I solidi sono caratterizzati dalla costanza di forma e volume e si dividono in cristallini e amorfi.
A ogni chimico, che è in uno stato cristallino, corrisponde a un certo reticolo cristallino, che tramonta Proprietà fisiche cristallo.
Lo sapevate?
Molti anni fa a San Pietroburgo, in uno dei magazzini non riscaldati, c'erano grandi scorte di bottoni di peltro bianco lucido. E all'improvviso hanno cominciato a scurirsi, a perdere la loro lucentezza ea sbriciolarsi in polvere. In pochi giorni le montagne di bottoni si sono trasformate in un mucchio di polvere grigia. "Peste di stagno"- così hanno chiamato questa "malattia" della latta bianca.
E questo era solo un riarrangiamento dell'ordine degli atomi nei cristalli di stagno. Lo stagno, passando da una varietà bianca a una grigia, si sbriciola in polvere.
Sia lo stagno bianco che quello grigio sono cristalli di stagno, ma a basse temperature la loro struttura cristallina cambia e, di conseguenza, cambiano le proprietà fisiche della sostanza.
I cristalli possono avere forma diversa e delimitato da spigoli piatti.
In natura esistono:
un) cristalli singoli- si tratta di singoli cristalli omogenei aventi la forma di poligoni regolari e aventi un reticolo cristallino continuo
Monocristalli di sale:
b) policristalli- Questi sono corpi cristallini fusi da piccoli cristalli disposti in modo casuale.
La maggior parte dei solidi ha una struttura policristallina (metalli, pietre, sabbia, zucchero).
Policristalli di bismuto:
Anisotropia dei cristalli
Nei cristalli, c'è anisotropia- dipendenza delle proprietà fisiche (resistenza meccanica, conducibilità elettrica, conducibilità termica, rifrazione e assorbimento della luce, diffrazione, ecc.) dalla direzione all'interno del cristallo.
L'anisotropia si osserva principalmente nei cristalli singoli.
Nei policristalli (ad esempio, in un grande pezzo di metallo), l'anisotropia non appare nello stato normale.
I policristalli sono costituiti da un largo numero piccoli grani cristallini. Sebbene ciascuno di essi abbia anisotropia, ma a causa della casualità della loro disposizione, il corpo policristallino nel suo insieme perde la sua anisotropia.
Qualsiasi sostanza cristallina si scioglie e cristallizza in un tempo strettamente definito punto di fusione: ferro - a 1530 °, stagno - a 232 °, quarzo - a 1713 °, mercurio - a meno 38 °.
Le particelle possono disturbare l'ordine di disposizione in un cristallo solo se inizia a sciogliersi.
Finché c'è un ordine di particelle, c'è un reticolo cristallino, c'è un cristallo. La struttura delle particelle è stata disturbata - significa che il cristallo si è sciolto - si è trasformato in un liquido o è evaporato - si è trasformato in vapore.
I corpi amorfi non hanno un ordine rigoroso nella disposizione di atomi e molecole (vetro, resina, ambra, colofonia).
Nei corpi anfatici, c'è isotropia- le loro proprietà fisiche sono le stesse in tutte le direzioni.
Sotto influenze esterne, esibiscono corpi amorfi contemporaneamente proprietà elastiche (all'impatto si rompono in pezzi come corpi solidi) e fluidità (at esposizione a lungo termine scorrono come liquidi).
A basse temperature, i corpi amorfi assomigliano a solidi nelle loro proprietà e ad alte temperature sono simili a liquidi molto viscosi.
Corpi amorfi non hanno un punto di fusione specifico, e quindi la temperatura di cristallizzazione.
Quando riscaldati, si ammorbidiscono gradualmente.
I corpi amorfi occupano posizione intermedia tra solidi cristallini e liquidi.
La stessa sostanza Può essere trovato sia in forma cristallina che non cristallina.
In una fusione liquida di una sostanza, le particelle si muovono in modo completamente casuale.
Se, ad esempio, lo zucchero si scioglie, allora:
1. Se il fuso si solidifica lentamente, con calma, le particelle vengono raccolte in file uniformi e si formano i cristalli. Si ottiene così lo zucchero semolato o lo zucchero a zollette;
2. se il raffreddamento avviene molto rapidamente, le particelle non hanno il tempo di accumularsi in file regolari e il fuso si solidifica non cristallino. Quindi, se versi lo zucchero fuso in acqua fredda oppure su un piattino molto freddo si forma zucchero candito, zucchero non cristallino.
