МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
ФИЗИКА 8 КЛАСС
Доклад на тему:
“Аморфные тела. Плавление аморфных тел.”
ученица 8 “б” класса:
2009
Аморфные тела.
Проделаем опыт. Нам понадобятся кусок пластилина, стеариновая свеча и электрокамин. Поставим пластилин и свечу на равных расстояниях от камина. По прошествии некоторого времени часть стеарина расплавится (станет жидкостью), а часть - останется в виде твердого кусочка. Пластилин за то же время лишь немного размягчится. Еще через некоторое время весь стеарин расплавится, а пластилин - постепенно "разъедется" по поверхности стола, все более и более размягчаясь.
Итак, существуют тела, которые при плавлении не размягчаются, а из твердого состояния превращаются сразу в жидкость. Во время плавления таких тел всегда можно отделить жидкость от еще не расплавившейся (твердой) части тела. Эти тела - кристаллические. Существуют также твердые тела, которые при нагревании постепенно размягчаются, становятся все более текучими. Для таких тел невозможно указать температуру, при которой они превращаются в жидкость (плавятся). Эти тела называют аморфными.
Проделаем следующий опыт. В стеклянную воронку бросим кусок смолы или воска и оставим в теплой комнате. По прошествии примерно месяца окажется, что воск принял форму воронки и даже начал вытекать из нее в виде "струи" (Рис.1). В противоположность кристаллам, которые почти вечно сохраняют собственную форму, аморфные тела даже при невысоких температурах обладают текучестью. Поэтому их можно рассматривать как очень густые и вязкие жидкости.
Строение аморфных тел. Исследования при помощи электронного микроскопа, а также при помощи рентгеновских лучей свидетельствуют, что в аморфных телах не наблюдается строгого порядка в расположении их частиц. Взгляните, на рисунке 2 изображено расположение частиц в кристаллическом кварце, а на правом - в аморфном кварце. Эти вещества состоят из одних и тех же частиц - молекул оксида кремния SiO 2 .
Кристаллическое состояние кварца получается, если расплавленный кварц охлаждать медленно. Если же охлаждение расплава будет быстрым, то молекулы не успеют "выстроиться" в стройные ряды, и получится аморфный кварц.
Частицы аморфных тел непрерывно и беспорядочно колеблются. Они чаще, чем частицы кристаллов могут перескакивать с места на место. Этому способствует и то, что частицы аморфных тел расположены неодинаково плотно: между ними имеются пустоты.
Кристаллизация аморфных тел. С течением времени (несколько месяцев, лет) аморфные вещества самопроизвольно переходят в кристаллическое состояние. Например, сахарные леденцы или свежий мед, оставленные в покое в теплом месте, через несколько месяцев становятся непрозрачными. Говорят, что мед и леденцы "засахарились". Разломив леденец или зачерпнув мед ложкой, мы действительно увидим образовавшиеся кристаллики сахара.
Самопроизвольная кристаллизация аморфных тел свидетельствует, что кристаллическое состояние вещества является более устойчивым, чем аморфное. Межмолекулярная теория объясняет это так. Межмолекулярные силы притяжения-отталкивания заставляют частицы аморфного тела перескакивать преимущественно туда, где имеются пустоты. В результате возникает более упорядоченное, чем прежде расположение частиц, то есть образуется поликристалл.
Плавление аморфных тел.
По мере возрастания температуры энергия колебательного движения атомов в твёрдом теле возрастает и, наконец, наступает такой момент, когда связи между атомами начинают разрываться. При этом твердое тело переходит в жидкое состояние. Такой переход называется плавлением. При фиксированном давлении плавление происходит при строго определённой температуре.
Количество тепла, необходимое для превращения единицы массы вещества в жидкость при температуре плавления, называют удельной теплотой плавления λ .
Для плавления вещества массой m необходимо затратить количество теплоты равное:
Q = λ · m .
Процесс плавления аморфных тел отличается от плавления кристаллических тел. При повышении температуры аморфные тела постепенно размягчаются, становятся вязкими, до тех пор, пока не превратятся в жидкость. Аморфные тела в противоположность кристаллам не имеют определенной температуры плавления. Температура аморфных тел при этом изменяется непрерывно. Это происходит потому, что в аморфных твердых телах, как и в жидкостях, молекулы могут перемещаться друг относительно друга. При нагревании их скорость увеличивается, увеличивается расстояние между ними. В результате тело становится все мягче и мягче, пока не превратится в жидкость. При отвердевании аморфных тел их температура также понижается непрерывно.
Наряду с кристаллическими твердыми телами встречаются аморфные твердые тела. У аморфных тел в отличие от кристаллов нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи - располагаются в некотором порядке. Но
строгой повторяемости во всех направлениях одною того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет.
Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решетки из правильных шестиугольников (рис. 77, а). Аморфная структура кварца также имеет вид решетки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти- и семиугольники (рис. 77, б).
Свойства аморфных тел. Все аморфные тела изотропны: их физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам принадлежат стекло, многие пластмассы, смола, канифоль, сахарный леденец и др.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твердым телам, и текучесть, подобно жидкостям. При кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твердое тело и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. Так, например, кусок смолы постепенно растекается по твердой поверхности. Атомы или молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют определенное время «оседлой жизни» время колебаний около положения равновесия. Но в отличие от жидкостей это время у них весьма велико. В этом отношении аморфные тела близки к кристаллическим, так как перескоки атомов из одного положения равновесия в другое происходят редко.
При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства все более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения
равновесия в другое. Никакой определенной температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.
Физика твердого тела. Все свойства твердых тел (кристаллических и аморфных) могут быть объяснены на основе знания их атомно-молекулярной структуры и законов движения молекул, атомов, ионов и электронов, слагающих твердые тела. Исследования свойств твердых тел объединены в большой области современной физики - физики твердого тела. Развитие физики твердого тела стимулируется в основном потребностями техники. Приблизительно половина физиков мира работает в области физики твердого тела. Разумеется, достижения в этой области немыслимы без глубоких знаний всех остальных разделов физики.
1. Чем отличаются кристаллические тела от аморфных? 2. Что такое анизотропия? 3. Приведите примеры монокристаллических, поликристал-лических и аморфных тел. 4. Чем отличаются краевые дислокации от винтовых?
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.
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:
- Слабо выраженная текучесть – одно из наиболее известных свойств таких тел. Примером будут потеки стекла, которое долгое время стоит в оконной раме.
- 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.
- В силу своей структуры такие тела являются изотропными, то есть их физические свойства не зависят от выбора направления.
- 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.
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.
АМОРФНЫЕ ТЕЛА (греческий amorphos - бесформенный) - тела, в которых элементарные составные частицы (атомы, ионы, молекулы, их комплексы) располагаются в пространстве хаотически. Для отличия аморфных тел от кристаллических (см. Кристаллы) используют рентгеноструктурный анализ (см.). Кристаллические тела на рентгенограммах дают четкую определенную дифракционную картину в виде колец, линий, пятен, а аморфные тела - размытое неправильное изображение.
Аморфные тела имеют следующие особенности: 1) в обычных условиях изотропны, то есть их свойства (механические, электрические, химические, тепловые и так далее) одинаковы во всех направлениях; 2) не имеют определенной температуры плавления, и при повышении температуры большинство аморфных тел, постепенно размягчаясь, переходит в жидкое состояние. Поэтому аморфные тела можно рассматривать как переохлажденные жидкости, не успевшие закристаллизоваться из-за резкого возрастания вязкости (см.) в силу увеличения сил взаимодействия между отдельными молекулами. Многие вещества в зависимости от способов получения могут находиться в аморфном, промежуточном или кристаллическом состояниях (белки, сера, кремнезем и так далее). Однако существуют вещества, которые находятся практически только в одном из этих состояний. Так, большинство металлов, солей находятся в кристаллическом состоянии.
Аморфные тела широко распространены (стекло, естественные и искусственные смолы, каучук и так далее). Искусственные полимерные материалы, также являющиеся аморфные тела, стали незаменимыми в технике, быту, медицине (лаки, краски, пластмассы для протезирования, различные полимерные пленки).
В живой природе к аморфным телам относится цитоплазма и большинство структурных элементов клеток и тканей, состоящих из биополимеров - длинноцепочечных макромолекул: белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов. Молекулы биополимеров легко взаимодействуют друг с другом, давая агрегаты (см. Агрегация), или рои-коацерваты (см. Коацервация). Аморфные тела находятся в клетках также в виде включений, запасных веществ (крахмал, липиды).
Особенностью полимеров, входящих в состав аморфных тел биологических объектов, является наличие узких пределов физико-химических зон обратимого состояния, напр. при повышении температуры выше критической необратимо изменяются их структура и свойства (коагуляция белков).
Аморфные тела, образованные рядом искусственных полимеров, в зависимости от температуры могут находиться в трех состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и жидком (вязко-текучем).
Для клеток живого организма характерны переходы из жидкого в высокоэластическое состояние при постоянной температуре, например ретракция кровяного сгустка, мышечное сокращение (см.). В биологических системах аморфные тела играют решающую роль в поддержании цитоплазмы в стационарном состоянии. Важна роль аморфных тел в поддержании формы и прочности биологических объектов: целлюлозная оболочка растительных клеток, оболочки спор и бактерий, кожа животных и так далее.
Библиография: Бреслер С. Е. и Ерусалимский Б. Л. Физика и химия макромолекул, М.-Л., 1965; Китайгородский А. И. Рентгеноструктурный анализ мелкокристаллических и аморфных тел, М.-Л., 1952; он же. Порядок и беспорядок в мире атомов, М., 1966; Кобеко П. П. Аморфные вещества, М.-Л., 1952; Сетлоу Р. и Поллард Э. Молекулярная биофизика, пер. с англ., М., 1964.
В предыдущем параграфе мы узнали, что некоторые твёрдые тела (например, соль, кварц, металлы и другие) являются моно- или поликристаллами. Познакомимся теперь с аморфными телами . Они занимают промежуточное положение между кристаллами и жидкостями, поэтому их нельзя однозначно назвать твёрдыми.
Проделаем опыт. Нам понадобятся: кусок пластилина, стеариновая свеча и электрический обогреватель. Поставим пластилин и свечу на равных расстояниях от обогревателя. Вскоре часть свечи расплавится, часть останется в виде твёрдого тела, а пластилин «обмякнет». Некоторое время спустя весь стеарин расплавится, а пластилин постепенно «расплывётся», став совсем мягким.
Подобно стеарину, существуют и другие кристаллические вещества , которые при нагревании не размягчаются, и во время плавления всегда можно видеть как жидкость, так и ещё не расплавившуюся часть тела. Это, например, все металлы. Но существуют и аморфные вещества , которые при нагревании постепенно размягчаются, становятся всё более текучими, поэтому невозможно указать температуру, при которой тело превращается в жидкость (плавится).
Аморфные тела при любой температуре обладают текучестью . Подтвердим это опытом. В стеклянную воронку бросим кусок аморфного вещества и оставим в тёплой комнате (на рисунке – смола гудрон; из неё делают асфальт). Через несколько недель окажется, что смола приняла форму воронки и даже начала вытекать из неё наподобие «струи». То есть аморфное тело ведёт себя как очень густая и вязкая жидкость.
Строение аморфных тел. Исследования электронным микроскопом и рентгеновскими лучами показывают, что в аморфных телах не наблюдается строгого порядка в расположении их частиц. В отличие от кристаллов, где существует дальний порядок в расположении частиц, в строении аморфных тел наблюдается только ближний порядок – некая упорядоченность расположения частиц сохраняется лишь вблизи каждой отдельной частицы (см. рисунок). Сверху изображено расположение частиц в кристаллическом кварце, снизу – в аморфной форме кварца. Эти вещества состоят из одних и тех же частиц – молекул оксида кремния SiO 2 .
Как и частицы любых тел, частицы аморфных тел непрерывно и беспорядочно колеблются и чаще, чем частицы кристаллов, могут перескакивать с места на место. Этому способствует то, что частицы аморфных тел расположены неодинаково плотно, местами создавая сравнительно большие промежутки. Однако это не то же самое, что «вакансии» в кристаллах (см. § 7-е).
Кристаллизация аморфных тел. С течением времени (недели, месяцы) аморфные вещества самопроизвольно переходят в кристаллическое состояние. Например, сахарные леденцы или мёд, оставленные в покое на несколько месяцев, становятся непрозрачными. В этом случае говорят, что мёд и леденцы «засахарились». Разломив такой леденец или зачерпнув такой мёд ложкой, мы увидим образовавшиеся кристаллики сахара, прежде существовавшего в аморфном состоянии.
Самопроизвольная кристаллизация аморфных тел свидетельствует, что кристаллическое состояние вещества более устойчиво, чем аморфное. МКТ объясняет это так. Силы притяжения и отталкивания «соседок» перемещают частицы аморфного тела в такие положения, где потенциальная энергия минимальна (см. § 7-г). При этом возникает более упорядоченное расположение частиц, что и означает, что происходит самостоятельная кристаллизация.