„Amorfné telá. Topenie amorfných telies."

V predchádzajúcom odseku sme sa dozvedeli, že niektoré pevné látky (napríklad soľ, kremeň, kovy a iné) sú mono- alebo polykryštály. Poďme sa teraz zoznámiť amorfné telesá. Zaberajú medzipolohu medzi kryštálmi a kvapalinami, preto ich nemožno jednoznačne nazvať pevnými.

Urobme experiment. Budeme potrebovať: kúsok plastelíny, stearínovú sviečku a elektrický ohrievač. Plastelínu a sviečku položte v rovnakej vzdialenosti od ohrievača. Čoskoro sa časť sviečky roztopí, časť zostane vo forme pevného telesa a plastelína „zmäkne“. O nejaký čas neskôr sa všetok stearín roztopí a plastelína sa postupne „roztiahne“ a úplne zmäkne.

Rovnako ako stearín, existujú aj iné kryštalické látky, ktoré pri zahriatí nezmäknú a počas topenia je vždy vidieť aj tekutinu aj tú časť tela, ktorá sa ešte neroztopila. To sú napríklad všetky kovy. Ale existujú aj také amorfné látky, ktoré pri zahrievaní postupne mäknú, stávajú sa čoraz tekutejšími, preto nie je možné špecifikovať teplotu, pri ktorej sa teleso mení na kvapalinu (topí sa).

Amorfné telá pri akejkoľvek teplote plynulosť. Potvrdíme to skúsenosťami. Vhodíme kúsok amorfnej hmoty do skleneného lievika a necháme v teplej miestnosti (na obrázku - dechtová živica; vyrába sa z nej asfalt). Po niekoľkých týždňoch sa ukáže, že živica nadobudla formu lievika a dokonca z neho začala vytekať ako „tryska“. Teda amorfné teleso sa správa ako veľmi hustá a viskózna kvapalina.

Štruktúra amorfných telies.Štúdie elektrónového mikroskopu a röntgenového žiarenia ukazujú, že v amorfných telesách neexistuje striktný poriadok v usporiadaní ich častíc. Na rozdiel od kryštálov, kde je objednávka na dlhé vzdialenosti v usporiadaní častíc, v štruktúre amorfných telies, len poradie krátkeho dosahu- určité usporiadanie usporiadania častíc je zachované len v blízkosti každej jednotlivej častice(pozri obrázok). Horná časť zobrazuje usporiadanie častíc v kryštalickom kremeni, spodná časť zobrazuje usporiadanie častíc v amorfnej forme kremeňa. Tieto látky pozostávajú z rovnakých častíc - molekúl oxidu kremičitého SiO 2 .

Ako častice akéhokoľvek tela, častice amorfných telies kmitajú nepretržite a náhodne a častejšie ako častice kryštálov dokážu preskakovať z miesta na miesto. To je uľahčené skutočnosťou, že častice amorfných telies nie sú rovnako husté, niekedy vytvárajú pomerne veľké medzery. To však nie je to isté ako „voľné miesta“ v kryštáloch (pozri § 7-e).

Kryštalizácia amorfných telies. Postupom času (týždne, mesiace) amorfné látky spontánne presťahovať sa do kryštalický stav. Napríklad cukrový cukor alebo med, ktorý sa nechá niekoľko mesiacov osamote, sa stane nepriehľadným. V tomto prípade sa hovorí, že med a cukríky sú „cukrované“. Rozbitím takejto lízanky alebo naberaním takéhoto medu lyžičkou uvidíme výsledné kryštáliky cukru, ktoré predtým existovali v amorfnom stave.

Nasvedčuje tomu spontánna kryštalizácia amorfných teliesok kryštalický stav hmoty je stabilnejší ako amorfný stav. MKT to vysvetľuje takto. Sily príťažlivosti a odpudzovania „susedov“ pohybujú časticami amorfného telesa do polôh, kde je potenciálna energia minimálna(pozri § 7-d). V tomto prípade vzniká usporiadanejšie usporiadanie častíc, čo znamená, že nastáva nezávislá kryštalizácia.

