Аморфні речовини. Кристалічний і аморфний стан речовини. Застосування аморфних речовин

Ви коли-небудь замислювалися про те, що являють собою загадкові аморфні речовини? За будовою вони відрізняються і від твердих, і від рідких. Справа в тому, що такі тіла знаходяться в особливому конденсованому стані, що має тільки ближній порядок. Приклади аморфних речовин - смола, скло, бурштин, каучук, поліетилен, полівінілхлорид (наші улюблені пластикові вікна), різні полімери та інші. Це тверді тіла, у яких немає кристалічної решітки. Ще до них можна віднести сургуч, різні клеї, ебоніт і пластмаси.

Незвичайні властивості аморфних речовин

Під час розщеплення в аморфних тілах не утворюються грані. Частинки зовсім безладні і знаходяться на близькій відстані один до одного. Вони можуть бути як сильно густими, так і в'язкими. Як на них впливають зовнішні впливи? Під впливом різних температур тіла стають текучими, немов рідини, і одночасно досить пружними. У випадку, коли зовнішній вплив триває недовго, речовини аморфного будови можуть при потужному ударі розколотися на шматочки. Тривалий вплив ззовні призводить до того, що вони просто-напросто течуть.

Спробуйте провести вдома невеликий експеримент із застосуванням смоли. Покладіть її на тверду поверхню, і ви помітите, що вона починає плавно розтікатися. Правильно, адже це аморфне речовина! Швидкість залежить від показників температури. Якщо вона буде сильно високою, то розтікатися смола почне помітно швидше.

Що ще характерно для таких тіл? Вони можуть приймати будь-яку форму. Якщо аморфні речовини у вигляді маленьких частинок помістити в посудину, наприклад, в глечик, то вони також візьмуть форму судини. Ще вони є ізотропним, тобто проявляють однакові фізичні властивості по всіх напрямках.

Плавлення і перехід в інші стани. Метал і скло

Аморфний стан речовини не передбачає підтримки будь-якої певної температури. При низьких показниках тіла застигають, при високих - плавляться. До речі, від цього залежить і ступінь в'язкості таких речовин. Низька температура сприяє зниженої в'язкості, висока, навпаки, її підвищує.

Для речовин аморфного типу можна виділити ще одну особливість - перехід в кристалічний стан, причому мимовільний. Чому так відбувається? Внутрішньої енергії в кристалічному тілі набагато менше, ніж в аморфному. Ми це можемо помітити на прикладі скляної продукції - з часом скла стають каламутними.

Металеве скло - що ж це таке? Метал можна позбавити від кристалічної решітки в ході плавлення, тобто зробити речовина аморфного будови стеклообразном. Під час застигання при штучному охолодженні кристалічна решітка знову утворюється. Аморфний метал має просто вражаючу стійкість до корозії. Наприклад, зроблений з нього кузов автомобіля не потребував би різних покриттях, оскільки не піддавався б мимовільного руйнування. Аморфним речовиною є таке тіло, атомна структура якого володіє небаченою міцністю, а значить, аморфний метал міг би застосовуватися в зовсім будь-якої промислової галузі.

Кристалічну будову речовин

Щоб добре розбиратися в характеристиках металів і вміти з ними працювати, потрібно володіти знаннями про кристалічному будові тих чи інших речовин. Виробництво продукції з металів і область металургії не змогли б отримати такий розвиток, якби у людей не було певних знань про зміни в структурі сплавів, технологічних прийомах і експлуатаційних характеристиках.

Чотири стану речовини

Загальновідомо, що існує чотири агрегатних стани: тверде, рідке, газоподібне, полум'яне. Тверді аморфні речовини можуть бути і кристалічними. При такій будові може спостерігатися просторова періодичність в розташуванні частинок. Ці частинки в кристалах можуть виконувати періодичне рух. У всіх тілах, які ми спостерігаємо в газоподібному або рідкому стані, можна помітити рух частинок у вигляді хаотичного безладу. Аморфні тверді речовини (наприклад, метали в конденсованому стані: ебоніт, скляна продукція, смоли) можна називати рідинами замороженого типу, тому що у них при зміні форми можна помітити таку характерну рису, як в'язкість.

Відмінність аморфних тіл від газів і рідин

Прояви пластичності, пружності, зміцнення при деформації властиві багатьом тілам. Кристалічні та аморфні речовини більшою мірою мають цими характеристиками, в той час як рідини і гази не мають таких властивостей. Але зате можна помітити, що вони сприяють пружного зміни обсягу.

Кристалічні та аморфні речовини. Механічні та фізичні властивості

Що собою являють кристалічні і аморфні речовини? Як уже згадувалося вище, аморфними можна назвати ті тіла, які володіють великим коефіцієнтом в'язкості, і при звичайній температурі їх плинність неможлива. А от висока температура, навпаки, дозволяє, їм бути рідкими, як рідина.

Зовсім іншими представляються речовини кристалічного типу. Ці тверді тіла можуть мати свою температуру плавлення, залежну від зовнішнього тиску. Отримання кристалів можливо, якщо охолодити рідину. Якщо не брати певних заходів, то можна помітити, що в рідкому стані починають виникати різні центри кристалізації. В області, навколишнього ці центри, відбувається утворення твердої речовини. Дуже маленькі кристалики починають з'єднуватися один з одним в безладному порядку, і виходить так званий полікристал. Таке тіло є ізотропним.

Характеристики речовин

Що визначає фізичні і механічні характеристики тіл? Важливе значення мають атомні зв'язку, а також тип кристалічної структури. Кристалам іонного типу характерні іонні зв'язку, що означає плавний перехід від одних атомів до інших. При цьому відбувається утворення позитивно і негативно заряджених частинок. Іонну зв'язок ми можемо спостерігати на простому прикладі - такі характеристики властиві різноманітним оксидам і солям. Ще одна особливість іонних кристалів - низька провідність тепла, але її показники можуть помітно зростати при нагріванні. У вузлах кристалічної решітки можна помітити різні молекули, які відрізняються міцною атомної зв'язком.

Безліч мінералів, які ми зустрічаємо повсюдно в природі, мають будову кристалічний. І аморфний стан речовини - це теж природа в чистому вигляді. Тільки в цьому випадку тіло являє собою щось безформне, а ось кристали можуть приймати форми найкрасивіших багатогранників з наявністю плоских граней, а також утворювати нові дивовижної краси і чистоти тверді тіла.

Що являють собою кристали? Аморфно-кристалічна структура

Форма таких тел постійна для певного з'єднання. Наприклад, берил завжди виглядає як шестигранна призма. Проведіть невеликий експеримент. Візьміть невеликий кристалик кухонної солі кубічної форми (куля) і покладіть його в спеціальний розчин як можна більш насичений тієї ж кухонної солі. З часом ви помітите, що цей тіло залишилося незмінним - воно знову набуло форму куба або кулі, яка притаманна саме кристалам кухонної солі.

Аморфно-кристалічні речовини - це такі тіла, які можуть містити в собі як аморфні, так і кристалічні фази. Що впливає на властивості матеріалів такої структури? Головним чином різне співвідношення обсягів і різне розташування по відношенню один до одного. Поширеними прикладами таких речовин є матеріали з кераміки, фарфору, ситалли. З таблиці властивостей матеріалів з аморфно-кристалічною структурою стає відомо, що фарфор містить максимальний відсоток склофази. Показники коливаються в межах 40-60-ти відсотків. Найнижче зміст ми побачимо на прикладі кам'яного литва - менше 5-ти відсотків. При цьому більш високе поглинання води буде у керамічної плитки.

Як відомо, такі промислові матеріали, як фарфор, керамічна плитка, кам'яне лиття та ситалли, - це аморфно-кристалічні речовини, тому що містять склоподібні фази і одночасно кристали в своєму складі. При цьому варто відзначити, що властивості матеріалів не повинна залежать від вмісту в ньому склофази.

Аморфні метали

Застосування аморфних речовин найбільш активно здійснюється в галузі медицини. Наприклад, швидко охолоджений метал активно використовується в хірургії. Завдяки пов'язаним з ним розробкам багато людей отримали можливість самостійно пересуватися після важких травм. Вся справа в тому, що речовина аморфної структури є відмінним біоматеріалом для імплантації в кістки. Отримані спеціальні гвинти, пластини, штирі, шпильки впроваджують при важких переломах. Раніше в хірургії для таких цілей застосовувалися сталь і титан. Лише пізніше було відмічено, що аморфні речовини дуже повільно розпадаються в організмі, а це дивна властивість дає можливість відновитися кістковим тканинам. Згодом речовина замінюється кісткою.

Застосування речовин аморфного типу в метрології і точної механіки

Точна механіка заснована саме на точності, а тому так і називається. Особливо важливу роль в даній галузі, так само як і в метрології, грають надточні показники приладів вимірювання, цього дозволяє домогтися використання в пристроях аморфних тіл. Завдяки точним вимірам проводяться лабораторні та наукові дослідження в інститутах у галузі механіки і фізики, відбувається отримання нових препаратів, вдосконалення наукових знань.

Полімери

Ще один приклад застосування аморфного речовини - це полімери. Вони можуть повільно переходити з твердого стану в рідину, в той час як кристалічні полімери характеризуються температурою плавлення, а не температурою розм'якшення. Яке фізичний стан аморфних полімерів? Якщо надати цим речовинам низьку температуру, можна помітити, що вони будуть знаходитися в склоподібного стані і проявляти властивості твердих тіл. Поступове нагрівання сприяє тому, що полімери починають переходити в стан підвищеної еластичності.

Аморфні речовини, приклади яких ми зараз приводили, інтенсивно використовуються в промисловості. Наделастичні стан дозволяє полимерам як завгодно деформуватися, а досягається такий стан завдяки підвищеній гнучкості ланок і молекул. Подальше підвищення показників температури призводить до того, що полімер набуває ще більш еластичні властивості. Він починає переходити в особливу плинне і в'язке стан.

Якщо залишити ситуацію без контролю і не перешкодити подальшому підвищенню температури, полімер піддасться деструкції, тобто руйнування. В'язкий стан показує, що всі ланки макромолекули дуже рухливі. Коли тече молекула полімеру, ланки не тільки випрямляються, а й ще й сильно зближуються один з одним. Межмолекулярное вплив перетворює полімер в жорстке речовина (гуму). Такий процес називають механічним склування. Отриману речовину використовують для виробництва плівок і волокон.

На основі полімерів можна отримати поліаміди, поліакрілонітріли. Щоб виготовити полімерну плівку, потрібно продавити полімери через фільєри, які мають щелевидное отвір, і нанести на стрічку. Таким чином виготовляються пакувальні матеріали та основи для магнітних стрічок. До полімерам відносяться також різні лаки (утворюють пінку в органічному розчиннику), клеї та інші скріплюють матеріали, композити (полімерна основа з наповнювачем), пластмаси.

Області застосування полімерів

Такого виду аморфні речовини міцно ввійшли в наше життя. Застосовуються вони всюди. До них відносять:

1. Різні основи для виготовлення лаків, клею, пластмасових виробів (фенолформальдегідні смоли).

2. Еластомери або синтетичні каучуки.

3. Електроізоляційний матеріал - полівінілхлорид, або всім відомі пластикові вікна з ПВХ. Він стійкий до пожеж, так як вважається важкогорючим, володіє підвищеною механічною міцністю і електроізоляційними властивостями.

4. Поліамід - речовина, що має дуже високу міцність, стійкість до зношування. Йому властиві високі діелектричні характеристики.

5. Плексиглас, або поліметилметакрилат. Його ми можемо застосовувати у сфері електротехніки або використовувати як матеріал для конструкцій.

6. Фторопласт, або політетрафторетилен, - відомий діелектрик, який не проявляє властивостей розчинення в розчинниках органічного походження. Великий діапазон температур і хороші діелектричні властивості дозволяють застосовувати його як гідрофобний або антифрикційний матеріал.

7. Полістирол. Цей матеріал не схильний до дії кислот. Він, так само як фторопласт і поліамід, може вважатися діелектриком. Дуже міцний відносно механічного впливу. Полістирол використовують повсюдно. Наприклад, він добре зарекомендував себе як конструкційний і електроізоляційний матеріал. Застосовується в електро- і радіотехніці.

8. Напевно, найвідоміший для нас полімер - це поліетилен. Матеріал проявляє стійкість при впливі агресивного середовища, він абсолютно не пропускає вологу. Якщо упаковка виконана з поліетилену, можна не боятися, що вміст зіпсується під впливом сильного дощу. Поліетилен - це теж діелектрик. Його застосування широко. З нього виготовляють трубні конструкції, різні електротехнічні вироби, ізоляційну плівку, оболонки для кабелів телефонних і силових ліній, деталі для радіо та іншої апаратури.

9. Поліхлорвініл - це високополімерних речовину. Він є синтетичним і термопластичних. Має структурою молекул, які несиметричні. Майже не пропускає воду і виготовляється шляхом пресування за допомогою штампування і шляхом формування. Поліхлорвініл застосовують найчастіше в електричній промисловості. На його основі створюють різні теплоізоляційні шланги та шланги для хімічного захисту, акумуляторні банки, ізоляційні втулки і прокладки, проводи та кабелі. Поліхлорвініл також є відмінною заміною шкідливому свинцю. Його не можна застосовувати як високочастотних ланцюгів у вигляді діелектрика. А все через те, що в цьому випадку показники діелектричних втрат будуть високими. Має високу провідність.