Ciało stałe to jeden z czterech podstawowych stanów materii, obok cieczy, gazu i plazmy. Charakteryzuje się sztywnością strukturalną i odpornością na zmiany kształtu lub objętości. W przeciwieństwie do cieczy, ciało stałe nie płynie ani nie przybiera kształtu pojemnika, w którym jest umieszczone. Ciało stałe nie rozszerza się, aby wypełnić swoją dostępną objętość, jak robi to gaz.
Atomy w bryle są ze sobą ściśle powiązane, są w stanie uporządkowanym w węzłach sieci krystalicznej (są to metale, zwykły lód, cukier, sól, diament) lub są ułożone nieregularnie, nie mają ścisłej powtarzalności w struktura sieci krystalicznej (są to ciała amorficzne, takie jak szyba, kalafonia, mika lub plastik).
Krystaliczne ciała stałe lub kryształy mają charakterystyczny własna cecha- struktura w postaci sieci krystalicznej, w której atomy, cząsteczki lub jony substancji zajmują określoną pozycję.
Sieć krystaliczna prowadzi do istnienia w kryształach specjalnych płaskich powierzchni, które odróżniają jedną substancję od drugiej. Pod wpływem promieni rentgenowskich każda sieć krystaliczna emituje charakterystyczny wzór, który można wykorzystać do identyfikacji substancji. Powierzchnie kryształów przecinają się pod pewnymi kątami, które odróżniają jedną substancję od drugiej. Jeśli kryształ zostanie rozszczepiony, nowe ściany będą się przecinać pod tymi samymi kątami, co pierwotna.
Na przykład galena - galena, piryt - piryt, kwarc - kwarc. Ściany kryształów przecinają się pod kątem prostym w galenie (PbS) i pirycie (FeS 2), pod innymi kątami w kwarcu.
Przykładami ciał amorficznych, które nie mają ścisłej budowy i powtarzalności komórek sieci krystalicznej są: szkło, żywica, teflon, poliuretan, naftalen, polichlorek winylu.
Oni mają dwa charakterystyczne właściwości: izotropia i brak określonej temperatury topnienia.
Izotropia ciał amorficznych rozumiana jest jako identyczność właściwości fizyczne substancje we wszystkich kierunkach.
W amorficznym ciele stałym odległość do sąsiednich węzłów sieci krystalicznej i liczba sąsiednich węzłów zmienia się w całym materiale. Dlatego do zerwania oddziaływań międzycząsteczkowych potrzebna jest inna ilość energii cieplnej. Dlatego substancje amorficzne powoli miękną w szeroki zasięg temperatury i nie mają wyraźnej temperatury topnienia.
Cechą amorficznych ciał stałych jest to, że w niskich temperaturach mają one właściwości ciał stałych, a wraz ze wzrostem temperatury - właściwości cieczy.
Zróbmy eksperyment. Potrzebny nam będzie kawałek plasteliny, świeca stearynowa i kominek elektryczny. Umieść plastelinę i świecę w równych odległościach od kominka. Po pewnym czasie część stearyny stopi się (staje się cieczą), a część pozostanie w postaci stałego kawałka. Plastelina w tym samym czasie tylko trochę zmięknie. Po pewnym czasie cała stearyna się rozpuści, a plastelina będzie stopniowo „korygować się” na powierzchni stołu, coraz bardziej zmiękczając.
Są więc ciała, które po stopieniu nie miękną, ale natychmiast zamieniają się ze stanu stałego w ciecz. Podczas topienia takich ciał zawsze można oddzielić ciecz od jeszcze niestopionej (stałej) części ciała. Te ciała są krystaliczny. Są też ciała stałe, które po podgrzaniu stopniowo miękną, stają się coraz bardziej płynne. Dla takich ciał nie można określić temperatury, w której zamieniają się w ciecz (stopienie). Te ciała nazywają się amorficzny.
Zróbmy następujący eksperyment. Wrzućmy kawałek żywicy lub wosku do szklanego lejka i zostawmy w ciepły pokój. Po około miesiącu okaże się, że wosk przybrał postać lejka, a nawet zaczął z niego wypływać w postaci „strumienia” (rys. 1). W przeciwieństwie do kryształów, które zachowują swój kształt prawie na zawsze, ciała amorficzne są płynne nawet w niskich temperaturach. Dlatego można je uznać za bardzo gęste i lepkie ciecze.