Amorfné tuhé látky v mnohých svojich vlastnostiach a hlavne v mikroštruktúre by sa mali považovať za vysoko podchladené kvapaliny s veľmi vysokým koeficientom viskozity. Štruktúra takýchto telies sa vyznačuje len usporiadaním častíc na krátke vzdialenosti. Niektoré z týchto látok nie sú schopné kryštalizovať vôbec: vosk, pečatný vosk, živice. Iné pri určitom režime ochladzovania vytvárajú kryštalické štruktúry, ale v prípade rýchleho ochladzovania zvýšenie viskozity bráni usporiadaniu častíc. Látka stuhne skôr, ako sa uskutoční proces kryštalizácie. Takéto telesá sa nazývajú sklovité: sklo, ľad. Proces kryštalizácie v takejto látke môže nastať aj po stuhnutí (zakalenie skiel). Medzi amorfné patrí aj pevná látka organickej hmoty: guma, drevo, koža, plasty, vlnené, bavlnené a hodvábne vlákna. Proces prechodu takýchto látok z kvapalnej fázy do tuhej fázy je znázornený na obr. - krivka I.

Amorfné telesá nemajú teplotu tuhnutia (topenia). Na grafe T \u003d f (t) je inflexný bod, ktorý sa nazýva bod mäknutia. Zníženie teploty vedie k postupnému zvyšovaniu viskozity. Tento charakter prechodu do pevného skupenstva spôsobuje absenciu špecifického tepla topenia v amorfných látkach. Spätný prechod, pri dodaní tepla, dochádza k hladkému zmäknutiu do stavu kvapaliny.

KRYŠTÁLOVÉ PEVNÉ TELÁ.

Charakteristickým znakom mikroštruktúry kryštálov je priestorová periodicita ich vnútorných elektrických polí a opakovateľnosť v usporiadaní častíc tvoriacich kryštál – atómov, iónov a molekúl (long-range order). Častice sa striedajú v určitom poradí pozdĺž priamych línií, ktoré sa nazývajú uzlové. V akomkoľvek plochom reze kryštálu tvoria dva pretínajúce sa systémy takýchto čiar súbor absolútne identických rovnobežníkov, ktoré tesne, bez medzier, pokrývajú rovinu rezu. V priestore tvorí priesečník troch nekoplanárnych systémov takýchto čiar priestorovú mriežku, ktorá rozdeľuje kryštál na súbor úplne identických rovnobežnostenov. Priesečníky čiar tvoriacich kryštálovú mriežku sa nazývajú uzly. Vzdialenosti medzi uzlami v určitom smere sa nazývajú translačné alebo mriežkové periódy. Rovnobežník postavený na troch nekoplanárnych transláciách sa nazýva elementárna bunka alebo rovnobežnosten s opakovateľnosťou mriežky. Najdôležitejšou geometrickou vlastnosťou kryštálových mriežok je symetria v usporiadaní častíc vzhľadom na určité smery a roviny. Z tohto dôvodu, aj keď existuje niekoľko spôsobov, ako vybrať jednotkovú bunku, pre danú kryštálovú štruktúru ju vyberte tak, aby zodpovedala symetrii mriežky.

Kryštalické telieska možno rozdeliť do dvoch skupín: monokryštály a polykryštály. Pri monokryštáloch sa v objeme celého telesa pozoruje monokryštálová mriežka. A hoci vonkajšia forma monokryštály rovnakého typu môžu byť rôzne, uhly medzi zodpovedajúcimi plochami budú vždy rovnaké. Charakteristickým znakom monokryštálov je anizotropia mechanických, tepelných, elektrických, optických a iných vlastností.

Monokryštály sa často nachádzajú v prirodzenom stave v prírode. Napríklad väčšina minerálov je krištáľ, smaragdy, rubíny. V súčasnosti sa pre priemyselné účely mnohé monokryštály pestujú umelo z roztokov a tavenín – rubíny, germánium, kremík, arzenid gália.

Rovnaký chemický prvok môže tvoriť niekoľko, líšiacich sa geometriou, kryštálových štruktúr. Tento jav sa nazýva polymorfizmus. Napríklad uhlík je grafit a diamant; ľad päť modifikácií atď.

