Как расположены частицы в аморфных телах. Аморфные тела: характеристика, описание и свойства. Кристаллические твердые тела

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.

Вы когда-нибудь задумывались о том, что представляют собой загадочные аморфные вещества? По строению они отличаются и от твердых, и от жидких. Дело в том, что такие тела находятся в особом конденсированном состоянии, имеющем только ближний порядок. Примеры аморфных веществ - смола, стекло, янтарь, каучук, полиэтилен, поливинилхлорид (наши любимые пластиковые окна), различные полимеры и другие. Это твердые тела, у которых нет кристаллической решетки. Еще к ним можно отнести сургуч, различные клеи, эбонит и пластмассы.

Необыкновенные свойства аморфных веществ

Во время расщепления в аморфных телах не образуются грани. Частицы совершенно беспорядочны и находятся на близком расстоянии друг к другу. Они могут быть как сильно густыми, так и вязкими. Как на них влияют внешние воздействия? Под влиянием различных температур тела становятся текучими, словно жидкости, и одновременно довольно упругими. В случае, когда внешнее воздействие длится недолго, вещества аморфного строения могут при мощном ударе расколоться на кусочки. Длительное влияние извне приводит к тому, что они просто-напросто текут.

Попробуйте провести дома небольшой эксперимент с применением смолы. Положите ее на твердую поверхность, и вы заметите, что она начинает плавно растекаться. Правильно, ведь вещество! Скорость зависит от показателей температуры. Если она будет сильно высокой, то растекаться смола начнет заметно быстрее.

Что еще характерно для таких тел? Они могут принимать любую форму. Если аморфные вещества в виде маленьких частиц поместить в сосуд, например, в кувшин, то они также примут форму сосуда. Еще они являются изотропными, то есть проявляют одинаковые физические свойства по всем направлениям.

Плавление и переход в другие состояния. Металл и стекло

Аморфное состояние вещества не подразумевает поддержания какой-либо определенной температуры. При низких показателях тела застывают, при высоких - плавятся. Кстати, от этого зависит и степень вязкости таких веществ. Низкая температура способствует пониженной вязкости, высокая, наоборот, ее повышает.

Для веществ аморфного типа можно выделить еще одну особенность - переход в кристаллическое состояние, причем самопроизвольный. Почему так происходит? Внутренней энергии в кристаллическом теле намного меньше, чем в аморфном. Мы это можем заметить на примере стеклянной продукции - со временем стекла становятся мутными.

Металлическое стекло - что же это такое? Металл можно избавить от кристаллической решетки в ходе плавления, то есть сделать вещество аморфного строения стеклообразным. Во время застывания при искусственном охлаждении кристаллическая решетка снова образуется. Аморфный металл имеет просто поразительную стойкость к коррозии. Например, сделанный из него кузов автомобиля не нуждался бы в различных покрытиях, так как не подвергался бы самопроизвольному разрушению. Аморфным веществом является такое тело, атомная структура которого обладает невиданной прочностью, а значит, аморфный металл мог бы применяться в совершенно любой промышленной отрасли.

Кристаллическое строение веществ

Чтобы хорошо разбираться в характеристиках металлов и уметь с ними работать, нужно обладать знаниями о кристаллическом строении тех или иных веществ. Производство продукции из металлов и область металлургии не смогли бы получить такое развитие, если бы у людей не было определенных знаний об изменениях в структуре сплавов, технологических приемах и эксплуатационных характеристиках.

Четыре состояния вещества

Общеизвестно, что существует четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное, плазменное. Твердые аморфные вещества могут быть и кристаллическими. При таком строении может наблюдаться пространственная периодичность в расположении частиц. Эти частицы в кристаллах могут выполнять периодическое движение. Во всех телах, которые мы наблюдаем в газообразном или жидком состоянии, можно заметить движение частиц в виде хаотичного беспорядка. Аморфные твердые вещества (например, металлы в конденсированном состоянии: эбонит, стеклянная продукция, смолы) можно называть жидкостями замороженного типа, потому что у них при изменении формы можно заметить такую характерную черту, как вязкость.

Отличие аморфных тел от газов и жидкостей

Проявления пластичности, упругости, упрочнения при деформации свойственны многим телам. Кристаллические и аморфные вещества в большей степени обладают этими характеристиками, в то время как жидкости и газы не имеют таких свойств. Но зато можно заметить, что они способствуют упругому изменению объема.

Кристаллические и аморфные вещества. Механические и физические свойства

Что собой представляют кристаллические и аморфные вещества? Как уже упоминалось выше, аморфными можно назвать те тела, которые обладают огромным коэффициентом вязкости, и при обыкновенной температуре их текучесть невозможна. А вот высокая температура, наоборот, позволяет, им быть текучими, как жидкость.

Совершенно другими представляются вещества кристаллического типа. Эти твердые тела могут иметь свою температуру плавления, зависящую от внешнего давления. Получение кристаллов возможно, если охладить жидкость. Если не принимать определенных мер, то можно заметить, что в жидком состоянии начинают возникать различные центры кристаллизации. В области, окружающей эти центры, происходит образование твердого вещества. Очень маленькие кристаллики начинают соединяться друг с другом в беспорядочном порядке, и получается так называемый поликристалл. Такое тело является изотропным.

Характеристики веществ

Что определяет физические и механические характеристики тел? Важное значение имеют атомные связи, а также тип кристаллической структуры. Кристаллам ионного типа характерны ионные связи, что означает плавный переход от одних атомов к другим. При этом происходит образование положительно и отрицательно заряженных частиц. Ионную связь мы можем наблюдать на простом примере - такие характеристики свойственны разнообразным оксидам и солям. Еще одна особенность ионных кристаллов - низкая проводимость тепла, но ее показатели могут заметно возрастать при нагревании. В узлах кристаллической решетки можно заметить различные молекулы, которые отличаются крепкой атомной связью.

Множество минералов, которые мы встречаем повсеместно в природе, имеют строение кристаллическое. И аморфное состояние вещества - это тоже природа в чистом виде. Только в этом случае тело представляет собой нечто бесформенное, а вот кристаллы могут принимать формы красивейших многогранников с наличием плоских граней, а также образовывать новые удивительной красоты и чистоты твердые тела.

Что представляют собой кристаллы? Аморфно-кристаллическая структура

Форма таких тел постоянна для определенного соединения. Например, берилл всегда выглядит как шестигранная призма. Проведите небольшой эксперимент. Возьмите небольшой кристаллик поваренной соли кубической формы (шар) и положите его в специальный раствор как можно более насыщенный той же поваренной соли. Со временем вы заметите, что этот тело осталось неизменным - оно снова приобрело форму куба или шара, которая присуща именно кристаллам поваренной соли.

3. - поливинилхлорид, или всем известные пластиковые окна из ПВХ. Он устойчив к пожарам, так как считается трудногорючим, обладает повышенной механической прочностью и электроизоляционными свойствами.

4. Полиамид - вещество, обладающее очень высокой прочностью, стойкостью к износу. Ему свойственны высокие диэлектрические характеристики.

5. Плексиглас, или полиметилметакрилат. Его мы можем применять в сфере электротехники или использовать как материал для конструкций.

6. Фторопласт, или политетрафторэтилен, - известный диэлектрик, который не проявляет свойств растворения в растворителях органического происхождения. Обширный диапазон температур и хорошие диэлектрические свойства позволяют применять его как гидрофобный или антифрикционный материал.

7. Полистирол. Этот материал не подвержен воздействию кислот. Он, так же как фторопласт и полиамид, может считаться диэлектриком. Очень прочен в отношении механического воздействия. Полистирол используют повсеместно. Например, он хорошо зарекомендовал себя как конструкционный и электроизоляционный материал. Применяется в электро- и радиотехнике.

8. Наверное, самый известный для нас полимер - это полиэтилен. Материал проявляет устойчивость при воздействии агрессивной среды, он абсолютно не пропускает влагу. Если упаковка выполнена из полиэтилена, можно не бояться, что содержимое испортится под воздействием сильного дождя. Полиэтилен - это тоже диэлектрик. Его применение обширно. Из него изготавливают трубные конструкции, различные электротехнические изделия, изоляционную пленку, оболочки для кабелей телефонных и силовых линий, детали для радио и другой аппаратуры.

9. Полихлорвинил - это высокополимерное вещество. Он является синтетическим и термопластичным. Обладает структурой молекул, которые несимметричны. Почти не пропускает воду и изготавливается путем прессования с помощью штамповки и путем формования. Полихлорвинил применяют чаще всего в электрической промышленности. На его основе создают различные теплоизоляционные шланги и шланги для химической защиты, аккумуляторные банки, изоляционные втулки и прокладки, провода и кабели. Полихлорвинил также является отличной заменой вредному свинцу. Его нельзя применять в качестве высокочастотных цепей в виде диэлектрика. А все из-за того, что в этом случае показатели диэлектрических потерь будут высокими. Обладает высокой проводимостью.

В отличие от кристаллических твёрдых тел, в расположении частиц в аморфном теле нет строгого порядка.

Хотя аморфные твёрдые тела способны сохранять форму, кристаллической решётки у них нет. Некоторая закономерность наблюдается лишь для молекул и атомов, расположенных по соседству. Такой порядок называется ближним порядком . Он не повторяется по всем направлениям и не сохраняется на больших расстояниях, как у кристаллических тел.

Примеры аморфных тел - стекло, янтарь, искусственные смолы, воск, парафин, пластилин и др.

Особенности аморфных тел

Атомы в аморфных телах совершают колебания вокруг точек, которые расположены хаотично. Поэтому структура этих тел напоминает структуру жидкостей. Но частицы в них менее подвижны. Время их колебания вокруг положения равновесия больше, чем в жидкостях. Перескоки атомов в другое положение также происходят намного реже.

Как ведут себя при нагревании твёрдые кристаллические тела? Они начинают плавиться при определённой температуре плавления . И некоторое время одновременно находятся в твёрдом и жидком состоянии, пока не расплавится всё вещество.

У аморфных тел определённой температуры плавления нет . При нагревании они не плавятся, а постепенно размягчаются.

Положим кусок пластилина вблизи нагревательного прибора. Через какое-то время он станет мягким. Это происходит не мгновенно, а в течение некоторого интервала времени.

Так как свойства аморфных тел схожи со свойствами жидкостей, то их рассматривают как переохлаждённые жидкости с очень большой вязкостью (застывшие жидкости). При обычных условиях течь они не могут. Но при нагревании перескоки атомов в них происходят чаще, уменьшается вязкость, и аморфные тела постепенно размягчаются. Чем выше температура, тем меньше вязкость, и постепенно аморфное тело становится жидким.

Обычное стекло - твёрдое аморфное тело. Его получают, расплавляя оксид кремния, соду и известь. Нагрев смесь до 1400 о С, получают жидкую стекловидную массу. При охлаждении жидкое стекло не затвердевает, как кристаллические тела, а остаётся жидкостью, вязкость которой увеличивается, а текучесть уменьшается. При обычных условиях оно кажется нам твёрдым телом. Но на самом деле это жидкость, которая имеет огромную вязкость и текучесть, настолько малую, что она едва различается самыми сверхчувствительными приборами.

Аморфное состоянием вещества неустойчиво. Со временем из аморфного состояния оно постепенно переходит в кристаллическое. Этот процесс в разных веществах проходит с разной скоростью. Мы видим, как покрываются кристаллами сахара леденцы. Для этого нужно не очень много времени.

А для того чтобы кристаллы образовались в обычном стекле, времени должно пройти немало. При кристаллизации стекло теряет свою прочность, прозрачность, мутнеет, становится хрупким.

Изотропность аморфных тел

В кристаллических твёрдых телах физические свойства различаются в разных направлениях. А в аморфных телах они по всем направлениям одинаковы. Это явление называют изотропностью .

Аморфное тело одинаково проводит электричество и теплоту по всем направлениям, одинаково преломляет свет. Звук также одинаково распространяются в аморфных телах по всем направлениям.

Свойства аморфных веществ используются в современных технологиях. Особый интерес вызывают металлические сплавы, которые не имеют кристаллической структуры и относятся к твёрдым аморфным телам. Их называют металлическими стёклами . Их физические, механические, электрические и другие свойства отличаются от аналогичных свойств обычных металлов в лучшую сторону.

Так, в медицине используют аморфные сплавы, прочность которых превышает прочность титана. Из них делают винты или пластины, которыми соединяют сломанные кости. В отличие от титановых деталей крепления этот материал постепенно распадается и со временем заменяется костным материалом.