Budowa ciał amorficznych. Badania przy użyciu mikroskopu elektronowego, a także przy użyciu promieni rentgenowskich wskazują, że w ciałach amorficznych nie ma ścisłego porządku w rozmieszczeniu ich cząstek. Spójrz, Rysunek 2 pokazuje układ cząstek w kwarcu krystalicznym, a po prawej - w kwarcu amorficznym. Substancje te składają się z tych samych cząstek - cząsteczek tlenku krzemu SiO 2.
Krystaliczny stan kwarcu uzyskuje się, gdy stopiony kwarc jest powoli chłodzony. Jeśli chłodzenie stopu jest szybkie, cząsteczki nie będą miały czasu na „ustawienie się” w uporządkowanych rzędach i uzyskany zostanie kwarc amorficzny.
Cząsteczki ciał amorficznych wibrują w sposób ciągły i przypadkowy. Częściej niż cząsteczki kryształów przeskakują z miejsca na miejsce. Ułatwia to fakt, że cząstki ciał amorficznych nie są jednakowo gęste: są między nimi puste przestrzenie.
Krystalizacja ciał amorficznych. Z biegiem czasu (kilka miesięcy, lat) substancje amorficzne spontanicznie przechodzą w stan krystaliczny. Na przykład cukier cukrowy lub świeży miód pozostawiony sam w ciepłym miejscu po kilku miesiącach staje się nieprzezroczysty. Mówią, że miód i cukierki są „kandyzowane”. Rozbijając lizaka lub nabierając łyżką miodu, naprawdę widzimy powstające kryształki cukru.
Spontaniczna krystalizacja ciał amorficznych wskazuje, że krystaliczny stan materii jest bardziej stabilny niż stan amorficzny. Teoria międzycząsteczkowa wyjaśnia to w ten sposób. Międzycząsteczkowe siły przyciągania-odpychania powodują, że cząstki ciała amorficznego przeskakują głównie tam, gdzie znajdują się puste przestrzenie. W rezultacie następuje bardziej uporządkowany niż wcześniej układ cząstek, czyli powstaje polikryształ.
Topienie ciał amorficznych.
Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia ruchu oscylacyjnego atomów w ciele stałym, aż w końcu dochodzi do zerwania wiązań między atomami. W takim przypadku ciało stałe przechodzi w stan ciekły. Takie przejście nazywa się topienie. Przy stałym ciśnieniu topienie następuje w ściśle określonej temperaturze.
Ilość ciepła wymagana do przekształcenia masy jednostkowej substancji w ciecz w temperaturze topnienia nazywana jest ciepłem właściwym topnienia λ .
Stopić substancję m wymagana ilość ciepła to:
Q = λ m .
Proces topienia ciał amorficznych różni się od topienia ciał krystalicznych. Wraz ze wzrostem temperatury ciała amorficzne stopniowo miękną, stają się lepkie, aż zamienią się w ciecz. Ciała amorficzne w przeciwieństwie do kryształów nie mają określonej temperatury topnienia. Temperatura ciał amorficznych w tym przypadku zmienia się w sposób ciągły. Dzieje się tak, ponieważ w amorficznych ciałach stałych, podobnie jak w cieczach, cząsteczki mogą poruszać się względem siebie. Po podgrzaniu ich prędkość wzrasta, zwiększa się odległość między nimi. W rezultacie ciało staje się coraz bardziej miękkie i miękkie, aż zamieni się w płyn. Podczas krzepnięcia ciał amorficznych ich temperatura również stale spada.
Należy pamiętać, że nie wszystkie ciała istniejące na planecie Ziemia mają strukturę krystaliczną. Wyjątki od reguły nazywane są „ciałami amorficznymi”. Czym się różnią? Na podstawie tłumaczenia tego terminu – amorficzny – można przyjąć, że takie substancje różnią się od innych formą lub wyglądem. Mówimy o braku tak zwanej sieci krystalicznej. Proces podziału, w którym pojawiają się twarze, nie występuje. Ciała amorficzne różnią się również tym, że nie zależą od środowisko, a ich właściwości są stałe. Takie substancje nazywane są izotropowymi.
