Жемчуг как аморфное вещество

В зависимости от условий отвердевания расплава (например, в зависимости от режима его охлаждения) в аморфном состоянии могут оказаться и такие вещества, которые обычно имеют кристаллическую структуру. Так, кристалл кварца, если его расплавить (это происходит при температуре около 1700 °С), при быстром охлаждении образует так называемый плавленый кварц. Этот кварц имеет меньшую плотность, чем кристаллический, и обладает одинаковыми свойствами по всем направлениям.

Сходство аморфных тел с жидкостями

Аморфные тела мы считаем твердыми, так как они, подобно кристаллическим телам, сохраняют свою форму. Однако по прошествии более или менее длительного промежутка времени аморфные тела все же изменяют свою форму под действием, например, силы тяжести. Это делает их похожими на жидкости.

Amazing pearl mining / Удивительная добыча жемчуга.

Так, длинная стеклянная трубка, положенная на опоры, в конце концов под действием силы тяжести прогибается. Куски вара(2) в воронке с течением времени очень медленно просачиваются в отверстие воронки и выходят из нее в виде стержня. Если на дно сосуда положить пробку, на нее кусочки вара, а сверху на вар положить кусок свинца, то через достаточно большой промежуток времени куски вара сольются в сплошное тело с горизонтальной поверхностью, свинец опустится на дно, а пробка всплывет на поверхность. При повышении температуры такие изменения формы происходят быстрее. Таким образом, вар можно рассматривать как очень вязкую жидкость.

Переход аморфных тел в кристаллические

Аморфное состояние неустойчиво, и рано или поздно вещество из аморфного состояния переходит в кристаллическое. По прошествии более или менее длительного промежутка, времени в аморфном стекле под влиянием ударных нагрузок образуются мелкие кристаллы — стекло мутнеет. Аморфный стекловидный сахарный леденец засахаривается — покрывается кристаллами сахара и т. д.

Иногда переход вещества из аморфного состояния в кристаллическое происходит достаточно быстро. Так, аморфная пластическая сера обретает кристаллические свойства за несколько часов. С другой стороны, археологи обнаруживают стеклянные украшения, не изменившие своего вида за несколько сотен лет.

Ближний порядок

В аморфных телах слагающие его частицы не имеют определенного расположения по всему объему тела, как в кристалле. В расположении атомов (молекул) аморфного тела наблюдается беспорядок. Только ближние атомы — соседи располагаются в относительном порядке.

Но строгой повторяемости во всех направлениях одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет. Наблюдается лишь так называемый ближний порядок. На рисунке 8.13, а схематически изображен фрагмент кристаллической решетки кварца — совокупность правильных шестиугольников. Для сравнения на рисунке 8.13, б изображена решетка аморфного кварца. Решетка имеет неправильную форму: наряду с шестиугольниками встречаются пяти- и семиугольники и т. д.

Объяснение свойств аморфных тел

Беспорядок в расположении атомов аморфных тел приводит к тому, что средние расстояния между атомами по разным направлениям оказываются одинаковыми. Поэтому аморфные тела изотропны.

Сходство аморфных тел с жидкостями объясняется тем, что атомы и молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют определенное время «оседлой жизни» — конечное время колебаний около положения равновесия. Но в отличие от жидкостей это время велико. В этом отношении аморфные тела близки к кристаллическим, так как перескоки атомов из одного положения в другое происходят редко.

По мере повышения температуры аморфные тела постепенно размягчаются. Это происходит потому, что с ростом температуры учащаются перескоки атомов из одного положения равновесия в другое. Определенной температуры плавления у аморфных тел в отличие от кристаллических нет. Поэтому аморфные твердые тела можно рассматривать как переохлажденные жидкости с очень большой вязкостью.

Упорядоченному расположению атомов кристаллических тел соответствует минимум потенциальной энергии, когда атомы сближаются на минимально возможные расстояния. Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов аморфных тел приводит к тому, что вещество в аморфном состоянии имеет меньшую плотность, чем в кристаллическом. И этому состоянию соответствует большая потенциальная энергия взаимодействия. Вот почему аморфное состояние неустойчиво и вещество из аморфного состояния переходит в кристаллическое. Течение процессов в природе направлено в сторону уменьшения энергии.

Образование аморфного вещества из расплава при быстром охлаждении связано с тем, что за это время молекулы (или атомы) не успевают выстроиться в строгом порядке (процесс кристаллизации может требовать много времени) и образовать кристаллическую решетку. Однако для большинства веществ даже быстрого охлаждения недостаточно, чтобы помешать образованию кристаллов. Эти вещества существуют только в кристаллическом состоянии.

Аморфные твердые тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке.

(1) От греческого слова amorphos — бесформенный.

(2) Вар — легкоплавкое смолистое вещество.

Источник: tepka.ru

Аморфные тела: свойства, примеры веществ, сферы применения

Физика

В естественной среде твёрдые тела могут находиться в кристаллическом или аморфном состоянии. Присутствующие между ними различия связаны не только с базовыми свойствами, но и с физическими характеристиками. Все кристаллы обладают чётким порядком расположения имеющихся атомов. А вот для аморфных веществ несвойственна упорядоченная структура.

Твёрдые объекты находятся в конденсированном состоянии. Свойства и примеры аморфных тел изучают в 8 классе на уроках физики.

Краткое описание

Хаотичный принцип размещения атомов свойственен тем телам, которые пребывают в аморфном (конденсированном) состоянии. Это влияет на итоговые физические и химические характеристики твёрдых материалов. В научной среде часто встречаются ситуации, когда все присутствующие атомы расположены максимально упорядоченно. По характеристикам аморфные вещества больше напоминают жидкости. Но определённые различия присутствуют.

В конденсированном состоянии вещества не являются устойчивыми. Под воздействием различных факторов твёрдое тело может быть подвергнуто изменениям. По истечении большого промежутка времени конденсированное вещество может перейти в кристаллическое состояние. Но для этого должен пройти не один год.

Если в школьном докладе нужно описать аморфность, тогда нужно учесть, что этот термин характеризует особое состояние вещества, когда в его строении отсутствует всякая правильность. Дополнительно можно привести пример, где именно в быту используются конденсированные тела:

• Сахарный леденец.
• Шоколад.
• Жемчуг.
• Жевательные резинки.
• Швейные булавки.

К аморфным телам можно отнести множество веществ, которые активно используются человечеством. Например: пластмассы, стекло, парафин, каучук, эбонит.

При определённых условиях в аморфное состояние могут переходить даже те вещества, которые чаще всего обладают кристаллической структурой. К примеру, SiO2 может быть расплавлен под воздействием температуры +1700 °C. После охлаждения будет образован плавленый кварц, который обладает гораздо меньшей плотностью, нежели кристаллическое вещество. Эти явления подробно изучают на уроках физики.

Базовые свойства

Все твёрдые тела без кристаллической структуры обладают похожими характеристиками, что связано с их принципом строения. Наибольшее значение имеют следующие свойства:

• По принципу направления вещества в конденсированном состоянии являются изотропными. Это значит, что все анализируемые свойства будут абсолютно одинаковыми.
• Нет чёткой температуры, при которой материал начинает плавиться. Переход веществ в жидкое состояние происходит постепенно, так как всё зависит от того, как скоро твёрдое тело приобретёт более размягчённую структуру.
• Показатель текучести. Этим свойством наделены вещества, которые человек может визуально наблюдать в виде потёков на старом стекле.
• Любое вещество в аморфном состоянии обладает гораздо большей внутренней энергией, чем в обычном кристалле. Такое свойство твёрдых тел имеет огромное значение в промышленности. Аморфные тела могут переходить в кристаллическое состояние. Например, помутнение стекла в результате многолетней эксплуатации. Этот эффект связан с образованием микроскопических кристаллов, которые обладают совершенно другими оптическими характеристиками, чем аморфная среда.

В естественных условиях существуют вещества, которые одновременно могут обладать свойствами кристаллов и жидкостей. Если тело пребывает именно в таком состоянии, тогда оно будет являться жидкокристаллическим. Чаще всего к этой категории относятся различные вещества органического происхождения. В этом случае молекулы представлены в виде пластин. Они также могут иметь нитевидную форму.

Особенности стеклообразных веществ

В естественной среде можно встретить такие жидкости, которые даже в лабораторных условиях невозможно преобразовать в кристаллы посредством постепенного снижения температуры. Это связано с тем, что сложный принцип строения молекул препятствует образованию регулярной кристаллической решётки. К этой категории можно отнести молекулы некоторых полимеров органического происхождения.

Если попробовать задействовать ускоренное и максимально глубокое охлаждение, тогда можно будет практически любое вещество перевести в стеклообразное состояние. Явная кристаллическая решётка будет отсутствовать, но тело может частично кристаллизироваться (в рамках микроскопических кристаллов). Но это аморфное состояние является метастабильным, из-за чего может сохраняться только при условии создания оптимальных термодинамических условий.

Технология быстрого и глубокого охлаждения отличается тем, что задействованное вещество просто не будет успевать кристаллизироваться, из-за чего преобразуется в стекло. Это значит, что чем выше скорость снижения температуры материала, тем меньше вероятность его кристаллизации. В качестве примера можно рассмотреть принцип серийного изготовления металлических стёкол. Для получения качественного товара скорость охлаждения материала находится в пределах от 100 тыс. до 1 млн К/сек.

Из жидкой вулканической магмы возникает вещество, которое в природе может существовать в стеклообразном состоянии. Натуральный материал взаимодействует с холодной водой либо воздухом и быстро охлаждается. Речь касается вулканического стекла.

Не менее интересное вещество образуется в результате плавления падающего метеорита. Под воздействием внешних факторов формируется полудрагоценный камень — молдавит.

Полимеры и их использование

В качестве примера применения аморфных веществ можно рассмотреть полимеры. Их особенность в том, что даже твёрдые тела могут при создании подходящих условий постепенно перейти в жидкость. Если эти вещества подвергнуть замораживанию, тогда можно будет заметить, что они примут стеклообразную форму и проявят все характеристики твёрдых полимеров. Тела станут эластичными из-за поэтапного нагрева.

Такого вида аморфные вещества получили большой спрос в повседневной жизни человека. Полимеры активно используют в различных отраслях:

• Серийное производство электроизоляционных материалов. Например, поливинилхлорид или известные каждому пластиковые окна из ПВХ. Эти материалы характеризуются повышенной устойчивостью к возгоранию, так как являются трудногорючими. Поливинилхлорид обладает отличными электроизоляционными свойствами, а также повышенной механической прочностью.
• Синтетические каучуки и эластомеры.
• Полиамиды. Изготавливаемые пластмассы обладают повышенной прочностью и стойкостью к преждевременному износу. Доступность и высокое качество этих материалов используется в машиностроении, авиационной и текстильной промышленностях, а также в традиционной медицине.
• Самым известным и востребованным полимером является полиэтилен. Этот материал устойчив к негативному воздействию окружающей среды, не пропускает влагу. Если упаковка товара изготовлена из полиэтилена, тогда можно не беспокоиться, что содержимое будет испорчено в результате намокания. Это аморфное тело является хорошим диэлектриком. Из полиэтилена на серийном уровне изготавливают трубные конструкции, электрические детали, изоляционную плёнку, элементы для радиоаппаратуры.
• Полистирол. Этот материал получил большой спрос благодаря тому, что он противостоит агрессивному воздействию кислот. Полистирол обладает высокой прочностью в отношении механического воздействия. Он зарекомендовал себя как надёжный электроизоляционный и конструкционный материал. Чаще всего применяется в радио- и электротехнике.

Не менее востребованным является полихлорвинил, который практически не пропускает воду и получил большой спрос в электрической промышленности. На основе этого материала изготавливают аккумуляторные банки, теплоизоляционные шланги, провода и кабели.

Изотропность веществ

В кристаллических телах все физические свойства имеют равное направление. В аморфных веществах ситуация кардинально противоположная. Именно это явление называется изотропностью. Аморфное тело по-разному проводит теплоту и электричество по всем имеющимся направлениям. Если речь идет о звуке, то он тоже будет распространяться неравномерно.

Эти свойства аморфных тел активно применяются в современных технологиях.

Наибольший спрос в производстве получили сплавы металлов, не обладающие кристаллической структурой. Их принято называть металлическими стёклами (материал образуется при сверхбыстром охлаждении расплава, что снижает вероятность кристаллизации). Такой подход используется на серийном уровне. Все электрические, механические и другие свойства существенно превосходят характеристики обычных металлов.

В медицинской отрасли большой спрос получили аморфные сплавы, так как показатель их прочности существенно превосходит параметры титана. Из этого материала изготавливают различные пластины и винты, которые необходимы для соединения сломанных костей. В отличие от титановых деталей аморфные сплавы постепенно распадаются и со временем успешно заменяются костным материалом. Такое лечение является менее травматичным для пациента.

Высококачественные аморфные сплавы получили спрос в серийном производстве арматуры, металлорежущих инструментов, различных пружин и деталей сложных механизмов. Эти товары отличаются не только своей надёжностью, но и долговечностью.

В Японии специалисты смогли разработать уникальный сплав, который хорошо пропускает магнитные волны. Этот материал используют для изготовления сердечников трансформаторов вместо привычных текстурованных листов, что позволяет снизить в 20 раз потери на вихревых токах. Учёные пришли к выводу, что аморфные сплавы обладают уникальными свойствами, благодаря которым можно сделать ещё не одно интересное открытие.

Источник: na5.club

Аморфные тела

Твердые тела разделяют на аморфные и кристаллические, в зависимости от их молекулярной структуры и физических свойств.

В отличие от кристаллов молекулы и атомы аморфных твердых тел не формируют решетку, а расстояние между ними колеблется в пределах некоторого интервала возможных расстояний. Иначе говоря, у кристаллов атомы или молекулы взаимно расположены таким образом, что формируемая структура может повторяться во всем объеме тела, что называется дальним порядком. В случае же с аморфными телами – сохраняется структура молекул лишь относительно каждой одной такой молекулы, наблюдается закономерность в распределении только соседних молекул – ближний порядок. Наглядный пример представлен ниже.

На рисунке слева (а) изображена решетка молекул кварца, а справа (б) расположение молекул кварцевого стекла, которое является аморфным телом.

К аморфным телам относится стекло и другие вещества в стеклообразном состоянии, канифоль, смолы, янтарь, сургуч, битум, воск, а также органические вещества: каучук, кожа, целлюлоза, полиэтилен и др.

Свойства аморфных тел

Особенность строения аморфных твердых тел придает им индивидуальные свойства:

1. Слабо выраженная текучесть – одно из наиболее известных свойств таких тел. Примером будут потеки стекла, которое долгое время стоит в оконной раме.
2. Аморфные твердые тела не обладают определенной температурой плавления, так как переход в состояние жидкости во время нагрева происходит постепенно, посредством размягчения тела. По этой причине к таким телам применяют так называемый температурный интервал размягчения.

График перехода аморфного тела в жидкое состояние изображен пунктирной линией (2), а график перехода обычного твердого тела в жидкое состояние – сплошной (1).

1. В силу своей структуры такие тела являются изотропными, то есть их физические свойства не зависят от выбора направления.
2. Вещество в аморфном состоянии обладает большей внутренней энергией, нежели в кристаллическом. По этой причине аморфные тела способны самостоятельно переходить в кристаллическое состояние. Данное явление можно наблюдать как результат помутнения стекол с течением времени.

Стеклообразное состояние

В природе существуют жидкости, которые практически невозможно перевести в кристаллическое состояние посредством охлаждения, так как сложность молекул этих веществ не позволяет им образовать регулярную кристаллическую решетку. К таким жидкостям относятся молекулы некоторых органических полимеров.

Материалы по теме

Жидкие кристаллы

Однако, при помощи глубокого и быстрого охлаждения, практически любое вещество способно перейти в стеклообразное состояние. Это такое аморфное состояние, которое не имеет явной кристаллической решетки, но может частично кристаллизироваться, в масштабах малых кластеров. Данное состояние вещества является метастабильным, то есть сохраняется при некоторых требуемых термодинамических условиях.

При помощи технологии охлаждения с определенной скоростью вещество не будет успевать кристаллизоваться, и преобразуется в стекло. То есть чем выше скорость охлаждения материала, тем меньше вероятность его кристаллизации. Так, например, для изготовления металлических стекол потребуется скорость охлаждения, равная 100 000 – 1 000 000 Кельвин в секунду.

В природе вещество существует в стеклообразном состоянии возникает из жидкой вулканической магмы, которая, взаимодействуя с холодной водой или воздухом, быстро охлаждается. В данном случае вещество зовется вулканическим стеклом. Также можно наблюдать стекло, образованная в результате плавления падающего метеорита, взаимодействующего с атмосферой – метеоритное стекло или молдавит.

Молдавит, естественное стекло, образованное ударом метеорита, из Беседин, Богемия, Чехия.

Источник: spacegid.com