Аморфні тіла: властивості, приклади речовин, сфери застосування

Аморфні тіла - властивості, приклади речовин, сфери застосування Фізика

У природному середовищі тверді тіла можуть перебувати в кристалічному або аморфному стані. Присутні між ними відмінності пов’язані не тільки з базовими властивостями, але і з фізичними характеристиками. Всі кристали мають чіткий порядок розташування наявних атомів. А ось для аморфних речовин невластива впорядкована структура. Тверді об’єкти знаходяться в конденсованому стані. Властивості і приклади аморфних тіл вивчають у 8 класі на уроках фізики.

Короткий опис

Хаотичний принцип розміщення атомів властивий тим тілам, які перебувають в аморфному (конденсованому) стані. Це впливає на підсумкові фізичні та хімічні характеристики твердих матеріалів. У науковому середовищі часто зустрічаються ситуації, коли всі присутні атоми розташовані максимально впорядковано. За характеристиками аморфні речовини більше нагадують рідини. Але певні відмінності присутні.

У конденсованому стані речовини не є стійкими. Під впливом різних факторів тверде тіло може бути піддано змінам. Після закінчення великого проміжку часу конденсоване речовина може перейти в кристалічний стан. Але для цього повинен пройти не один рік.

Якщо в шкільній доповіді потрібно описати аморфність, тоді потрібно врахувати, що цей термін характеризує особливий стан речовини, коли в його будові відсутня всяка правильність. Додатково можна навести приклад, де саме в побуті використовуються конденсовані тіла:

  • Цукровий льодяник.
  • Шоколад.
  • Перли.
  • Жувальні гумки.
  • Швейні шпильки.

До аморфних тіл можна віднести безліч речовин, які активно використовуються людством. Наприклад: пластмаси, скло, парафін, каучук, ебоніт.

За певних умов в аморфний стан можуть переходити навіть ті речовини, які найчастіше мають кристалічну структуру. Наприклад, SiO2 може бути розплавлений під впливом температури +1700 °C. після охолодження буде утворений плавлений кварц, який володіє набагато меншою щільністю, ніж кристалічна речовина. Ці явища детально вивчають на уроках фізики.

Базові властивості

Всі тверді тіла без кристалічної структури володіють схожими характеристиками, що пов’язано з їх принципом будови. Найбільше значення мають такі властивості:

  1. За принципом напрямку речовини в конденсованому стані є ізотропними. Це означає, що всі аналізовані властивості будуть абсолютно однаковими.
  2. Немає чіткої температури, при якій матеріал починає плавитися. Перехід речовин в рідкий стан відбувається поступово, оскільки все залежить від того, як скоро тверде тіло придбає більш розм’якшену структуру.
  3. Показник плинності. Цією властивістю наділені речовини, які людина може візуально спостерігати у вигляді патьоків на старому склі.

Будь-яка речовина в аморфному стані володіє набагато більшою внутрішньою енергією, ніж в звичайному кристалі. Така властивість твердих тіл має величезне значення в промисловості. Аморфні тіла можуть переходити в кристалічний стан. Наприклад, помутніння скла в результаті багаторічної експлуатації. Цей ефект пов’язаний з утворенням мікроскопічних кристалів, які володіють зовсім іншими оптичними характеристиками, ніж аморфне середовище.

У природних умовах існують речовини, які одночасно можуть мати властивості кристалів і рідин. Якщо тіло перебуває саме в такому стані, тоді воно буде рідкокристалічним. Найчастіше до цієї категорії відносяться різні речовини органічного походження. В цьому випадку молекули представлені у вигляді пластин. Вони також можуть мати ниткоподібну форму.

Особливості склоподібних речовин

У природному середовищі можна зустріти такі рідини, які навіть в лабораторних умовах неможливо перетворити в кристали за допомогою поступового зниження температури. Це пов’язано з тим, що складний принцип будови молекул перешкоджає утворенню регулярної кристалічної решітки. До цієї категорії можна віднести молекули деяких полімерів органічного походження.

Якщо спробувати задіяти прискорене і максимально глибоке охолодження, тоді можна буде практично будь-яка речовина перевести в склоподібний стан. Явна кристалічна решітка буде відсутня, але тіло може частково кристалізуватися (в рамках мікроскопічних кристалів). Але це аморфний стан є метастабільним, через що може зберігатися тільки за умови створення оптимальних термодинамічних умов.

Технологія швидкого і глибокого охолодження відрізняється тим, що задіяна речовина просто не буде встигати кристалізуватися, через що перетворюється в скло. Це означає, що чим вище швидкість зниження температури матеріалу, тим менше ймовірність його кристалізації. Як приклад можна розглянути принцип серійного виготовлення металевих скел. Для отримання якісного товару швидкість охолодження матеріалу знаходиться в межах від 100 тис.до 1 млн к/сек.

