O termo "amorfo" é traduzido do grego literalmente como "não é uma forma", "não é uma forma". Tais substâncias não possuem estrutura cristalina; não sofrem cisão com a formação de faces cristalinas. Como regra, um corpo amorfo é isotrópico, isto é, sua propriedades físicas não dependem da direção da influência externa.
Dentro de um certo período de tempo (meses, semanas, dias), corpos amorfos individuais podem passar espontaneamente para um estado cristalino. Assim, por exemplo, pode-se observar como o mel ou o doce de açúcar perdem a transparência depois de um tempo. Nesses casos, costuma-se dizer que os produtos são "cristalizados". Ao mesmo tempo, pegando mel cristalizado com uma colher ou quebrando um pirulito, pode-se realmente observar os cristais de açúcar formados, que antes existiam de forma amorfa.
Essa cristalização espontânea de substâncias indica um grau diferente de estabilidade dos estados. Assim, um corpo amorfo é menos estável.
Junto com sólidos cristalinos, existem sólidos amorfos. No corpos amorfos ao contrário dos cristais, não há uma ordem estrita no arranjo dos átomos. Apenas os átomos mais próximos - vizinhos - são organizados em alguma ordem. Mas
não há repetição estrita em todas as direções do mesmo elemento estrutural, que é característico dos cristais, em corpos amorfos.
Muitas vezes, a mesma substância pode estar em um estado cristalino e amorfo. Por exemplo, o quartzo pode estar na forma cristalina e amorfa (sílica). A forma cristalina do quartzo pode ser representada esquematicamente como uma rede de hexágonos regulares (Fig. 77, a). A estrutura amorfa do quartzo também tem a forma de uma treliça, mas forma irregular. Junto com hexágonos, contém pentágonos e heptágonos (Fig. 77, b).
Propriedades dos corpos amorfos. Todos os corpos amorfos são isotrópicos: suas propriedades físicas são as mesmas em todas as direções. Corpos amorfos incluem vidro, muitos plásticos, resina, colofónia, doces de açúcar, etc.
Sob influências externas, corpos amorfos exibem propriedades elásticas, como sólidos, e fluidez, como líquidos. Com impactos de curto prazo (impactos), eles se comportam como um corpo sólido e, com um forte impacto, quebram-se em pedaços. Mas com uma exposição muito longa, os corpos amorfos fluem. Assim, por exemplo, um pedaço de resina se espalha gradualmente sobre uma superfície sólida. Átomos ou moléculas de corpos amorfos, como moléculas líquidas, têm um certo tempo de "vida estabilizada" - o tempo de oscilações em torno da posição de equilíbrio. Mas, ao contrário dos líquidos, eles têm um tempo muito longo. A este respeito, os corpos amorfos estão próximos dos cristalinos, uma vez que raramente ocorrem saltos de átomos de uma posição de equilíbrio para outra.
No Baixas temperaturas corpos amorfos se assemelham a corpos sólidos em suas propriedades. Eles quase não têm fluidez, mas à medida que a temperatura aumenta, eles gradualmente amolecem e suas propriedades se aproximam cada vez mais das dos líquidos. Isso ocorre porque, à medida que a temperatura aumenta, saltos de átomos de uma posição gradualmente se tornam mais frequentes.
equilíbrio para outro. Os corpos amorfos, ao contrário dos cristalinos, não possuem ponto de fusão específico.
Física do estado sólido. Todas as propriedades dos sólidos (cristalinos e amorfos) podem ser explicadas com base no conhecimento de sua estrutura atômica e molecular e nas leis do movimento das moléculas, átomos, íons e elétrons que compõem os sólidos. Estudos das propriedades dos sólidos são combinados em grande área física moderna - física do estado sólido. O desenvolvimento da física do estado sólido é estimulado principalmente pelas necessidades da tecnologia. Aproximadamente metade dos físicos do mundo trabalha no campo da física do estado sólido. É claro que conquistas nessa área são impensáveis sem um conhecimento profundo de todos os outros ramos da física.
1. O que é diferente corpos cristalinos do amorfo? 2. O que é anisotropia? 3. Dê exemplos de corpos monocristalinos, policristalinos e amorfos. 4. Como as discordâncias de borda diferem das de parafuso?
Os sólidos amorfos em muitas de suas propriedades e principalmente na microestrutura devem ser considerados como líquidos altamente super-resfriados com um coeficiente de viscosidade muito alto. A estrutura de tais corpos é caracterizada apenas pela ordem de curto alcance no arranjo das partículas. Algumas dessas substâncias não são capazes de cristalizar: cera, cera de vedação, resinas. Outros, sob certo regime de resfriamento, formam estruturas cristalinas, mas no caso de resfriamento rápido, o aumento da viscosidade impede o ordenamento no arranjo das partículas. A substância solidifica antes que o processo de cristalização seja realizado. Tais corpos são chamados vítreos: vidro, gelo. O processo de cristalização em tal substância também pode ocorrer após a solidificação (turvação dos vidros). Amorfo também inclui sólido matéria orgânica: borracha, madeira, couro, plástico, lã, algodão e fibras de seda. O processo de transição de tais substâncias da fase líquida para a fase sólida é mostrado na Fig. – curva I.
Corpos amorfos não têm uma temperatura de solidificação (fusão). No gráfico T \u003d f (t) existe um ponto de inflexão, que é chamado de ponto de amolecimento. A diminuição da temperatura leva a um aumento gradual da viscosidade. Essa natureza da transição Estado sólido, causa a ausência de substâncias amorfas calor específico de fusão. A transição inversa, quando o calor é fornecido, há um amolecimento suave para o estado de líquido.
CORPOS SÓLIDOS DE CRISTAL.
Uma característica da microestrutura dos cristais é a periodicidade espacial de seus campos elétricos internos e a repetibilidade no arranjo das partículas formadoras de cristais - átomos, íons e moléculas (ordem de longo alcance). As partículas se alternam em uma certa ordem ao longo de linhas retas, que são chamadas nodais. Em qualquer seção plana de um cristal, dois sistemas de interseção de tais linhas formam um conjunto de paralelogramos absolutamente idênticos, que cobrem firmemente, sem lacunas, o plano da seção. No espaço, a interseção de três sistemas não coplanares dessas linhas forma uma grade espacial que divide o cristal em um conjunto de paralelepípedos completamente idênticos. Os pontos de interseção das linhas que formam a rede cristalina são chamados de nós. As distâncias entre os nós ao longo de alguma direção são chamadas de translações ou períodos de rede. Um paralelepípedo construído em três traduções não coplanares é chamado de célula elementar ou paralelepípedo de repetibilidade de rede. A propriedade geométrica mais importante das redes cristalinas é a simetria no arranjo das partículas em relação a certas direções e planos. Por esta razão, embora existam várias maneiras de escolher uma célula unitária, para uma determinada estrutura cristalina, escolha-a de modo que corresponda à simetria da rede.
Os corpos cristalinos podem ser divididos em dois grupos: monocristais e policristais. Para monocristais, uma única rede cristalina é observada no volume de todo o corpo. E embora forma externa monocristais do mesmo tipo podem ser diferentes, os ângulos entre as faces correspondentes serão sempre os mesmos. Uma característica dos monocristais é a anisotropia de propriedades mecânicas, térmicas, elétricas, ópticas e outras.
Os cristais únicos são frequentemente encontrados no estado natural na natureza. Por exemplo, a maioria dos minerais são cristais, esmeraldas, rubis. Atualmente, para fins industriais, muitos monocristais são cultivados artificialmente a partir de soluções e derretimentos - rubis, germânio, silício, arsenieto de gálio.
O mesmo Elemento químico pode formar vários, diferindo em geometria, estruturas cristalinas. Esse fenômeno é chamado de polimorfismo. Por exemplo, carbono é grafite e diamante; gelo cinco modificações, etc.
A lapidação externa correta e a anisotropia de propriedades, por via de regra, não aparecem para corpos cristalinos. Isso ocorre porque os sólidos cristalinos geralmente consistem em muitos pequenos cristais orientados aleatoriamente. Esses sólidos são chamados de policristalinos. Isso se deve ao mecanismo de cristalização: quando as condições necessárias para este processo são alcançadas, centros de cristalização aparecem simultaneamente em muitos locais da fase inicial. Os cristais nucleados estão localizados e orientados em relação uns aos outros de forma bastante arbitrária. Por esse motivo, ao final do processo, obtemos um corpo sólido na forma de um conglomerado de pequenos cristais cultivados entre si - cristalitos.
Do ponto de vista energético, a diferença entre sólidos cristalinos e amorfos é claramente vista no processo de solidificação e fusão. Os corpos cristalinos têm um ponto de fusão - a temperatura em que a substância existe de forma estável em duas fases - sólida e líquida (Fig. curva 2). A transição de uma molécula sólida para um líquido significa que ela adquire três graus adicionais de liberdade de movimento de translação. Este. massa unitária de uma substância em T pl. na fase líquida tem uma energia interna maior do que a mesma massa na fase sólida. Além disso, a distância entre as partículas muda. Portanto, em geral, a quantidade de calor necessária para converter uma unidade de massa de uma substância cristalina em um líquido será:
λ \u003d (U W -U cr) + P (V W -V cr),
onde λ é o calor específico de fusão (cristalização), (U f -U cr) é a diferença entre as energias internas das fases líquida e cristalina, P é a pressão externa, (V f -V cr) é a diferença volumes específicos. De acordo com a equação de Clausius-Clapeyron, o ponto de fusão depende da pressão:
Pode-se ver que se (V W -V cr)> 0, então 
> 0, ou seja com o aumento da pressão, o ponto de fusão aumenta. Se o volume da substância diminui durante a fusão (V W -V cr)<
0 (вода, висмут), то рост давления приводит
к понижению Т пл.
Corpos amorfos não têm calor de fusão. O aquecimento leva a um aumento gradual na taxa de movimento térmico e uma diminuição na viscosidade. Há um ponto de inflexão no gráfico do processo (Fig.), que é convencionalmente chamado de ponto de amolecimento.
PROPRIEDADES TÉRMICAS DE CORPOS SÓLIDOS
Devido à forte interação, o movimento térmico nos cristais é limitado apenas pelas vibrações das partículas ao redor dos nós. estrutura de cristal. A amplitude dessas flutuações geralmente não gira 10 -11 m, ou seja, é apenas 5-7% do período de grade ao longo da direção correspondente. A natureza dessas oscilações é muito complicada, pois é determinada pelas forças de interação de uma partícula oscilante com todos os seus vizinhos.
Um aumento na temperatura significa um aumento na energia do movimento das partículas. Isso, por sua vez, significa um aumento na amplitude das oscilações das partículas e explica a expansão dos sólidos cristalinos no aquecimento.
eu t = eu 0 (1 + αt 0),
Onde eu t e eu 0 - dimensões lineares do corpo nas temperaturas t 0 e 0 0 С, α - coeficiente de expansão linear. Para sólidos α tem a ordem de 10 -5 - 10 -6 K -1 . Como resultado da expansão linear, o volume do corpo também aumenta:
V t = V 0 (1 + βt 0),
aqui β é o coeficiente de expansão do volume. β = 3α no caso de expansão isotrópica. Corpos monocristais, sendo anisotrópicos, possuem três valores diferentes de α.
Cada partícula que oscila tem três graus de liberdade de movimento oscilatório. Considerando que, além da energia cinética, as partículas também possuem energia potencial, a energia ε = kT deve ser atribuída a um grau de liberdade das partículas dos corpos sólidos. Agora para a energia interna do mol teremos:
U μ = 3N A kT = 3RT,
e para a capacidade calorífica molar:
Aqueles. a capacidade de calor molar de corpos cristalinos quimicamente simples é a mesma e não depende da temperatura. Esta é a lei Dulong-Petit.
Como o experimento mostrou, esta lei é bastante cumprida, a partir da temperatura ambiente. Explicações para desvios da lei de Dulong-Petit em baixas temperaturas foram dadas por Einstein e Debye na teoria quântica da capacidade calorífica. Foi mostrado que a energia que cai em um grau de liberdade não é um valor constante, mas depende da temperatura e da frequência de oscilação.
CRISTAIS REAIS. DEFEITOS EM CRISTAIS
Cristais reais têm uma série de violações da estrutura ideal, que são chamadas de defeitos de cristal:
a) defeitos pontuais -
Defeitos Schottky (nós não ocupados por partículas);
Defeitos de Frenkel (deslocamento de partículas de nós para intersticiais);
impurezas (átomos estranhos implantados);
b) linear - discordâncias em aresta e em parafuso. É local irregular
sti no arranjo de partículas
devido à incompletude de planos atômicos individuais
ou devido a violações na seqüência de seu desenvolvimento;
c) planar - limites entre cristalitos, fileiras de discordâncias lineares.
Ao contrário dos sólidos cristalinos, não há uma ordem estrita no arranjo das partículas em um corpo amorfo.
Embora os sólidos amorfos sejam capazes de manter sua forma, eles não possuem uma rede cristalina. Alguma regularidade é observada apenas para moléculas e átomos localizados na vizinhança. Essa ordem é chamada ordem de curto alcance . Não se repete em todas as direções e não é preservado a longas distâncias, como nos corpos cristalinos.
Exemplos de corpos amorfos são vidro, âmbar, resina artificial, cera, parafina, plasticina, etc.
Átomos em corpos amorfos oscilam em torno de pontos que estão localizados aleatoriamente. Portanto, a estrutura desses corpos se assemelha à estrutura dos líquidos. Mas as partículas neles são menos móveis. O tempo de sua oscilação em torno da posição de equilíbrio é maior do que nos líquidos. Saltos de átomos para outra posição também ocorrem com muito menos frequência.
Como os sólidos cristalinos se comportam quando aquecidos? Eles começam a derreter em um determinado ponto de fusão. E por algum tempo eles estão simultaneamente em estado sólido e líquido, até que toda a substância seja derretida.
Corpos amorfos não têm um ponto de fusão específico. . Quando aquecidos, eles não derretem, mas amolecem gradualmente.
Coloque um pedaço de plasticina perto aquecedor. Depois de um tempo ele ficará macio. Isso não acontece instantaneamente, mas ao longo de um período de tempo.
Como as propriedades dos corpos amorfos são semelhantes às dos líquidos, eles são considerados líquidos super-resfriados com uma viscosidade muito alta (líquidos solidificados). No condições normais eles não podem fluir. Mas quando aquecidos, os saltos de átomos neles ocorrem com mais frequência, a viscosidade diminui e os corpos amorfos gradualmente amolecem. Quanto maior a temperatura, menor a viscosidade e, gradualmente, o corpo amorfo se torna líquido.
O vidro comum é um corpo amorfo sólido. É obtido pela fusão de óxido de silício, soda e cal. Aquecendo a mistura a 1400 cerca de C, obtém-se uma massa vítrea líquida. Ao resfriar vidro líquido não solidifica, como os corpos cristalinos, mas permanece um líquido, cuja viscosidade aumenta e a fluidez diminui. Em condições normais, parece-nos um corpo sólido. Mas na verdade é um líquido que tem uma enorme viscosidade e fluidez, tão pequena que dificilmente pode ser distinguida pelos instrumentos mais ultrassensíveis.
O estado amorfo da matéria é instável. Com o tempo, de um estado amorfo, gradualmente se transforma em cristalino. Este processo em substâncias diferentes passa desde velocidade diferente. Vemos como os cristais de açúcar cobrem os doces de açúcar. Isso não leva muito tempo.
E para que os cristais se formem no vidro comum, muito tempo deve passar. Durante a cristalização, o vidro perde sua resistência, transparência, torna-se turvo e quebradiço.
Em sólidos cristalinos, as propriedades físicas diferem em direções diferentes. E em corpos amorfos eles são os mesmos em todas as direções. Esse fenômeno é chamado isotropia .
Um corpo amorfo conduz igualmente eletricidade e calor em todas as direções e refrata a luz igualmente. O som também se propaga igualmente em corpos amorfos em todas as direções.
As propriedades das substâncias amorfas são usadas em tecnologias modernas. De particular interesse são as ligas metálicas que não possuem estrutura cristalina e são sólidos amorfos. Eles são chamados óculos de metal . Suas propriedades físicas, mecânicas, elétricas e outras diferem das propriedades semelhantes dos metais convencionais para melhor.
Assim, na medicina, são usadas ligas amorfas, cuja resistência excede a do titânio. Eles são usados para fazer parafusos ou placas que conectam ossos quebrados. Ao contrário dos fixadores de titânio, este material se desintegra gradualmente e é substituído por material ósseo ao longo do tempo.
As ligas de alta resistência são utilizadas na fabricação de ferramentas de corte de metais, conexões, molas e peças de mecanismos.
Uma liga amorfa com alta permeabilidade magnética foi desenvolvida no Japão. Ao usá-lo em núcleos de transformadores em vez de chapas de aço texturizadas de transformadores, as perdas por correntes parasitas podem ser reduzidas em um fator de 20.
Os metais amorfos têm propriedades únicas. Eles são chamados de material do futuro.
Os sólidos são divididos em amorfos e cristalinos, dependendo de sua estrutura molecular e propriedades físicas.
Ao contrário dos cristais, moléculas e átomos de sólidos amorfos não formam uma rede, e a distância entre eles varia dentro de um certo intervalo de distâncias possíveis. Em outras palavras, em cristais, átomos ou moléculas são dispostos mutuamente de tal forma que a estrutura formada pode ser repetida em todo o volume do corpo, o que é chamado de ordem de longo alcance. No caso de corpos amorfos, a estrutura das moléculas é preservada apenas em relação a cada uma dessas moléculas, sendo observada uma regularidade na distribuição apenas das moléculas vizinhas - ordem de curto alcance. exemplo ilustrativo apresentado abaixo.
Os corpos amorfos incluem vidro e outras substâncias em estado vítreo, colofónia, resinas, âmbar, lacre, betume, cera, bem como substâncias orgânicas: borracha, couro, celulose, polietileno, etc.
A peculiaridade da estrutura dos sólidos amorfos lhes confere propriedades individuais:
Na natureza, existem líquidos que são praticamente impossíveis de converter ao estado cristalino por resfriamento, pois a complexidade das moléculas dessas substâncias não permite que elas formem uma rede cristalina regular. Moléculas de alguns polímeros orgânicos pertencem a tais líquidos.
No entanto, com a ajuda de um resfriamento profundo e rápido, quase qualquer substância pode entrar em um estado vítreo. Este é um estado tão amorfo que não possui uma rede cristalina clara, mas pode cristalizar parcialmente, na escala de pequenos aglomerados. Este estado da matéria é metaestável, ou seja, é preservado sob certas condições termodinâmicas exigidas.
Com a ajuda da tecnologia de resfriamento a uma certa velocidade, a substância não terá tempo de cristalizar e será convertida em vidro. Ou seja, quanto maior a taxa de resfriamento do material, menor a probabilidade de cristalização. Assim, por exemplo, para a fabricação de vidros metálicos, é necessária uma taxa de resfriamento de 100.000 a 1.000.000 Kelvin por segundo.
Na natureza, a matéria existe em estado vítreo e surge do magma vulcânico líquido, que, interagindo com água fria ou ar, esfria rapidamente. NO este caso a substância é chamada de vidro vulcânico. Você também pode observar o vidro formado como resultado do derretimento de um meteorito em queda interagindo com a atmosfera - vidro de meteorito ou moldavita.
