El término "amorfo" se traduce del griego literalmente como "no es una forma", "no es una forma". Tales sustancias no tienen una estructura cristalina, no sufren división con la formación de caras cristalinas. Por regla general, un cuerpo amorfo es isótropo, es decir, su propiedades físicas no dependen de la dirección de la influencia externa.
Dentro de un cierto período de tiempo (meses, semanas, días), los cuerpos amorfos individuales pueden pasar espontáneamente a un estado cristalino. Así, por ejemplo, se puede observar cómo la miel o el azúcar de caña pierden su transparencia al cabo de un tiempo. En tales casos, se suele decir que los productos son "confitados". Al mismo tiempo, recogiendo miel confitada con una cuchara o rompiendo una piruleta, uno puede realmente observar los cristales de azúcar formados, que anteriormente existían en forma amorfa.
Tal cristalización espontánea de sustancias indica un grado diferente de estabilidad de los estados. Así, un cuerpo amorfo es menos estable.
Junto con los sólidos cristalinos, existen los sólidos amorfos. A cuerpos amorfos a diferencia de los cristales, no existe un orden estricto en la disposición de los átomos. Solo los átomos más cercanos, los vecinos, están dispuestos en algún orden. Pero
no hay una repetición estricta en todas las direcciones del mismo elemento estructural, que es característico de los cristales, en cuerpos amorfos.
A menudo, la misma sustancia puede estar tanto en estado cristalino como amorfo. Por ejemplo, el cuarzo puede estar tanto en forma cristalina como amorfa (sílice). La forma cristalina del cuarzo se puede representar esquemáticamente como una red de hexágonos regulares (Fig. 77, a). La estructura amorfa del cuarzo también tiene la forma de una red, pero Forma irregular. Junto con los hexágonos, contiene pentágonos y heptágonos (Fig. 77, b).
Propiedades de los cuerpos amorfos. Todos los cuerpos amorfos son isotrópicos: sus propiedades físicas son las mismas en todas las direcciones. Los cuerpos amorfos incluyen vidrio, muchos plásticos, resina, colofonia, azúcar cande, etc.
Bajo influencias externas, los cuerpos amorfos exhiben propiedades elásticas, como los sólidos, y fluidez, como los líquidos. Con impactos a corto plazo (impactos), se comportan como un cuerpo sólido y, con un fuerte impacto, se rompen en pedazos. Pero con una exposición muy larga, los cuerpos amorfos fluyen. Así, por ejemplo, una pieza de resina se esparce gradualmente sobre una superficie sólida. Los átomos o moléculas de cuerpos amorfos, como las moléculas líquidas, tienen un cierto tiempo de "vida estable" - el tiempo de oscilaciones alrededor de la posición de equilibrio. Pero a diferencia de los líquidos, tienen mucho tiempo. A este respecto, los cuerpos amorfos se aproximan a los cristalinos, ya que rara vez se producen saltos de átomos de una posición de equilibrio a otra.
A temperaturas bajas los cuerpos amorfos se asemejan a los cuerpos sólidos en sus propiedades. Casi no tienen fluidez, pero a medida que aumenta la temperatura, se ablandan gradualmente y sus propiedades se acercan cada vez más a las de los líquidos. Esto se debe a que a medida que aumenta la temperatura, los saltos de átomos desde una posición se vuelven gradualmente más frecuentes.
equilibrio a otro. Los cuerpos amorfos, a diferencia de los cristalinos, no tienen un punto de fusión específico.
Física del estado sólido. Todas las propiedades de los sólidos (cristalinos y amorfos) se pueden explicar sobre la base del conocimiento de su estructura atómica y molecular y de las leyes de movimiento de las moléculas, átomos, iones y electrones que forman los sólidos. Los estudios de las propiedades de los sólidos se combinan en área grande física moderna - física del estado sólido. El desarrollo de la física del estado sólido se ve estimulado principalmente por las necesidades de la tecnología. Aproximadamente la mitad de los físicos del mundo trabajan en el campo de la física del estado sólido. Por supuesto, los logros en esta área son impensables sin un conocimiento profundo de todas las demás ramas de la física.
1. Que es diferente cuerpos cristalinos de amorfo? 2. ¿Qué es la anisotropía? 3. Dé ejemplos de cuerpos monocristalinos, policristalinos y amorfos. 4. ¿En qué se diferencian las dislocaciones de borde de las de tornillo?
Los sólidos amorfos en muchas de sus propiedades y principalmente en su microestructura deben ser considerados como líquidos altamente sobreenfriados con un coeficiente de viscosidad muy alto. La estructura de tales cuerpos se caracteriza solo por un orden de corto alcance en la disposición de las partículas. Algunas de estas sustancias no pueden cristalizar en absoluto: cera, lacre, resinas. Otros, bajo un determinado régimen de enfriamiento, forman estructuras cristalinas, pero en el caso de un enfriamiento rápido, un aumento de la viscosidad impide ordenar la disposición de las partículas. La sustancia solidifica antes de que se realice el proceso de cristalización. Tales cuerpos se llaman vítreos: vidrio, hielo. El proceso de cristalización en una sustancia de este tipo también puede ocurrir después de la solidificación (empañamiento de los vidrios). Amorfo también incluye sólido materia orgánica: caucho, madera, cuero, plásticos, fibras de lana, algodón y seda. El proceso de transición de dichas sustancias de la fase líquida a la fase sólida se muestra en la Fig. – curva I.
Los cuerpos amorfos no tienen una temperatura de solidificación (fusión). En el gráfico T \u003d f (t) hay un punto de inflexión, que se llama punto de reblandecimiento. Una disminución de la temperatura conduce a un aumento gradual de la viscosidad. Esta naturaleza de la transición de Estado sólido, provoca la ausencia de sustancias amorfas calor específico de fusión. La transición inversa, cuando se suministra calor, hay un ablandamiento suave al estado de líquido.
CUERPOS SÓLIDOS DE CRISTAL.
Un rasgo característico de la microestructura de los cristales es la periodicidad espacial de sus campos eléctricos internos y la repetibilidad en la disposición de las partículas que forman cristales: átomos, iones y moléculas (orden de largo alcance). Las partículas se alternan en cierto orden a lo largo de líneas rectas, que se denominan nodales. En cualquier sección plana de un cristal, dos sistemas de intersección de tales líneas forman un conjunto de paralelogramos absolutamente idénticos, que cubren el plano de la sección de forma apretada, sin espacios. En el espacio, la intersección de tres sistemas no coplanares de tales líneas forma una cuadrícula espacial que divide el cristal en un conjunto de paralelepípedos completamente idénticos. Los puntos de intersección de las líneas que forman la red cristalina se denominan nodos. Las distancias entre nodos a lo largo de alguna dirección se denominan traslaciones o periodos de celosía. Un paralelepípedo construido sobre tres traslaciones no coplanares se denomina celda elemental o paralelepípedo de repetibilidad de celosía. La propiedad geométrica más importante de las redes cristalinas es la simetría en la disposición de las partículas con respecto a ciertas direcciones y planos. Por esta razón, aunque hay varias formas de elegir una celda unitaria, para una estructura cristalina dada, elíjala de modo que corresponda a la simetría de la red.
Los cuerpos cristalinos se pueden dividir en dos grupos: monocristales y policristales. Para monocristales, se observa una red monocristalina en el volumen de todo el cuerpo. Y aunque forma externa monocristales del mismo tipo pueden ser diferentes, los ángulos entre las caras correspondientes serán siempre los mismos. Un rasgo característico de los monocristales es la anisotropía de las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas y otras.
Los cristales individuales a menudo se encuentran en estado natural en la naturaleza. Por ejemplo, la mayoría de los minerales son cristal, esmeraldas, rubíes. En la actualidad, para fines industriales, muchos monocristales se cultivan artificialmente a partir de soluciones y fundidos: rubíes, germanio, silicio, arseniuro de galio.
Lo mismo elemento químico puede formar varias, que difieren en geometría, estructuras cristalinas. Este fenómeno se llama polimorfismo. Por ejemplo, el carbono es grafito y diamante; hielo cinco modificaciones, etc.
El facetado externo correcto y la anisotropía de las propiedades, por regla general, no aparecen para los cuerpos cristalinos. Esto se debe a que los sólidos cristalinos generalmente consisten en muchos cristales pequeños orientados al azar. Estos sólidos se denominan policristalinos. Esto se debe al mecanismo de cristalización: cuando se alcanzan las condiciones necesarias para este proceso, los centros de cristalización aparecen simultáneamente en muchos lugares de la fase inicial. Los cristales nucleados están ubicados y orientados entre sí de manera bastante arbitraria. Por esta razón, al final del proceso, obtenemos un cuerpo sólido en forma de un conglomerado de pequeños cristales intercrecidos: cristalitos.
Desde un punto de vista energético, la diferencia entre sólidos cristalinos y amorfos se ve claramente en el proceso de solidificación y fusión. Los cuerpos cristalinos tienen un punto de fusión: la temperatura cuando la sustancia existe de manera estable en dos fases: sólida y líquida (Fig. curva 2). La transición de una molécula sólida a un líquido significa que adquiere tres grados adicionales de libertad de movimiento de traslación. Que. unidad de masa de una sustancia en T pl. en la fase líquida tiene una energía interna mayor que la misma masa en la fase sólida. Además, la distancia entre las partículas cambia. Por lo tanto, en general, la cantidad de calor requerida para convertir una unidad de masa de una sustancia cristalina en un líquido será:
λ \u003d (U W -U cr) + P (V W -V cr),
donde λ es el calor específico de fusión (cristalización), (U f -U cr) es la diferencia entre las energías internas de las fases líquida y cristalina, P es la presión externa, (V f -V cr) es la diferencia volúmenes específicos. Según la ecuación de Clausius-Clapeyron, el punto de fusión depende de la presión:
Se puede ver que si (V W -V cr) > 0, entonces 
> 0, es decir al aumentar la presión, el punto de fusión aumenta. Si el volumen de la sustancia disminuye durante la fusión (V W -V cr)<
0 (вода, висмут), то рост давления приводит
к понижению Т пл.
Los cuerpos amorfos no tienen calor de fusión. El calentamiento conduce a un aumento gradual en la tasa de movimiento térmico y una disminución en la viscosidad. Hay un punto de inflexión en el gráfico del proceso (Fig.), que convencionalmente se llama punto de ablandamiento.
PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS CUERPOS SÓLIDOS
Debido a la fuerte interacción, el movimiento térmico en los cristales está limitado solo por las vibraciones de las partículas alrededor de los nodos. red cristalina. La amplitud de estas fluctuaciones generalmente no gira 10 -11 m, es decir. es sólo el 5-7% del período de rejilla a lo largo de la dirección correspondiente. La naturaleza de estas oscilaciones es muy complicada, ya que está determinada por las fuerzas de interacción de una partícula oscilante con todas sus vecinas.
Un aumento en la temperatura significa un aumento en la energía del movimiento de las partículas. Esto, a su vez, significa un aumento en la amplitud de las oscilaciones de las partículas y explica la expansión de los sólidos cristalinos al calentarse.
yo t = yo 0 (1 + αt 0),
dónde yo t y yo 0 - dimensiones lineales del cuerpo a temperaturas t 0 y 0 0 С, α - coeficiente de expansión lineal. Para sólidos α tiene el orden de 10 -5 - 10 -6 K -1 . Como resultado de la expansión lineal, el volumen del cuerpo también aumenta:
V t = V 0 (1 + βt 0),
aquí β es el coeficiente de expansión de volumen. β = 3α en el caso de expansión isotrópica. Los cuerpos monocristalinos, al ser anisotrópicos, tienen tres valores diferentes de α.
Cada partícula que oscila tiene tres grados de libertad de movimiento oscilatorio. Considerando que, además de la energía cinética, las partículas también tienen energía potencial, la energía ε = kT debe asignarse a un grado de libertad de las partículas de los cuerpos sólidos. Ahora para la energía interna del mol tendremos:
U μ = 3N A kT = 3RT,
y para la capacidad calorífica molar:
Aquellos. la capacidad calorífica molar de los cuerpos cristalinos químicamente simples es la misma y no depende de la temperatura. Esta es la ley de Dulong-Petit.
Como mostró el experimento, esta ley se cumple bastante bien, a partir de la temperatura ambiente. Einstein y Debye dieron explicaciones para las desviaciones de la ley de Dulong-Petit a bajas temperaturas en la teoría cuántica de la capacidad calorífica. Se demostró que la energía que cae en un grado de libertad no es un valor constante, sino que depende de la temperatura y la frecuencia de oscilación.
CRISTALES REALES. DEFECTOS EN CRISTALES
Los cristales reales tienen una serie de violaciones de la estructura ideal, que se denominan defectos de cristal:
a) defectos puntuales -
defectos de Schottky (nodos no ocupados por partículas);
defectos de Frenkel (desplazamiento de partículas de los nodos a los intersticiales);
impurezas (átomos extraños implantados);
b) lineal - dislocaciones de borde y de tornillo. es local irregular
sti en la disposición de las partículas
debido a la incompletitud de los planos atómicos individuales
o por violaciones en la secuencia de su desarrollo;
c) plano: límites entre cristalitos, filas de dislocaciones lineales.
A diferencia de los sólidos cristalinos, no existe un orden estricto en la disposición de las partículas en un cuerpo amorfo.
Aunque los sólidos amorfos pueden conservar su forma, no tienen una red cristalina. Se observa cierta regularidad solo para moléculas y átomos ubicados en la vecindad. Este orden se llama orden de corto alcance . No se repite en todas las direcciones y no se conserva a largas distancias, como en los cuerpos cristalinos.
Ejemplos de cuerpos amorfos son el vidrio, el ámbar, resina artificial, cera, parafina, plastilina, etc.
Los átomos en cuerpos amorfos oscilan alrededor de puntos que están ubicados al azar. Por lo tanto, la estructura de estos cuerpos se parece a la estructura de los líquidos. Pero las partículas en ellos son menos móviles. El tiempo de su oscilación alrededor de la posición de equilibrio es mayor que en los líquidos. Los saltos de átomos a otra posición también ocurren con mucha menos frecuencia.
¿Cómo se comportan los sólidos cristalinos cuando se calientan? Comienzan a derretirse en cierto punto de fusion. Y durante algún tiempo están simultáneamente en estado sólido y líquido, hasta que toda la sustancia se derrita.
Los cuerpos amorfos no tienen un punto de fusión específico. . Cuando se calientan, no se derriten, sino que se ablandan gradualmente.
Poner un trozo de plastilina cerca calentador. Después de un tiempo se volverá suave. Esto no sucede instantáneamente, sino durante un período de tiempo.
Dado que las propiedades de los cuerpos amorfos son similares a las de los líquidos, se les considera líquidos sobreenfriados con una viscosidad muy alta (líquidos solidificados). A condiciones normales no pueden fluir. Pero cuando se calientan, los saltos de átomos en ellos ocurren con mayor frecuencia, la viscosidad disminuye y los cuerpos amorfos se ablandan gradualmente. Cuanto mayor es la temperatura, menor es la viscosidad y, gradualmente, el cuerpo amorfo se vuelve líquido.
El vidrio ordinario es un cuerpo sólido amorfo. Se obtiene fundiendo óxido de silicio, sosa y cal. Calentando la mezcla a 1400 aproximadamente C, se obtiene una masa vítrea líquida. al enfriar vidrio liquido no se solidifica, como los cuerpos cristalinos, sino que permanece líquido, cuya viscosidad aumenta y la fluidez disminuye. En condiciones ordinarias, se nos aparece como un cuerpo sólido. Pero en realidad es un líquido que tiene una enorme viscosidad y fluidez, tan pequeña que apenas puede ser distinguida por los instrumentos más ultrasensibles.
El estado amorfo de la materia es inestable. Con el tiempo, de un estado amorfo, se convierte gradualmente en cristalino. este proceso en diferentes sustancias pasa desde velocidad diferente. Vemos cómo los cristales de azúcar cubren los caramelos de azúcar. Esto no lleva mucho tiempo.
Y para que se formen cristales en el vidrio ordinario, debe pasar mucho tiempo. Durante la cristalización, el vidrio pierde su fuerza, transparencia, se vuelve turbio y se vuelve quebradizo.
En los sólidos cristalinos, las propiedades físicas difieren en direcciones diferentes. Y en los cuerpos amorfos son iguales en todas las direcciones. Este fenómeno se llama isotropía .
Un cuerpo amorfo conduce por igual la electricidad y el calor en todas las direcciones y refracta la luz por igual. El sonido también se propaga por igual en los cuerpos amorfos en todas las direcciones.
Las propiedades de las sustancias amorfas se utilizan en tecnologías modernas. De particular interés son las aleaciones metálicas que no tienen una estructura cristalina y son sólidos amorfos. Se les llama gafas metalicas . Sus propiedades físicas, mecánicas, eléctricas y otras difieren de las propiedades similares de los metales convencionales para mejor.
Entonces, en medicina, se usan aleaciones amorfas, cuya resistencia supera la del titanio. Se utilizan para hacer tornillos o placas que conectan huesos rotos. A diferencia de los sujetadores de titanio, este material se desintegra gradualmente y es reemplazado por material óseo con el tiempo.
Las aleaciones de alta resistencia se utilizan en la fabricación de herramientas para corte de metales, accesorios, resortes y partes de mecanismos.
En Japón se ha desarrollado una aleación amorfa con alta permeabilidad magnética. Al usarlo en núcleos de transformadores en lugar de láminas de acero texturizadas de transformadores, las pérdidas por corrientes de Foucault se pueden reducir en un factor de 20.
Los metales amorfos tienen propiedades únicas. Se les llama el material del futuro.
Los sólidos se dividen en amorfos y cristalinos, dependiendo de su estructura molecular y propiedades físicas.
A diferencia de los cristales, las moléculas y los átomos de los sólidos amorfos no forman una red, y la distancia entre ellos varía dentro de un cierto rango de distancias posibles. En otras palabras, en los cristales, los átomos o moléculas se disponen mutuamente de tal manera que la estructura formada se puede repetir en todo el volumen del cuerpo, lo que se denomina orden de largo alcance. En el caso de los cuerpos amorfos, la estructura de las moléculas se conserva solo con respecto a cada una de esas moléculas, se observa una regularidad en la distribución de solo las moléculas vecinas: orden de corto alcance. ejemplo ilustrativo mostrado abajo.
Los cuerpos amorfos incluyen vidrio y otras sustancias en estado vítreo, colofonia, resinas, ámbar, lacre, betún, cera, así como sustancias orgánicas: caucho, cuero, celulosa, polietileno, etc.
La peculiaridad de la estructura de los sólidos amorfos les otorga propiedades individuales:
En la naturaleza existen líquidos que son prácticamente imposibles de convertir a estado cristalino por enfriamiento, ya que la complejidad de las moléculas de estas sustancias no les permite formar una red cristalina regular. Las moléculas de algunos polímeros orgánicos pertenecen a tales líquidos.
Sin embargo, con la ayuda de un enfriamiento profundo y rápido, casi cualquier sustancia puede entrar en un estado vítreo. Este es un estado tan amorfo que no tiene una red cristalina clara, pero puede cristalizar parcialmente, en la escala de pequeños cúmulos. Este estado de la materia es metaestable, es decir, se conserva bajo ciertas condiciones termodinámicas requeridas.
Con la ayuda de la tecnología de enfriamiento a cierta velocidad, la sustancia no tendrá tiempo de cristalizar y se convertirá en vidrio. Es decir, cuanto mayor sea la velocidad de enfriamiento del material, es menos probable que cristalice. Así, por ejemplo, para la fabricación de vidrios metálicos se requiere una velocidad de enfriamiento de 100.000 - 1.000.000 Kelvin por segundo.
En la naturaleza, la materia existe en estado vítreo y surge del magma volcánico líquido que, al interactuar con agua fría o aire, se enfría rápidamente. A este caso la sustancia se llama vidrio volcánico. También puede observar el vidrio formado como resultado de la fusión de un meteorito que cae al interactuar con la atmósfera: vidrio de meteorito o moldavita.