Meravigliosa!
Nel tempo una sostanza non cristallina può "rinascere", o, più precisamente, cristallizzarsi, le particelle in essa contenute si raccolgono in file regolari.
Solo tempo per diverse sostanze diverso: per lo zucchero sono pochi mesi e per una pietra milioni di anni.
Lascia riposare il lecca-lecca tranquillamente per due o tre mesi, sarà coperto da una crosta sciolta. Guardalo attraverso una lente d'ingrandimento: questi sono piccoli cristalli di zucchero. I cristalli iniziarono a crescere nello zucchero non cristallino. Aspetta ancora qualche mese e non solo la crosta, ma l'intero lecca-lecca si cristallizzerà.
Anche il nostro normale vetro per finestre può cristallizzare. Il vetro molto vecchio a volte diventa completamente torbido, perché in esso si forma una massa di piccoli cristalli opachi.
Nelle vetrerie a volte nella fornace si forma una “capra”, cioè un blocco di vetro cristallino. Questo cristallo è molto resistente: è più facile distruggere la fornace che farne fuori una "capra" ostinata.
Dopo averlo studiato, gli scienziati hanno creato un nuovo materiale di vetro molto resistente: il vetroceramica. Questo è un materiale vetroceramico ottenuto a seguito della cristallizzazione in massa del vetro.
Curioso!
Potrebbero esserci diverse forme di cristallo la stessa sostanza.
Ad esempio, il carbonio.
Grafiteè carbonio cristallino. La grafite viene utilizzata per creare steli di matita che lasciano un segno sulla carta quando vengono leggermente premuti. La struttura della grafite è stratificata. Gli strati di grafite scivolano facilmente, quindi i fiocchi di grafite si attaccano alla carta durante la scrittura.
Ma c'è un'altra forma di carbonio cristallino - diamante.
Facciamo un esperimento. Avremo bisogno di un pezzo di plastilina, una candela alla stearina e un caminetto elettrico. Metti la plastilina e una candela a uguale distanza dal camino. Dopo qualche tempo, parte della stearina si scioglierà (diventerà un liquido) e parte rimarrà sotto forma di un pezzo solido. La plastilina allo stesso tempo si ammorbidirà solo un po '. Dopo un po 'tutta la stearina si scioglierà e la plastilina si "correggerà" gradualmente sulla superficie del tavolo, ammorbidendosi sempre di più.
Quindi, ci sono corpi che non si ammorbidiscono quando si sciolgono, ma da stato solido trasformarsi immediatamente in un liquido. Durante lo scioglimento di tali corpi è sempre possibile separare il liquido dalla parte non fusa (solida) del corpo. Questi corpi sono cristallino. Ci sono anche solidi che, riscaldati, si ammorbidiscono gradualmente, diventano sempre più fluidi. Per tali corpi è impossibile specificare la temperatura alla quale si trasformano in un liquido (fondono). Questi corpi sono chiamati amorfo.
Facciamo il seguente esperimento. Gettiamo un pezzo di resina o cera in un imbuto di vetro e lasciamolo in una stanza calda. Dopo circa un mese, risulterà che la cera ha preso la forma di un imbuto e ha addirittura cominciato a fuoriuscire sotto forma di un "getto" (Fig. 1). A differenza dei cristalli, che mantengono la loro forma quasi per sempre, i corpi amorfi sono fluidi anche a basse temperature. Pertanto, possono essere considerati liquidi molto densi e viscosi.
Struttura corpi amorfi. Ricerca con microscopio elettronico, così come con l'aiuto dei raggi X, indicano che nei corpi amorfi non esiste un ordine rigoroso nella disposizione delle loro particelle. Dai un'occhiata, la Figura 2 mostra la disposizione delle particelle nel quarzo cristallino e, a destra, nel quarzo amorfo. Queste sostanze sono costituite dalle stesse particelle: molecole di ossido di silicio SiO 2.
Lo stato cristallino del quarzo si ottiene raffreddando lentamente il quarzo fuso. Se il raffreddamento del fuso è rapido, le molecole non avranno il tempo di "allinearsi" in file ordinate e si otterrà quarzo amorfo.
