Il termine "amorfo" è tradotto dal greco letteralmente come "non una forma", "non una forma". Tali sostanze non hanno una struttura cristallina, non subiscono scissione con formazione di facce cristalline. Di norma, un corpo amorfo è isotropo, cioè il suo Proprietà fisiche non dipendono dalla direzione dell'influenza esterna.
Entro un certo periodo di tempo (mesi, settimane, giorni), i singoli corpi amorfi possono passare spontaneamente allo stato cristallino. Così, ad esempio, si può osservare come il miele o lo zucchero candito perdano la loro trasparenza dopo un po'. In questi casi si dice solitamente che i prodotti sono "canditi". Allo stesso tempo, raccogliendo il miele candito con un cucchiaio o rompendo un lecca-lecca, si possono davvero osservare i cristalli di zucchero formati, che prima esistevano in forma amorfa.
Tale cristallizzazione spontanea delle sostanze indica un diverso grado di stabilità degli stati. Pertanto, un corpo amorfo è meno stabile.
Insieme ai solidi cristallini, ci sono solidi amorfi. In corpi amorfi a differenza dei cristalli, non esiste un ordine rigoroso nella disposizione degli atomi. Solo gli atomi più vicini - vicini - sono disposti in un certo ordine. Ma
non c'è ripetizione rigorosa in tutte le direzioni dello stesso elemento strutturale, che è caratteristico dei cristalli, nei corpi amorfi.
Spesso la stessa sostanza può trovarsi sia in uno stato cristallino che amorfo. Ad esempio, il quarzo può essere sia in forma cristallina che amorfa (silice). La forma cristallina del quarzo può essere schematicamente rappresentata come un reticolo di esagoni regolari (Fig. 77, a). La struttura amorfa del quarzo ha anche la forma di un reticolo, ma forma irregolare. Insieme agli esagoni, contiene pentagoni ed ettagoni (Fig. 77, b).
Proprietà dei corpi amorfi. Tutti i corpi amorfi sono isotropi: le loro proprietà fisiche sono le stesse in tutte le direzioni. I corpi amorfi includono vetro, molte materie plastiche, resina, colofonia, zucchero candito, ecc.
Sotto le influenze esterne, i corpi amorfi mostrano sia proprietà elastiche, come i solidi, che fluidità, come i liquidi. Con impatti a breve termine (impatti), si comportano come un corpo solido e, con un forte impatto, si rompono in pezzi. Ma con una lunghissima esposizione scorrono corpi amorfi. Quindi, ad esempio, un pezzo di resina si diffonde gradualmente su una superficie solida. Gli atomi o le molecole di corpi amorfi, come le molecole liquide, hanno un certo tempo di "vita stabilizzata" - il tempo delle oscillazioni attorno alla posizione di equilibrio. Ma a differenza dei liquidi, hanno un tempo molto lungo. Sotto questo aspetto, i corpi amorfi sono vicini a quelli cristallini, poiché raramente si verificano salti di atomi da una posizione di equilibrio all'altra.
In basse temperature i corpi amorfi assomigliano ai corpi solidi nelle loro proprietà. Non hanno quasi fluidità, ma all'aumentare della temperatura si ammorbidiscono gradualmente e le loro proprietà si avvicinano sempre di più a quelle dei liquidi. Questo perché all'aumentare della temperatura, i salti di atomi da una posizione diventano gradualmente più frequenti.
equilibrio all'altro. I corpi amorfi, a differenza di quelli cristallini, non hanno un punto di fusione specifico.
Fisica dello stato solido. Tutte le proprietà dei solidi (cristallini e amorfi) possono essere spiegate sulla base della conoscenza della loro struttura atomica e molecolare e delle leggi del moto di molecole, atomi, ioni ed elettroni che compongono i solidi. Gli studi sulle proprietà dei solidi sono combinati in vasta area fisica moderna - fisica dello stato solido. Lo sviluppo della fisica dello stato solido è stimolato principalmente dalle esigenze della tecnologia. Circa la metà dei fisici mondiali lavora nel campo della fisica dello stato solido. Naturalmente, i risultati in quest'area sono impensabili senza una profonda conoscenza di tutte le altre branche della fisica.
