы (композиты) состоят из матрицы и наполнителей. В качестве матрицы применяются полимерные, металлические, углеродные или керамические материалы. Наполнители могут состоять из нитевидных кристаллов, волокон или проволоки. В частности, к композиционным материалам относят железобетон и железографит.
Железобетон - один из основных видов строительных материалов. Он представляет собой сочетание бетона и стальной арматуры.
Железографит - металлокерамический материал, состоящий из железа (95-98 %) и графита (2-5 %). Из него изготавливают подшипники, втулки для разных узлов машин и механизмов.
Стеклопластик - также композиционный материал, представляющий собой смесь стеклянных волокон и отвердевшей смолы.
Кости человека и животных представляют собой композиционный материал, состоящий из двух совершенно различных компонентов: коллагена и минерального вещества.
Не все твёрдые тела - кристаллы. Существует множество аморфных тел.
У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой направленности по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов в аморфных телах, нет.
Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц SiO2, может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решётки из правильных шестиугольников. Аморфная структура кварца также имеет вид решётки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти и семиугольники.
В 1959 г. английский физик Д. Бернал провёл интересные опыты: он взял много маленьких пластилиновых шариков одинакового размера, обвалял их в меловой пудре и спрессовал в большой ком. В результате шарики деформировались в многогранники. Оказалось, что при этом образовывались преимущественно пятиугольные грани, а многогранники в среднем имели 13,3 грани. Так что какой-то порядок в аморфных веществах определённо есть.
К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны, то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.
Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твёрдыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке. Понимание структуры твёрдых тел (кристаллических и аморфных) позволяет создавать материалы с заданными свойствами.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твёрдым телам, и текучесть, подобно жидкости. Так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твёрдые тела и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. Проследим за куском смолы, который лежит на гладкой поверхности. Постепенно смола по ней растекается, и, чем выше температура смолы, тем быстрее это происходит.
Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твёрдые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства всё более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения в другое. Определённой температуры тел у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.
При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. при определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры.В этом состоянии вещество может быть устойчиво в течение длительного промежутка времени, например, возраст некоторых вулканических стекол исчисляется миллионами лет. Физические и химические свойства вещества в стеклообразном аморфном состоянии могут существенно отличаться от свойств кристаллического вещества. Например, стеклообразный диоксид германия химически более активен, чем кристаллический. Различия в свойствах жидкого и твердого аморфного состояния определятся характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии частицы способны лишь к колебательным и вращательным движениям, но не могут перемещаться в толще вещества.
Под действием механических нагрузок или при изменении температуры аморфные тела могут закристаллизоваться. Реакционная способность веществ в аморфном состоянии значительно выше, чем в кристаллическом. Главный признак аморфного (от греческого "аморфос" - бесформенный) состояние вещества - отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.
Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.