Amorfinių kūnų savybės. Amorfiniai kūnai

Terminas „amorfinis“ iš graikų kalbos išverstas kaip „ne forma“, „ne forma“. Tokios medžiagos neturi kristalinės struktūros. Paprastai amorfinis kūnas yra izotropinis, tai yra fizines savybes nepriklausomas nuo krypties išorinis poveikis.

Per tam tikrą laikotarpį (mėnesius, savaites, dienas) atskiri amorfiniai kūnai gali savaime virsti kristaline būsena. Pavyzdžiui, galite stebėti, kaip medus ar saldainiai po kurio laiko praranda skaidrumą. Tokiais atvejais jie paprastai sako, kad produktai yra „cukruoti“. Tuo pačiu metu, šaukštu semdami cukruotą medų ar laužydami saldainį, iš tikrųjų galite stebėti susidariusius cukraus kristalus, kurie anksčiau egzistavo amorfine forma.

Tokia spontaniška medžiagų kristalizacija rodo įvairaus laipsnio valstybių stabilumas. Taigi amorfinis kūnas yra mažiau stabilus.

Kietosios medžiagos pasižymi pastovia forma ir tūriu ir skirstomos į kristalines ir amorfines.

Kristaliniai kūnai

Visiems cheminis, esantis kristalinė būsena, atitinka tam tikrą kristalinę gardelę, kuri nusako fizines kristalo savybes.

Ar žinojai?
Prieš daugelį metų Sankt Peterburge, viename nešildomame sandėliuke, buvo didelės baltos skardos blizgančių sagų atsargos. Ir staiga jie pradėjo tamsėti, prarado blizgesį ir byrėti į pudrą. Per kelias dienas sagų kalnai virto pilkų pudros krūva. "Alavo maras"- taip buvo vadinama ši baltojo alavo „liga“.
Ir tai buvo tik atomų tvarkos pertvarkymas alavo kristaluose. Alavas, pereinantis iš baltos spalvos į pilką, suyra į miltelius.
Tiek baltos, tiek pilka skarda- tai alavo kristalai, bet esant žemai temperatūrai pakinta jų kristalinė struktūra, dėl to keičiasi medžiagos fizikinės savybės.

Kristalai gali turėti skirtinga forma ir apsiriboja lygiais kraštais.

Gamtoje yra:
A) pavieniai kristalai- tai pavieniai vienarūšiai kristalai, turintys formą taisyklingieji daugiakampiai ir turintis ištisinę kristalinę gardelę

Monokristalai stalo druskos:

b) polikristalai- tai kristaliniai kūnai, susilydę iš mažų, chaotiškai išsidėsčiusių kristalų.
Dauguma kietosios medžiagos turi polikristalinę struktūrą (metalai, akmenys, smėlis, cukrus).

Bismuto polikristalai:

Kristalų anizotropija

Kristaluose pastebima anizotropija- fizikinių savybių (mechaninis stiprumas, elektrinis laidumas, šilumos laidumas, šviesos lūžis ir sugertis, difrakcija ir kt.) priklausomybė nuo krypties kristalo viduje.

Anizotropija daugiausia stebima pavieniuose kristaluose.

Polikristaluose (pavyzdžiui, dideliame metalo gabale) įprastoje būsenoje anizotropija neatsiranda.
Polikristalai susideda iš didelis kiekis maži krištolo grūdeliai. Nors kiekvienas iš jų turi anizotropiją, dėl jų išsidėstymo sutrikimo visas polikristalinis kūnas praranda anizotropiją.

Bet koks kristalinė medžiaga lydosi ir kristalizuojasi esant griežtai apibrėžtai lydymosi temperatūra: geležis - 1530°, alavas - 232°, kvarcas - 1713°, gyvsidabris - minus 38°.

Dalelės gali sutrikdyti kristalo išsidėstymo tvarką tik tada, kai jis pradeda tirpti.

Kol yra dalelių tvarka, yra kristalinė gardelė, kristalas egzistuoja. Jei dalelių struktūra yra sutrikusi, vadinasi, kristalas išsilydo – virto skysčiu, arba išgaravęs – virto garais.

Amorfiniai kūnai

Amorfiniai kūnai neturi griežta tvarka atomų ir molekulių išsidėstymu (stiklas, derva, gintaras, kanifolija).

Amorfiniuose kūnuose pastebima izotropija- jų fizinės savybės visomis kryptimis yra vienodos.

