§45. Аморфное состояние твёрдого тела  

Определения и обозначения

Аморфное состояние твёрдого тела — состояние, при котором частицы не образуют упорядоченной периодической кристаллической решётки. Вещество при этом сохраняет форму и объём, но устроено не как кристалл. Это определение помогает отличать аморфное тело по внутреннему строению, а не только по внешнему виду.

Ближний порядок — закономерное расположение ближайших частиц, сохраняющееся в небольших областях вещества. Соседи частицы находятся на характерных расстояниях и образуют устойчивое местное окружение. Понятие нужно, чтобы не считать аморфное тело полностью беспорядочным.

Дальний порядок — периодическое расположение частиц, которое повторяется на больших расстояниях и характерно для кристаллов. В кристаллической решётке можно мысленно продолжать один и тот же порядок через всё вещество. В аморфном теле такой повторяемости нет.

Изотропия — одинаковость физических свойств вещества по всем направлениям. Например, измеренные в разных направлениях свойства стекла обычно совпадают. Этот термин связывает строение вещества с наблюдаемыми свойствами материала.

Как это устроено

В кристалле частицы расположены в узлах периодической решётки: порядок, видимый около одной частицы, повторяется далеко от неё. В аморфном теле ближайшие частицы тоже не размещены беспорядочно, потому что силы взаимодействия задают им предпочтительные расстояния. Но дальше нескольких соседних частиц эти закономерности постепенно нарушаются, поэтому сохраняется только ближний порядок.

Аморфные тела обычно изотропны, потому что их структура не выделяет какого-либо особого направления на больших расстояниях. В монокристалле решётка ориентирована одинаково во всём образце, и расстояния между частицами или силы связи могут различаться вдоль разных осей. Поэтому теплопроводность, прочность и другие свойства монокристалла способны зависеть от направления; такую зависимость называют анизотропией.

Кристалл плавится при определённой температуре, когда его периодическая структура перестаёт быть устойчивой. В аморфном веществе нет единой решётки и одинаковых узлов связи, которые разрушались бы одновременно. Сначала подвижными становятся одни участки, затем другие, поэтому при нагревании тело постепенно размягчается в некотором интервале температур.

Аморфное состояние можно получить быстрым охлаждением расплава. При медленном охлаждении частицы успевают переместиться и выстроиться в кристаллическую решётку, а при быстром движении быстро уменьшается и «замораживается». Так получают стекло и некоторые полимерные материалы. К аморфным телам относятся стекло, смолы, пластмассы и некоторые виды резины; их изотропность, прозрачность, гибкость или способность размягчаться используют в технике и быту.

Сравнение кристаллических и аморфных тел

Пользуйтесь таблицей, сопоставляя сразу несколько признаков, а не только один пример вещества. Главные ориентиры — наличие дальнего порядка, характер зависимости свойств от направления и поведение при нагревании.

Разбор задач

Задача 1

Из перечисленных веществ выберите аморфные: поваренная соль, оконное стекло, медь, пластилин, кварц. Объяснить выбор нужно по внутреннему строению, а не по тому, сохраняет ли вещество форму. Дополнительный признак — характер размягчения или плавления.

Сначала вспомним, что кристаллические вещества имеют дальний порядок. Затем проверим каждый пример: соль, медь и кварц относятся к кристаллическим веществам, а стекло и пластилин не имеют периодической решётки.

1. Оконное стекло — аморфное тело, потому что в нём сохраняется только ближний порядок.
2. Пластилин — аморфный материал; при нагревании он обычно постепенно становится мягче.
3. Соль, медь и кварц исключаем как вещества с кристаллическим строением.

Ответ: аморфные вещества — оконное стекло и пластилин. Их частицы не образуют дальнего порядка.

Задача 2

Стекло при нагревании постепенно размягчается, а кристаллическое вещество плавится при определённой температуре. Нужно связать это различие с особенностями строения веществ. Наблюдаемое поведение объясняется не размером образца, а отсутствием периодической решётки в стекле.

В кристалле частицы образуют единую повторяющуюся структуру, и при достижении температуры плавления она разрушается как целое. В стекле частицы связаны неодинаково и расположены без дальнего порядка. Поэтому разные участки теряют устойчивость не одновременно.

1. У кристалла есть дальний порядок и определённая температура плавления.
2. У стекла дальнего порядка нет, поэтому нет единой температуры разрушения структуры.
3. При нагревании стекло сначала размягчается, а затем становится более текучим.

Ответ: постепенное размягчение стекла вызвано аморфным строением и отсутствием периодической кристаллической решётки.

Задача 3

Расплав быстро охладили, и образовавшееся тело оказалось изотропным и размягчалось в широком интервале температур. Требуется определить состояние тела и объяснить результат охлаждения. Для вывода используем оба признака вместе.

Изотропия и отсутствие определённой температуры плавления характерны для аморфных веществ. Быстрое охлаждение не оставляет частицам времени для перестройки в кристаллическую решётку. Их расположение как бы фиксируется в неупорядоченном состоянии с ближним порядком.

1. По изотропии предполагаем отсутствие выделенных направлений структуры.
2. По постепенному размягчению заключаем, что дальнего порядка и единой решётки нет.
3. Связываем это с быстрым охлаждением, которое остановило кристаллизацию расплава.

Ответ: тело находится в аморфном состоянии. Оно образовалось потому, что быстрое охлаждение расплава помешало частицам выстроиться в кристаллическую решётку.

Типичные ошибки

Считать любое твёрдое тело кристаллическим. Так думают, потому что и кристаллы, и аморфные вещества сохраняют форму. Проверяйте не форму, а наличие дальнего порядка и характер плавления.

Утверждать, что частицы аморфного тела расположены полностью беспорядочно. Ошибка возникает из-за смешения ближнего и дальнего порядка. Проверьте себя: у ближайших частиц есть закономерное окружение, хотя на больших расстояниях повторяемость исчезает.

Приписывать аморфным телам дальний порядок. Иногда любой устойчивый материал ошибочно представляют как решётку. Если периодическое расположение не повторяется на больших расстояниях, дальнего порядка нет.

Говорить, что аморфное тело плавится при одной строго определённой температуре. Такое свойство характерно прежде всего для кристаллов. Правильная проверка — наблюдать, становится ли тело постепенно мягким в интервале температур.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о строении вещества и тепловом движении частиц. Полезно также различать монокристалл, где свойства могут зависеть от направления, и поликристалл, состоящий из множества кристаллических зёрен. Эти знания помогают связать микроскопическое строение с измеряемыми свойствами.

Дальше тема пригодится при изучении плавления и кристаллизации, а также свойств материалов. Понимание аморфного строения объясняет применение стекла, пластмасс, смол и полимеров. По поведению вещества при нагревании можно предположить особенности его внутреннего устройства.

Что запомнить

• Аморфное тело не имеет дальнего порядка.
• В аморфном теле сохраняется ближний порядок.
• Аморфные тела обычно изотропны.
• Аморфное тело не имеет определённой температуры плавления.
• При нагревании аморфное тело постепенно размягчается.
• Быстрое охлаждение расплава может привести к образованию аморфного тела.
• Примеры аморфных тел — стекло, пластмассы и смолы.