Le particelle dei corpi amorfi vibrano in modo continuo e casuale. È più probabile che le particelle di cristalli saltino da un posto all'altro. Ciò è facilitato dal fatto che le particelle dei corpi amorfi non sono ugualmente dense: ci sono dei vuoti tra di loro.
Cristallizzazione di corpi amorfi. Nel tempo (diversi mesi, anni) sostanze amorfe trasformarsi spontaneamente in uno stato cristallino. Ad esempio, lo zucchero candito o il miele fresco lasciati soli in un luogo caldo diventano opachi dopo pochi mesi. Dicono che il miele e le caramelle sono "canditi". Rompendo un lecca-lecca o raccogliendo il miele con un cucchiaio, vediamo davvero i cristalli di zucchero che ne derivano.
La cristallizzazione spontanea di corpi amorfi indica che lo stato cristallino della materia è più stabile dello stato amorfo. La teoria intermolecolare lo spiega in questo modo. Le forze intermolecolari di attrazione e repulsione fanno sì che le particelle di un corpo amorfo saltino prevalentemente dove ci sono vuoti. Di conseguenza, si verifica una disposizione delle particelle più ordinata rispetto a prima, cioè si forma un policristallo.
Fusione dei corpi amorfi.
All'aumentare della temperatura, l'energia moto oscillatorio atomi dentro corpo solido aumenta e, finalmente, arriva un momento in cui i legami tra gli atomi cominciano a rompersi. In questo caso, il corpo solido passa allo stato liquido. Tale transizione è chiamata fusione. A una pressione fissa, la fusione avviene a una temperatura strettamente definita.
La quantità di calore necessaria per convertire un'unità di massa di una sostanza in un liquido al punto di fusione è chiamata calore specifico di fusione λ .
Sciogliere una sostanza m la quantità di calore necessaria è:
Q = λ m .
Il processo di fusione dei corpi amorfi differisce dalla fusione dei corpi cristallini. Con l'aumentare della temperatura, i corpi amorfi si ammorbidiscono gradualmente, diventano viscosi, fino a trasformarsi in un liquido. I corpi amorfi, a differenza dei cristalli, non hanno un punto di fusione definito. La temperatura dei corpi amorfi in questo caso cambia continuamente. Questo perché nei solidi amorfi, come nei liquidi, le molecole possono muoversi l'una rispetto all'altra. Quando riscaldati, la loro velocità aumenta, la distanza tra loro aumenta. Di conseguenza, il corpo diventa sempre più morbido fino a trasformarsi in un liquido. Durante la solidificazione dei corpi amorfi, anche la loro temperatura diminuisce continuamente.
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Oltre ai solidi che hanno una struttura cristallina, caratterizzata da un rigoroso ordine nella disposizione degli atomi, esistono solidi amorfi.
I corpi amorfi non hanno un ordine rigoroso nella disposizione degli atomi. Solo gli atomi vicini più vicini sono disposti in un certo ordine. Ma non c'è una ripetizione rigorosa in tutte le direzioni dello stesso elemento strutturale, che è caratteristico dei cristalli, nei corpi amorfi. Secondo la disposizione degli atomi e il loro comportamento, i corpi amorfi sono simili ai liquidi. Spesso la stessa sostanza può trovarsi sia allo stato cristallino che amorfo.
Gli studi teorici portano alla produzione di solidi, le cui proprietà sono piuttosto insolite. Sarebbe impossibile ottenere tali organismi per tentativi ed errori. La creazione di transistor, che sarà discussa in seguito, - un ottimo esempio come la comprensione della struttura dei solidi ha portato a una rivoluzione in tutta l'ingegneria radio.
L'ottenimento di materiali con specifiche proprietà meccaniche, magnetiche, elettriche e di altro tipo è una delle direzioni principali della moderna fisica dello stato solido.
La presenza di un certo punto di fusione è una caratteristica importante delle sostanze cristalline. È su questa base che possono essere facilmente distinti dai corpi amorfi, anch'essi classificati come solidi. Questi includono, in particolare, vetro, resine molto viscose e plastica.
