Insieme ai solidi cristallini si trovano anche solidi amorfi. I corpi amorfi, a differenza dei cristalli, non hanno un ordine rigoroso nella disposizione degli atomi. Solo gli atomi più vicini, i vicini, sono disposti in un certo ordine. Ma
Nei corpi amorfi non esiste una rigorosa ripetibilità in tutte le direzioni dello stesso elemento strutturale, caratteristica dei cristalli.
Spesso la stessa sostanza può essere trovata sia nello stato cristallino che amorfo. Ad esempio, il quarzo può essere in forma cristallina o amorfa (silice). La forma cristallina del quarzo può essere rappresentata schematicamente come un reticolo di esagoni regolari (Fig. 77, a). Anche la struttura amorfa del quarzo ha l'aspetto di un reticolo, ma di 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 plastiche, resina, colofonia, zucchero candito, ecc.
Sotto influenze esterne, i corpi amorfi mostrano sia proprietà elastiche, come i solidi, sia fluidità, come i liquidi. In caso di impatti (impatti) a breve termine, si comportano come un corpo solido e, con un forte impatto, si rompono in pezzi. Ma con un'esposizione molto lunga, scorrono corpi amorfi. Ad esempio, un pezzo di resina si diffonde gradualmente su una superficie solida. Gli atomi o le molecole di corpi amorfi, come le molecole di un liquido, hanno un certo tempo di “vita stabilizzata”, il tempo delle oscillazioni attorno alla posizione di equilibrio. Ma a differenza dei liquidi, questo tempo è molto lungo. A questo proposito, i corpi amorfi sono vicini a quelli cristallini, poiché raramente si verificano salti di atomi da una posizione di equilibrio all'altra.
A basse temperature, i corpi amorfi assomigliano ai solidi nelle loro proprietà. Non hanno quasi alcuna fluidità, ma man mano che la temperatura aumenta si ammorbidiscono gradualmente e le loro proprietà si avvicinano sempre più a quelle dei liquidi. Ciò accade perché con l'aumento della temperatura i salti di atomi da una posizione diventano gradualmente più frequenti.
equilibrio ad un altro. Non esiste un punto di fusione specifico per i corpi amorfi, a differenza di quelli cristallini.
Fisica dello stato solido. Tutte le proprietà dei solidi (cristallini e amorfi) possono essere spiegate sulla base della conoscenza della loro struttura atomico-molecolare e delle leggi del movimento delle molecole, degli atomi, degli ioni e degli elettroni che compongono i solidi. Gli studi sulle proprietà dei solidi sono riuniti in un vasto campo della fisica moderna: la 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 questo settore sono impensabili senza una profonda conoscenza di tutti gli altri rami della fisica.
1. In cosa differiscono i corpi cristallini da quelli amorfi? 2. Cos'è l'anisotropia? 3. Fornire esempi di corpi monocristallini, policristallini e amorfi. 4. In che modo le dislocazioni dei bordi differiscono dalle dislocazioni delle viti?
Va ricordato che non tutti i corpi che esistono sul pianeta Terra hanno una struttura cristallina. Le eccezioni alla regola sono chiamate “corpi amorfi”. Come sono differenti? Sulla base della traduzione di questo termine - amorfo - si può presumere che tali sostanze differiscano dalle altre per forma o aspetto. Stiamo parlando dell'assenza del cosiddetto reticolo cristallino. Il processo di scissione che produce i bordi non avviene. I corpi amorfi si distinguono anche per il fatto che non dipendono dall'ambiente e le loro proprietà sono costanti. Tali sostanze sono chiamate isotrope.
Breve descrizione dei corpi amorfi
Da un corso di fisica scolastica, puoi ricordare che le sostanze amorfe hanno una struttura in cui gli atomi in esse contenuti sono disposti in ordine caotico. Solo le strutture vicine dove tale disposizione è obbligata possono avere una ubicazione specifica. Tuttavia, tracciando un'analogia con i cristalli, i corpi amorfi non hanno un ordine rigoroso di molecole e atomi (in fisica questa proprietà è chiamata "ordine a lungo raggio"). Come risultato della ricerca, si è scoperto che queste sostanze hanno una struttura simile ai liquidi.
Alcuni corpi (ad esempio, possiamo prendere il biossido di silicio, la cui formula è SiO 2) possono essere contemporaneamente allo stato amorfo e avere una struttura cristallina. Il quarzo nella prima versione ha la struttura di un reticolo irregolare, nella seconda - un esagono regolare.
