|
|
Аморфные вещества. Химия. Аморфные вещества (1). Обучающаяся 131ой группы
Федеральное государственное бюджетное учреждение
высшего образования
<Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина>
Факультет технического сервиса в АПК
Кафедра математических и естественнонаучных дисциплин
Направление подготовки: 05.03.06. Экология и природопользование
Реферат
По дисциплине <Химия>
На тему: <Аморфные вещества в природе, технике, быту>
Выполнила: обучающаяся 131-ой группы
Факультета АПЭПиВ
Ельцова М.М
Проверила:
Доцент, канд. с-х. наук
Кожевина М.Н
ОМСК, 2021
Содержание:
Введение
Понятие
Свойства
Примеры веществ
Атомное строение
Классификация
Зонная теория аморфных тел
Применение
Заключение
Литература
Введение
Имеются тела, какие при плавлении не размягчаются, а из твердого состояния становятся вмиг в жидкость. Во время плавления таких тел всегда возможно отделить жидкость от еще не растопившийся (твердой) доли тела. Эти тела - кристаллические. Имеются также твердые тела, которые при нагревании понемногу размягчаются, стают все более текучими. Для таких тел невозможно указать температуру, при которой они превращаются в жидкость (плавятся). Эти тела именуют аморфными. По своим свойствам они занимают промежуточное состояние между кристаллами и жидкостями, потому их нельзя несомненно назвать твёрдыми.
Изучения при помощи электронного микроскопа и рентгеновских лучей свидетельствуют, что в аморфных телах не отмечается требовательного распорядка в местоположении их частиц. В отличие от кристаллов, где существует дальний распорядок их расположения, в строении аморфных тел есть ближний. Это значит, что некая ориентированность расположения частиц сберегается только вблизи каждой отдельной частицы. Как в любых телах, частицы аморфных тел непрерывно и беспорядочно колеблются и чаще, нежели в кристаллах, могут прыгать с места на место. Этому следует то, что частицы аморфных тел расположены неодинаково плотно – между ними кое-где имеются относительно большие промежутки. Аморфные вещества имеют много свойств и применений.
Разберем, атомное строение, понятие, отличия от твердых и жидких веществ, приведем образцы и узнаем где они применяются.
Понятие
Аморфные вещества (тела) — это твердые тела, атомная структура которых имеет близкий распорядок и не имеет далекого порядка, отличительного для кристаллических структур.
В отличие от кристаллов, аморфные вещества не затвердевают с образованием кристаллических граней, и, имеют изотропией свойств.
Изотропия-одинаковые физические характеристики при разном направлении, при ударе ведут себя будто твердые тела-раскалываются, а при повышении температуры-текут.
Свойства:
1.Аморфные вещества не имеют определённой точки плавления: при увеличении температуры стабильно-аморфные вещества понемногу размягчаются и выше температуры стеклования переходят в жидкое состояние
2.Аморфное состояние многих веществ выходит в отношение реальной скорости охлаждения и характеристической скорости кристаллизации определяет долю поликристаллов в аморфном объёме. Скорость кристаллизации — параметр вещества, слабо зависящий от давления и от температуры около точки плавления и сильно зависящий от сложности состава. У металлов и сплавов аморфное состояние формируется, как правило, если расплав охлаждается за время порядка сотни и тысячи лет для стёкол довольно намного меньшей скорости охлаждения — долей-десятков миллисекунд.
3.Аморфные вещества могут самопроизвольно переходить в кристаллическое состояние. Мед, леденец, воск.
4.Аморфные вещества не имеют кристаллическую структуру.
5.Аморфные вещества являются изотропами.
Примеры аморфных веществ.
Аморфные вещества подразделяют на витроиды (стекла), дисперсные системы и полимеры.
Витроиды – это твердые тела в аморфном состоянии, имеющие стекловидную структуру. К ним относятся стекло, коллоиды, органозоли, гидрозоли, пасты, клеи мастики краски, латексы и пр.
К дисперсным аморфным системам относятся еще кое-какие горные породы (диатомит, опоки), имеющие общую формулу SiO2. nH2O, а также активный кремнезем, который образуется в итоге разложения глин при их нагревании.