З рідкої вулканічної магми виникає речовина, яка в природі може існувати в склоподібному стані. Натуральний матеріал взаємодіє з холодною водою або повітрям і швидко охолоджується. Мова стосується вулканічного скла.

Не менш цікава речовина утворюється в результаті плавлення падаючого метеорита. Під впливом зовнішніх факторів формується напівкоштовний камінь – молдавит.

Полімери та їх використання

Як приклад застосування аморфних речовин можна розглянути полімери. Їх особливість в тому, що навіть тверді тіла можуть при створенні відповідних умов поступово перейти в рідину. Якщо ці речовини піддати заморожуванню, тоді можна буде помітити, що вони приймуть склоподібну форму і проявлять всі характеристики твердих полімерів. Тіла стануть еластичними через поетапне нагрівання.

Такого виду аморфні речовини отримали великий попит в повсякденному житті людини. Полімери активно використовують в різних галузях:

  • Серійне виробництво електроізоляційних матеріалів. Наприклад, полівінілхлорид або відомі кожному пластикові вікна з ПВХ. Ці матеріали характеризуються підвищеною стійкістю до загоряння, оскільки є важкогорючими. Полівінілхлорид володіє відмінними електроізоляційними властивостями, а також підвищеною механічною міцністю.
  • Синтетичні каучуки та еластомери.
  • Поліаміди. Виготовляються пластмаси мають підвищену міцність і стійкість до передчасного зносу. Доступність і висока якість цих матеріалів використовується в машинобудуванні, авіаційній і текстильній промисловостях, а також в традиційній медицині.
  • Найвідомішим і затребуваним полімером є поліетилен. Цей матеріал стійкий до негативного впливу навколишнього середовища, не пропускає вологу. Якщо упаковка товару виготовлена з поліетилену, тоді можна не турбуватися, що вміст буде зіпсовано в результаті намокання. Це аморфне тіло є хорошим діелектриком. З поліетилену на серійному рівні виготовляють трубні конструкції, електричні деталі, ізоляційну плівку, елементи для радіоапаратури.
  • Полістирол. Цей матеріал отримав великий попит завдяки тому, що він протистоїть агресивному впливу кислот. Полістирол має високу міцність щодо механічного впливу. Він зарекомендував себе як надійний електроізоляційний і конструкційний матеріал. Найчастіше застосовується в радіо – і електротехніці.

Не менш затребуваним є поліхлорвініл, який практично не пропускає воду і отримав великий попит в електричній промисловості. На основі цього матеріалу виготовляють акумуляторні банки, теплоізоляційні шланги, дроти та кабелі.

Ізотропність речовин

У кристалічних тілах всі фізичні властивості мають рівний напрямок. В аморфних речовинах ситуація кардинально протилежна. Саме це явище називається ізотропністю. Аморфне тіло по-різному проводить теплоту і електрику за всіма наявними напрямками. Якщо мова йде про звук, то він теж буде поширюватися нерівномірно. Ці властивості аморфних тіл активно застосовуються в сучасних технологіях.

Найбільший попит у виробництві отримали сплави металів, що не володіють кристалічною структурою. Їх прийнято називати металевими стеклами (матеріал утворюється при надшвидкому охолодженні розплаву, що знижує ймовірність кристалізації). Такий підхід використовується на серійному рівні. Всі електричні, механічні та інші властивості істотно перевершують характеристики звичайних металів.

У медичній галузі великий попит отримали аморфні Сплави, оскільки показник їх міцності істотно перевершує параметри титану. З цього матеріалу виготовляють різні пластини і гвинти, які необхідні для з’єднання зламаних кісток. На відміну від титанових деталей аморфні Сплави поступово розпадаються і з часом успішно замінюються кістковим матеріалом. Таке лікування є менш травматичним для пацієнта.

Високоякісні аморфні сплави отримали попит в серійному виробництві арматури, металорізальних інструментів, різних пружин і деталей складних механізмів. Ці товари відрізняються не тільки своєю надійністю, але і довговічністю.

В Японії фахівці змогли розробити унікальний сплав, який добре пропускає магнітні хвилі. Цей матеріал використовують для виготовлення сердечників трансформаторів замість звичних текстурованих листів, що дозволяє знизити в 20 разів втрати на вихрових токах. Вчені прийшли до висновку, що аморфні сплави мають унікальні властивості, завдяки яким можна зробити ще не одне цікаве відкриття.

Оцініть статтю
Додати коментар