Išorėje veikiami amorfiniai kūnai vienu metu elastingumo savybės (smūgio metu jie skyla į gabalus kaip kietos medžiagos) ir sklandumas (ilgai veikiant jie teka kaip skysčiai).

At žemos temperatūros amorfiniai kūnai savo savybėmis primena kietuosius kūnus ir kada aukšta temperatūra- panašus į labai klampius skysčius.

Amorfiniai kūnai neturi konkrečios lydymosi temperatūros, taigi ir kristalizacijos temperatūra.
Kaitinant jie pamažu minkštėja.

Amorfiniai kūnai užima tarpinė padėtis tarp kristalinių kietųjų medžiagų ir skysčių.

Ta pati medžiaga gali atsirasti tiek kristaline, tiek nekristaline forma.

Skystame medžiagos lydaloje dalelės juda visiškai atsitiktinai.
Jei, pavyzdžiui, ištirpinate cukrų, tada:

1. jei lydalas stingsta lėtai, ramiai, tai dalelės susirenka lygiomis eilėmis ir susidaro kristalai. Taigi pasirodo granuliuoto cukraus arba gabalinis cukrus;

2. jei atšalimas vyksta labai greitai, tai dalelės nespėja išsirikiuoti į taisyklingas eiles ir lydalas sukietėja nekristališkai. Taigi, jei įbersite ištirpinto cukraus šaltas vanduo arba ant labai šaltos lėkštutės susidaro cukriniai saldainiai, nekristalinis cukrus.

Nuostabu!

Laikui bėgant nekristalinė medžiaga gali „išsigimti“, tiksliau – kristalizuotis jose esančios dalelės.

Tik laikotarpis skirtingoms medžiagoms skiriasi: cukrui – keli mėnesiai, o akmeniui – milijonai metų.

Leiskite saldainiams ramiai gulėti du ar tris mėnesius. Jis pasidengs puria pluta. Pažvelkite į tai per padidinamąjį stiklą: tai yra maži kristalai Sachara. Nekristaliniame cukruje prasidėjo kristalų augimas. Palaukite dar kelis mėnesius – ir išsikristalizuosis ne tik pluta, bet ir visas saldainis.

Net mūsų įprastas langų stiklas gali kristalizuotis. Labai senas stiklas kartais visiškai drumsčiasi, nes jame susidaro mažų nepermatomų kristalų masė.

Stiklo gamyklose kartais krosnyje susidaro „ožka“, tai yra kristalinio stiklo blokas. Šis krištolinis stiklas yra labai patvarus. Lengviau sunaikinti krosnį, nei išmušti iš jos užsispyrusią „ožką“.
Ją ištyrę mokslininkai sukūrė naują, labai patvarią stiklo medžiagą – keramikinį stiklą. Tai stiklo kristalinė medžiaga, gauta tūrinės stiklo kristalizacijos metu.

Smalsu!

Gali būti įvairių kristalų formų ta pati medžiaga.
Pavyzdžiui, anglis.

Grafitas yra kristalinė anglis. Pieštukų laidai pagaminti iš grafito, kuris lengvai paspaudus palieka žymę popieriuje. Grafito struktūra yra sluoksniuota. Grafito sluoksniai lengvai pasislenka, todėl rašant grafito dribsniai prilimpa prie popieriaus.

Tačiau yra ir kita kristalinės anglies forma - deimantas.

Struktūra amorfiniai kūnai. Tyrimas naudojant elektroninis mikroskopas Ir rentgeno spinduliai rodo, kad amorfiniuose kūnuose nėra griežtos jų dalelių išdėstymo tvarkos. Skirtingai nuo kristalų, kur yra ilgo nuotolio užsakymas dalelių išsidėstymu, amorfinių kūnų struktūroje yra uždaryti tvarką. Tai reiškia, kad tam tikra dalelių išdėstymo tvarka išsaugoma tik šalia kiekvienos atskira dalelė(žr. paveikslėlį).

Viršutinėje paveikslo dalyje pavaizduotas dalelių išsidėstymas kristaliniame kvarce, apatinėje – amorfinė kvarco egzistavimo forma. Šios medžiagos susideda iš tų pačių dalelių – silicio oksido SiO2 molekulių.

Kaip bet kokių kūnų dalelės, amorfinių kūnų dalelės nuolat ir atsitiktinai svyruoja ir dažniau nei kristalų dalelės gali šokinėti iš vienos vietos į kitą. Tai palengvina tai, kad amorfinių kūnų dalelės išsidėsčiusios nevienodai tankiai – kai kur tarp jų dalelių susidaro gana dideli tarpai. Tačiau tai nėra tas pats, kas „laisvos vietos“ kristaluose (žr. § 7).

