Аморфные вещества занимают промежуточное положение между жидкостями и твердыми кристаллическими телами. В отличие от кристаллов, у них отсутствует дальний порядок расположения атомов или молекул. При этом сохраняется ближний порядок на расстоянии от 0,5 до 5 нм. Благодаря этому аморфные вещества могут сохранять форму.
Аморфные вещества получают путем быстрого охлаждения расплава со скоростью около 10^12 К/с, не давая ему закристаллизоваться. К such веществам относятся стекла, пластмассы, гели. В статье рассмотрены определение аморфных веществ, их классификация и основные свойства.
Что такое аморфные вещества
Аморфные вещества - это вещества, которые находятся в конденсированном (твердом или жидком) состоянии, но не имеют кристаллической решетки. В отличие от кристаллов, атомы или молекулы в аморфных веществах расположены хаотично и не образуют правильных геометрических структур. При этом в аморфных веществах сохраняется ближний порядок - закономерности в расположении ближайших частиц.
Термин «аморфный» происходит от греческих слов «a» - отрицание и «morphe» - форма, структура. То есть аморфные вещества - это вещества бесструктурные, бесформенные.
Наиболее распространенными примерами аморфных веществ являются стекло, пластмассы, каучуки, гели. В отличие от кристаллов, аморфные вещества не имеют четкой температуры плавления - они постепенно размягчаются при нагревании. Также аморфным состоянием обладают некоторые жидкости при очень низких температурах.
Аморфное состояние часто является метастабильным - со временем такие вещества могут перейти в более устойчивое кристаллическое состояние. Однако для многих аморфных веществ этот процесс очень медленный, исчисляется годами или даже тысячелетиями. Поэтому на практике аморфные вещества ведут себя как твердые тела, сохраняя форму и размеры.
Аморфные вещества - это вещества без четкой кристаллической структуры, в которых атомы или молекулы расположены хаотически при сохранении локального порядка в ближайшем окружении частиц. К аморфным веществам относятся многие полимеры, стекла, гели и жидкости при очень низких температурах.
Как классифицируют аморфные вещества
Существует несколько способов классификации аморфных веществ. Один из наиболее распространенных - по агрегатному состоянию. По этому признаку выделяют:
- Аморфные твердые вещества (стекла, пластмассы, стекловидные металлы);
- Аморфные жидкости (переохлажденные жидкости с высокой вязкостью);
- Аморфные гели и золи.
Еще один распространенный способ классификации - по химическому составу и типу связей между частицами:
- Аморфные оксиды (кварцевое стекло, оксидные стекла);
- Аморфные металлы и сплавы;
- Аморфные полупроводники (аморфный кремний, селен);
- Аморфные полимеры (пластмассы, каучуки);
- Аморфные соединения с водородными связями (вода, спирты).
Также аморфные вещества разделяют по способу получения:
- Закаленные (быстро затвердевшие из расплава);
- Осажденные (полученные методом осаждения из газовой фазы);
- Деформационные (образованные в результате пластической деформации);
- Распыленные (полученные распылением жидкости).
- Радиационно-химические (образованные под действием облучения).
Отдельно выделяют биологические аморфные вещества, такие как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Их аморфная структура обусловлена сложностью и разветвленностью молекул.
Кроме того, аморфные вещества классифицируют по их физическим и химическим свойствам, например:
- По твердости (твердые, мягкие);
- По прозрачности (прозрачные, полупрозрачные, непрозрачные);
- По электропроводности (диэлектрики, полупроводники, проводники);
- По химической активности (инертные, активные) и т.д.
Существует множество способов классифицировать аморфные вещества - по агрегатному состоянию, химическому составу, способу получения, физико-химическим свойствам. Выбор критериев зависит от решаемых задач и целей классификации.
Какие свойства характерны для аморфных веществ
Аморфные вещества обладают рядом уникальных свойств, отличающих их от кристаллических веществ:
- Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов и молекул;
- Наличие только ближнего порядка;
- Изотропность свойств;
- Отсутствие четкой температуры плавления;
- Высокая вязкость жидких аморфных веществ;
- Высокая механическая прочность и пластичность твердых аморфных веществ.
Рассмотрим некоторые из этих свойств подробнее.
Изотропность аморфных веществ означает одинаковость их свойств во всех направлениях. Это следствие неупорядоченной структуры. Например, коэффициент преломления света в аморфном веществе не зависит от направления распространения света, в отличие от кристалла.
Отсутствие четкой температуры плавления связано с постепенным разрушением структуры при нагревании аморфного вещества. Кристаллы плавятся при определенной температуре, а аморфные вещества постепенно размягчаются в некотором температурном интервале.
Высокая вязкость аморфных жидкостей обусловлена сильным взаимодействием и перепутыванием молекул. Это приводит к затрудненному течению таких жидкостей. Например, вязкость застывшего стекла при комнатной температуре составляет 1018-1020 Па·с, что в 15-17 порядков выше вязкости воды.
Высокая механическая прочность аморфных твердых веществ по сравнению с кристаллическими аналогами обусловлена отсутствием плоскостей спайности, по которым происходит раскалывание кристаллов. Кроме того, беспорядочная упаковка частиц в аморфных телах препятствует росту трещин.
Помимо перечисленных общих свойств, для разных классов аморфных веществ характерны также специфические особенности.
Например, для аморфных полупроводников в отличие от кристаллических характерно наличие плавного изменения плотности энергетических состояний, а не четких зон проводимости и валентной зоны. В аморфных металлах наблюдается более высокое удельное электросопротивление и температурный коэффициент сопротивления по сравнению с кристаллическими.
Аморфные полимеры способны находиться в высокоэластичном состоянии, когда возможно большое обратимое деформирование. Это связано с подвижностью полимерных цепей друг относительно друга в аморфном состоянии.
Аморфное строение придает веществам специфические свойства, отличающие их от кристаллических аналогов - изотропность, высокую вязкость, пластичность, особенности электронной структуры и др.
Применение аморфных веществ
Благодаря своим уникальным свойствам, аморфные вещества находят широкое применение в различных областях:
- Аморфные металлические сплавы используются там, где нужна высокая прочность и коррозионная стойкость - для изготовления хирургических инструментов, спортивного инвентаря, элементов конструкций.
- Аморфные полупроводники применяются в электронных приборах - диодах, транзисторах, интегральных микросхемах.
- Полимеры в аморфном состоянии используются для изготовления пластмасс, каучуков, волокон, пленок, клеев.
Аморфные оксиды (стекла) имеют еще более широкую область применения:
- Силикатные стекла - для изготовления посуды, витражей, оптических линз.
- Кварцевое стекло - в производстве лабораторной химической посуды, оптоволокна.
- Оксидные стекла - в электронике, для герметизации и электроизоляции.
- Стекловолокно - для тепло- и электроизоляции, армирования пластиков.
Аорфные вещества используются во многих областях, благодаря их прочности, пластичности, оптическим свойствам, электропроводности и другим полезным характеристикам.