Полимеры – вещества, отличительной особенностью которых является большой размер и большая молекулярная масса молекул. Кроме того, молекулы соединены в структурные единицы, включающих 103 -105 молекул-мономеров.
Так же к аморфным веществам относятся: Смола, воск, янтарь, пластилин, жвачка большинство пластмасс.
Из обычных полимеров (пластмасс) только полиэтилен имеет приметную скорость кристаллизации при комнатной температуре — где-то двух лет. Это одна из причин охрупчивания со временем изделий из полиэтилена, исключительно при повышенной температуре.
Непринужденные и искусственные смолы, клеи, парафин, воск и др. Аморфные вещества могут быть либо в стеклообразном состоянии, либо в состоянии расплава. Аморфные вещества переходят в стеклообразное состояние при температурах заметно ниже температуры стеклования. При температурах гораздо выше аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии.
Атомное строение
Особенности аморфных веществ являются переходными между жидкостями и кристаллическими твёрдыми телами.
Как и жидкостям, веществам в аморфном пребывании присущ похожий порядок: есть закономерности расположения молекул друг относительно друга как геометрические (координационное число), так и химические (атомы одного вида помещаются близко с атомами прочего сорта), впрочем, эти закономерности сберегаются только для небольших расстояний. В случае большинства аморфных веществ это дистанция от 0,5 до 5 нанометров.
Как и в твёрдых телах отдельные атомы и молекулы аморфных тел имеют чрезвычайно низкую подвижность. Благодаря этому аморфные вещества сохраняют свою форму и размер.
Таким образом, с одной стороны, аморфное состояние можно воспринимать как поликристалл, размер зёрен которого является всего немного атомов, а с другой — как жидкость с очень большой вязкостью. Сравнение аморфных тел с жидкостью не является точным, потому уравнения, описывающие поведение аморфных тел (например, зависимость их объёма от температуры или реакцию на деформацию) принципиально различаются от аналогичных уравнений для вязких жидкостей. Аморфные тела получают сильно проявленные неньютоновские свойства, которых не было у жидкости до охлаждения.
Классификация
Можно отметить несколько больших групп аморфных веществ: стёкла, пластики, гели. Границы этих групп неясно определены, например, есть органическое стекло, что вдобавок является пластиком. Часто аморфные вещества систематизируют по методам получения. В таком случае «стеклом» именуют аморфные тела, приобретают охлаждением расплава. Порой термин «стекло» употребляют как синоним к «телу в аморфном состоянии».
Стеклообразные аморфные тела образуются из переохлаждённой жидкости. При охлаждении вязкость жидкости увеличивается. Температурой стеклования называют подобную температуру, при которой вязкость достигает 10-13 П (в квадриллион раз больше чем вязкость воды). Согласно эмпирическим правилам, температура стеклования одинакова приблизительно 2/3 от температуры плавления. Если жидкость удалось переохладить до такой температуры, не допустив начала кристаллизации, переход к кристаллическому состоянию становится очень тихим или невозможным, потому скорость передвижения атомов и молекул в теле также уменьшается в триллионы раз.
Примеры:
Стекло
Стекло, вязкость которого меняется по закону Аррениуса, именуют крепким. Стекло, вязкость которого увеличивается по закону Фогеля — Фулчера — Тамманна называют хрупким. На диаграмме Энджелла состояние прочного стекла при охлаждении перемещается вверх вдоль прямой, а хрупкого — вдоль выпуклой траектории. Степень выпуклости данной траектории называется хрупкостью стекла. В некоторых случаях траектория охлаждения на диаграмме Энжелла ещё более сложная. Тут термины «хрупкость» и «прочность» не имеет никакого взаимоотношения к механическим свойствам стёкол.
Особенно классические примеры стёкол — оксиды полуметаллов, таких как кремний и германий. Таковые стёкла относятся к прочным. Образцом хрупкого стекла может быть твёрдый толуол при низких температурах.