1. Cosa è diverso corpi cristallini da amorfo? 2. Che cos'è l'anisotropia? 3. Fornire esempi di corpi monocristallini, policristallini e amorfi. 4. In che modo le dislocazioni dei bordi differiscono da quelle delle viti?
I solidi amorfi in molte delle loro proprietà e principalmente nella microstruttura dovrebbero essere considerati liquidi altamente superraffreddati con un coefficiente di viscosità molto elevato. La struttura di tali corpi è caratterizzata solo da un ordine a corto raggio nella disposizione delle particelle. Alcune di queste sostanze non sono affatto in grado di cristallizzare: cera, ceralacca, resine. Altri, sotto un certo regime di raffreddamento, formano strutture cristalline, ma nel caso di raffreddamento rapido, un aumento della viscosità impedisce l'ordinamento nella disposizione delle particelle. La sostanza solidifica prima che si realizzi il processo di cristallizzazione. Tali corpi sono chiamati vetrosi: vetro, ghiaccio. Il processo di cristallizzazione in una tale sostanza può avvenire anche dopo la solidificazione (appannamento dei vetri). Amorfo include anche solido materia organica: fibre di gomma, legno, pelle, plastica, lana, cotone e seta. Il processo di transizione di tali sostanze dalla fase liquida alla fase solida è mostrato in Fig. – curva I.
I corpi amorfi non hanno una temperatura di solidificazione (fusione). Sul grafico T \u003d f (t) c'è un punto di flesso, chiamato punto di rammollimento. Una diminuzione della temperatura porta ad un graduale aumento della viscosità. Questa natura della transizione stato solido, provoca l'assenza di sostanze amorfe calore specifico di fusione. La transizione inversa, quando viene fornito calore, si verifica un ammorbidimento regolare allo stato di un liquido.
CORPI SOLIDI DI CRISTALLO.
Una caratteristica della microstruttura dei cristalli è la periodicità spaziale dei loro campi elettrici interni e la ripetibilità nella disposizione delle particelle che formano cristalli: atomi, ioni e molecole (ordine a lungo raggio). Le particelle si alternano in un certo ordine lungo linee rette, dette nodali. In qualsiasi sezione piatta di un cristallo, due sistemi intersecanti di tali linee formano un insieme di parallelogrammi assolutamente identici, che strettamente, senza spazi vuoti, coprono il piano della sezione. Nello spazio, l'intersezione di tre sistemi non complanari di tali linee forma una griglia spaziale che divide il cristallo in un insieme di parallelepipedi completamente identici. I punti di intersezione delle linee che formano il reticolo cristallino sono detti nodi. Le distanze tra i nodi lungo una certa direzione sono chiamate traslazioni o periodi del reticolo. Un parallelepipedo costruito su tre traslazioni non complanari è chiamato cella elementare o parallelepipedo di ripetibilità reticolare. La proprietà geometrica più importante dei reticoli cristallini è la simmetria nella disposizione delle particelle rispetto a determinate direzioni e piani. Per questo motivo, sebbene ci siano diversi modi per scegliere una cella unitaria, per una data struttura cristallina, sceglila in modo che corrisponda alla simmetria del reticolo.
I corpi cristallini possono essere divisi in due gruppi: cristalli singoli e policristalli. Per i cristalli singoli, si osserva un unico reticolo cristallino nel volume dell'intero corpo. E sebbene forma esterna i singoli cristalli dello stesso tipo possono essere diversi, gli angoli tra le facce corrispondenti saranno sempre gli stessi. Una caratteristica dei cristalli singoli è l'anisotropia delle proprietà meccaniche, termiche, elettriche, ottiche e di altro tipo.
I cristalli singoli si trovano spesso allo stato naturale in natura. Ad esempio, la maggior parte dei minerali sono cristalli, smeraldi, rubini. Attualmente, per scopi industriali, molti cristalli singoli vengono coltivati artificialmente da soluzioni e fondi: rubini, germanio, silicio, arseniuro di gallio.