Amorfinių kūnų kristalizacija. Laikui bėgant (savaites, mėnesius), kai kurie amorfiniai kūnai spontaniškai virsta kristaline būsena. Pavyzdžiui, kelis mėnesius palikti vieni cukriniai saldainiai ar medus tampa neskaidrūs. Šiuo atveju sakoma, kad medus ir saldainiai yra „cukruoti“. Sulaužydami cukruotą saldainį ar šaukštu semdami medų, iš tikrųjų pamatysime, kaip susidaro cukraus kristalai, kurie anksčiau egzistavo amorfinėje būsenoje.

Savaiminė amorfinių kūnų kristalizacija rodo, kad Medžiagos kristalinė būsena yra stabilesnė nei amorfinė. MKT tai aiškina taip. „Kaimynų“ atstumiančios jėgos priverčia amorfinio kūno daleles pirmenybę teikti ten, kur yra dideli tarpai. Dėl to susidaro tvarkingesnis dalelių išdėstymas, tai yra, vyksta kristalizacija.

Išbandykite save:

1. Šios pastraipos tikslas – pristatyti...
2. Kuris lyginamąsias charakteristikas davėme amorfiniams kūnams?
3. Eksperimentui naudojame šią įrangą ir medžiagas: ...
4. Ruošdamiesi eksperimentui, mes...
5. Ką matysime eksperimento metu?
6. Koks buvo eksperimento su stearino žvake ir plastilino gabalėliu rezultatas?
7. Skirtingai nuo amorfinių kūnų, kristaliniai kūnai...
8. Kai kristalinis kūnas ištirpsta...
9. Skirtingai nuo kristalinių kūnų, amorfiniai...
10. Amorfiniams kūnams priskiriami kūnai, kuriems...
11. Dėl ko amorfiniai kūnai atrodo kaip skysčiai? Jie...
12. Apibūdinkite eksperimento pradžią, kad patvirtintumėte amorfinių kūnų sklandumą.
13. Amorfinių kūnų sklandumui patvirtinti apibūdinkite eksperimento rezultatą.
14. Iš patirties suformuluokite išvadą.
15. Iš kur mes žinome, kad amorfiniai kūnai neturi griežtos dalelių išdėstymo tvarkos?
16. Kaip suprantame terminą „trumpojo nuotolio tvarka“ amorfinio kūno dalelių išsidėstymui?
17. Tos pačios silicio oksido molekulės randamos ir kristaliniame, ir...
18. Koks yra amorfinio kūno dalelių judėjimo pobūdis?
19. Kokia yra amorfinio kūno dalelių išsidėstymo prigimtis?
20. Kas laikui bėgant gali atsitikti su amorfiniais kūnais?
21. Kaip galite būti tikri, kad saldainiuose ar cukruotame meduje yra cukraus polikristalų?
22. Kodėl manome, kad medžiagos kristalinė būsena yra stabilesnė nei amorfinė?
23. Kaip MCT paaiškina nepriklausomą kai kurių amorfinių kūnų kristalizaciją?

Dauguma Žemės vidutinio klimato medžiagų yra kietos būsenos. Kietosios medžiagos išlaiko ne tik formą, bet ir tūrį.

Pagal dalelių santykinio išsidėstymo pobūdį kietosios medžiagos skirstomos į tris tipus: kristalines, amorfines ir kompozitines.

Amorfiniai kūnai. Amorfinių kūnų pavyzdžiai yra stiklas, įvairios sukietėjusios dervos (gintaras), plastikai ir kt. Kai amorfinis kūnas yra kaitinamas, jis palaipsniui minkštėja, o perėjimas į skystą būseną trunka nemažą temperatūros diapazoną.

Panašumas su skysčiais paaiškinamas tuo, kad amorfinių kūnų atomai ir molekulės, kaip ir skysčių molekulės, turi „nustovėjusį gyvenimą“. Konkrečios lydymosi temperatūros nėra, todėl amorfiniai kūnai gali būti laikomi peršaldytais skysčiais, kurių klampumas yra labai didelis. Tolimosios tvarkos nebuvimas amorfinių kūnų atomų išdėstyme lemia tai, kad amorfinėje būsenoje esanti medžiaga turi mažesnį tankį nei kristalinėje.

Amorfinių kūnų atomų išsidėstymo sutrikimas lemia tai, kad vidutinis atstumas tarp atomų skirtingomis kryptimis yra vienodas, todėl jie yra izotropiniai, tai yra, visos fizikinės savybės (mechaninės, optinės ir kt.) nepriklauso nuo išorinio poveikio kryptis. Amorfinio kūno požymiai yra netaisyklingos formos lūžusių paviršių. Amorfiniai kūnai po ilgo laiko tarpo vis dar keičia savo formą veikiami gravitacijos. Dėl to jie atrodo kaip skysčiai. Kylant temperatūrai, šis formos pokytis vyksta greičiau. Amorfinė būsena nestabili, vyksta perėjimas amorfinė būsenaį kristalinę. (Stiklas tampa drumstas.)

Kristaliniai kūnai. Jei atomų išsidėstymas yra periodiškas (ilgojo nuotolio tvarka), kieta medžiaga yra kristalinė.

Jei druskos grūdelius apžiūrėsite padidinamuoju stiklu ar mikroskopu, pastebėsite, kad juos riboja plokščios briaunos. Tokių veidų buvimas yra kristalinės būsenos ženklas.

Kūnas, kuris yra vienas kristalas, vadinamas monokristalu. Dauguma kristalinių kūnų susideda iš daugybės atsitiktinai išsidėsčiusių mažų kristalų, kurie suaugo kartu. Tokie kūnai vadinami polikristalais. Cukraus gabalas yra polikristalinis kūnas. Kristalai įvairių medžiagų turėti įvairių formų. Kristalų dydžiai taip pat yra įvairūs. Polikristalinių kristalų dydžiai laikui bėgant gali keistis. Smulkūs geležies kristalai virsta dideliais, šį procesą pagreitina smūgiai ir smūgiai, tai vyksta plieniniuose tiltuose, geležinkelio bėgiuose ir kt., ko pasekoje laikui bėgant mažėja konstrukcijos tvirtumas.

Tiek daug kūnų yra vienodi cheminė sudėtis kristalinėje būsenoje, priklausomai nuo sąlygų, jie gali būti dviejų ar daugiau atmainų. Ši savybė vadinama polimorfizmu. Ledas turi iki dešimties žinomų modifikacijų. Anglies polimorfizmas – grafitas ir deimantas.

Esminė vieno kristalo savybė yra anizotropija – jo savybių (elektrinių, mechaninių ir kt.) nepanašumas įvairiomis kryptimis.

Polikristaliniai kūnai yra izotropiniai, t.y identiškų savybių visomis kryptimis. Tai paaiškinama tuo, kad kristalai, sudarantys polikristalinį kūną, yra atsitiktinai orientuoti vienas kito atžvilgiu. Dėl to nė viena kryptis nesiskiria nuo kitų.

Sukurtos kompozicinės medžiagos mechanines savybes kurios yra pranašesnės natūralių medžiagų. Kompozitinės medžiagos (kompozitai) susideda iš matricos ir užpildų. Kaip matrica naudojamos polimero, metalo, anglies arba keramikos medžiagos. Užpildai gali būti sudaryti iš ūsų, pluoštų arba vielų. Visų pirma, kompozicinės medžiagos yra gelžbetonis ir ferografitas.

Gelžbetonis yra viena iš pagrindinių statybinių medžiagų rūšių. Tai betono ir plieno armatūros derinys.

Geležies-grafitas yra metalo keramikos medžiaga, susidedanti iš geležies (95-98%) ir grafito (2-5%). Iš jo gaminami įvairių mašinų komponentų ir mechanizmų guoliai ir įvorės.

Stiklo pluoštas taip pat yra kompozicinė medžiaga, kuri yra stiklo pluošto ir sukietėjusios dervos mišinys.

Žmogaus ir gyvūnų kaulai yra sudėtinė medžiaga, susidedanti iš dviejų visiškai skirtingų komponentų: kolageno ir mineralinės medžiagos.

Skirtingai nuo kristalinių kietųjų medžiagų, dalelių išdėstymo amorfinėje kietoje medžiagoje nėra griežtos tvarkos.

Nors amorfinės kietosios medžiagos gali išlaikyti savo formą, kristalinė gardelė jie neturi. Tam tikras modelis stebimas tik netoliese esančioms molekulėms ir atomams. Šis įsakymas vadinamas uždaryti tvarką . Jis nesikartoja visomis kryptimis ir nėra saugomas dideli atstumai, kaip kristaliniai kūnai.

Amorfinių kūnų pavyzdžiai yra stiklas, gintaras, dirbtinės dervos, vaškas, parafinas, plastilinas ir kt.