Ze szkolnego kursu fizyki można przypomnieć, że substancje amorficzne mają strukturę, w której atomy w nich są ułożone w sposób chaotyczny. Tylko sąsiednie konstrukcje mogą mieć określone miejsce, w którym taki układ jest wymuszony. Mimo to, czerpiąc analogię z kryształami, ciała amorficzne nie mają ścisłego uporządkowania cząsteczek i atomów (w fizyce ta właściwość nazywa się „porządkiem dalekiego zasięgu”). W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że substancje te mają budowę zbliżoną do cieczy.
Niektóre ciała (jako przykład możemy wziąć dwutlenek krzemu, którego wzór to SiO2) mogą jednocześnie znajdować się w stanie amorficznym i mieć strukturę krystaliczną. Kwarc w pierwszej wersji ma nieregularną strukturę siatkową, w drugiej – regularny sześciokąt.
Jak wspomniano powyżej, ciała amorficzne nie mają sieci krystalicznej. Ich atomy i molekuły mają krótką kolejność rozmieszczenia, która będzie pierwsza osobliwość te substancje.
Ciała te pozbawione są płynności. Aby lepiej wyjaśnić drugą właściwość substancji, możemy to zrobić na przykładzie wosku. Nie jest tajemnicą, że jeśli wlejesz wodę do lejka, po prostu się z niego wyleje. To samo będzie z innymi płynnymi substancjami. A właściwości ciał amorficznych nie pozwalają im na takie „sztuczki”. Jeśli wosk zostanie umieszczony w lejku, najpierw rozprowadzi się po powierzchni, a dopiero potem zacznie z niego spływać. Wynika to z faktu, że cząsteczki substancji przeskakują z jednej pozycji równowagi do zupełnie innej, nie mając głównej lokalizacji.
Czas porozmawiać o procesie topienia. Należy pamiętać, że substancje amorficzne nie mają określonej temperatury, w której zaczyna się topienie. Wraz ze wzrostem stopnia, ciało stopniowo staje się bardziej miękkie, a następnie zamienia się w płyn. Fizycy zawsze skupiają się nie na temperaturze, w której ten proces zaczął zachodzić, ale na odpowiednim zakresie temperatur topnienia.
Zostało to już wspomniane powyżej. Ciała amorficzne są izotropowe. Oznacza to, że ich właściwości w dowolnym kierunku pozostają niezmienione, nawet jeśli warunki pobytu w miejscach są różne.
Przynajmniej raz każda osoba zauważyła, że po pewnym czasie okulary zaczęły się mętnieć. Ta właściwość ciał amorficznych wiąże się ze zwiększoną energią wewnętrzną (jest wielokrotnie większa niż kryształów). Z tego powodu substancje te mogą same z łatwością przejść w stan krystaliczny.
Po pewnym czasie każde ciało amorficzne przechodzi w stan krystaliczny. Można to zaobserwować w zwykłym życiu człowieka. Na przykład, jeśli zostawisz lizaka lub miód na kilka miesięcy, zauważysz, że oba straciły przezroczystość. Zwykły człowiek powie, że są po prostu słodzone. Rzeczywiście, jeśli złamiesz ciało, możesz zobaczyć obecność kryształków cukru.
Mówiąc o tym, należy wyjaśnić, że spontaniczna transformacja w inny stan wynika z faktu, że substancje amorficzne są niestabilne. Porównując je z kryształami można zrozumieć, że te ostatnie są wielokrotnie silniejsze. Fakt ten można wyjaśnić dzięki teorii międzycząsteczkowej. Według niej cząsteczki nieustannie przeskakują z miejsca na miejsce, wypełniając w ten sposób puste przestrzenie. Z biegiem czasu tworzy się stabilna sieć krystaliczna.
Proces topnienia ciał amorficznych to moment, w którym wraz ze wzrostem temperatury zapadają się wszystkie wiązania między atomami. To wtedy substancja zamienia się w ciecz. Jeżeli warunki topnienia są takie, że ciśnienie jest takie samo przez cały okres, to należy również ustalić temperaturę.