Lo stesso elemento chimico possono formare diverse strutture cristalline, diverse per geometria. Questo fenomeno è chiamato polimorfismo. Ad esempio, il carbonio è grafite e diamante; ghiaccio cinque modifiche, ecc.
La corretta sfaccettatura esterna e l'anisotropia delle proprietà, di regola, non appaiono per i corpi cristallini. Questo perché i solidi cristallini di solito sono costituiti da molti piccoli cristalli orientati casualmente. Tali solidi sono chiamati policristallini. Ciò è dovuto al meccanismo di cristallizzazione: quando vengono raggiunte le condizioni necessarie per questo processo, i centri di cristallizzazione compaiono contemporaneamente in molti punti della fase iniziale. I cristalli nucleati sono localizzati e orientati l'uno rispetto all'altro in modo abbastanza arbitrario. Per questo motivo, alla fine del processo, otteniamo un corpo solido sotto forma di un conglomerato di piccoli cristalli intrecciati: i cristalliti.
Da un punto di vista energetico, la differenza tra solidi cristallini e amorfi si vede chiaramente nel processo di solidificazione e fusione. I corpi cristallini hanno un punto di fusione: la temperatura in cui la sostanza esiste stabilmente in due fasi: solida e liquida (figura 2). La transizione di una molecola solida in un liquido significa che acquisisce ulteriori tre gradi di libertà di movimento traslatorio. Quella. massa unitaria di una sostanza a T pl. in fase liquida ha un'energia interna maggiore rispetto alla stessa massa in fase solida. Inoltre, la distanza tra le particelle cambia. Pertanto, in generale, la quantità di calore necessaria per convertire una massa unitaria di una sostanza cristallina in un liquido sarà:
λ \u003d (U W -U cr) + P (V W -V cr),
dove λ è il calore specifico di fusione (cristallizzazione), (U f -U cr) è la differenza tra le energie interne della fase liquida e cristallina, P è la pressione esterna, (V f -V cr) è la differenza volumi specifici. Secondo l'equazione di Clausius-Clapeyron, il punto di fusione dipende dalla pressione:
Si può vedere che se (V W -V cr)> 0, allora 
> 0, cioè all'aumentare della pressione, il punto di fusione aumenta. Se il volume della sostanza diminuisce durante la fusione (V W -V cr)<
0 (вода, висмут), то рост давления приводит
к понижению Т пл.
I corpi amorfi non hanno calore di fusione. Il riscaldamento porta ad un graduale aumento della velocità del movimento termico e una diminuzione della viscosità. C'è un punto di flesso sul grafico di processo (Fig.), che è convenzionalmente chiamato punto di rammollimento.
PROPRIETÀ TERMICHE DEI CORPI SOLIDI
A causa della forte interazione, il movimento termico nei cristalli è limitato solo dalle vibrazioni delle particelle attorno ai nodi reticolo cristallino. L'ampiezza di queste fluttuazioni di solito non gira 10 -11 m, ad es. è solo il 5-7% del periodo di reticolo lungo la direzione corrispondente. La natura di queste oscillazioni è molto complicata, poiché è determinata dalle forze di interazione di una particella oscillante con tutte le sue vicine.
Un aumento della temperatura significa un aumento dell'energia del movimento delle particelle. Questo, a sua volta, significa un aumento dell'ampiezza delle oscillazioni delle particelle e spiega l'espansione dei solidi cristallini al riscaldamento.
l t = l 0 (1 + αt 0),
dove l t e l 0 - dimensioni lineari del corpo a temperature t 0 e 0 0 С, α - coefficiente di espansione lineare. Per i solidi α ha l'ordine di 10 -5 - 10 -6 K -1 . Come risultato dell'espansione lineare, anche il volume del corpo aumenta:
V t = V 0 (1 + βt 0),
dove β è il coefficiente di espansione del volume. β = 3α nel caso di espansione isotropa. I corpi monocristallini, essendo anisotropi, hanno tre diversi valori di α.
Ogni particella che oscilla ha tre gradi di libertà di movimento oscillatorio. Considerando che, oltre all'energia cinetica, le particelle hanno anche energia potenziale, l'energia ε = kT dovrebbe essere assegnata a un grado di libertà delle particelle dei corpi solidi. Ora per l'energia interna della talpa avremo:
U μ = 3N A kT = 3RT,
e per la capacità termica molare:
Quelli. la capacità termica molare dei corpi cristallini chimicamente semplici è la stessa e non dipende dalla temperatura. Questa è la legge Dulong-Petit.
Come ha mostrato l'esperimento, questa legge è abbastanza ben rispettata, a partire dalla temperatura ambiente. Spiegazioni per le deviazioni dalla legge di Dulong-Petit alle basse temperature sono state fornite da Einstein e Debye nella teoria quantistica della capacità termica. È stato dimostrato che l'energia che cade su un grado di libertà non è un valore costante, ma dipende dalla temperatura e dalla frequenza di oscillazione.
CRISTALLI VERI. DIFETTI DEI CRISTALLI
I cristalli reali hanno una serie di violazioni della struttura ideale, che sono chiamate difetti cristallini:
a) difetti puntuali -
Difetti Schottky (nodi non occupati da particelle);
Difetti di Frenkel (spostamento delle particelle dai nodi agli interstitial);
impurità (atomi estranei impiantati);
b) dislocazioni lineari - bordo e vite. È irregolare locale
sti nella disposizione delle particelle
a causa dell'incompletezza dei singoli piani atomici
oa causa di violazioni nella sequenza del loro sviluppo;
c) planare - confini tra cristalliti, file di dislocazioni lineari.
A differenza dei solidi cristallini, non esiste un ordine rigoroso nella disposizione delle particelle in un corpo amorfo.
Sebbene i solidi amorfi siano in grado di mantenere la loro forma, non hanno un reticolo cristallino. Una certa regolarità si osserva solo per molecole e atomi situati nelle vicinanze. Questo ordine è chiamato ordine a corto raggio . Non si ripete in tutte le direzioni e non si conserva su lunghe distanze, come nei corpi cristallini.
Esempi di corpi amorfi sono il vetro, l'ambra, resina artificiale, cera, paraffina, plastilina, ecc.
Gli atomi nei corpi amorfi oscillano attorno a punti che si trovano casualmente. Pertanto, la struttura di questi corpi ricorda la struttura dei liquidi. Ma le particelle in esse contenute sono meno mobili. Il tempo della loro oscillazione attorno alla posizione di equilibrio è più lungo che nei liquidi. Anche i salti di atomi in un'altra posizione si verificano molto meno frequentemente.
Come si comportano i solidi cristallini quando riscaldati? Cominciano a sciogliersi ad un certo punto punto di fusione. E per qualche tempo sono contemporaneamente allo stato solido e liquido, fino a quando tutta la sostanza non si è sciolta.
I corpi amorfi non hanno un punto di fusione specifico. . Una volta riscaldati, non si sciolgono, ma si ammorbidiscono gradualmente.
Metti un pezzo di plastilina vicino stufa. Dopo un po' diventerà morbido. Questo non accade istantaneamente, ma per un periodo di tempo.
Poiché le proprietà dei corpi amorfi sono simili a quelle dei liquidi, sono considerati liquidi superraffreddati ad altissima viscosità (liquidi solidificati). In condizioni normali non possono fluire. Ma quando riscaldati, si verificano più spesso salti di atomi in essi, la viscosità diminuisce e i corpi amorfi si ammorbidiscono gradualmente. Maggiore è la temperatura, minore è la viscosità e gradualmente il corpo amorfo diventa liquido.
Il vetro ordinario è un solido corpo amorfo. Si ottiene fondendo ossido di silicio, soda e calce. Riscaldando la miscela a 1400 circa C, ottenere una massa vitrea liquida. Durante il raffreddamento vetro liquido non si solidifica, come i corpi cristallini, ma rimane un liquido, la cui viscosità aumenta e la fluidità diminuisce. In condizioni ordinarie, ci appare come un corpo solido. Ma in realtà è un liquido che ha una viscosità e una fluidità enormi, così piccole che difficilmente si può distinguere dagli strumenti più ultrasensibili.
Lo stato amorfo della materia è instabile. Col tempo, da uno stato amorfo, si trasforma gradualmente in uno cristallino. Questo processo in sostanze diverse passa da allora velocità diversa. Vediamo come i cristalli di zucchero ricoprono le caramelle di zucchero. Questo non richiede molto tempo.
E affinché i cristalli si formino nel normale vetro, deve passare molto tempo. Durante la cristallizzazione, il vetro perde forza, trasparenza, diventa torbido e diventa fragile.
Nei solidi cristallini, le proprietà fisiche differiscono in direzioni diverse. E nei corpi amorfi sono gli stessi in tutte le direzioni. Questo fenomeno si chiama isotropia .
Un corpo amorfo conduce equamente elettricità e calore in tutte le direzioni e rifrange la luce allo stesso modo. Il suono si propaga ugualmente nei corpi amorfi in tutte le direzioni.
Le proprietà delle sostanze amorfe sono utilizzate in moderne tecnologie. Di particolare interesse sono le leghe metalliche che non hanno una struttura cristallina e sono solidi amorfi. Sono chiamati occhiali di metallo . Le loro proprietà fisiche, meccaniche, elettriche e di altro tipo differiscono in meglio dalle proprietà simili dei metalli convenzionali.
Quindi, in medicina, vengono utilizzate leghe amorfe, la cui forza supera quella del titanio. Sono usati per realizzare viti o piastre che collegano le ossa rotte. A differenza degli elementi di fissaggio in titanio, questo materiale si disintegra gradualmente e nel tempo viene sostituito da materiale osseo.
Le leghe ad alta resistenza sono utilizzate nella produzione di utensili per il taglio dei metalli, raccordi, molle e parti di meccanismi.
In Giappone è stata sviluppata una lega amorfa ad alta permeabilità magnetica. Usandolo nei nuclei dei trasformatori invece delle lamiere di acciaio testurizzate, le perdite di correnti parassite possono essere ridotte di un fattore 20.
I metalli amorfi hanno proprietà uniche. Sono chiamati il materiale del futuro.
I solidi si dividono in amorfi e cristallini, a seconda della loro struttura molecolare e delle loro 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, atomi o molecole sono disposti reciprocamente in modo tale che la struttura formata possa essere ripetuta per tutto il volume del corpo, che è chiamato ordine a lungo raggio. Nel caso di corpi amorfi, la struttura delle molecole viene 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 comprendono vetro e altre sostanze allo stato vetroso, colofonia, resine, ambra, ceralacca, bitume, cera, nonché sostanze organiche: gomma, cuoio, cellulosa, polietilene, ecc.
La particolarità della struttura dei solidi amorfi conferisce loro proprietà individuali:
In natura esistono liquidi praticamente impossibili da 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 rapido e profondo, 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 cristallizzare parzialmente, sulla scala di piccoli ammassi. Questo stato della materia è metastabile, cioè viene preservato in determinate condizioni termodinamiche richieste.
Con l'aiuto della tecnologia di raffreddamento a una certa velocità, la sostanza non avrà il tempo di cristallizzare e verrà convertita in vetro. Cioè, maggiore è la velocità di raffreddamento del materiale, meno è probabile che si cristallizzi. Quindi, ad esempio, per la produzione di vetri metallici è necessaria una velocità di raffreddamento di 100.000 - 1.000.000 Kelvin al secondo.
In natura, la materia esiste in uno stato vetroso e nasce dal magma vulcanico liquido, con il quale, interagendo acqua fredda o aria, si raffredda rapidamente. A questo caso la sostanza è chiamata vetro vulcanico. Puoi anche osservare il vetro formatosi a seguito della fusione di un meteorite in caduta che interagisce con l'atmosfera: vetro meteoritico o moldavite.