Стекла весьма распространены и по свойствам предельно аналогичны твёрдым телам. Существует распространённое заблуждение, что стёкла в окнах понемногу «стекают» вниз, из-за чего нижние части стёкол в старинных витражах толще, чем верхние. Вязкость обычного стекла при комнатной температуре имеет порядок 1018 П. Эксперименты показали, что за 6 лет оконное стекло деформируется только на 1 нанометр. Для изменения толщины стекла на 10 % пригодилось бы более миллиона лет.
Полимеры
Полимеры состоят из длинных молекул. В случае, когда они не свёрнуты в глобулы, а существуют в свободном состоянии, то обычно они сильно и хаотично переплетены и через свои огромные размеры распутать их чтобы встроить в кристаллическую решётку, очень трудно. С другой стороны, благодаря большим размерам молекул, полимерные аморфные тела обладают отдельные необыкновенные свойства.
Полимеры могут быть в особом высокоэластичном состоянии. Температурный спектр этого состояния лежит меж твёрдым стекловидным и плавлением. Его особенностью является то, что сегменты каждой молекулы могут достаточно быстро вращаться, благодаря чему цепи полимерных молекул могут относительно вольно скользить вдоль друг друга, хотя и не могут отрываться. На макроуровне это приводит к чрезвычайно сильный эластичности таких тел — они могут растягиваться в десятки раз при незначительных приложенных силах. Тела, находящиеся в высокоэластическом состоянии при комнатной температуре, называются резинами.
В аморфном полимерном теле могут существовать отдельные зоны, где цепи молекул образуют кристаллическую решётку. В таких нанокристаллах непременно задействованы единые молекулы. Если таких кристаллических регионов становится достаточно много, то весь объём материала становится твёрдым, что значительная его часть все ещё находится в аморфном состоянии.
Гели
Гелем называют дисперсную систему, в которой дисперсная момент образует случайную решётку, удерживающую всю систему в стабильном состоянии, поддерживая её форму и придавая упругость. Дисперсионная сфера оттого остаётся жидкой. Гелями называют множество бытовых аморфных тел, в первую очередь пищу (сыры, желе, майонез) и косметику (зубная паста, пена для бритья)
Аморфные тела имеют несколько особенностей, отличающих их от кристаллических тел. Во-первых, в отличие от кристаллов, в которых валентная зона и зона проводимости имеют чёткие границы, в аморфных телах плотность состояний изменяется плавно, поэтому можно говорить лишь о зонах малой плотности и зоны большой плотности. Также, в аморфных телах не существует поверхности Ферми и зоны Бриллюэна[16].
Второе отличие заключается в том, что в аморфном теле состояния значительной части электронов локализованы в пространстве, тогда как в кристаллах они распределены по всему пространству кристалла.
При росте энергии электронов их длина локализации растёт и при достижении некоторого уровня, называется порогом подвижности, электроны переходят в делокализованное состояние.
У аморфных тел, уровень Ферми которых находится ниже порога подвижности при температуре 0 К подвижность носителей заряда является нулевой, а при ненулевой температуре для них характерна прыжковая проводимость: электроны с некоторой вероятностью могут перескочить из одного локализованного состояния в другое. Интенсивность таких переходов сильно зависит от температуры.
В терминах зонной теории можно сказать, что в аморфных телах запрещённая зона заполнена дискретными уровнями, хотя плотность состояний в ней невысока, а также, в отличие от кристаллических тел, электроны не могут свободно переходить с одного уровня на другой, но дополнительно ограничены локализацией — возможны лишь переходы между уровнями, физически находятся один рядом с другим. Такая специфическая зона называется щелью подвижности.
В случае, если уровень Ферми лежит выше порога подвижности, аморфное тело станет проводником.
Применение
Аморфные вещества в быту, технике
Использование аморфных веществ наиболее активно осуществляется в области медицины. Например, быстро охлажденный металл активно используется в хирургии. Благодаря событиям, связанным с этим, многие люди получили возможность самостоятельно передвигаться после тяжелых травм. Дело в том, что вещество аморфной структуры является отличным биоматериалом для имплантации в кости. Полученные специальные винты, пластины, штифты, штифты вставляются в случае серьезных переломов. Ранее в хирургии для таких целей использовались сталь и титан. Только позже было замечено, что аморфные вещества очень медленно разлагаются в организме, и это удивительное свойство позволяет восстановить костную ткань. Впоследствии вещество заменяется костью.
Точная механика основана именно на точности, и поэтому ее так и называют. Особенно важную роль в этой отрасли, а также в метрологии играют ультраточные индикаторы измерительных приборов, которые могут быть достигнуты при использовании аморфных тел в приборах. Благодаря точным измерениям в институтах в области механики и физики проводятся лабораторные и научные исследования, получены новые лекарства и улучшены научные знания.
Другим примером использования аморфных веществ являются полимеры. Они могут медленно переходить из твердого состояния в жидкость, в то время как кристаллические полимеры характеризуются температурой плавления, а не температуры размягчения. Каково физическое состояние аморфных полимеров? Если вы обеспечите эти вещества низкой температурой, вы заметите, что они будут в стеклообразном состоянии и будут проявлять свойства твердых веществ. Постепенный нагрев помогает полимерам начать переходить в состояние повышенной упругости.
Аморфные вещества, примеры которых мы только что привели, интенсивно используются в промышленности. Сверхупругое состояние позволяет полимерам деформироваться так, как им нравится, но это состояние достигается благодаря повышенной гибкости звеньев и молекул. Дальнейшее повышение температуры приводит к тому, что полимер приобретает еще более упругие свойства. Он начинает переходить в особое жидкое и вязкое состояние.
Если вы оставите ситуацию без контроля и не предотвратите дальнейшее повышение температуры, полимер подвергнется разрушению, то есть разрушению. Вязкое состояние указывает на то, что все макромолекулярные единицы очень подвижны. Когда молекула полимера течет, единицы не только распрямляются, но и очень близко подходят друг к другу. Межмолекулярное воздействие превращает полимер в твердое вещество (каучук). Такой процесс называется механическим стеклованием. Полученное вещество используется для производства пленок и волокон.
На основе полимеров, полиамидов могут быть получены полиакрилонитрилы. Чтобы сделать полимерную пленку, нужно протолкнуть полимеры через фильеры, которые имеют щелевидное отверстие, и нанести на ленту. Таким образом, изготавливаются упаковочные материалы и ленточные основы. Полимеры также включают различные лаки (образующие пену в органическом растворителе), клеи и другие связующие материалы, композиты (полимерная основа с наполнителем) и пластмассы.
Аморфные вещества прочно укоренились в нашей жизни. Они используются везде.
Различные основы для изготовления лаков, клея, пластмассовых изделий (фенолформальдегидные смолы).
Эластомеры или синтетические каучуки.
Электроизоляционный материал - поливинилхлорид, или всем известные пластиковые окна из ПВХ. Он устойчив к пожарам, так как считается трудногорючим, обладает повышенной механической прочностью и электроизоляционными свойствами.
Полиамид - вещество с очень высокой прочностью, износостойкостью. Характеризуется высокими диэлектрическими характеристиками.
Оргстекло или полиметилметакрилат. Мы можем использовать его в области электротехники или в качестве материала для конструкций.
Фторопласт, или политетрафторэтилен, является известным диэлектриком, который не проявляет растворяющих свойств в растворителях органического происхождения. Широкий температурный диапазон и хорошие диэлектрические свойства позволяют использовать его в качестве гидрофобного или антифрикционного материала.
Полистирол. Этот материал не подвержен воздействию кислот. Его, как и фторопласт и полиамид, можно считать изолятором. Очень прочный в отношении механических нагрузок. Полистирол используется везде. Например, он хорошо зарекомендовал себя как конструкционный и электроизоляционный материал. Используется в электротехнике и радиотехнике.
Вероятно, самым известным полимером для нас является полиэтилен. Материал устойчив к воздействию агрессивных сред, абсолютно не пропускает влагу. Если упаковка изготовлена из полиэтилена, вы можете не бояться, что ее содержимое испортится под воздействием сильного дождя. Полиэтилен также является диэлектриком. Его применение обширно. Из него изготавливаются трубные конструкции, различные электротехнические изделия, изоляционная пленка, оболочки для телефонных и силовых кабелей, детали для радио и другого оборудования.
Полихлорвинил является высокополимерным веществом. Это синтетический и термопластичный. Он имеет структуру асимметричных молекул. Почти не пропускает воду и производится прессованием штамповкой и формовкой. Поливинилхлорид чаще всего используется в электротехнической промышленности. На его основе созданы различные теплоизоляционные шланги и шланги для химической защиты, аккумуляторные батареи, изоляционные гильзы и прокладки, провода и кабели. Поливинилхлорид также является отличным заменителем вредного свинца. Его нельзя использовать в качестве высокочастотных цепей в виде диэлектрика. И все благодаря тому, что в этом случае показатели диэлектрических потерь будут высокими. Обладает высокой проводимостью.
Такого вида аморфные вещества прочно внедрились в нашу жизнь. Применяются они повсюду. К ним относят:
1. Различные основы для изготовления лаков, клея, пластмассовых изделий (фенолформальдегидные смолы).
2. Эластомеры или синтетические каучуки.
3. Электроизоляционный материал - поливинилхлорид, или всем известные пластиковые окна из ПВХ. Он устойчив к пожарам, так как считается трудногорючим, обладает повышенной механической прочностью и электроизоляционными свойствами.
4. Полиамид - вещество, обладающее очень высокой прочностью, стойкостью к износу. Ему свойственны высокие диэлектрические характеристики.
5. Плексиглас, или полиметилметакрилат. Его мы можем применять в сфере электротехники или использовать как материал для конструкций.
6. Фторопласт, или политетрафторэтилен, - известный диэлектрик, который не проявляет свойств растворения в растворителях органического происхождения. Обширный диапазон температур и хорошие диэлектрические свойства позволяют применять его как гидрофобный или антифрикционный материал.
7. Полистирол. Этот материал не подвержен воздействию кислот. Он, так же как фторопласт и полиамид, может считаться диэлектриком. Очень прочен в отношении механического воздействия. Полистирол используют повсеместно. Например, он хорошо зарекомендовал себя как конструкционный и электроизоляционный материал. Применяется в электро- и радиотехнике.
8. Наверное, самый известный для нас полимер - это полиэтилен. Материал проявляет устойчивость при воздействии агрессивной среды, он абсолютно не пропускает влагу. Если упаковка выполнена из полиэтилена, можно не бояться, что содержимое испортится под воздействием сильного дождя. Полиэтилен - это тоже диэлектрик. Его применение обширно. Из него изготавливают трубные конструкции, различные электротехнические изделия, изоляционную пленку, оболочки для кабелей телефонных и силовых линий, детали для радио и другой аппаратуры.
9. Полихлорвинил - это высокополимерное вещество. Он является синтетическим и термопластичным. Обладает структурой молекул, которые несимметричны. Почти не пропускает воду и изготавливается путем прессования с помощью штамповки и путем формования. Полихлорвинил применяют чаще всего в электрической промышленности. На его основе создают различные теплоизоляционные шланги и шланги для химической защиты, аккумуляторные банки, изоляционные втулки и прокладки, провода и кабели. Полихлорвинил также является отличной заменой вредному свинцу. Его нельзя применять в качестве высокочастотных цепей в виде диэлектрика. А все из-за того, что в этом случае показатели диэлектрических потерь будут высокими. Обладает высокой проводимостью.
Заключение
Мы узнали, что из себя представляют аморфные вещества, каково их атомное строение. Какие классификации есть и их примеры. А также применение аморфных тел в жизни.
Хорошо известно, что существует четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Аморфные твердые вещества также могут быть кристаллическими. При такой структуре может наблюдаться пространственная периодичность в расположении частиц. Эти частицы в кристаллах могут совершать периодические движения. Во всех телах, которые мы наблюдаем в газообразном или жидком состоянии, можно заметить движение частиц в виде хаотического беспорядка.
Аморфные твердые вещества (например, металлы в конденсированном состоянии: эбонит, изделия из стекла, смолы) можно назвать замороженными жидкостями, потому что, когда они меняют форму, вы можете заметить такую характерную особенность, как вязкость.
Литература
Антиплагиат |
|
|
Скачать 35.11 Kb.