Správne vonkajšie fazetovanie a anizotropia vlastností sa pre kryštalické telesá spravidla neprejavujú. Je to preto, že kryštalické pevné látky zvyčajne pozostávajú z mnohých náhodne orientovaných malých kryštálov. Takéto pevné látky sa nazývajú polykryštalické. Je to spôsobené mechanizmom kryštalizácie: keď sa dosiahnu podmienky potrebné pre tento proces, na mnohých miestach počiatočnej fázy sa súčasne objavia kryštalizačné centrá. Jadrové kryštály sú umiestnené a orientované voči sebe celkom ľubovoľne. Z tohto dôvodu na konci procesu získame pevné teleso vo forme konglomerátu zrastených malých kryštálov – kryštalitov.

Z energetického hľadiska je rozdiel medzi kryštalickými a amorfnými pevnými látkami zreteľne viditeľný v procese tuhnutia a topenia. Kryštalické telá majú teplotu topenia - teplotu, kedy látka stabilne existuje v dvoch fázach - tuhá a kvapalná (obr. krivka 2). Prechod tuhej molekuly na kvapalinu znamená, že získa ďalšie tri stupne voľnosti translačného pohybu. To. jednotková hmotnosť látky pri T pl. v kvapalnej fáze má väčšiu vnútornú energiu ako rovnaká hmotnosť v tuhej fáze. Okrem toho sa mení vzdialenosť medzi časticami. Preto bude vo všeobecnosti množstvo tepla potrebné na premenu jednotkovej hmotnosti kryštalickej látky na kvapalinu:

λ \u003d (U W -U cr) + P (V W -V cr),

kde je λ špecifické teplo topenie (kryštalizácia), (U f -U cr) - rozdiel medzi vnútornými energiami kvapalnej a kryštalickej fázy, P - vonkajší tlak, (V f -V cr) - rozdiel v špecifických objemoch. Podľa Clausiusovej-Clapeyronovej rovnice závisí teplota topenia od tlaku:

Je vidieť, že ak (V W -V cr)> 0, tak > 0, t.j. so zvyšujúcim sa tlakom teplota topenia stúpa. Ak sa objem látky počas tavenia zmenší (V W -V cr)< 0 (вода, висмут), то рост давления приводит к понижению Т пл.

Amorfné telesá nemajú teplo topenia. Zahrievanie vedie k postupnému zvýšeniu rýchlosti tepelného pohybu a zníženiu viskozity. Na grafe procesu (obr.) je inflexný bod, ktorý sa bežne nazýva bod mäknutia.

TEPELNÉ VLASTNOSTI PEVNÝCH TESIEL

V dôsledku silnej interakcie je tepelný pohyb v kryštáloch obmedzený iba vibráciami častíc okolo uzlov kryštálovej mriežky. Amplitúda týchto výkyvov sa zvyčajne neotočí o 10 -11 m, t.j. je len 5-7% periódy mriežky v príslušnom smere. Povaha týchto oscilácií je veľmi komplikovaná, pretože je určená silami interakcie oscilujúcej častice so všetkými jej susedmi.

Zvýšenie teploty znamená zvýšenie energie pohybu častíc. To zase znamená zvýšenie amplitúdy oscilácií častíc a vysvetľuje expanziu kryštalických pevných látok pri zahrievaní.

l t = l 0 (1 + αt 0),

kde l t a l 0 - lineárne rozmery telesa pri teplotách t 0 a 0 0 С, α - koeficient lineárnej rozťažnosti. Pre tuhé látky má α rádovo 10-5-10-6 K-1. V dôsledku lineárnej expanzie sa objem tela tiež zvyšuje:

Vt = V 0 (1 + βt 0),

tu β je koeficient objemovej expanzie. β = 3α v prípade izotropnej expanzie. Jednokryštálové telesá, ktoré sú anizotropné, majú tri rôzne hodnoty α.

Každá častica, ktorá kmitá, má tri stupne voľnosti oscilačného pohybu. Vzhľadom na to, že častice majú okrem kinetickej energie aj potenciálnu energiu, energiu ε = kT treba priradiť jednému stupňu voľnosti častíc pevných telies. Teraz pre vnútornú energiu krtka budeme mať:

U μ = 3N A kT = 3RT,

a pre molárnu tepelnú kapacitu:

Tie. molárna tepelná kapacita chemicky jednoduchých kryštalických telies je rovnaká a nezávisí od teploty. Toto je zákon Dulong-Petit.

Ako ukázal experiment, tento zákon je celkom dobre splnený, počnúc izbovými teplotami. Vysvetlenia pre odchýlky od Dulong-Petitovho zákona pri nízkych teplotách podali Einstein a Debye v kvantovej teórii tepelnej kapacity. Ukázalo sa, že energia, ktorá dopadá na jeden stupeň voľnosti, nie je konštantná hodnota, ale závisí od teploty a frekvencie kmitov.

SKUTOČNÉ KRYŠTÁLY. VADY V KRYŠTÁLOCH

Skutočné kryštály majú množstvo porušení ideálnej štruktúry, ktoré sa nazývajú kryštálové defekty:

a) bodové chyby -

Schottkyho defekty (uzly neobsadené časticami);

Frenkelove defekty (presun častíc z uzlov do intersticiálnych priestorov);

nečistoty (implantované cudzie atómy);

b) lineárne - okrajové a skrutkové dislokácie. Je to lokálne nepravidelné

sti v usporiadaní častíc

v dôsledku neúplnosti jednotlivých atómových rovín

alebo v dôsledku porušení v postupnosti ich vývoja;

c) rovinné - hranice medzi kryštalitmi, rady lineárnych dislokácií.

Amorfné telá

Amorfné látky (telesá)(z inej gréčtiny. ἀ "nie-" a μορφή "typ, forma") - kondenzovaný stav hmoty, ktorej atómová štruktúra má rád krátkeho dosahu a nemá rád dlhého dosahu, charakteristický pre kryštalické štruktúry. Na rozdiel od kryštálov stabilne amorfné látky nestuhnú s tvorbou kryštalických plôch a (ak neboli pod najsilnejším anizotropným vplyvom - napríklad kompresia alebo elektrické pole) majú izotropiu vlastností, to znamená, že nevykazujú rozdielne vlastnosti v rôznych smeroch. A nemajú špecifickú teplotu topenia: so zvyšujúcou sa teplotou stabilne amorfné látky postupne mäknú a nad teplotou skleného prechodu (T g) prechádzajú do kvapalného stavu. Látky s vysokou rýchlosťou kryštalizácie, zvyčajne s (poly)kryštalickou štruktúrou, ale pri stuhnutí do amorfného stavu silne podchladené, po následnom zahriatí, krátko pred roztavením, rekryštalizujú (v pevnom stave s malým uvoľňovaním tepla) a potom sa roztavia ako obyčajný polykryštalický.

Získavajú sa vysokou rýchlosťou tuhnutia (chladnutia) tekutej taveniny alebo kondenzáciou pár na substráte ochladenom citeľne pod teplotu TANIA (nie varu!) (akýkoľvek predmet). Pomer skutočná rýchlosť chladenie (dT/dt) a charakteristická rýchlosť kryštalizácie určuje podiel polykryštálov v amorfnom objeme. Rýchlosť kryštalizácie je parameter látky, ktorý slabo závisí od tlaku a teploty (silne blízko bodu topenia). A silne závisí od zložitosti zloženia - pre kovy rádovo v zlomkoch alebo desiatkach milisekúnd; a pre okuliare pri izbovej teplote - stovky a tisíce rokov (staré sklá a zrkadlá sa zakalia).

Elektrické a mechanické vlastnosti amorfných látok sú bližšie k vlastnostiam monokryštálov ako polykryštálov vďaka absencii ostrých a nečistotami silne znečistených medzikryštalických prechodov (hraníc) s často úplne odlišným chemickým zložením.

Nemechanické vlastnosti poloamorfných stavov sú zvyčajne medzi amorfnými a kryštalickými a sú izotropné. Neprítomnosť ostrých medzikryštalických prechodov však výrazne ovplyvňuje elektrické a mechanické vlastnosti, vďaka čomu sú podobné amorfným.

Pod vonkajšími vplyvmi vykazujú amorfné látky elastické vlastnosti ako kryštalické pevné látky a tekutosť ako kvapalina. Takže pri krátkodobých nárazoch (nárazoch) sa správajú ako pevné látky a pri silnom náraze sa rozbijú na kusy. Ale pri veľmi dlhej expozícii (napríklad strečing) prúdia amorfné látky. Napríklad živica (alebo decht, bitúmen) je tiež amorfná látka. Ak ju rozdrvíte na malé časti a naplníte nádobu výslednou hmotou, po chvíli sa živica spojí do jedného celku a získa formu nádoby.

V závislosti od elektrických vlastností sa delia amorfné kovy, amorfné nekovy a amorfné polovodiče.

pozri tiež

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo sú „Amorfné telá“ v iných slovníkoch:

Všetko, čo je uznané ako skutočne existujúce a zaberá časť priestoru, sa nazýva fyzické T. Akékoľvek fyzické T. je vytvorené z hmoty (pozri Substancia) a podľa najbežnejšieho učenia je agregátom ... ... encyklopedický slovník F. Brockhaus a I.A. Efron

Fyzika pevných látok je oblasť fyziky kondenzovaných látok, ktorej úlohou je popísať fyzikálne vlastnosti pevných látok z hľadiska ich atómovej štruktúry. Intenzívne sa rozvinul v 20. storočí po objavení kvantovej mechaniky... ... Wikipedia

Organická chémia v pevnom stave je sekcia chémie pevných látok, ktorá študuje všetky druhy chemických a fyzikálno-chemických aspektov organických pevných látok (OTT), najmä ich syntézu, štruktúru, vlastnosti, ... ... Wikipedia

Fyzika kryštálov Kryštalografia kryštálov Kryštalická mriežka Typy kryštálových mriežok Difrakcia v kryštáloch Recipročná mriežka Wigner Seitzova bunka Brillouinova zóna Faktor štruktúry Atómový rozptylový faktor Typy väzieb v ... ... Wikipedia

Odbor fyziky, ktorý študuje štruktúru a vlastnosti pevných látok. Vedecké údaje o mikroštruktúre pevných látok a o fyzikálnych a chemické vlastnosti ich základné atómy sú potrebné na vývoj nových materiálov a technické zariadenia. Fyzika...... Collierova encyklopédia

- (chémia pevných látok), sekcia fyziky. chémia, štúdium štruktúry, sv va a metódy na získanie tuhej látky v c. X. t. t. sa spája s fyzikou pevných látok, kryštalografiou, mineralógiou, fyzikálnou. chem. mechanika, mechanochémia, radiačná chémia, je ... ... Chemická encyklopédia

Chémia v tuhom stave je odvetvie chémie, ktoré študuje rôzne aspekty látok v tuhom stave, najmä ich syntézu, štruktúru, vlastnosti, aplikácie atď. Predmetom jej štúdia sú kryštalické a amorfné, anorganické a organické ... ... Wikipedia

- (ISSP RAS) medzinárodný titulÚstav fyziky pevných látok, RAS Založený v roku 1963 Riaditeľ Fel. K. V. ... Wikipedia

Ústav fyziky pevných látok RAS (ISSP RAS) Medzinárodný názov Ústav fyziky pevných látok, RAS Založený 15. februára 1963 člen riaditeľa. kor. RAS V.V. Queder ... Wikipedia

Spolu s kryštalickými pevnými látkami existujú amorfné pevné látky. Amorfné telesá na rozdiel od kryštálov nemajú striktný poriadok v usporiadaní atómov. Iba najbližšie atómy - susedia - sú usporiadané v určitom poradí. ale

v amorfných telesách nedochádza k striktnému opakovaniu rovnakého konštrukčného prvku, ktorý je charakteristický pre kryštály, vo všetkých smeroch.

Často môže byť tá istá látka v kryštalickom aj amorfnom stave. Napríklad kremeň môže byť v kryštalickej aj amorfnej forme (oxid kremičitý). Kryštalickú formu kremeňa možno schematicky znázorniť ako mriežku pravidelných šesťuholníkov (obr. 77, a). Amorfná štruktúra kremeňa má tiež formu mriežky, ale nepravidelného tvaru. Spolu so šesťuholníkmi obsahuje päťuholníky a sedemuholníky (obr. 77, b).

Vlastnosti amorfných telies. Všetky amorfné telesá sú izotropné: ich fyzikálne vlastnosti sú rovnaké vo všetkých smeroch. Medzi amorfné telesá patrí sklo, mnohé plasty, živica, kolofónia, cukrovinky atď.

Pod vonkajšími vplyvmi vykazujú amorfné telesá elastické vlastnosti, ako sú tuhé látky, a tekutosť, ako kvapaliny. Pri krátkodobých nárazoch (nárazoch) sa správajú ako pevné teleso a pri silnom náraze sa rozbijú na kusy. Ale pri veľmi dlhej expozícii prúdia amorfné telesá. Takže napríklad kúsok živice sa postupne rozleje po pevnom povrchu. Atómy alebo molekuly amorfných telies majú podobne ako molekuly kvapalín určitý čas „usadeného života“ – čas oscilácií okolo rovnovážnej polohy. Ale na rozdiel od tekutín majú veľmi dlhú dobu. V tomto ohľade sú amorfné telesá blízke kryštalickým, pretože skoky atómov z jednej rovnovážnej polohy do druhej sa vyskytujú zriedkavo.

Pri nízkych teplotách amorfné telesá svojimi vlastnosťami pripomínajú pevné telesá. Nemajú takmer žiadnu tekutosť, no so stúpajúcou teplotou postupne mäknú a svojimi vlastnosťami sa čoraz viac približujú kvapalinám. S rastúcou teplotou sa totiž skoky atómov z jednej polohy postupne stávajú častejšie.

rovnováhu k inému. Amorfné telesá na rozdiel od kryštalických nemajú žiadnu špecifickú teplotu topenia.

Fyzika pevných látok. Všetky vlastnosti tuhých látok (kryštalických aj amorfných) možno vysvetliť na základe poznania ich atómovej a molekulárnej štruktúry a zákonov pohybu molekúl, atómov, iónov a elektrónov, ktoré tvoria pevné látky. Štúdie vlastností pevných látok sú spojené vo veľkej oblasti modernej fyziky - fyziky pevných látok. Rozvoj fyziky pevných látok je stimulovaný najmä potrebami techniky. Približne polovica svetových fyzikov pracuje v oblasti fyziky pevných látok. Samozrejme, úspechy v tejto oblasti sú nemysliteľné bez hlbokých znalostí všetkých ostatných odvetví fyziky.

1. Čím sa líšia kryštalické telesá od amorfných? 2. Čo je to anizotropia? 3. Uveďte príklady monokryštalických, polykryštalických a amorfných telies. 4. Ako sa líšia dislokácie okrajov od skrutkových?

« Fyzika - 10. ročník

Okrem pevných látok, ktoré majú kryštalickú štruktúru, ktorá sa vyznačuje prísnym usporiadaním atómov, existujú aj amorfné pevné látky.

Amorfné telesá nemajú striktný poriadok v usporiadaní atómov. Iba najbližšie atómy-susedia sú usporiadané v určitom poradí. Ale v amorfných telesách nedochádza k striktnému opakovaniu rovnakého konštrukčného prvku, ktorý je charakteristický pre kryštály, vo všetkých smeroch. Podľa usporiadania atómov a ich správania sú amorfné telesá podobné kvapalinám. Často môže byť tá istá látka v kryštalickom aj amorfnom stave.

Teoretické štúdie vedú k produkcii pevných látok, ktorých vlastnosti sú dosť nezvyčajné. Získať takéto telá metódou pokus-omyl by bolo nemožné. Vytvorenie tranzistorov, o ktorom sa bude diskutovať neskôr, je živým príkladom toho, ako pochopenie štruktúry pevných látok viedlo k revolúcii v celom rádiovom inžinierstve.

Získavanie materiálov so špecifikovanými mechanickými, magnetickými, elektrickými a inými vlastnosťami je jedným z hlavných smerov modernej fyziky pevných látok.