W naturze istnieją ciała o strukturze ciekłokrystalicznej. Z reguły znajdują się na liście substancji organicznych, a ich cząsteczki mają nitkowaty kształt. Ciała o których w pytaniu, mają właściwości cieczy i kryształów, a mianowicie płynność i anizotropię.
W takich substancjach cząsteczki są do siebie równoległe, jednak istnieje między nimi nieustalona odległość. Ciągle się poruszają, ale nie mają skłonności do zmiany orientacji, dlatego są stale w jednej pozycji.
Metale amorficzne są lepiej znane zwyczajna osoba zwane szkłem metalicznym.
W 1940 roku naukowcy zaczęli mówić o istnieniu tych ciał. Już wtedy okazało się, że metale specjalnie otrzymane przez osadzanie próżniowe nie mają sieci krystalicznych. A dopiero 20 lat później wyprodukowano pierwsze tego typu szkło. specjalna uwaga to nie spowodowało naukowców; i dopiero po kolejnych 10 latach zaczęli o tym mówić amerykańscy i japońscy profesjonaliści, a potem koreańscy i europejscy.
Metale amorficzne różnią się w wystarczającym stopniu lepkością wysoki poziom wytrzymałość i odporność na korozję.
W przeciwieństwie do krystalicznych ciał stałych, nie ma ścisłego porządku w rozmieszczeniu cząstek w ciele amorficznym.
Chociaż amorficzne ciała stałe są w stanie zachować swój kształt, nie mają sieci krystalicznej. Pewną prawidłowość obserwuje się tylko dla cząsteczek i atomów znajdujących się w sąsiedztwie. To zamówienie nazywa się zamówienie bliskiego zasięgu . Nie jest powtarzany na całej planszy i nie jest zapisywany na długie dystanse jak ciała krystaliczne.
Przykładami ciał amorficznych są szkło, bursztyn, sztuczne żywice, wosk, parafina, plastelina itp.
Atomy w ciałach amorficznych oscylują wokół losowo rozmieszczonych punktów. Dlatego budowa tych ciał przypomina budowę płynów. Ale zawarte w nich cząsteczki są mniej mobilne. Czas ich oscylacji wokół położenia równowagi jest dłuższy niż w cieczach. Dużo rzadziej zdarzają się również skoki atomów do innej pozycji.
Jak zachowują się ciała stałe po podgrzaniu? ciała krystaliczne? W pewnym momencie zaczynają się topić temperatura topnienia. I przez jakiś czas są jednocześnie w stanie stałym i płynnym, aż cała substancja się stopi.
Ciała amorficzne nie mają określonej temperatury topnienia. . Po podgrzaniu nie topią się, ale stopniowo miękną.
Umieść kawałek plasteliny w pobliżu podgrzewacz. Po chwili zmięknie. Nie dzieje się to od razu, ale przez pewien czas.
Ponieważ właściwości ciał amorficznych są zbliżone do właściwości cieczy, uważa się je za ciecze przechłodzone o bardzo dużej lepkości (ciecze zestalone). W normalnych warunkach nie mogą płynąć. Ale po podgrzaniu częściej występują w nich skoki atomów, zmniejsza się lepkość, a ciała amorficzne stopniowo miękną. Im wyższa temperatura, tym mniejsza lepkość i stopniowo ciało amorficzne staje się płynne.
Zwykłe szkło jest ciałem stałym amorficznym. Otrzymywany jest przez stopienie tlenku krzemu, sody i wapna. Ogrzewając mieszaninę do 1400 o C, uzyskać płynną masę szklistą. Podczas chłodzenia płynne szkło nie zestala się, jak ciała krystaliczne, ale pozostaje cieczą, której lepkość wzrasta, a płynność maleje. W normalnych warunkach jawi się nam jako ciało stałe. Ale w rzeczywistości jest to ciecz, która ma ogromną lepkość i płynność, tak małą, że trudno ją odróżnić za pomocą najbardziej ultraczułych instrumentów.
