Az amorf testek tulajdonságai a fizikában. Szilárd anyagok

Szilárd anyagok Megkülönböztetik őket az alak és a térfogat állandósága, és kristályosra és amorfra osztják.

Kristály testek

A kristályos testek (kristályok) olyan szilárd anyagok, amelyek atomjai vagy molekulái rendezett pozíciókat foglalnak el a térben.
A kristályos testek részecskéi szabályos mintát alkotnak a térben kristály térrács.

Mindenkinek kémiai, amely kristályos állapotban van, egy bizonyos kristályrácsnak felel meg, amely megadja fizikai tulajdonságok kristály.

Tudtad?
Sok évvel ezelőtt Szentpéterváron, az egyik fűtetlen raktárban nagy készletek voltak fehér bádogfényes gombokból. És hirtelen elkezdtek sötétedni, elvesztették fényüket és porrá morzsolódtak. Néhány napon belül a gombhegyek szürke porhalmazzá változtak. "Ón pestis"- így nevezték ezt a fehér ón „betegségét”.
És ez csak az atomok sorrendjének átrendeződése volt az ónkristályokban. Az ón, amely fehér fajtából szürkévé válik, porrá morzsolódik.
A fehér és a szürke ón egyaránt ónkristály, de alacsony hőmérsékleten megváltozik a kristályszerkezetük, és ennek következtében megváltoznak az anyag fizikai tulajdonságai.

Kristályok lehetnek különböző alakúés lapos élekre korlátozódnak.

A természetben vannak:
A) egykristályok- ezek egyetlen homogén kristályok, amelyek alakja szabályos sokszögekés amelynek folytonos kristályrácsa van

Monokristályok asztali só:

b) polikristályok- ezek kis, kaotikusan elhelyezkedő kristályokból összeolvadt kristálytestek.
A legtöbb szilárd anyag polikristályos szerkezetű (fémek, kövek, homok, cukor).

Bizmut polikristályok:

A kristályok anizotrópiája

Kristályokban megfigyelhető anizotrópia- a fizikai tulajdonságok (mechanikai szilárdság, elektromos vezetőképesség, hővezető képesség, fénytörés és fényelnyelés, diffrakció stb.) függése a kristályon belüli iránytól.

Az anizotrópia főként egykristályokban figyelhető meg.

Polikristályokban (például egy nagy fémdarabban) az anizotrópia normál állapotban nem jelenik meg.
A polikristályok a következőkből állnak nagy mennyiségben apró kristályszemcsék. Bár mindegyiknek van anizotrópiája, elrendezésük zavara miatt a polikristályos test összességében elveszíti anizotrópiáját.

Bármely kristályos anyag szigorúan meghatározott hőmérsékleten megolvad és kristályosodik olvadáspont: vas - 1530°-on, ón - 232°-on, kvarc - 1713°-on, higany - mínusz 38°-on.

A részecskék csak akkor tudják megzavarni az elrendeződés sorrendjét a kristályban, ha az olvadni kezd.

Amíg a részecskék rendje van, addig van kristályrács, létezik kristály. Ha a részecskék szerkezete megbomlik, az azt jelenti, hogy a kristály megolvadt - folyadékká alakult, vagy elpárolgott - gőzzé alakult.

Amorf testek

Amorf testek nincs szigorú rend az atomok és molekulák elrendezésében (üveg, gyanta, borostyán, gyanta).

Amorf testekben megfigyelhető izotrópia- fizikai tulajdonságaik minden irányban azonosak.

Külső hatások hatására amorf testek mutatkoznak egyidejűleg rugalmas tulajdonságok (ütés hatására szilárd testként darabokra törnek) és folyékonyság (amikor hosszú távú expozícióúgy folynak, mint a folyadékok).

at alacsony hőmérsékletek az amorf testek tulajdonságaikban és mikor hasonlítanak szilárd testekre magas hőmérsékletek- hasonló a nagyon viszkózus folyadékokhoz.

Amorf testek nincs meghatározott olvadáspontjuk, és ezáltal a kristályosodási hőmérséklet.
Melegítéskor fokozatosan megpuhulnak.

Amorf testek foglalják el köztes pozíció kristályos szilárd anyagok és folyadékok között.

Ugyanaz az anyag kristályos és nem kristályos formában is előfordulhat.

Egy anyag folyékony olvadékában a részecskék teljesen véletlenszerűen mozognak.
Ha például megolvasztja a cukrot, akkor:

1. ha az olvadék lassan, nyugodtan megszilárdul, akkor a részecskék egyenletes sorokban gyűlnek össze és kristályok képződnek. Így nyerik a kristálycukrot vagy a darabos cukrot;

2. Ha a lehűlés nagyon gyorsan megy végbe, akkor a részecskéknek nincs idejük szabályos sorokba rendeződni, és az olvadék nem kristályosodik meg. Tehát, ha olvasztott cukrot öntünk bele hideg víz vagy nagyon hideg csészealjra cukorka, nem kristályos cukor képződik.

Csodálatos!

Idővel egy nem kristályos anyag „elfajulhat”, pontosabban kikristályosodhat a bennük lévő részecskék szabályos sorokban.

Csak az időszak különbözik a különböző anyagoknál: a cukornál több hónap, a kőnél több millió év.

Hagyja, hogy az édesség csendesen feküdjön két-három hónapig. Laza kéreg borítja. Nézze meg nagyítón keresztül: ez van kis kristályok Szahara. A kristálynövekedés megindult a nem kristályos cukorban. Várjon még néhány hónapot - és nem csak a kéreg, hanem az egész cukorka kristályosodik.

Még a hétköznapi ablaküvegeink is kristályosodhatnak. A nagyon régi üveg néha teljesen zavarossá válik, mert kis átlátszatlan kristályok tömege képződik benne.

Az üveggyárakban a kemencében időnként „kecske” képződik, azaz kristályos üvegtömb. Ez a kristályos üveg nagyon strapabíró Könnyebb tönkretenni egy kemencét, mint kiütni belőle egy makacs „kecskét”.
A tanulmányozás után a tudósok új, nagyon tartós üveganyagot hoztak létre - kerámiaüveget. Ez egy üvegkristályos anyag, amelyet az üveg térfogati kristályosítása eredményeként nyernek.

Kíváncsi!

Különféle kristályformák létezhetnek ugyanaz az anyag.
Például szén.

Grafit kristályos szén. A ceruzahegyek grafitból készülnek, amely enyhén megnyomva nyomot hagy a papíron. A grafit szerkezete réteges. A grafitrétegek könnyen eltolódnak, így írás közben a grafitpelyhek a papírra tapadnak.

De van egy másik formája a kristályos szénnek - gyémánt.

AMORF TESTEK(görögül amorfosz - formátlan) - testek, amelyekben elemi kompozit részecskék(atomok, ionok, molekulák, komplexeik) kaotikusan helyezkednek el a térben. Az amorf testek és a kristályos testek megkülönböztetésére (lásd Kristályok) röntgendiffrakciós elemzést alkalmaznak (lásd). A röntgendiffrakciós mintákon a kristályos testek tiszta, meghatározott diffrakciós mintázatot adnak gyűrűk, vonalak, foltok formájában, míg az amorf testek elmosódott, szabálytalan képet adnak.

Az amorf testeknek van következő jellemzőit: 1) normál körülmények között izotróp, azaz tulajdonságaik (mechanikai, elektromos, kémiai, termikus stb.) minden irányban azonosak; 2) nem rendelkeznek bizonyos olvadásponttal, és a hőmérséklet emelkedésével a legtöbb amorf test, fokozatosan lágyulva, folyékony halmazállapotúvá válik. Ezért az amorf testek túlhűtött folyadékoknak tekinthetők, amelyeknek nem volt idejük kikristályosodni a viszkozitás meredek növekedése miatt (lásd) a közötti kölcsönhatási erők növekedése miatt. egyedi molekulák. Sok anyag az előállítási módtól függően lehet amorf, közbenső vagy kristályos állapotban (fehérjék, kén, szilícium-dioxid stb.). Vannak azonban olyan anyagok, amelyek szinte kizárólag ezen állapotok valamelyikében léteznek. Így a legtöbb fém és só kristályos állapotban van.

Az amorf testek széles körben elterjedtek (üveg, természetes és műgyanták, gumi és így tovább). A mesterséges polimer anyagok, amelyek egyben amorf testek is, nélkülözhetetlenné váltak a technikában, a mindennapi életben, az orvostudományban (lakkok, festékek, protézis műanyagok, különféle polimer fóliák).

Az élő természetben az amorf testek közé tartozik a citoplazma és a legtöbb szerkezeti elemek biopolimerekből álló sejtek és szövetek - hosszú láncú makromolekulák: fehérjék, nukleinsavak, lipidek, szénhidrátok. A biopolimerek molekulái könnyen kölcsönhatásba lépnek egymással, aggregátumokat (lásd Aggregáció) vagy raj-koacervátumokat (lásd Koacerváció) adva. Az amorf testek zárványok és tartalék anyagok (keményítő, lipidek) formájában is megtalálhatók a sejtekben.

Az amorf testeket alkotó polimerek jellemzői biológiai tárgyak, például reverzibilis állapotú fizikai-kémiai zónák szűk határainak jelenléte. Amikor a hőmérséklet a kritikus hőmérséklet fölé emelkedik, szerkezetük és tulajdonságaik visszafordíthatatlanul megváltoznak (fehérje koaguláció).

A számos mesterséges polimer által alkotott amorf testek a hőmérséklettől függően három állapotúak lehetnek: üvegesek, nagyon rugalmasak és folyékonyak (viszkózus-folyékony).

Az élő szervezet sejtjeit állandó hőmérsékleten folyékony állapotból rendkívül rugalmas állapotba való átmenet jellemzi, például vérrög visszahúzódása, izomösszehúzódás (lásd). IN biológiai rendszerek Az amorf testek döntő szerepet játszanak a citoplazma fenntartásában álló állapot. Fontos az amorf testek szerepe a biológiai tárgyak alakjának és szilárdságának megőrzésében: cellulózhéj növényi sejtek, spórák és baktériumok héja, állati bőr és így tovább.

Bibliográfia: Bresler S. E. és Yerusalimsky B. L. Makromolekulák fizika és kémiája, M.-L., 1965; Kitaygorodsky A.I. Finomkristályos és amorf testek röntgenszerkezeti elemzése, M.-L., 1952; más néven. Rend és rendetlenség az atomok világában, M., 1966; Kobeko P. P. Amorf anyagok, M.-L., 1952; Setlow R. és Pollard E. Molekuláris biofizika, ford. angolból, M., 1964.

A kristályos szilárd anyagokkal ellentétben nincs szigorú rend a részecskék elrendezésében az amorf szilárd anyagban.

Bár az amorf szilárd anyagok képesek megőrizni alakjukat, kristályrács nincs nekik. Egy bizonyos mintázat csak a közelben található molekulák és atomok esetében figyelhető meg. Ezt a sorrendet hívják zárja a rendet . Nem ismétlődik minden irányban és nem tárolódik benne nagy távolságok, mint a kristályos testek.

Az amorf testek például az üveg, borostyán, műgyanta, viasz, paraffin, gyurma stb.

Az amorf testek jellemzői

Az amorf testek atomjai véletlenszerűen elhelyezkedő pontok körül rezegnek. Ezért ezeknek a testeknek a szerkezete hasonlít a folyadékok szerkezetére. De a bennük lévő részecskék kevésbé mozgékonyak. Az egyensúlyi helyzet körüli oszcillálási idő hosszabb, mint a folyadékokban. Az atomok másik helyzetbe ugrása is sokkal ritkábban fordul elő.