Le sostanze amorfe (a differenza di quelle cristalline) non hanno un punto di fusione specifico: non si sciolgono, ma si ammorbidiscono. Quando viene riscaldato, un pezzo di vetro, ad esempio, diventa prima morbido da duro, può essere facilmente piegato o allungato; a una temperatura più alta, il pezzo inizia a cambiare forma sotto l'influenza della propria gravità. Man mano che si riscalda, la spessa massa viscosa assume la forma del recipiente in cui giace. Questa massa è dapprima densa, come il miele, poi come la panna acida, e infine diventa liquida a bassa viscosità quasi quanto l'acqua. Tuttavia, è impossibile indicare qui una temperatura specifica per il passaggio da un solido a un liquido, poiché non esiste.
Le ragioni di ciò risiedono nella differenza fondamentale tra la struttura dei corpi amorfi e la struttura di quelli cristallini. Gli atomi nei corpi amorfi sono disposti in modo casuale. I corpi amorfi, nella loro struttura, non assomigliano alle uniformi. lc6 nel vetro solido gli atomi sono disposti in modo casuale. Ciò significa che un aumento della temperatura del vetro non fa che aumentare la gamma di vibrazioni delle sue molecole, dando loro gradualmente sempre più libertà di movimento. Pertanto, il vetro si ammorbidisce gradualmente e non mostra una netta transizione "solido-liquido", caratteristica del passaggio dalla disposizione delle molecole in un ordine rigoroso a uno disordinato.
Calore di fusione
Il calore di fusione è la quantità di calore che deve essere impartita a una sostanza a pressione costante ea temperatura costante pari al punto di fusione per trasferirla completamente dallo stato solido cristallino a quello liquido.
Il calore di fusione è uguale alla quantità di calore che viene rilasciata durante la cristallizzazione di una sostanza dallo stato liquido.
Durante la fusione, tutto il calore fornito alla sostanza va ad aumentare l'energia potenziale delle sue molecole. L'energia cinetica non cambia perché la fusione avviene a temperatura costante.
Studiando sperimentalmente la fusione di varie sostanze della stessa massa, si può vedere che per la loro trasformazione in un liquido, importo diverso calore. Ad esempio, per sciogliere un chilogrammo di ghiaccio, è necessario spendere 332 J di energia e per sciogliere 1 kg di piombo, 25 kJ.
La grandezza fisica che indica quanto calore deve essere ceduto ad un corpo cristallino del peso di 1 kg per portarlo completamente allo stato liquido al punto di fusione si chiama calore specifico di fusione.
Il calore specifico di fusione è misurato in joule per chilogrammo (J/kg) ed è indicato dalla lettera greca X (lambda).
Il calore specifico di cristallizzazione è uguale al calore specifico di fusione, poiché durante la cristallizzazione viene rilasciata la stessa quantità di calore che viene assorbita durante la fusione. Quindi, ad esempio, quando 1 kg di acqua si congela, vengono rilasciati gli stessi 332 J di energia necessari per trasformare la stessa massa di ghiaccio in acqua.
Per trovare la quantità di calore necessaria per fondere un corpo cristallino di massa arbitraria, o il calore di fusione, è necessario moltiplicare il calore specifico di fusione di questo corpo per la sua massa:
La quantità di calore rilasciata dal corpo è considerata negativa. Pertanto, quando si calcola la quantità di calore rilasciata durante la cristallizzazione di una sostanza di massa m, dovrebbe essere utilizzata la stessa formula, ma con un segno meno.
Ti sei mai chiesto cosa sono le misteriose sostanze amorfe? Nella struttura, differiscono sia dal solido che dal liquido. Il fatto è che tali corpi si trovano in uno speciale stato condensato, che ha solo un ordine a corto raggio. Esempi di sostanze amorfe sono resina, vetro, ambra, gomma, polietilene, cloruro di polivinile (il nostro preferito finestre di plastica), vari polimeri e altri. Questi sono corpi solidi che non hanno reticolo cristallino. Comprendono anche ceralacca, collanti vari, ebanite e plastiche.
Le sfaccettature non si formano nei corpi amorfi durante la scissione. Le particelle sono completamente disordinate e sono accese distanza ravvicinata l'uno all'altro. Possono essere sia molto spessi che viscosi. Come sono influenzati dalle influenze esterne? Sotto l'influenza temperature diverse i corpi diventano fluidi, come liquidi, e allo stesso tempo abbastanza elastici. Nel caso in cui l'impatto esterno non duri a lungo, le sostanze di una struttura amorfa possono rompersi con un potente colpo. L'influenza prolungata dall'esterno porta al fatto che scorrono semplicemente.