Amorficzny stan materii jest niestabilny. Z czasem ze stanu amorficznego przechodzi stopniowo w krystaliczny. Ten proces w różnych substancjach odbywa się z inna prędkość. Widzimy, jak kryształki cukru pokrywają cukierki cukrowe. To nie zajmuje dużo czasu.
Aby kryształy utworzyły się w zwykłe szkło, musi upłynąć dużo czasu. Podczas krystalizacji szkło traci swoją wytrzymałość, przezroczystość, mętnieje i staje się kruche.
W krystalicznych ciałach stałych właściwości fizyczne różnią się różne kierunki. A w ciałach amorficznych są takie same we wszystkich kierunkach. Zjawisko to nazywa się izotropia .
Ciało amorficzne w równym stopniu przewodzi elektryczność i ciepło we wszystkich kierunkach i równomiernie załamuje światło. Dźwięk rozchodzi się również równomiernie w ciałach amorficznych we wszystkich kierunkach.
Nieruchomości substancje amorficzne wykorzystane w nowoczesne technologie. Szczególnie interesujące są stopy metali, które nie mają struktury krystalicznej i są amorficznymi ciałami stałymi. Nazywają się metalowe okulary . Ich właściwości fizyczne, mechaniczne, elektryczne i inne znacznie odbiegają od podobnych właściwości metali konwencjonalnych.
Tak więc w medycynie stosuje się stopy amorficzne, których wytrzymałość przewyższa wytrzymałość tytanu. Służą do wykonywania śrub lub płytek łączących złamane kości. W przeciwieństwie do łączników tytanowych materiał ten ulega stopniowej dezintegracji i z czasem zostaje zastąpiony materiałem kostnym.
Stopy o wysokiej wytrzymałości są używane do produkcji narzędzi do cięcia metalu, okuć, sprężyn i części mechanizmów.
W Japonii opracowano amorficzny stop o wysokiej przenikalności magnetycznej. Stosując go w rdzeniach transformatorów zamiast teksturowanych blach transformatorowych, straty prądów wirowych można zmniejszyć 20-krotnie.
Metale amorficzne mają wyjątkowe właściwości. Nazywane są materiałem przyszłości.
Ciała amorficzne
Substancje amorficzne (ciała)(z innego greckiego. ἀ „nie-” i μορφή „typ, forma”) - skondensowany stan materii, którego struktura atomowa ma uporządkowanie krótkozasięgowe i nie ma uporządkowania dalekosiężnego, charakterystycznego dla struktur krystalicznych. W przeciwieństwie do kryształów, substancje stabilnie amorficzne nie krzepną z tworzeniem się powierzchni krystalicznych i (jeśli nie były pod najsilniejszym wpływem anizotropowym - na przykład ściskanie lub pole elektryczne) mają izotropię właściwości, to znaczy nie wykazują różnych właściwości w różnych kierunkach. I nie mają określonej temperatury topnienia: wraz ze wzrostem temperatury stabilnie amorficzne substancje stopniowo miękną i powyżej temperatury zeszklenia (T g) przechodzą w stan ciekły. Substancje o dużej szybkości krystalizacji, zwykle o strukturze (poli)krystalicznej, ale silnie przechłodzone po zestaleniu się w stan amorficzny, po kolejnym ogrzaniu, na krótko przed stopieniem, rekrystalizują (w stanie stałym z niewielkim wydzielaniem ciepła), a następnie topią się jak zwykły polikrystaliczny.
Uzyskuje się je przy dużej szybkości krzepnięcia (chłodzenia) ciekłego stopu lub poprzez kondensację par na podłożu schłodzonym wyraźnie poniżej temperatury TOPIENIA (nie wrzący!) (dowolny obiekt). Stosunek rzeczywistej szybkości chłodzenia (dT/dt) do charakterystycznej szybkości krystalizacji określa udział polikryształów w objętości amorficznej. Szybkość krystalizacji jest parametrem substancji słabo zależnym od ciśnienia i temperatury (mocno w pobliżu temperatury topnienia). I silnie zależny od złożoności składu - dla metali rzędu ułamków lub dziesiątek milisekund; i do okularów temperatura pokojowa- setki i tysiące lat (stare okulary i lustra mętnieją).