Amorfinių kūnų ypatybės

Amorfinių kūnų atomai vibruoja aplink atsitiktinai išdėstytus taškus. Todėl šių kūnų sandara primena skysčių struktūrą. Tačiau juose esančios dalelės yra mažiau judrios. Laikas, kai jie svyruoja aplink pusiausvyros padėtį, yra ilgesnis nei skysčiuose. Atomų peršokimai į kitą padėtį taip pat vyksta daug rečiau.

Kaip kaitinamos kristalinės kietosios medžiagos? Jie pradeda tirpti tam tikru momentu lydymosi temperatūra. Ir kurį laiką jie vienu metu yra kietoje ir skysta būsena kol ištirps visa medžiaga.

Amorfinės kietosios medžiagos neturi konkrečios lydymosi temperatūros . Kaitinant jie netirpsta, o palaipsniui minkštėja.

Prie šildymo prietaiso padėkite plastilino gabalėlį. Po kurio laiko jis taps minkštas. Tai įvyksta ne iš karto, o per tam tikrą laikotarpį.

Kadangi amorfinių kūnų savybės yra panašios į skysčių savybes, jie laikomi peršaldytais skysčiais, kurių klampumas yra labai didelis (užšaldyti skysčiai). Normaliomis sąlygomis jie negali tekėti. Tačiau kaitinant juose dažniau įvyksta atomų šuoliai, mažėja klampumas, o amorfiniai kūnai pamažu minkštėja. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo mažesnis klampumas ir palaipsniui amorfinis kūnas tampa skystas.

Paprastas stiklas yra kietas amorfinis kūnas. Jis gaunamas lydant silicio oksidą, soda ir kalkes. Kaitinant mišinį iki 1400 o C, gaunama skysta stiklinė masė. Atvėsus skystas stiklas nesustingsta kaip kristaliniai kūnai, o lieka skystis, kurio klampumas didėja, o takumas mažėja. Normaliomis sąlygomis jis mums atrodo kaip tvirtas kūnas. Tačiau iš tikrųjų tai yra skystis, kurio klampumas ir sklandumas yra didžiulis, toks mažas, kad jį vos galima atskirti jautriausiais instrumentais.

Medžiagos amorfinė būsena yra nestabili. Laikui bėgant ji iš amorfinės būsenos palaipsniui virsta kristaline. Šis procesas vyksta įvairiose medžiagose su skirtingu greičiu. Matome, kad saldainių lazdelės pasidengia cukraus kristalais. Tai neužima labai daug laiko.

O kad paprastame stikle susidarytų kristalai, turi praeiti daug laiko. Kristalizacijos metu stiklas praranda stiprumą, skaidrumą, drumsčiasi, tampa trapus.

Amorfinių kūnų izotropija

Kristalinėse kietosiose medžiagose fizinės savybės skiriasi įvairiomis kryptimis. Tačiau amorfiniuose kūnuose jie visomis kryptimis yra vienodi. Šis reiškinys vadinamas izotropija .

Amorfinis kūnas vienodai praleidžia elektrą ir šilumą visomis kryptimis ir vienodai laužia šviesą. Garsas taip pat vienodai sklinda amorfiniuose kūnuose visomis kryptimis.

Savybės amorfinės medžiagos naudojamas šiuolaikinės technologijos. Ypatingas pomėgis sukelti metalų lydinių, kurių neturi kristalų struktūra ir priklauso amorfinėms kietosioms medžiagoms. Jie vadinami metaliniai stiklai . Jų fizinės, mechaninės, elektrinės ir kitos savybės skiriasi nuo įprastų metalų.

Taigi medicinoje jie naudoja amorfinius lydinius, kurių stiprumas viršija titano stiprumą. Iš jų gaminami sraigtai ar plokštės, jungiančios lūžusius kaulus. Skirtingai nuo titano tvirtinimo detalių, ši medžiaga palaipsniui suyra ir laikui bėgant pakeičiama kauline medžiaga.

Didelio stiprumo lydiniai naudojami metalo pjovimo įrankių, jungiamųjų detalių, spyruoklių, mechanizmų dalių gamyboje.

Japonijoje buvo sukurtas amorfinis lydinys, pasižymintis dideliu magnetiniu pralaidumu. Naudojant jį transformatorių šerdyse, o ne tekstūruotuose transformatoriaus plieno lakštuose, galima sumažinti nuostolius sūkurinės srovės 20 kartų.

Amorfiniai metalai turi unikalių savybių. Jie vadinami ateities medžiaga.