Prova un piccolo esperimento con la resina a casa. Appoggialo su una superficie dura e noterai che inizia a scorrere dolcemente. Esatto, perché la sostanza! La velocità dipende dagli indicatori di temperatura. Se è molto alto, la resina inizierà a diffondersi notevolmente più velocemente.
Cos'altro è caratteristico di tali corpi? Possono assumere qualsiasi forma. Se sostanze amorfe sotto forma di piccole particelle vengono poste in un recipiente, ad esempio in una brocca, assumeranno anche la forma di un recipiente. Sono anche isotropi, cioè mostrano le stesse proprietà fisiche in tutte le direzioni.
Lo stato amorfo di una sostanza non implica il mantenimento di una particolare temperatura. A velocità basse, i corpi si congelano, a velocità elevate si sciolgono. A proposito, anche il grado di viscosità di tali sostanze dipende da questo. Bassa temperatura contribuisce a ridurre la viscosità, alta, al contrario, la aumenta.
Per le sostanze di tipo amorfo si può distinguere un'altra caratteristica: il passaggio allo stato cristallino, inoltre, spontaneo. Perché sta succedendo? L'energia interna in un corpo cristallino è molto minore che in uno amorfo. Possiamo vederlo nell'esempio dei prodotti in vetro: nel tempo, gli occhiali diventano torbidi.
Vetro metallico: che cos'è? Il metallo può essere liberato dal reticolo cristallino durante la fusione, cioè la sostanza della struttura amorfa può essere resa vetrosa. Durante la solidificazione sotto raffreddamento artificiale, il reticolo cristallino si forma nuovamente. Il metallo amorfo ha una resistenza alla corrosione semplicemente incredibile. Ad esempio, una carrozzeria realizzata con esso non avrebbe bisogno di vari rivestimenti, poiché non sarebbe soggetta a distruzione spontanea. Una sostanza amorfa è un corpo la cui struttura atomica ha una forza senza precedenti, il che significa che un metallo amorfo potrebbe essere utilizzato in qualsiasi settore industriale.
Per conoscere bene le caratteristiche dei metalli ed essere in grado di lavorare con essi, è necessario conoscere la struttura cristallina di determinate sostanze. La produzione di prodotti in metallo e il campo della metallurgia non avrebbero potuto ottenere un tale sviluppo se le persone non avessero una certa conoscenza dei cambiamenti nella struttura delle leghe, dei metodi tecnologici e delle caratteristiche operative.
È risaputo che sono quattro stato di aggregazione: solido, liquido, gassoso, plasma. Le sostanze solide amorfe possono anche essere cristalline. Con una tale struttura si può osservare la periodicità spaziale nella disposizione delle particelle. Queste particelle nei cristalli possono eseguire movimenti periodici. In tutti i corpi che osserviamo allo stato gassoso o liquido, si può notare il movimento delle particelle sotto forma di un disordine caotico. I solidi amorfi (ad esempio, metalli condensati: ebanite, prodotti in vetro, resine) possono essere chiamati liquidi di tipo congelato, perché quando cambiano forma, puoi notare tale caratteristica come la viscosità.
Manifestazioni di plasticità, elasticità, indurimento durante la deformazione sono caratteristiche di molti corpi. Le sostanze cristalline e amorfe hanno queste caratteristiche in misura maggiore, mentre liquidi e gas no. Ma d'altra parte, si può vedere che contribuiscono a un cambiamento elastico di volume.
Cosa sono le sostanze cristalline e amorfe? Come accennato in precedenza, si possono chiamare quei corpi amorfi che hanno un enorme coefficiente di viscosità ea temperatura ordinaria la loro fluidità è impossibile. Ma calore, al contrario, permette loro di essere fluidi, come un liquido.
Le sostanze del tipo cristallino sembrano essere completamente diverse. Questi solidi possono avere il proprio punto di fusione a seconda della pressione esterna. Ottenere cristalli è possibile se il liquido viene raffreddato. Se non prendi determinate misure, puoi notare che vari centri di cristallizzazione iniziano ad apparire allo stato liquido. Nell'area circostante questi centri avviene la formazione di un solido. Cristalli molto piccoli iniziano a combinarsi tra loro in un ordine casuale e si ottiene un cosiddetto policristallo. Un tale corpo è isotropo.
Cosa determina le caratteristiche fisiche e meccaniche dei corpi? Importanza hanno legami atomici e un tipo di struttura cristallina. I cristalli ionici sono caratterizzati da legami ionici, il che significa una transizione graduale da un atomo all'altro. In questo caso, la formazione di particelle caricate positivamente e negativamente. Possiamo osservare il legame ionico in un semplice esempio: tali caratteristiche sono caratteristiche di vari ossidi e sali. Un'altra caratteristica dei cristalli ionici è la bassa conduttività del calore, ma le sue prestazioni possono aumentare notevolmente se riscaldate. Ai nodi del reticolo cristallino si possono vedere varie molecole che si distinguono per un forte legame atomico.
Molti minerali che troviamo ovunque in natura hanno una struttura cristallina. E lo stato amorfo della materia è anche la natura nella sua forma più pura. Solo in questo caso il corpo è qualcosa di informe, ma i cristalli possono assumere la forma dei più bei poliedri con la presenza di facce piane, così come formare nuovi corpi solidi di stupefacente bellezza e purezza.
La forma di tali corpi è costante per una particolare connessione. Ad esempio, il berillo sembra sempre un prisma esagonale. Fai un piccolo esperimento. Prendi un piccolo cristallo di sale cubico (palla) e mettilo in una soluzione speciale il più satura possibile con lo stesso sale. Nel tempo, noterai che questo corpo è rimasto invariato: ha nuovamente acquisito la forma di un cubo o di una palla, che è inerente ai cristalli di sale.
3. - cloruro di polivinile, ovvero le ben note finestre in plastica PVC. È resistente al fuoco, poiché è considerato a combustione lenta, ha una maggiore resistenza meccanica e proprietà di isolamento elettrico.
4. La poliammide è una sostanza ad altissima resistenza e resistenza all'usura. Ha elevate caratteristiche dielettriche.
5. Plexiglass o polimetilmetacrilato. Possiamo usarlo nel campo dell'ingegneria elettrica o usarlo come materiale per le strutture.
6. Il fluoroplasto, o politetrafluoroetilene, è un noto dielettrico che non mostra proprietà di dissoluzione in solventi di origine organica. Un ampio intervallo di temperature e buone proprietà dielettriche ne consentono l'utilizzo come materiale idrofobo o antifrizione.
7. Polistirolo. Questo materiale non è influenzato dagli acidi. Come il fluoroplastico e la poliammide, può essere considerato un dielettrico. Molto durevole per quanto riguarda l'impatto meccanico. Il polistirene è usato ovunque. Ad esempio, si è dimostrato efficace come materiale isolante strutturale ed elettrico. È utilizzato nell'ingegneria elettrica e radio.
8. Probabilmente il polimero più famoso per noi è il polietilene. Il materiale mostra resistenza se esposto ad ambienti aggressivi, non lascia assolutamente passare l'umidità. Se l'imballaggio è in polietilene, non si può temere che il contenuto si deteriori sotto l'influenza di forti piogge. Il polietilene è anche un dielettrico. La sua applicazione è ampia. Ne derivano strutture di tubi, vari prodotti elettrici, pellicole isolanti, guaine per cavi di linee telefoniche ed elettriche, parti per radio e altre apparecchiature.
9. Il PVC è una sostanza ad alto contenuto di polimeri. È sintetico e termoplastico. Ha una struttura di molecole che sono asimmetriche. Quasi non passa l'acqua ed è realizzato mediante pressatura con stampaggio e stampaggio. Il cloruro di polivinile è usato più spesso nell'industria elettrica. Sulla base di esso, vari tubi e tubi termoisolanti per protezione chimica, banchi batterie, guaine isolanti e guarnizioni, fili e cavi. Il PVC è anche un ottimo sostituto del piombo dannoso. Non può essere utilizzato come circuito ad alta frequenza sotto forma di dielettrico. E tutto per il fatto che in questo caso le perdite dielettriche saranno elevate. Ha un'alta conduttività.