Elektryczne i właściwości mechaniczne substancje amorficzne są bliższe tym dla monokryształów niż dla polikryształów ze względu na brak ostrych i silnie zanieczyszczonych zanieczyszczeniami przejść międzykrystalicznych (granic) o często zupełnie innym składzie chemicznym.
Niemechaniczne właściwości stanów półamorficznych są zwykle pośrednie między stanami amorficznymi a krystalicznymi i są izotropowe. Jednak brak ostrych przejść międzykrystalicznych zauważalnie wpływa na właściwości elektryczne i mechaniczne, upodabniając je do amorficznych.
Na wpływy zewnętrzne substancje amorficzne wykazują zarówno właściwości elastyczne, jak krystaliczne ciała stałe, jak i płynność, jak ciecze. Tak więc przy krótkotrwałych uderzeniach (uderzeniach) zachowują się jak substancje stałe i przy silnym uderzeniu rozpadają się na kawałki. Ale przy bardzo długiej ekspozycji (na przykład rozciąganiu) płyną substancje amorficzne. Na przykład żywica (lub smoła, bitum) jest również substancją amorficzną. Jeśli zmiażdżysz go na małe części i napełnisz naczynie powstałą masą, to po chwili żywica połączy się w jedną całość i przyjmie formę naczynia.
W zależności od właściwości elektryczne, oddzielić metale amorficzne, amorficzne niemetale i amorficzne półprzewodniki.
Fundacja Wikimedia. 2010 .
Wszystko, co jest rozpoznawane jako naprawdę istniejące i zajmuje część przestrzeni, nazywa się fizycznym T. Każdy fizyczny T. powstaje z materii (patrz Substancja) i, zgodnie z najczęstszą nauką, jest agregatem ... ... słownik encyklopedyczny F. Brockhaus i I.A. Efron
Fizyka ciało stałe dział fizyki materii skondensowanej, którego zadaniem jest opisanie fizycznych właściwości ciał stałych z punktu widzenia ich budowy atomowej. Intensywnie rozwijany w XX wieku po odkryciu mechanika kwantowa.… … Wikipedia
Chemia organiczna stanu sprzedanego to sekcja chemii ciała stałego, która bada wszystkie rodzaje chemicznych i fizykochemicznych aspektów organicznych ciał stałych (OTT), w szczególności ich syntezę, strukturę, właściwości, ... ... Wikipedia
Fizyka kryształów Krystalografia kryształów Sieć krystaliczna Rodzaje sieci krystalicznych Dyfrakcja w kryształach Siatka odwrotna Komórka Wignera Seitza Strefa Brillouina Współczynnik podstawy strukturalnej Atomowy współczynnik rozpraszania Rodzaje wiązań w ... ... Wikipedia
Dział fizyki zajmujący się badaniem budowy i właściwości ciał stałych. Dane naukowe dotyczące mikrostruktury ciała stałe i o fizycznym i właściwości chemiczne ich składowe atomy są potrzebne do opracowania nowych materiałów i urządzenia techniczne. Fizyka ... ... Encyklopedia Colliera
- (chemia ciała stałego), dział fizyki. chemia, badanie struktury, sv va i metody otrzymywania ciała stałego w c. X. t. t. jest związany z fizyką ciała stałego, krystalografią, mineralogią, fizyką. chem. mechanika, mechanochemia, chemia radiacyjna, to ... ... Encyklopedia chemiczna
Chemia ciała stałego to gałąź chemii, która bada różne aspekty substancji w stanie stałym, w szczególności ich syntezę, strukturę, właściwości, zastosowania itp. Jej przedmiotem badań są krystaliczne i amorficzne, nieorganiczne i organiczne ... ... Wikipedia
- (ISSP RAS) Nazwa międzynarodowa Instytut Fizyki Ciała Stałego, RAS Założony 1963 Członek dyrektor. K. V. ... Wikipedia
Instytut Fizyki Ciała Stałego RAS (ISSP RAS) Nazwa międzynarodowa Instytut Fizyki Ciała Stałego, RAS Założony 15 lutego 1963 Członek dyrektor. kor. RAS V.V. Queder ... Wikipedia