Hogyan viselkednek a kristályos szilárd anyagok hevítés közben? Egy bizonyos időpontban olvadni kezdenek olvadáspont. És egy ideig egyszerre vannak szilárd és folyékony állapot amíg az összes anyag el nem olvad.

Az amorf szilárd anyagoknak nincs meghatározott olvadáspontja . Melegítéskor nem olvadnak meg, hanem fokozatosan puhulnak.

Helyezzen egy darab gyurmát a fűtőberendezés közelébe. Egy idő után puha lesz. Ez nem azonnal történik, hanem egy bizonyos ideig.

Mivel az amorf testek tulajdonságai hasonlóak a folyadékokéhoz, nagyon nagy viszkozitású túlhűtött folyadékoknak (fagyott folyadékoknak) tekintik őket. Normál körülmények között nem tudnak folyni. De hevítéskor az atomok ugrása gyakrabban fordul elő, a viszkozitás csökken, és az amorf testek fokozatosan lágyulnak. Minél magasabb a hőmérséklet, annál alacsonyabb a viszkozitás, és fokozatosan az amorf test folyékony lesz.

A közönséges üveg szilárd amorf test. Szilícium-oxid, szóda és mész olvasztásával nyerik. A keveréket 1400 o C-ra melegítve folyékony üvegszerű masszát kapunk. A folyékony üveg lehűtve nem kristályos testek módjára szilárdul meg, hanem folyadék marad, melynek viszkozitása nő, folyékonysága csökken. Normál körülmények között szilárd testnek tűnik számunkra. De valójában ez egy olyan folyadék, amelynek hatalmas viszkozitása és folyékonysága van, olyan kicsi, hogy a legérzékenyebb műszerekkel alig lehet megkülönböztetni.

Az anyag amorf állapota instabil. Idővel től amorf állapot fokozatosan kristályosodik. Ebben a folyamatban különböző anyagokátmegy vele különböző sebességgel. Látjuk, hogy a cukornádokat cukorkristályok borítják. Ez nem sok időt vesz igénybe.

És ahhoz, hogy kristályok képződjenek a közönséges üvegben, sok időnek kell eltelnie. A kristályosodás során az üveg elveszíti erejét, átlátszóságát, zavarossá válik, törékennyé válik.

Amorf testek izotrópiája

A kristályos szilárd anyagok fizikai tulajdonságai aszerint változnak különböző irányokba. De az amorf testekben minden irányban azonosak. Ezt a jelenséget az ún izotrópia .

Az amorf test minden irányban egyformán vezeti az elektromosságot és a hőt, és egyformán töri meg a fényt. A hang az amorf testekben is egyformán terjed minden irányba.

Az amorf anyagok tulajdonságait használják fel modern technológiák. Különösen érdekesek azok a fémötvözetek, amelyek nem rendelkeznek kristályszerkezetés az amorf szilárd anyagokhoz tartoznak. Úgy hívják fém üvegek . Fizikai, mechanikai, elektromos és egyéb tulajdonságaik jobban eltérnek a hagyományos fémekétől.

Így az orvostudományban amorf ötvözeteket használnak, amelyek szilárdsága meghaladja a titánét. Csavarok vagy lemezek készítésére használják, amelyek összekötik a törött csontokat. A titán kötőelemekkel ellentétben ez az anyag fokozatosan szétesik, és idővel csontanyag váltja fel.

A nagy szilárdságú ötvözeteket fémvágó szerszámok, szerelvények, rugók és mechanizmusalkatrészek gyártásához használják.

Japánban nagy mágneses permeabilitással rendelkező amorf ötvözetet fejlesztettek ki. A transzformátormagokban való használatával a texturált transzformátoracél lemezek helyett az örvényáram-veszteség 20-szorosára csökkenthető.

Az amorf fémek rendelkeznek egyedi tulajdonságok. A jövő anyagának nevezik őket.

Az amorf testek szerkezete. Az elektronmikroszkóppal és röntgensugárzással végzett vizsgálatok azt mutatják, hogy az amorf testekben nincs szigorú rend a részecskéik elrendezésében. Ellentétben a kristályokkal, ahol van hosszú távú rendelés a részecskék elrendezésében, az amorf testek szerkezetében van zárja be a rendet. Ez azt jelenti, hogy a részecskék elrendezésének bizonyos sorrendje csak az egyes részecskék közelében marad meg (lásd az ábrát).

Az ábra felső része a részecskék elrendezését mutatja a kristályos kvarcban, az alsó része a kvarc amorf létezési formáját. Ezek az anyagok ugyanazokból a részecskékből állnak - szilícium-oxid SiO2 molekulákból.

Mint bármely test részecskéi, az amorf testek részecskéi folyamatosan és véletlenszerűen ingadoznak, és gyakrabban, mint a kristályrészecskék, ugrálhatnak egyik helyről a másikra. Ezt elősegíti, hogy az amorf testek részecskéi egyenlőtlenül sűrűn helyezkednek el - néhol viszonylag nagy rések vannak a részecskéik között. Ez azonban nem azonos a kristályok „üres helyeivel” (lásd 7. §).

Amorf testek kristályosítása. Idővel (hetek, hónapok) néhány amorf test spontán módonátalakul kristályos állapotba. Például a több hónapig magára hagyott cukorka vagy méz átlátszatlanná válik. Ebben az esetben a mézet és a cukorkát „cukrozottnak” mondják. Egy cukornád törésével vagy egy kanállal mézet felszívva ténylegesen a korábban amorf állapotban létező cukorkristályok képződését fogjuk látni.

Az amorf testek spontán kristályosodása azt jelzi Egy anyag kristályos állapota stabilabb, mint az amorfé. Az MKT így magyarázza. A „szomszédok” taszító ereje arra kényszeríti az amorf test részecskéit, hogy elõszeretettel mozogjanak oda, ahol nagy rések vannak. Ennek eredményeként a részecskék rendezettebb elrendezése következik be, azaz kristályosodás következik be.

Teszteld magad:

1. Ennek a bekezdésnek az a célja, hogy bemutassa...
2. Melyik összehasonlító jellemzők amorf testeknek adtuk?
3. A kísérlethez a következő berendezéseket és anyagokat használjuk: ...
4. A kísérletre való felkészülés során...
5. Mit fogunk látni a kísérlet során?
6. Mi az eredménye a sztearin gyertyával és egy darab gyurmával végzett kísérletnek?
7. Ellentétben az amorf testekkel, a kristályos testekkel...
8. Amikor egy kristályos test megolvad...
9. A kristályos testekkel ellentétben az amorf...
10. Az amorf testek közé tartoznak azok a testek, amelyekre...
11. Mitől tűnnek folyadéknak az amorf testek? Azok...
12. Mutassa be a kísérlet kezdetét az amorf testek folyékonyságának igazolására!
13. Ismertesse az amorf testek folyékonyságának igazolására végzett kísérlet eredményét!
14. Fogalmazzon meg következtetést a tapasztalatokból.
15. Honnan tudjuk, hogy az amorf testek részecskéinek elrendezésében nincs szigorú sorrend?
16. Hogyan értjük a „rövid hatótávolságú rend” kifejezést egy amorf test részecskéinek elrendezésében?
17. Ugyanazok a szilícium-oxid molekulák találhatók mind a kristályos, mind a...
18. Milyen természetű az amorf test részecskéi mozgása?
19. Milyen természetű az amorf test részecskéinek elrendezése?
20. Mi történhet az amorf testekkel idővel?
21. Hogyan lehet biztos abban, hogy az édességben vagy a kandírozott mézben cukor polikristályok vannak?
22. Miért gondoljuk, hogy egy anyag kristályos állapota stabilabb, mint az amorfé?
23. Hogyan magyarázza az MCT egyes amorf testek független kristályosodását?

Az előző bekezdésben megtudtuk, hogy egyes szilárd anyagok (például só, kvarc, fémek és mások) mono- vagy polikristályok. Most ismerkedjünk meg amorf testek. Köztes helyzetet foglalnak el a kristályok és a folyadékok között, így nem nevezhetők egyértelműen szilárdnak.

Végezzünk egy kísérletet. Szükségünk lesz: egy darab gyurmára, egy sztearin gyertyára és egy elektromos melegítőre. Tegyünk rá gyurmát és gyertyát egyenlő távolságok a fűtéstől. Hamarosan a gyertya egy része megolvad, egy része szilárd anyag formájában marad, és a gyurma „megernyed”. Egy idő után az összes sztearin megolvad, és a gyurma fokozatosan „feloldódik”, teljesen puha lesz.

A sztearinhoz hasonlóan vannak mások is kristályos anyagok , amelyek hevítésre nem puhulnak meg, és az olvadás során mindig látható mind a folyadék, mind a még el nem olvadt testrész. Ez például az összes fém. De vannak olyanok is amorf anyagok, amelyek hevítéskor fokozatosan meglágyulnak és egyre folyékonyabbá válnak, így nem lehet jelezni, hogy a test milyen hőmérsékleten válik folyadékká (olvad).

Az amorf testek bármilyen hőmérsékleten rendelkeznek folyékonyság. Erősítsük meg ezt tapasztalattal. Dobjunk egy darab amorf anyagot egy üvegtölcsérbe, és hagyjuk meleg szobában (a képen - kátránygyanta; aszfalt készül belőle). Néhány hét elteltével kiderül, hogy a gyanta tölcsér alakot öltött, és még „sugárként” is elkezdett kifolyni belőle. Azaz az amorf test nagyon sűrű és viszkózus folyadékként viselkedik.

Az amorf testek szerkezete. Kutatás elektronmikroszkópÉs röntgensugarak mutatják meg, hogy az amorf testekben nincs szigorú rend a részecskéik elrendezésében. Ellentétben a kristályokkal, ahol van hosszú távú rendelés a részecskék elrendezésében, az amorf testek szerkezetében csak zárja a rendet– a részecskék elrendezésének bizonyos sorrendje csak az egyes részecskék közelében marad meg(lásd a képet). A felső része a részecskék elrendezését mutatja a kristályos kvarcban, az alsó a kvarc amorf formáját. Ezek az anyagok ugyanazokból a részecskékből állnak - szilícium-oxid SiO 2 molekulákból.

Mint bármely test részecskéi, az amorf testek részecskéi folyamatosan és véletlenszerűen ingadoznak, és gyakrabban, mint a kristályrészecskék, ugrálhatnak egyik helyről a másikra. Ezt elősegíti, hogy az amorf testek részecskéi egyenlőtlenül sűrűn helyezkednek el, helyenként viszonylag nagy hézagokat képezve. Ez azonban nem azonos a kristályok „üres helyeivel” (lásd 7. §).

Amorf testek kristályosítása. Idővel (hetek, hónapok) amorf anyagok spontán módonátalakul kristályos állapotba. Például a több hónapig magára hagyott cukorka vagy méz átlátszatlanná válik. Ebben az esetben a mézet és a cukorkát „cukrozottnak” mondják. Ha egy ilyen édességet feltörünk, vagy egy kanállal felszívjuk az ilyen mézet, olyan cukorkristályok képződését fogjuk látni, amelyek korábban amorf állapotban léteztek.

Az amorf testek spontán kristályosodása azt jelzi Egy anyag kristályos állapota stabilabb, mint az amorfé. Az MKT így magyarázza. A „szomszédok” vonzó és taszító ereje mozgatja az amorf test részecskéit olyan helyzetekbe, ahol potenciális energia minimális(lásd 7-d §). Ebben az esetben a részecskék rendezettebb elrendezése jelenik meg, ami azt jelenti, hogy független kristályosodás megy végbe.

Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete