Corpi amorfi
Sostanze amorfe (corpi)(da altro greco. ἀ "non-" e μορφή "tipo, forma") - uno stato condensato della materia, la cui struttura atomica ha un ordine a corto raggio e non ha un ordine a lungo raggio, caratteristico delle strutture cristalline. A differenza dei cristalli, le sostanze stabilmente amorfe non si solidificano con la formazione di facce cristalline e (se non fossero sotto il più forte effetto anisotropo - compressione o campo elettrico, per esempio) hanno proprietà isotrope, cioè non mostrano varie proprietà in direzioni diverse. E non hanno un punto di fusione specifico: con l'aumentare della temperatura, le sostanze stabilmente amorfe si ammorbidiscono gradualmente e al di sopra della temperatura di transizione vetrosa (T g) passano allo stato liquido. Sostanze con un'elevata velocità di cristallizzazione, di solito aventi una struttura (poli-)cristallina, ma fortemente sottoraffreddate alla solidificazione in uno stato amorfo, al successivo riscaldamento, poco prima della fusione, ricristallizzano (in stato solido Insieme a piccola selezione calore), e poi si sciolgono come un normale policristallino.
Ottenuto a alta velocità solidificazione (raffreddamento) di un liquido fuso o condensazione di vapori su un substrato raffreddato notevolmente al di sotto della temperatura di FUSIONE (non bollente!) (qualsiasi oggetto). Il rapporto tra la velocità di raffreddamento reale (dT/dt) e la velocità di cristallizzazione caratteristica determina la proporzione di policristalli nel volume amorfo. La velocità di cristallizzazione è un parametro di una sostanza che dipende debolmente dalla pressione e dalla temperatura (fortemente vicino al punto di fusione). E fortemente dipendente dalla complessità della composizione - per metalli dell'ordine di frazioni o decine di millisecondi; e per gli occhiali a temperatura ambiente - centinaia e migliaia di anni (vecchi occhiali e specchi diventano opachi).
Le proprietà elettriche e meccaniche delle sostanze amorfe sono più vicine a quelle dei cristalli singoli che dei policristalli a causa dell'assenza di transizioni intercristalline (confini) taglienti e fortemente contaminate da impurità con composizione chimica spesso completamente diversa.
Le proprietà non meccaniche degli stati semi-amorfi sono generalmente intermedie tra amorfo e cristallino e sono isotropiche. Tuttavia, l'assenza di transizioni intercristalline nette influisce notevolmente sulle proprietà elettriche e meccaniche, rendendole simili a quelle amorfe.
Sotto influenze esterne, le sostanze amorfe mostrano sia proprietà elastiche, come i solidi cristallini, sia fluidità, come un liquido. Quindi, con impatti a breve termine (impatti), si comportano come sostanze solide e, con un forte impatto, si rompono in pezzi. Ma con un'esposizione molto lunga (ad esempio, allungamento), scorrono sostanze amorfe. Ad esempio, anche la resina (o catrame, bitume) è una sostanza amorfa. Se lo frantumi in piccole parti e riempi il recipiente con la massa risultante, dopo un po 'la resina si fonderà in un tutt'uno e assumerà la forma di un recipiente.
A seconda delle proprietà elettriche, vengono divisi metalli amorfi, non metalli amorfi e semiconduttori amorfi.
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Non tutti i solidi sono cristalli. Ci sono molti corpi amorfi.
I corpi amorfi non hanno un ordine rigoroso nella disposizione degli atomi. Solo gli atomi più vicini - i vicini si trovano in un certo ordine. Ma non esiste un orientamento rigoroso in tutte le direzioni dello stesso elemento della struttura, che è caratteristico dei cristalli nei corpi amorfi.
Spesso la stessa sostanza può trovarsi sia allo stato cristallino che amorfo. Ad esempio, il quarzo SiO2 può essere sia in forma cristallina che amorfa (silice). La forma cristallina del quarzo può essere rappresentata schematicamente come un reticolo di esagoni regolari. Anche la struttura amorfa del quarzo ha la forma di un reticolo, ma forma irregolare. Insieme agli esagoni, contiene pentagoni ed ettagoni.
Nel 1959 condusse il fisico inglese D. Bernal esperienze interessanti: ha preso un sacco di palline di plastilina della stessa dimensione, le ha arrotolate in polvere di gesso e le ha pressate in una grande palla. Di conseguenza, le sfere sono state deformate in poliedri. Si è scoperto che in questo caso si sono formate prevalentemente facce pentagonali e i poliedri avevano una media di 13,3 facce. Quindi c'è sicuramente un certo ordine nelle sostanze amorfe.
I corpi amorfi includono vetro, resina, colofonia, zucchero candito, ecc. A differenza delle sostanze cristalline, le sostanze amorfe sono isotropiche, cioè le loro proprietà meccaniche, ottiche, elettriche e di altro tipo non dipendono dalla direzione. I corpi amorfi non hanno un punto di fusione fisso: la fusione avviene in un certo intervallo di temperatura. La transizione di una sostanza amorfa dallo stato solido a quello liquido non è accompagnata da un brusco cambiamento delle proprietà. Un modello fisico dello stato amorfo non è stato ancora creato.
I corpi amorfi occupano una posizione intermedia tra solidi cristallini e liquidi. I loro atomi o molecole sono disposti in ordine relativo. Comprendere la struttura dei solidi (cristallini e amorfi) consente di creare materiali con le proprietà desiderate.
Sotto influenze esterne corpi amorfi presentano sia proprietà elastiche, come i solidi, sia fluidità, come i liquidi. Quindi, con impatti a breve termine (impatti), si comportano come corpi solidi e, con un forte impatto, si rompono in pezzi. Ma con un'esposizione molto lunga, scorrono corpi amorfi. Seguiamo un pezzo di resina che giace su una superficie liscia. A poco a poco, la resina si diffonde su di essa e maggiore è la temperatura della resina, più velocemente ciò accade.
Corpi amorfi a basse temperature le loro proprietà assomigliano ai solidi. Non hanno quasi fluidità, ma con l'aumentare della temperatura si ammorbidiscono gradualmente e le loro proprietà si avvicinano sempre di più a quelle dei liquidi. Questo perché man mano che la temperatura sale, i salti degli atomi da una posizione all'altra diventano gradualmente più frequenti. I corpi amorfi, a differenza di quelli cristallini, non hanno una certa temperatura dei corpi.
Quando una sostanza liquida viene raffreddata, non sempre cristallizza. in determinate condizioni, può formarsi uno stato solido amorfo (vetroso) di non equilibrio. Lo stato vetroso può contenere sostanze semplici (carbonio, fosforo, arsenico, zolfo, selenio), ossidi (ad esempio boro, silicio, fosforo), alogenuri, calcogenuri, molti polimeri organici.In questo stato una sostanza può essere stabile per lungo periodo di tempo, ad esempio, alcuni vetri vulcanici hanno milioni di anni. Fisico e Proprietà chimiche le sostanze in uno stato amorfo vetroso possono differire in modo significativo dalle proprietà di una sostanza cristallina. Ad esempio, il biossido di germanio vetroso è chimicamente più attivo del cristallino. Le differenze nelle proprietà dello stato amorfo liquido e solido sono determinate dalla natura del moto termico delle particelle: nello stato amorfo, le particelle sono capaci solo di movimenti oscillatori e rotazionali, ma non possono muoversi nello spessore della sostanza.
Sotto l'azione di carichi meccanici o quando la temperatura cambia, i corpi amorfi possono cristallizzare. La reattività delle sostanze allo stato amorfo è molto più elevata che allo stato cristallino. caratteristica principale amorfo (dal greco "amorphos" - informe) stato della materia - l'assenza di un reticolo atomico o molecolare, cioè una periodicità tridimensionale della struttura caratteristica dello stato cristallino.
Ci sono sostanze che in forma solida possono essere solo in uno stato amorfo. Questo vale per i polimeri con una sequenza irregolare di unità.
CORPI AMORFI(Greco amorphos - informe) - corpi in cui le particelle composite elementari (atomi, ioni, molecole, i loro complessi) sono disposte casualmente nello spazio. Per distinguere i corpi amorfi da quelli cristallini (vedi Cristalli), viene utilizzata l'analisi di diffrazione dei raggi X (vedi). Corpi cristallini sulle radiografie danno uno schema di diffrazione chiaramente definito sotto forma di anelli, linee, macchie e corpi amorfi - un'immagine sfocata e irregolare.
I corpi amorfi hanno le seguenti caratteristiche: 1) in condizioni normali isotropo, cioè le loro proprietà (meccaniche, elettriche, chimiche, termiche e così via) sono le stesse in tutte le direzioni; 2) non hanno un punto di fusione specifico e all'aumentare della temperatura la maggior parte dei corpi amorfi, ammorbidendosi gradualmente, passa allo stato liquido. Pertanto, i corpi amorfi possono essere considerati liquidi super raffreddati che non hanno avuto il tempo di cristallizzare a causa di un forte aumento della viscosità (vedi) a causa di un aumento delle forze di interazione tra le singole molecole. Molte sostanze, a seconda dei metodi di preparazione, possono trovarsi in stati amorfi, intermedi o cristallini (proteine, zolfo, silice e così via). Tuttavia, ci sono sostanze che si trovano praticamente in uno solo di questi stati. Quindi, la maggior parte dei metalli, i sali sono in uno stato cristallino.
I corpi amorfi sono molto diffusi (vetro, naturale e resina artificiale, gomma, ecc.). artificiale materiali polimerici, che sono anche corpi amorfi, sono diventati indispensabili nella tecnologia, nella vita di tutti i giorni, nella medicina (vernici, vernici, plastiche per protesi, vari film polimerici).
Nella fauna selvatica, i corpi amorfi includono il citoplasma e la maggior parte degli elementi strutturali di cellule e tessuti, costituiti da biopolimeri - macromolecole a catena lunga: proteine, acidi nucleici, lipidi, carboidrati. Le molecole di biopolimeri interagiscono facilmente tra loro, dando aggregati (vedi Aggregazione) o sciami-coacervati (vedi Coacervazione). I corpi amorfi si trovano anche nelle cellule sotto forma di inclusioni, sostanze di riserva (amido, lipidi).
Una caratteristica dei polimeri che fanno parte dei corpi amorfi di oggetti biologici è la presenza, ad esempio, di limiti ristretti di zone fisico-chimiche di uno stato reversibile. quando la temperatura sale al di sopra di quella critica, la loro struttura e proprietà (coagulazione delle proteine) cambiano irreversibilmente.
I corpi amorfi formati da un numero di polimeri artificiali, a seconda della temperatura, possono trovarsi in tre stati: vetrosi, altamente elastici e liquidi (fluidi viscosi).
Le cellule di un organismo vivente sono caratterizzate da transizioni da uno stato liquido a uno stato altamente elastico a temperatura costante, ad esempio retrazione di un coagulo di sangue, contrazione muscolare (vedi). Nei sistemi biologici, i corpi amorfi svolgono un ruolo cruciale nel mantenimento del citoplasma stato stazionario. Il ruolo dei corpi amorfi nel mantenere la forma e la forza degli oggetti biologici è importante: il guscio di cellulosa delle cellule vegetali, i gusci di spore e batteri, la pelle degli animali e così via.
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I solidi si dividono in amorfi e cristallini, a seconda della struttura molecolare e delle proprietà fisiche.
A differenza dei cristalli, le molecole e gli atomi dei solidi amorfi non formano un reticolo e la distanza tra loro varia entro un certo intervallo di possibili distanze. In altre parole, nei cristalli, gli atomi o le molecole sono disposti reciprocamente in modo tale che la struttura formata possa essere ripetuta in tutto il volume del corpo, che è chiamato ordine a lungo raggio. Nel caso di corpi amorfi, la struttura delle molecole è preservata solo rispetto a ciascuna di queste molecole, si osserva una regolarità nella distribuzione delle sole molecole vicine - ordine a corto raggio. esempio illustrativo presentato di seguito.
I corpi amorfi includono vetro e altre sostanze allo stato vetroso, colofonia, resine, ambra, ceralacca, bitume, cera e anche materia organica: gomma, pelle, cellulosa, polietilene, ecc.
La particolarità della struttura dei solidi amorfi conferisce loro proprietà individuali:
In natura esistono liquidi che è praticamente impossibile convertire allo stato cristallino mediante raffreddamento, poiché la complessità delle molecole di queste sostanze non consente loro di formare un reticolo cristallino regolare. Le molecole di alcuni polimeri organici appartengono a tali liquidi.
Tuttavia, con l'aiuto di un raffreddamento profondo e rapido, quasi tutte le sostanze possono entrare in uno stato vetroso. Questo è uno stato così amorfo che non ha un reticolo cristallino chiaro, ma può parzialmente cristallizzare, sulla scala di piccoli ammassi. Questo stato della materia è metastabile, cioè è preservato in determinate condizioni termodinamiche richieste.
Con l'aiuto della tecnologia di raffreddamento a una certa velocità, la sostanza non avrà il tempo di cristallizzarsi e si trasformerà in vetro. Cioè, maggiore è la velocità di raffreddamento del materiale, minore è la probabilità che si cristallizzi. Quindi, ad esempio, per la produzione di vetri metallici è richiesta una velocità di raffreddamento di 100.000 - 1.000.000 di Kelvin al secondo.
In natura la materia esiste allo stato vetroso e nasce dal magma vulcanico liquido, con il quale interagisce acqua fredda o aria, si raffredda rapidamente. A questo caso la sostanza è chiamata vetro vulcanico. Puoi anche osservare il vetro formatosi a seguito dello scioglimento di un meteorite in caduta che interagisce con l'atmosfera: vetro meteoritico o moldavite.
Nel paragrafo precedente abbiamo appreso che alcuni solidi (ad esempio sale, quarzo, metalli e altri) sono mono o policristalli. Conosciamolo ora corpi amorfi. Occupano una posizione intermedia tra cristalli e liquidi, quindi non possono essere definiti inequivocabilmente solidi.
Facciamo un esperimento. Avremo bisogno di: un pezzo di plastilina, una candela alla stearina e una stufa elettrica. Metti la plastilina e una candela a distanze uguali dal riscaldatore. Presto parte della candela si scioglierà, parte rimarrà sotto forma di un corpo solido e la plastilina si “ammorbidirà”. Qualche tempo dopo, tutta la stearina si scioglierà e la plastilina si "allargherà" gradualmente, diventando completamente morbida.
Come la stearina, ce ne sono altre sostanze cristalline , che non si ammorbidiscono se riscaldati, e durante lo scioglimento si vedono sempre sia il liquido che la parte del corpo che non si è ancora sciolta. Questo, ad esempio, tutti i metalli. Ma ci sono anche sostanze amorfe, che gradualmente si ammorbidiscono quando riscaldati, diventano sempre più fluidi, quindi è impossibile specificare la temperatura alla quale il corpo si trasforma in un liquido (si scioglie).
Corpi amorfi a qualsiasi temperatura hanno fluidità. Confermiamolo con l'esperienza. Gettiamo un pezzo di una sostanza amorfa in un imbuto di vetro e lasciamolo in una stanza calda (nella figura - resina di catrame; da esso si ricava l'asfalto). Dopo alcune settimane si scoprirà che la resina ha preso la forma di un imbuto e ha addirittura cominciato a fuoriuscire come un "getto". Questo è un corpo amorfo si comporta come un liquido molto denso e viscoso.
La struttura dei corpi amorfi. Ricerca microscopio elettronico ei raggi X mostrano che nei corpi amorfi non c'è un ordine rigoroso nella disposizione delle loro particelle. A differenza dei cristalli, dove c'è ordine a lungo raggio solo nella disposizione delle particelle, nella struttura dei corpi amorfi ordine a corto raggio- un certo ordinamento della disposizione delle particelle è conservato solo in prossimità di ogni singola particella(Guarda l'immagine). La parte superiore mostra la disposizione delle particelle nel quarzo cristallino, la parte inferiore mostra la disposizione delle particelle nella forma amorfa del quarzo. Queste sostanze sono costituite dalle stesse particelle: molecole di ossido di silicio SiO 2.
Come le particelle di qualsiasi corpo, le particelle di corpi amorfi vibrano continuamente e in modo casuale e più spesso di quanto le particelle di cristalli possano saltare da un posto all'altro. Ciò è facilitato dal fatto che le particelle dei corpi amorfi non sono ugualmente dense, creando a volte spazi relativamente ampi. Tuttavia, questo non è lo stesso di "posti vacanti" nei cristalli (vedi § 7-e).
Cristallizzazione di corpi amorfi. Nel tempo (settimane, mesi) sostanze amorfe spontaneamente entrare in uno stato cristallino. Ad esempio, lo zucchero candito o il miele, lasciati soli per diversi mesi, diventano opachi. In questo caso si dice che il miele e le caramelle sono "candite". Rompendo un tale lecca-lecca o raccogliendo tale miele con un cucchiaio, vedremo i cristalli di zucchero risultanti, che prima esistevano in uno stato amorfo.
La cristallizzazione spontanea di corpi amorfi lo indica lo stato cristallino della materia è più stabile dello stato amorfo. MKT lo spiega in questo modo. Le forze di attrazione e repulsione dei "vicini" muovono particelle di un corpo amorfo in posizioni in cui l'energia potenziale è minima(vedi § 7-d). In questo caso, si verifica una disposizione più ordinata delle particelle, il che significa che si verifica una cristallizzazione indipendente.
