Аморфное вещество: свойства и примеры¶
Аморфное (от др.-греч. ἄμορφος — «безформенный») — вещество, твёрдое тело или материал, в котором атомы, молекулы или их группы расположены неупорядоченно, без длинного дальнего порядка, характерного для кристаллов. Простыми словами, аморфное вещество — это вещество «без формы», без правильной внутренней структуры: его частицы разбросаны хаотично, как в жидком состоянии, но при этом материал остаётся твёрдым. Из-за отсутствия упорядоченной решётки аморфные тела не имеют чётких плоских граней и не способны к анизотропии свойств в том виде, в каком это свойственно монокристаллам.
¶Кристаллы и аморфные тела: в чём разница
Все твёрдые тела делятся на две большие группы — кристаллические и аморфные. Кристаллы (монокристаллы и поликристаллы) имеют строго упорядоченное расположение атомов, повторяющееся на больших расстояниях: атомная решётка — это периодическая структура. Аморфные тела такой периодической решётки не имеют: в них сохраняется лишь ближний порядок — соседи каждого атома расположены более-менее одинаково на расстоянии первых нескольких межатомных интервалов, но уже на удалении в десятки атомных диаметров ориентация «соседей соседей» становится произвольной.
Из-за этого аморфные тела обладают рядом отличий:
- Изотропия. Свойства аморфного тела одинаковы во всех направлениях, тогда как монокристалл может проявлять анизотропию (например, по-разному преломлять свет в разных направлениях).
- Отсутствие температуры плавления в узком интервале. Кристалл плавится при строго определённой температуре, а аморфное вещество постепенно размягчается, переходя из хрупкого состояния в вязкое, а затем в жидкое.
- Отсутствие плоских граней и правильных форм. Сколы аморфных тел имеют раковинчатый излом, тогда как кристаллы раскалываются по плоскостям.
- Отсутствие теплоты плавления как таковой. При нагреве аморфного тела не выделяется и не поглощается скрытая теплота фазового перехода, поскольку переход происходит постепенно.
¶Как образуются аморфные вещества
Аморфное состояние — это, как правило, метастабильное состояние. Кристаллическое состояние для большинства веществ более выгодно с точки зрения энергии, но для перехода в кристалл атомам нужно время на упорядочение. Если вещество охлаждается достаточно быстро, атомы «замораживаются» в хаотическом расположении, не успев образовать решётку. Так образуется, например, стекло — перегретая жидкость, охлаждённая настолько быстро, что кристаллизация не произошла.
Ключевые условия образования аморфных тел:
- быстрое охлаждение расплава;
- высокая вязкость расплава, затрудняющая перегруппировку атомов;
- сложный состав, при котором атомы разного размера плохо укладываются в периодическую решётку.
Со временем аморфные тела могут «стареть» — медленно переходить в кристаллическое состояние. Это явление называется девитрификацией (для стёкол).
¶Основные примеры аморфных веществ
| Вещество | Примечания |
|---|---|
| Стекло (силикатное, органическое) | Наиболее известный пример аморфного тела; в быту часто считают его кристаллом, что неверно |
| Воск | Аморфно-кристаллическое вещество: содержит и упорядоченные, и хаотичные участки |
| Канифоль | Аморфное твёрдое вещество природного происхождения |
| Смолы натуральные и синтетические | Аморфные полимеры и природные продукты |
| Резина (натуральный каучук) | Аморфный эластомер |
| Лёд (при быстром замораживании) | Обычный лёд — кристалл, но при сверхбыстром охлаждении вода образует аморфный лёд |
| Металлические стёкла | Сплавы, охлаждённые настолько быстро, что не успели кристаллизоваться |
| Аморфный кремний | Применяется в солнечных элементах и тонкоплёночных транзисторах |
¶Свойства аморфных тел
Аморфные тела обладают рядом свойств, обусловленных отсутствием решётки:
- Изотропия. Механические, оптические, электрические свойства одинаковы во всех направлениях.
- Пластичность. Многие аморфные вещества (стекло при нагреве, пластмассы, воск) легко деформируются без разрушения.
- Отсутствие чёткой температуры плавления. Вместо неё существует интервал размягчения.
- Раковинчатый излом. Скол аморфного тела напоминает раковину, без плоских граней.
- Способность к вязкому течению. При нагреве аморфные тела переходят в состояние вязкой жидкости без резкой смены фазы.
¶Применение
Аморфные материалы широко используются в технике и повседневной жизни. Стекло — основа окон, оптики, посуды, волоконной оптики. Аморфные полимеры (пластмассы) применяются практически повсеместно. Аморфный кремний используется в производстве солнечных батарей и экранов жидкокристаллических дисплеев. Металлические стёкла обладают высокой прочностью и упругостью, из них изготавливают браслеты часов, детали прецизионных механизмов, хирургические инструменты. Аморфные ленты из магнитных сплавов применяются в трансформаторных сердечниках, поскольку обладают низкими потерями на перемагничивание.
В технике иногда специально создают аморфные сплавы, чтобы избежать границ зёрен, которые снижают прочность и коррозионную стойкость. Такие сплавы получают сверхбыстрым охлаждением расплава — со скоростью до миллионов градусов в секунду.
¶Аморфные вещества в природе
В природе аморфные тела встречаются не так часто, как кристаллы. К ним относятся некоторые минералы: опал (аморфный диоксид кремния с примесью воды), обсидиан (вулканическое стекло), лазурит в части природных образований. Некоторые компоненты живых организмов — белки, нуклеиновые кислоты в составе хроматина — также находятся в аморфном или полупорядочном состоянии.
¶История изучения
Понятие аморфных тел сформировалось в XIX веке в связи с развитием химии и минералогии. Термин «стекло» как обозначение аморфного состояния применялся задолго до этого, но научное обоснование различия между аморфными и кристаллическими телами было дано после развития атомной теории и рентгеноструктурного анализа в начале XX века. В 1912 году Макс фон Лауэ показал, что кристаллы дают дифракционную картину на рентгеновских лучах, а аморфные вещества — нет, что стало прямым экспериментальным доказательством различия их внутренней структуры.
Источники:
- «Общая химия» / под ред. Ю. Н. Кукушкина. — М.: Высшая школа.
- «Физическая химия» / под ред. В. А. Киреева. — М.: Химия.
- Гурвич Л. В. «Основы общей химии». — М.: Высшая школа.
- Хомченко Г. П. «Химия для поступающих в вузы». — М.: Экзамен.
- Лауэ М. фон. «Рентгеновские лучи и структурный анализ».