Proprietà n. 1
Come accennato in precedenza, i corpi amorfi non hanno un reticolo cristallino. I loro atomi e le loro molecole hanno un breve ordine di disposizione, che sarà la prima proprietà distintiva di queste sostanze.
Proprietà n. 2
Questi corpi sono privi di fluidità. Per spiegare meglio la seconda proprietà delle sostanze possiamo farlo usando l'esempio della cera. Non è un segreto che se versi l'acqua in un imbuto, ne uscirà semplicemente. Lo stesso accadrà con qualsiasi altra sostanza fluida. Ma le proprietà dei corpi amorfi non consentono loro di eseguire tali “trucchi”. Se la cera viene posta in un imbuto, si spargerà prima sulla superficie e solo successivamente inizierà a defluire da essa. Ciò è dovuto al fatto che le molecole di una sostanza saltano da una posizione di equilibrio a una completamente diversa, senza avere una posizione primaria.
Proprietà n. 3
È tempo di parlare del processo di fusione. Va ricordato che le sostanze amorfe non hanno una temperatura specifica alla quale inizia la fusione. Man mano che la temperatura aumenta, il corpo diventa gradualmente più morbido e poi si trasforma in liquido. I fisici non si concentrano sempre sulla temperatura alla quale un dato processo ha cominciato a verificarsi, ma sul corrispondente intervallo di temperature di fusione.
Proprietà n. 4
È già stato menzionato sopra. I corpi amorfi sono isotropi. Cioè, le loro proprietà in qualsiasi direzione rimangono invariate, anche se le condizioni di permanenza nei luoghi sono diverse.
Proprietà n. 5
Almeno una volta ogni persona ha osservato che dopo un certo periodo di tempo il vetro cominciava ad appannarsi. Questa proprietà dei corpi amorfi è associata ad una maggiore energia interna (è molte volte maggiore di quella dei cristalli). Per questo motivo queste sostanze possono facilmente passare allo stato cristallino.
Transizione allo stato cristallino
Dopo un certo periodo di tempo, qualsiasi corpo amorfo si trasforma in uno stato cristallino. Questo può essere osservato nella vita quotidiana di una persona. Ad esempio, se lasci caramelle o miele per diversi mesi, potresti notare che entrambi hanno perso la loro trasparenza. La persona media dirà che sono semplicemente ricoperti di zucchero. Infatti, se rompete il corpo, noterete la presenza di cristalli di zucchero.
Quindi, parlando di questo, è necessario chiarire che la trasformazione spontanea in un altro stato è dovuta al fatto che le sostanze amorfe sono instabili. Confrontandoli con i cristalli si capisce che questi ultimi sono molte volte più “potenti”. Questo fatto può essere spiegato utilizzando la teoria intermolecolare. Secondo esso, le molecole saltano costantemente da un posto all'altro, riempiendo così i vuoti. Nel tempo si forma un reticolo cristallino stabile.
Fusione dei corpi amorfi
Il processo di fusione dei corpi amorfi è il momento in cui, con l'aumento della temperatura, tutti i legami tra gli atomi vengono distrutti. Questo è quando la sostanza si trasforma in un liquido. Se le condizioni di fusione sono tali che la pressione è la stessa per tutto il periodo, anche la temperatura deve essere fissa.
Cristalli liquidi
In natura esistono corpi che hanno una struttura cristallina liquida. Di norma, sono inclusi nell'elenco delle sostanze organiche e le loro molecole hanno una forma filiforme. I corpi in questione hanno le proprietà dei liquidi e dei cristalli, ovvero fluidità e anisotropia.
In tali sostanze, le molecole si trovano parallele tra loro, tuttavia non esiste una distanza fissa tra loro. Si muovono costantemente, ma non sono disposti a cambiare orientamento, quindi sono costantemente nella stessa posizione.
Metalli amorfi
I metalli amorfi sono meglio conosciuti dalla persona media come vetri metallici.
Già nel 1940 gli scienziati iniziarono a parlare dell'esistenza di questi corpi. Già allora si sapeva che i metalli appositamente prodotti mediante deposizione sotto vuoto non avevano reticoli cristallini. E solo 20 anni dopo fu prodotto il primo bicchiere di questo tipo. Non ha attirato molta attenzione da parte degli scienziati; e solo dopo altri 10 anni i professionisti americani e giapponesi, e poi quelli coreani ed europei, iniziarono a parlare di lui.
I metalli amorfi sono caratterizzati da viscosità, livello sufficientemente elevato di resistenza e resistenza alla corrosione.
Nel paragrafo precedente abbiamo appreso che alcuni solidi (ad esempio sale, quarzo, metalli e altri) sono mono o policristalli. Facciamo conoscenza adesso 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. Posizioniamo la plastilina e la candela a uguale distanza dal calorifero. Presto una parte della candela si scioglierà, una parte rimarrà sotto forma di solido e la plastilina “si affloscerà”. Dopo un po ', tutta la stearina si scioglierà e la plastilina si “scioglierà” gradualmente, diventando completamente morbida.
Come la stearina, ce ne sono altri sostanze cristalline, che non si ammorbidiscono se riscaldati, e durante lo scioglimento si vede sempre sia il liquido che la parte del corpo che non si è ancora sciolta. Questo, ad esempio, è tutti i metalli. Ma ci sono anche sostanze amorfe, che riscaldandosi gradualmente si ammorbidiscono e diventano sempre più fluidi, quindi è impossibile indicare la temperatura alla quale il corpo si trasforma in liquido (si scioglie).
I corpi amorfi hanno a qualsiasi temperatura fluidità. Confermiamolo con l'esperienza. Gettiamo un pezzo di sostanza amorfa in un imbuto di vetro e lasciamolo in una stanza calda (nella foto - resina di catrame, da essa è ricavato l'asfalto). Dopo alcune settimane, si scopre che la resina ha preso la forma di un imbuto e ha persino cominciato a fuoriuscire da esso come un "getto". Questo è un corpo amorfo si comporta come un liquido molto denso e viscoso.
La struttura dei corpi amorfi. Gli studi al microscopio elettronico e ai raggi X mostrano che nei corpi amorfi non esiste 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 chiuso– un certo ordinamento della disposizione delle particelle è preservato 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 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 fluttuano continuamente e in modo casuale e, più spesso delle particelle di cristalli, possono saltare da un posto all'altro. Ciò è facilitato dal fatto che le particelle di corpi amorfi si trovano in una densità ineguale, in punti che creano spazi relativamente grandi. Tuttavia, questo non è la stessa cosa dei “posti vacanti” nei cristalli (vedi § 7).
Cristallizzazione di corpi amorfi. Nel tempo (settimane, mesi), sostanze amorfe spontaneamente trasformarsi in uno stato cristallino. Ad esempio, le caramelle di zucchero o il miele lasciati riposare per diversi mesi diventano opachi. In questo caso si dice che il miele e le caramelle siano “canditi”. Rompendo una tale caramella o raccogliendo tale miele con un cucchiaio, vedremo la formazione di cristalli di zucchero che precedentemente esistevano in uno stato amorfo.
La cristallizzazione spontanea dei corpi amorfi lo indica Lo stato cristallino di una sostanza è più stabile di quello amorfo. MKT lo spiega in questo modo. Le forze di attrazione e repulsione dei “vicini” muovono le particelle di un corpo amorfo in posizioni dove l’energia potenziale è minima(vedi § 7-d). In questo caso appare una disposizione più ordinata delle particelle, il che significa che avviene una cristallizzazione indipendente.
Un solido è uno dei quattro stati fondamentali della materia, oltre a liquido, gas e plasma. È caratterizzato da rigidità strutturale e resistenza ai cambiamenti di forma o volume. A differenza di un liquido, un oggetto solido non scorre né prende la forma del contenitore in cui è posto. Un solido non si espande fino a riempire l'intero volume disponibile come fa un gas.
Gli atomi in un solido sono strettamente collegati tra loro, si trovano in uno stato ordinato nei nodi del reticolo cristallino (questi sono metalli, ghiaccio ordinario, zucchero, sale, diamante) o sono disposti in modo irregolare, non hanno una rigorosa ripetibilità nel struttura del reticolo cristallino (si tratta di corpi amorfi, come vetro di finestra, colofonia, mica o plastica).
Corpi di cristallo
I solidi o cristalli cristallini hanno una caratteristica interna distintiva: una struttura sotto forma di reticolo cristallino, in cui atomi, molecole o ioni di una sostanza occupano una certa posizione.
Il reticolo cristallino porta all'esistenza di speciali facce piane nei cristalli, che distinguono una sostanza dall'altra. Quando esposto ai raggi X, ciascun reticolo cristallino emette uno schema caratteristico che può essere utilizzato per identificare la sostanza. I bordi dei cristalli si intersecano con determinati angoli che distinguono una sostanza dall'altra. Se il cristallo viene diviso, le nuove facce si intersecheranno con gli stessi angoli dell'originale.
Ad esempio, galena - galena, pirite - pirite, quarzo - quarzo. Le facce dei cristalli si intersecano ad angolo retto nella galena (PbS) e nella pirite (FeS 2), e ad altri angoli nel quarzo.
Proprietà dei cristalli
- volume costante;
- forma geometrica corretta;
- anisotropia: la differenza nelle proprietà meccaniche, luminose, elettriche e termiche dalla direzione nel cristallo;
- un punto di fusione ben definito, poiché dipende dalla regolarità del reticolo cristallino. Le forze intermolecolari che tengono insieme un solido sono uniformi e occorre la stessa quantità di energia termica per spezzare ciascuna forza simultaneamente.
Corpi amorfi
Esempi di corpi amorfi che non hanno una struttura rigorosa e ripetibilità delle celle del reticolo cristallino sono: vetro, resina, teflon, poliuretano, naftalene, cloruro di polivinile.
Hanno due proprietà caratteristiche: l'isotropia e l'assenza di un punto di fusione specifico.
L'isotropia dei corpi amorfi è intesa come le stesse proprietà fisiche di una sostanza in tutte le direzioni.
In un solido amorfo, la distanza dai nodi vicini del reticolo cristallino e il numero di nodi vicini varia in tutto il materiale. Pertanto, sono necessarie diverse quantità di energia termica per rompere le interazioni intermolecolari. Di conseguenza, le sostanze amorfe rammolliscono lentamente in un ampio intervallo di temperature e non hanno un punto di fusione chiaro.
Una caratteristica dei solidi amorfi è che a basse temperature hanno le proprietà dei solidi e quando la temperatura aumenta hanno le proprietà dei liquidi.
CORPI AMORFI(Greco amorphos - senza forma) - corpi in cui le particelle costituenti elementari (atomi, ioni, molecole, loro complessi) si trovano casualmente nello spazio. Per distinguere i corpi amorfi da quelli cristallini (vedi Cristalli), viene utilizzata l'analisi di diffrazione dei raggi X (vedi). I corpi cristallini sui modelli di diffrazione dei raggi X danno un modello di diffrazione chiaro e definito sotto forma di anelli, linee, punti, mentre i corpi amorfi danno un'immagine sfocata e irregolare.
I corpi amorfi hanno le seguenti caratteristiche: 1) in condizioni normali sono isotropi, cioè le loro proprietà (meccaniche, elettriche, chimiche, termiche, ecc.) sono le stesse in tutte le direzioni; 2) non hanno un certo punto di fusione e con l'aumentare della temperatura la maggior parte dei corpi amorfi, ammorbidendosi gradualmente, si trasformano in uno stato liquido. Pertanto, i corpi amorfi possono essere considerati liquidi sottoraffreddati che non hanno avuto il tempo di cristallizzare a causa di un forte aumento della viscosità (vedi) dovuto ad un aumento delle forze di interazione tra le singole molecole. Molte sostanze, a seconda dei metodi di produzione, possono trovarsi allo stato amorfo, intermedio o cristallino (proteine, zolfo, silice, ecc.). Tuttavia, ci sono sostanze che esistono quasi esclusivamente in uno di questi stati. Pertanto, la maggior parte dei metalli e dei sali si trovano allo stato cristallino.
Molto diffusi sono i corpi amorfi (vetro, resine naturali e artificiali, gomma, ecc.). I materiali polimerici artificiali, che sono anche corpi amorfi, sono diventati indispensabili nella tecnologia, nella vita quotidiana e nella medicina (vernici, vernici, plastica per protesi, varie pellicole polimeriche).
Nella natura vivente, i corpi amorfi comprendono 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 dei biopolimeri interagiscono facilmente tra loro, dando aggregati (vedi Aggregazione) o coacervati a sciame (vedi Coacervazione). I corpi amorfi si trovano anche nelle cellule sotto forma di inclusioni e sostanze di riserva (amido, lipidi).
Una caratteristica dei polimeri che compongono i corpi amorfi degli oggetti biologici è, ad esempio, la presenza di limiti ristretti di zone fisico-chimiche di stato reversibile. Quando la temperatura sale al di sopra della temperatura critica, la loro struttura e proprietà cambiano in modo irreversibile (coagulazione delle proteine).
I corpi amorfi formati da un numero di polimeri artificiali, a seconda della temperatura, possono trovarsi in tre stati: vetroso, altamente elastico e liquido (fluido viscoso).
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 mantenere il citoplasma in uno stato stazionario. Il ruolo dei corpi amorfi nel mantenere la forma e la forza degli oggetti biologici è importante: la membrana di cellulosa delle cellule vegetali, le membrane di spore e batteri, la pelle di animali e così via.
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