Применяют высокопрочные сплавы при изготовлении металлорежущих инструментов, арматуры, пружин, деталей механизмов.

В Японии разработан аморфный сплав, обладающий высокой магнитной проницаемостью. Применив его в сердечниках трансформаторов вместо текстурованных листов трансформаторной стали, можно снизить потери на вихревых токах в 20 раз.

Аморфные металлы обладают уникальными свойствами. Их называют материалом будущего.

Твёрдое тело является одним из четырёх фундаментальных состояний материи, кроме жидкости, газа и плазмы. Оно характеризуется структурной жёсткостью и устойчивостью к изменению формы или объёма. В отличие от жидкости, твёрдый объект не течёт, не принимает форму контейнера, в который его помещают. Твёрдое тело не расширяется, чтобы заполнить весь доступный объём, как это делает газ.
Атомы в твёрдом теле тесно связаны друг с другом, находятся в упорядоченном состоянии в узлах кристаллической решётки (это металлы, обычный лёд, сахар, соль, алмаз), или располагаются нерегулярно, не имеют строгой повторяемости в структуре кристаллической решётки (это аморфные тела, такие как оконное стекло, канифоль, слюда или пластмасса).

Кристаллические тела

Кристаллические твёрдые тела или кристаллы имеют отличительную внутреннюю особенность - структуру в виде кристаллической решётки, в которой определённое положение занимают атомы, молекулы или ионы вещества.
Кристаллическая решётка приводит к существованию особенных плоских граней у кристаллов, которые отличают одно вещество от другого. При воздействии рентгеновских лучей, каждая кристаллическая решётка излучает характерный рисунок, который можно использовать для идентификации вещества. Грани кристаллов пересекаются под определёнными углами, отличающими одно вещество от другого. Если кристалл расщепить, то новые грани будут пересекаться под теми же углами, что у исходного.

Например, galena - галенит, pyrite - пирит, quartz - кварц. Грани кристалла пересекаются под прямым углом в галените (PbS) и пирите (FeS 2), под другими углами в кварце.

Свойства кристаллов

• постоянный объём;
• правильная геометрическая форма;
• анизотропия - различие механических, световых, электрических и тепловых свойств от направления в кристалле;
• чётко определённая температура плавления, так как она зависит от регулярности кристаллической решётки. Межмолекулярные силы, удерживающие твёрдое вещество вместе, однородны, и требуется одинаковое количество тепловой энергии, чтобы одновременно разорвать каждое взаимодействие.

Аморфные тела

Примерами аморфных тел, не имеющих строгой структуры и повторяемости ячеек кристаллической решётки, являются: стекло, смола, тефлон, полиуретан, нафталин, поливинилхлорид.

Они имеют два характерных свойства: изотропность и отсутствие определённой температуры плавления.
Изотропность аморфных тел понимают, как одинаковость физических свойств вещества по всем направлениям.
В аморфном твёрдом теле расстояние до соседних узлов кристаллической решётки и количество соседних узлов изменяется по всему материалу. Поэтому, чтобы разорвать межмолекулярные взаимодействия, требуется различное количество тепловой энергии. Следовательно, аморфные вещества медленно размягчаются в широком диапазоне температур и не имеют чёткой температуры плавления.
Особенностью аморфных твёрдых тел является то, что при низких температурах они имеют свойства твёрдых тел, а при повышении температуры - свойства жидкостей.

Наличие определенной точки плавления - это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления - они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, снача­ла становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере на­гревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем - как сметана и наконец становится почти такой же маловязкой жидкос­тью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.

Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристалличес­ких. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению нэ.поминэ.ют экидкости. лс6 в твердом стекле атомы расположены беспорядочно. Значит, повы­шение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое-жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному.

Теплота плавления

Теплота плавления - это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полно­стью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое.

Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристалли­зации вещества из жидкого состояния.

При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энер­гии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить 332 Дж энергии, а для того чтобы расплавить 1 кг свинца - 25 кДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить крис­таллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают гре­ческой буквой X (лямбда).

Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при крис­таллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой 1 кг выделяются те же 332 Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произ­вольной массы, или теплоту плавления, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете ко­личества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой т, следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус».