Encyklopedia szkolna. Ciała amorficzne Amorficzny stan materii i jego właściwości

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 swoim kształtem czy wyglądem. Mówimy o braku tzw. sieci krystalicznej. Nie zachodzi proces rozszczepiania, w wyniku którego powstają krawędzie. Ciała amorficzne wyróżniają się także tym, że są niezależne od otoczenia, a ich właściwości są stałe. Takie substancje nazywane są izotropowymi.

Krótki opis ciał amorficznych

Ze szkolnego kursu fizyki możesz pamiętać, że substancje amorficzne mają strukturę, w której atomy w nich są ułożone w sposób chaotyczny. Tylko sąsiednie konstrukcje, w których taki układ jest wymuszony, mogą mieć określoną lokalizację. Jednak nadal, powołując się na analogię z kryształami, ciała amorficzne nie mają ścisłego uporządkowania cząsteczek i atomów (w fizyce właściwość ta nazywana jest „porządkiem dalekiego zasięgu”). W wyniku badań stwierdzono, że substancje te budową przypominają ciecze.

Niektóre ciała (na przykład możemy wziąć dwutlenek krzemu, którego wzór to SiO 2) mogą jednocześnie znajdować się w stanie amorficznym i mieć strukturę krystaliczną. Kwarc w pierwszej wersji ma strukturę nieregularnej siatki, w drugiej - foremnego sześciokąta.

Nieruchomość nr 1

Jak wspomniano powyżej, ciała amorficzne nie mają sieci krystalicznej. Ich atomy i cząsteczki mają krótki porządek ułożenia, co będzie pierwszą wyróżniającą właściwością tych substancji.

Nieruchomość nr 2

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 stanie się z każdą inną substancją płynną. Ale właściwości ciał amorficznych nie pozwalają im na wykonywanie takich „sztuczek”. Jeśli wosk zostanie umieszczony w lejku, najpierw rozleje 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 pierwotnej lokalizacji.

Nieruchomość nr 3

Czas porozmawiać o procesie topienia. Należy pamiętać, że substancje amorficzne nie mają określonej temperatury, w której rozpoczyna się topienie. Wraz ze wzrostem temperatury ciało stopniowo staje się bardziej miękkie, a następnie zamienia się w płyn. Fizycy zawsze skupiają się nie na temperaturze, w której dany proces zaczął zachodzić, ale na odpowiadającym jej zakresie temperatur topnienia.

Nieruchomość nr 4

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.

Nieruchomość nr 5

Przynajmniej raz każdy zaobserwował, że po pewnym czasie szkło zaczęło mętnieć. Ta właściwość ciał amorficznych wiąże się ze zwiększoną energią wewnętrzną (jest kilkakrotnie większa niż kryształów). Z tego powodu substancje te mogą łatwo przejść w stan krystaliczny.

Przejście do stanu krystalicznego

Po pewnym czasie każde ciało amorficzne przechodzi w stan krystaliczny. Można to zaobserwować w codziennym życiu człowieka. Na przykład, jeśli zostawisz słodycze lub miód na kilka miesięcy, możesz zauważyć, że oba utraciły przezroczystość. Przeciętny człowiek powie, że są po prostu pokryte cukrem. Rzeczywiście, jeśli złamiesz ciało, zauważysz obecność kryształków cukru.

Mówiąc o tym, należy wyjaśnić, że spontaniczna przemiana w inny stan wynika z faktu, że substancje amorficzne są niestabilne. Porównując je z kryształami, można zrozumieć, że te ostatnie są wielokrotnie „potężniejsze”. Fakt ten można wyjaśnić za pomocą teorii międzycząsteczkowej. Zgodnie z nim cząsteczki nieustannie przeskakują z jednego miejsca na drugie, wypełniając w ten sposób puste przestrzenie. Z biegiem czasu tworzy się stabilna sieć krystaliczna.

Topienie ciał amorficznych

Proces topienia ciał amorficznych to moment, w którym wraz ze wzrostem temperatury ulegają zniszczeniu wszystkie wiązania między atomami. Dzieje się tak, gdy substancja zamienia się w ciecz. Jeżeli warunki topnienia są takie, że ciśnienie jest takie samo przez cały okres, wówczas należy również ustalić temperaturę.

Ciekłe kryształy

W naturze istnieją ciała o strukturze ciekłokrystalicznej. Z reguły znajdują się na liście substancji organicznych, a ich cząsteczki mają kształt nitkowaty. Ciała, o których mowa, mają właściwości cieczy i kryształów, a mianowicie płynność i anizotropię.

W takich substancjach cząsteczki są ułożone równolegle do siebie, jednak nie ma między nimi stałej odległości. Poruszają się nieustannie, ale nie chcą zmieniać orientacji, dlatego stale pozostają w jednej pozycji.

Metale amorficzne

Metale amorficzne są lepiej znane przeciętnemu człowiekowi jako okulary metaliczne.

Już w 1940 roku naukowcy zaczęli mówić o istnieniu takich ciał. Już wtedy okazało się, że metale produkowane specjalnie przez osadzanie próżniowe nie mają sieci krystalicznych. I dopiero 20 lat później wyprodukowano pierwsze szkło tego typu. Nie wzbudziło to większego zainteresowania naukowców; i dopiero po kolejnych 10 latach zaczęli o nim mówić profesjonaliści amerykańscy i japońscy, a następnie koreańscy i europejscy.

Metale amorficzne charakteryzują się lepkością, dość wysokim poziomem wytrzymałości i odpornością na korozję.

Istnieje kilka stanów skupienia, w których znajdują się wszystkie ciała i substancje. Ten:

• płyn;
• osocze;
• solidny.

Jeśli weźmiemy pod uwagę całość planety i przestrzeni, wówczas większość substancji i ciał nadal znajduje się w stanie gazu i plazmy. Jednak na samej Ziemi zawartość cząstek stałych jest również znacząca. Porozmawiamy o nich, dowiadując się, czym są ciała stałe krystaliczne i amorficzne.

Ciała krystaliczne i amorficzne: koncepcja ogólna

Wszystkie stałe substancje, ciała, przedmioty są umownie podzielone na:

• krystaliczny;
• amorficzny.

Różnica między nimi jest ogromna, gdyż podział opiera się na znakach struktury i przejawianych właściwościach. Krótko mówiąc, stałe substancje krystaliczne to te substancje i ciała, które mają pewien rodzaj przestrzennej sieci krystalicznej, to znaczy mają zdolność do zmiany w określonym kierunku, ale nie we wszystkich (anizotropia).

Jeśli charakteryzujemy związki amorficzne, to ich pierwszą cechą jest zdolność do zmiany właściwości fizycznych we wszystkich kierunkach jednocześnie. Nazywa się to izotropią.

Struktura i właściwości ciał krystalicznych i amorficznych są zupełnie inne. Jeśli te pierwsze mają wyraźnie ograniczoną strukturę, złożoną z uporządkowanie rozmieszczonych w przestrzeni cząstek, to te drugie pozbawione są jakiegokolwiek porządku.

Właściwości ciał stałych

Ciała krystaliczne i amorficzne należą natomiast do jednej grupy ciał stałych, co oznacza, że ​​posiadają wszystkie cechy danego stanu skupienia. Oznacza to, że wspólne dla nich właściwości będą następujące:

1. Mechaniczne - elastyczność, twardość, zdolność do odkształcania.
2. Termiczne - temperatury wrzenia i topnienia, współczynnik rozszerzalności cieplnej.
3. Elektryczne i magnetyczne - przewodnictwo cieplne i elektryczne.

Zatem stany, które rozważamy, mają wszystkie te cechy. Tylko że w ciałach amorficznych nieco inaczej będą się objawiać niż w ciałach krystalicznych.

Ważnymi właściwościami dla celów przemysłowych są właściwości mechaniczne i elektryczne. Ważną cechą jest zdolność do regeneracji po deformacji lub odwrotnie, kruszenia się i mielenia. Ważne jest również to, że substancja może przewodzić prąd elektryczny lub nie jest do tego zdolna.

Struktura krystaliczna

Jeśli opisujemy budowę ciał krystalicznych i amorficznych, to przede wszystkim powinniśmy wskazać rodzaj cząstek, które je tworzą. W przypadku kryształów mogą to być jony, atomy, jony atomowe (w metalach), cząsteczki (rzadko).

Generalnie struktury te charakteryzują się obecnością ściśle uporządkowanej siatki przestrzennej, która powstaje w wyniku ułożenia cząstek tworzących substancję. Jeśli wyobrazisz sobie strukturę kryształu w przenośni, otrzymasz coś takiego: atomy (lub inne cząstki) znajdują się w pewnych odległościach od siebie, dzięki czemu powstaje idealna komórka elementarna przyszłej sieci krystalicznej. Następnie komórka ta jest wielokrotnie powtarzana i tak rozwija się cała struktura.

Główną cechą jest to, że właściwości fizyczne takich struktur zmieniają się równolegle, ale nie we wszystkich kierunkach. Zjawisko to nazywa się anizotropią. Oznacza to, że jeśli wpłyniesz na jedną część kryształu, druga strona może na to nie zareagować. Możesz więc posiekać pół kawałka soli kuchennej, ale drugi pozostanie nienaruszony.

Rodzaje kryształów

Zwyczajowo wyznacza się dwa rodzaje kryształów. Pierwsza to struktury monokrystaliczne, to znaczy, gdy sama sieć ma wartość 1. Ciała krystaliczne i amorficzne w tym przypadku mają zupełnie inne właściwości. Przecież pojedynczy kryształ charakteryzuje się czystą anizotropią. Reprezentuje najmniejszą strukturę, elementarną.

Jeśli monokryształy powtarzają się wielokrotnie i łączą w jedną całość, to mówimy o polikrysztale. Wtedy nie mówimy o anizotropii, ponieważ orientacja komórek elementarnych narusza ogólną uporządkowaną strukturę. Pod tym względem polikryształy i ciała amorficzne są blisko siebie pod względem właściwości fizycznych.

Metale i ich stopy

Ciała krystaliczne i amorficzne są bardzo blisko siebie. Łatwo to sprawdzić na przykładzie metali i ich stopów. Oni sami są substancjami stałymi w normalnych warunkach. Jednakże w określonej temperaturze zaczynają się topić i do czasu całkowitej krystalizacji pozostają w stanie rozciągliwej, gęstej, lepkiej masy. I to jest już amorficzny stan ciała.

Dlatego, ściśle mówiąc, prawie każda substancja krystaliczna może w pewnych warunkach stać się amorficzna. Podobnie jak ten ostatni, po krystalizacji staje się ciałem stałym o uporządkowanej strukturze przestrzennej.

Metale mogą mieć różne typy struktur przestrzennych, z których najbardziej znane i badane to:

1. Prosty sześcienny.
2. Skupiony na twarzy.
3. Skoncentrowany na objętości.

Struktura kryształu może opierać się na pryzmacie lub piramidzie, a jej główną część reprezentują:

• trójkąt;
• równoległobok;
• kwadrat;
• sześciokąt.

Substancja posiadająca prostą regularną siatkę sześcienną ma idealne właściwości izotropowe.

Pojęcie amorfizmu

Ciała krystaliczne i amorficzne można dość łatwo rozróżnić zewnętrznie. W końcu ten ostatni często można pomylić z lepkimi cieczami. Struktura substancji amorficznej również opiera się na jonach, atomach i cząsteczkach. Nie tworzą jednak uporządkowanej, ścisłej struktury, w związku z czym ich właściwości zmieniają się we wszystkich kierunkach. Oznacza to, że są izotropowe.

Cząsteczki ułożone są chaotycznie, losowo. Tylko czasami mogą tworzyć małe loci, co nadal nie wpływa na ogólne wykazywane właściwości.

Właściwości ciał podobnych

Są identyczne z kryształami. Różnice dotyczą jedynie wskaźników dla każdego konkretnego organu. Przykładowo możemy wyróżnić następujące charakterystyczne parametry ciał amorficznych:

• elastyczność;
• gęstość;
• lepkość;
• plastyczność;
• przewodnictwo i półprzewodnictwo.

Często można spotkać stany graniczne połączeń. Ciała krystaliczne i amorficzne mogą stać się półamorficzne.

Interesująca jest również cecha rozważanego stanu, która objawia się pod ostrym wpływem zewnętrznym. Zatem, jeśli ciało amorficzne zostanie poddane ostremu uderzeniu lub odkształceniu, może zachowywać się jak polikryształ i rozpadać się na małe kawałki. Jeśli jednak dasz tym częściom czas, wkrótce ponownie się połączą i zmienią w stan lepkiego płynu.

Dany stan związków nie ma określonej temperatury, w której następuje przejście fazowe. Proces ten jest znacznie wydłużony, czasem nawet przez dziesięciolecia (np. rozkład polietylenu o małej gęstości).

Przykłady substancji amorficznych

Przykładów takich substancji jest wiele. Przedstawmy kilka najbardziej oczywistych i często spotykanych.

1. Czekolada jest typową substancją amorficzną.
2. Żywice, w tym fenolowo-formaldehydowe, wszystkie tworzywa sztuczne.
3. Bursztyn.
4. Szkło o dowolnym składzie.
5. Bitum.
6. Smoła.
7. Wosk i inne.

Ciało amorficzne powstaje w wyniku bardzo powolnej krystalizacji, czyli wzrostu lepkości roztworu wraz ze spadkiem temperatury. Często trudno nazwać takie substancje ciałami stałymi; częściej klasyfikuje się je jako lepkie, gęste ciecze.

Te związki, które w ogóle nie krystalizują podczas krzepnięcia, mają szczególny stan. Nazywa się je okularami, a stan jest szklisty.

Substancje szkliste

Właściwości ciał krystalicznych i amorficznych są podobne, jak się przekonaliśmy, ze względu na wspólne pochodzenie i jedną naturę wewnętrzną. Ale czasami szczególny stan substancji zwany szklistym jest rozpatrywany oddzielnie od nich. Jest to jednorodny roztwór mineralny, który krystalizuje i twardnieje, nie tworząc przestrzennych sieci. Oznacza to, że zawsze pozostaje izotropowy pod względem zmian właściwości.

Na przykład zwykłe szkło okienne nie ma dokładnej temperatury topnienia. Tyle, że gdy ten wskaźnik wzrasta, powoli topi się, mięknie i przechodzi w stan ciekły. Jeśli uderzenie zostanie zatrzymane, proces się odwróci i rozpocznie się krzepnięcie, ale bez krystalizacji.

Substancje te są bardzo cenione, szkło jest dziś jednym z najpowszechniejszych i najbardziej poszukiwanych materiałów budowlanych na całym świecie.

Co to jest „stan amorficzny”? Jak poprawnie napisać to słowo. Koncepcja i interpretacja.

Stan amorficzny (od greckiego amorphos - bezkształtny), skondensowany stan substancji, którego główną cechą jest brak sieci atomowej lub molekularnej, tj. trójwymiarowa okresowość struktury charakterystyczna dla stanu krystalicznego. Ciała amorficzne są izotropowe, to znaczy ich właściwości (mechaniczne, optyczne, elektryczne itp.) Nie zależą od kierunku. Jak. zwykle ustala się, po pierwsze, przez małą liczbę maksimów we wzorze dyfrakcyjnym (zwykle 2-4) na tle rozproszonego halo, które charakteryzują się dużą szerokością połówkową i szybkim spadkiem intensywności wraz ze wzrostem kąta dyfrakcji; po drugie, brakiem w widmie wibracyjnym lub elektronowym pasm rozszczepiających związanych z symetrią struktury (patrz Metody dyfrakcyjne, Widma molekularne). Stopy wszystkich substancji powyżej ich temperatury topnienia T pl zwykle znajdują się w stanie równowagi termodynamicznej, w którym występuje dowolna termodynamika. Funkcja stanu (objętość właściwa, entalpia, entropia) jest jednoznacznie określona przez temperaturę, ciśnienie i inne parametry. W T pl substancja przechodzi w równowagowy stan stały i krystalizuje (patrz rysunek). Jednakże w pewnych warunkach, w temperaturach poniżej T ppm. uzyskuje się stan nierównowagowy przechłodzonej cieczy, a po dalszym ochłodzeniu poniżej temperatury zeszklenia Tst uzyskuje się nierównowagowy stan stały. (Patrz stan szklisty). W tym stanie mogłoby tak być stabilny przez długi okres czasu. czas; znany na przykład wulkaniczny. szkło (obsydian itp.), którego wiek szacuje się na miliony lat. Termodynamiczny funkcje szklistego A. s. są określane nie tylko przez temperaturę i ciśnienie, ale także zależą od historii próbki (na przykład szybkości chłodzenia). Fiz. i chemia. święci w szklistym A. s. zwykle zbliżony do świętego krystalicznego. modyfikacje tego samego przedmiotu, lecz mogą się one znacząco różnić. Zatem szklisty sol GeO2. w wodzie i roztworach zasadowych reaguje z kwasami fluorowodorowym i solnym, natomiast modyfikacja GeO2 jest praktycznie nierozpuszczalna w wodzie, rozpuszczając się bardzo wolno. w roztworach zasad po podgrzaniu nie reaguje ze wskazanymi związkami. Przedziały temperaturowe dla istnienia stanów amorficznych i krystalicznych substancji: linia ciągła - stan równowagi, przerywana - nierównowaga. Przejście z przechłodzonej cieczy do szklistej a.s. zwykle występuje w wąskim zakresie temperatur i towarzyszy mu gwałtowna zmiana właściwości, w szczególności lepkości (o 10-15 rzędów wielkości), współczynnika temperaturowego. rozszerzalność (10-100 razy), moduły sprężystości (10-1000 razy), pojemność cieplną, gęstość itp., co formalnie przypomina przejście fazowe drugiego rzędu. Jednakże tworzenie się szklistego A. s. nie towarzyszy pojawienie się zarodków nowej fazy i fizycznej. granice faz. T st nie jest termodynamiczny. charakterystyczne dla przedmiotu i, w zależności od warunków pomiaru, mogą różnić się o kilka. dziesiątki stopni. Wynika to z faktu, że w zakresie temperatur zeszklenia restrukturyzacja krótkozasięgowej struktury uporządkowanej cieczy (relaksacja strukturalna) gwałtownie zwalnia, tj. kinetyczna. charakter przejścia szklistego. Poniżej Tst przemiany strukturalne w materii zatrzymują się całkowicie (w skończonym czasie obserwacji), cząstki (atomy, cząsteczki, fragmenty cząsteczek) zdolne są jedynie do wibracyjnego obrotu w małej skali. ruchów, tracona jest ruchliwość translacyjna charakterystyczna dla stanu ciekłego. T. arr., różnica we właściwościach cieczy i ciała stałego A. s. zdeterminowany naturą ruchu termicznego cząstek. Istnieją substancje, których nie można uzyskać w postaci krystalicznej. stan : schorzenie. Należą do nich statystyki. kopolimery i ataktyczne polimery, w makrocząsteczkach, których kolejność jednostek monomeru jest nieregularna w kierunku osi łańcucha. Uważa się, że ze względu na brak okresowości w strukturze makrocząsteczek, w żadnym wypadku nie może powstać trójwymiarowa okresowość. strukturę i dlatego te rzeczy istnieją tylko w A. s. Pytanie o termodynamikę. natura ciała stałego w równowadze pozostaje na razie otwarte (patrz Trzecia zasada termodynamiki). Wiele polimerów o sztywnym łańcuchu o wysokiej Tst występuje tylko w stanie szklistym, ponieważ po podgrzaniu. powyżej Tst ulegają rozkładowi. Próby stworzenia fizycznego modele A. s. nie przyniosły jeszcze sukcesu. Dosł.: Tarasow V.V., Problemy fizyki szkła, wyd. G. M. Barteneva, wyd. 2, M., 1979; Phillips J., Fizyka szkła, w: Fizyka za granicą, M., 1983, s. 23-35. 154-78; ZallenR., Fizyka ciała amorficznego, N.Y., 1983. E.F. Oleinik. G. Z. Pinsker.

Stan amorficzny(amorficzny - bezkształtny, od greckiego o! - przedrostek ujemny i tsorsrt] - forma) - stan brył, w jakim się znajdują

mają, w przeciwieństwie do kryształów, izotropię, tj. mają te same właściwości fizyczne we wszystkich kierunkach (por. Kryształy, Anizotropia). W tym sensie gazy i ciecze można również uznać za amorficzne.

Ciała amorficzne dzielą się na naturalne (opal, szkło wulkaniczne – obsydian, bursztyn, żywice, bitum) i sztuczne (szkło zwykłe, topiony kwarc, bakelit); wiele tlenków i soli można otrzymać w postaci amorficznej. Niektóre ciała amorficzne mają bardzo złożony skład (zwykłe szkło), inne to proste związki chemiczne, np. kwarc szklisty, boraks, bezwodnik borowy itp. Zwykłe szkło jest najbardziej typowym przykładem ciała amorficznego, dlatego też jest ciałem stałym ciało jest obecnie akceptowane jako A. s. nazwij to szklistym. Izotropia substancji amorficznej objawia się na przykład tym, że nie daje ona płaskiej powierzchni rozszczepienia, jak kryształ z rozszczepieniem, ale daje nieregularne pęknięcie „muszoidalne”. Właściwości fizyczne materii w A. s. - ściśliwość, przewodność elektryczna i cieplna, optyczna. właściwości itp. są takie same we wszystkich kierunkach. W substancji amorficznej nie ma dwójłomności, chyba że substancja jest poddana stresowi. Przez szybkie schłodzenie substancję amorficzną można otrzymać w postaci utwardzonej (patrz łzy Batawia); wówczas występują w nim znaczne naprężenia wewnętrzne, które powodują powstawanie bardzo ostrych prążków interferencyjnych w urządzeniu polaryzacyjnym. Powolne wyżarzanie całkowicie niszczy hartowanie. Ma to ogromne znaczenie w produkcji szkła. Obecnie powszechnie stosuje się nolaryzacyjno-optyczną metodę badania naprężeń w częściach maszyn na modelach wykonanych z tworzyw amorficznych.

O właściwościach ciał amorficznych decyduje ich budowa. W kryształach atomy lub jony są ułożone w sieć krystaliczną o pewnym układzie okresowym; W ciele amorficznym atomy i cząsteczki są ułożone chaotycznie. Izotropię substancji amorficznej wyjaśnia się losowym rozkładem jej cząstek. Wyraźna różnica w zachowaniu kryształów i substancji amorficznych ujawnia się podczas przejścia ciała stałego w stan ciekły i z powrotem. Krzywa topnienia kryształu zatrzymuje się mniej lub bardziej gwałtownie w temperaturze topnienia, gdzie ciepło utajone jest absorbowane (patrz) i wykrywana jest nieciągła zmiana wszystkich właściwości (rysunek!). W ciele amorficznym przejście następuje stopniowo, bez przerywania ciągłości i obserwuje się „przedział mięknienia” (przedział bardzo duży 1000°), w którym

Czas t rys. 1.

(dla zwykłych okularów to

substancja stopniowo przechodzi ze stanu stałego w stan ciekły. Kiedy proces zostaje odwrócony, często wykrywa się hipotermię; substancja nie krystalizuje w temperaturze topnienia, ale po dalszym ochłodzeniu gęstnieje w stanie ciekłym, jej lepkość (patrz) znacznie wzrasta, cząsteczki tracą ruchliwość i wreszcie

krzepnięcie zachodzi w postaci amorficznej. Cząsteczki substancji w tym przypadku okazują się ułożone losowo, ponieważ nie miały czasu na utworzenie regularnej sieci krystalicznej z powodu ogromnego tarcia wewnętrznego. W tym przypadku ciepło utajone nie jest uwalniane, a rezerwa energii substancji amorficznej okazuje się większa niż rezerwa energii krystalicznej; dlatego A. s. termodynamicznie niestabilny i ma tendencję do przekształcania się w stabilną postać krystaliczną. Krystalizacja ciała stałego np. przebiega bardzo powoli; Podczas krystalizacji szkło mętnieje, zamieniając się w masę przypominającą porcelanę. Podczas produkcji szkła krystalizacja często powoduje duże defekty i nazywa się ją krzepnięciem. Kiedy skała krzepnie w stanie amorficznym, ważną rolę odgrywają procesy asocjacji cząsteczek, polimeryzacji i kondensacji (patrz), co ma istotne znaczenie w produkcji szkła. bakelit i inne tworzywa sztuczne.

Teoria A. s. opracowane w oparciu o badania procesów krystalizacji i przechłodzenia. Zdolność substancji do krystalizacji zależy od liczby centrów krystalizacji n powstałych w jednostce czasu (rys. 2 - wykres ogólny), liniowej szybkości krystalizacji v i wzrostu lepkości m) podczas przechłodzenia. Jak widać z krzywej 2, jednak podczas przechłodzenia początkowo występuje maksymalna szybkość krystalizacji

w tym czasie liczba centrów jest nadal niewielka, ponieważ maksimum tej krzywej leży znacznie poniżej temperatury topnienia. Przy dalszym chłodzeniu lepkość staje się zbyt wysoka, co utrudnia tworzenie się centrów, a szybkość krystalizacji staje się znikomo niska. Dlatego też, jeśli stop zostanie szybko przechłodzony, traci zdolność do krystalizacji i zestala się w bezpostaciową szklistą masę. Chociaż pewien punkt przejścia substancji z A. s. w cieczy, ale istnieje, wiele właściwości fizycznych w zakresie mięknienia wykazuje nietypowe zachowanie, mniej więcej w punkcie, w którym lepkość osiąga wartość abs. jednostki (pozy). Zatem po podgrzaniu współczynnik rozszerzalności w zakresie mięknienia wzrasta bardzo gwałtownie, a także pojemność cieplna, przewodność elektryczna i dielektryk. przepuszczalność, współczynnik załamania światła. Na tej podstawie czasami uważa się, że szklisty stan amorficzny jest szczególnym czwartym stanem materii.

Wraz z powszechnym rozwojem analizy rentgenowskiej, a także dyfrakcji elektronów, stało się jasne, że wiele ciał wcześniej uważanych za amorficzne ma w rzeczywistości strukturę drobnokrystaliczną, to znaczy są układami silnie rozproszonymi (patrz Układy dyspersyjne). Okazało się, że węgiel amorficzny składa się z drobnych kryształków, a także wielu tlenków i hydratów tlenków metali oraz szeregu koloidów, czyli cząstek rozproszonych w roztworach koloidalnych. Badania rentgenowskie wykazały, że w zwykłym szkle jest ono stopione

Temperatura dochłodzenia Rys. 2.

kwarc, w szkle boraksowym znajdują się jądra kryształów o wielkości 10~6-10~7 cm. Potwierdzenie tego faktu w dalszych badaniach powinno wygładzić ostre krawędzie naszych wyobrażeń o budowie amorficznych substancji szklistych i zwykłych ciał polikrystalicznych.

Dosł.: K o beko P. P., Stan amorficzny. L.-M., ; I w Gustinik A.I., Fizykochemia krzemianów. L.-M., ; B o tvi i k in O. K., Wprowadzenie do chemii fizycznej krzemianów, M.-L., ; B l yu m-berg B. Ya., Wprowadzenie do chemii fizycznej szkła, Leningrad,; Technologia szkła (kurs specjalny), wyd. I. I. Kitaygorodsky, t. 1, M.-L.,; Struktura szkła. sob. artykuły, wyd. M. A. Bezborodova, M.-L., ; Glagolev S.P., Szkło kwarcowe, jego właściwości, produkcja i zastosowanie, M.-L., ; Lewis W. K., Chemia substancji koloidalnych i amorficznych, przeł. z angielskiego, M., ; Gatchek E., Lepkość cieczy, wyd. 2, z dodatkiem. MP Volarovich i D. M. Tołstoj, M.-L.,

O strukturze ciała stałego decyduje nie tylko względne położenie cząstek chemicznych wewnątrz, ale także położenie samych cząstek w przestrzeni względem siebie i odległości między nimi. W zależności od położenia cząstek w przestrzeni rozróżnia się porządek krótkiego i dalekiego zasięgu.

Porządek krótkiego zasięgu polega na tym, że cząstki materii regularnie rozmieszczone są w przestrzeni w określonych odległościach i kierunkach od siebie. Jeżeli takie uporządkowanie jest zachowane lub okresowo powtarzane w całej objętości bryły, wówczas tworzy się porządek dalekiego zasięgu. Innymi słowy, porządki dalekiego i krótkiego zasięgu to obecność korelacji w mikrostrukturze substancji albo w obrębie całej próbki makroskopowej (dalekiego zasięgu), albo w obszarze o ograniczonym promieniu (krótkiego zasięgu). W zależności od skumulowanego (lub tłumiącego) efektu uporządkowania cząstek krótkiego lub dalekiego zasięgu, ciało stałe może mieć stan krystaliczny lub amorficzny.

Najbardziej uporządkowany układ cząstek występuje w kryształach (od greckiego „krystalos” – lód), w których atomy, cząsteczki lub jony rozmieszczone są tylko w określonych punktach przestrzeni, zwanych węzłami.

Stan krystaliczny jest uporządkowaną strukturą okresową, która charakteryzuje się obecnością porządku zarówno krótko-, jak i dalekiego zasięgu w układzie cząstek substancji stałej.

Cechą charakterystyczną substancji krystalicznych w porównaniu do substancji amorficznych jest anizotropia.

Anizotropia to różnica we właściwościach fizycznych i chemicznych substancji krystalicznej (przewodność elektryczna i cieplna, wytrzymałość, właściwości optyczne itp.) w zależności od wybranego kierunku w krysztale.

Anizotropia wynika z wewnętrznej struktury kryształów. W różnych kierunkach odległość między cząstkami w krysztale jest różna, dlatego cechy ilościowe jednej lub drugiej właściwości dla tych kierunków będą różne.

Anizotropia jest szczególnie wyraźna w monokryształach. Na tej właściwości opiera się produkcja laserów, obróbka monokryształów półprzewodników, produkcja rezonatorów kwarcowych i generatorów ultradźwiękowych. Typowym przykładem anizotropowej substancji krystalicznej jest grafit, którego budowa składa się z równoległych warstw o ​​różnej energii wiązania w środku warstw i pomiędzy poszczególnymi warstwami. Dzięki temu przewodność cieplna wzdłuż warstw jest pięciokrotnie większa niż w kierunku prostopadłym, a przewodność elektryczna w kierunku pojedynczej warstwy jest bliska metalicznej i setki razy większa niż przewodność elektryczna w kierunku prostopadłym.

Struktura grafitu (wskazana jest długość wiązania C-C wewnątrz warstwy oraz odległości pomiędzy poszczególnymi warstwami w krysztale)

Czasami ta sama substancja może tworzyć kryształy o różnych kształtach. Zjawisko to nazywa się polimorfizmem, a różne formy krystaliczne jednej substancji nazywane są modyfikacjami polimorficznymi, na przykład diament i grafit alotropowy; a-, b-, g- i d-żelazo; a- i b-kwarc (zwróć uwagę na różnicę między pojęciami „alotropii”, która odnosi się wyłącznie do prostych substancji w dowolnym kwarcu, a „polimorfizmem”, który charakteryzuje strukturę tylko związków krystalicznych).

Jednocześnie substancje o różnym składzie mogą tworzyć kryształy o tym samym kształcie - zjawisko to nazywa się izomorfizmem. Zatem substancjami izomorficznymi, które mają te same sieci krystaliczne, są Al i Cr oraz ich tlenki; Ag i Au; BaCl2 i SrCl2; KMnO 4 i BaSO 4 .

Zdecydowana większość ciał stałych w zwykłych warunkach występuje w stanie krystalicznym.

Ciała stałe, które nie mają struktury okresowej, klasyfikuje się jako amorficzne (z greckiego „ amorfi" - bezkształtny). Jednak występuje w nich pewien porządek struktury. Przejawia się to w regularnym rozmieszczaniu wokół każdej cząstki swoich najbliższych „sąsiadów”, czyli substancje amorficzne mają jedynie uporządkowanie krótkiego zasięgu i pod tym względem przypominają ciecze, dlatego też w pewnym przybliżeniu można je uznać za ciecze przechłodzone o bardzo wysoka lepkość. Różnica między stanem amorficznym ciekłym i stałym zależy od charakteru ruchu termicznego cząstek: w stanie amorficznym są one zdolne jedynie do ruchów wibracyjnych i obrotowych, ale nie mogą przemieszczać się przez grubość substancji.

Stan amorficzny to stan stały substancji, charakteryzujący się obecnością porządku krótkiego zasięgu w układzie cząstek, a także izotropią - takimi samymi właściwościami w dowolnym kierunku.

Stan amorficzny substancji jest mniej stabilny w porównaniu ze stanem krystalicznym, zatem substancje amorficzne mogą przejść w stan krystaliczny pod wpływem obciążeń mechanicznych lub pod wpływem zmian temperatury. Jednak niektóre substancje mogą pozostawać w stanie amorficznym przez dość długi okres. Na przykład szkło wulkaniczne (które ma nawet kilka milionów lat), zwykłe szkło, żywice, woski, większość wodorotlenków metali przejściowych i tym podobne. W pewnych warunkach prawie wszystkie substancje mogą znajdować się w stanie amorficznym, z wyjątkiem metali i niektórych związków jonowych. Znane są natomiast substancje, które mogą występować jedynie w stanie amorficznym (polimery organiczne o nieparzystej kolejności jednostek elementarnych).

Właściwości fizyczne i chemiczne substancji w stanie amorficznym mogą znacznie różnić się od jej właściwości w stanie krystalicznym. Reaktywność substancji w stanie amorficznym jest znacznie większa niż w stanie krystalicznym. Na przykład amorficzny GeO 2 jest znacznie bardziej aktywny chemicznie niż krystaliczny GeO 2.

Przejście ciał stałych w stan ciekły, w zależności od struktury, ma swoje własne cechy. W przypadku substancji krystalicznej topienie następuje przy określonej dla danej substancji wartości, czemu towarzyszy gwałtowna zmiana jej właściwości (gęstość, lepkość itp.). Substancje amorficzne natomiast stopniowo przechodzą w stan ciekły w pewnym zakresie temperatur (tzw. okres mięknienia), podczas którego następuje płynna, powolna zmiana właściwości.

Charakterystyka porównawcza substancji amorficznych i krystalicznych: