Лед кристаллическое тело или аморфное тело

Твердые тела отличаются постоянством формы и объема и делятся на кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела

Каждому химическому веществу, находящемуся в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая решетка, которая задает физические свойства кристалла.

Знаете ли вы?
Много лет назад в Петербурге на одном из неотапливаемых складов лежали большие запасы белых оловянных блестящих пуговиц. И вдруг они начали темнеть, терять блеск и рассыпаться в порошок. За несколько дней горы пуговиц превратились в груду серого порошка. «Оловянная чума» — так к прозвали эту «болезнь» белого олова.
А это была всего лишь перестройка порядка атомов в кристаллах олова. Олово, переходя из белой разновидности в серую, рассыпается в порошок.
И белое и серое олово — это кристаллы олова, но при низкой температуре изменяется их кристаллическая структура, а в результате меняются физические свойства вещества.

Кристаллы могут иметь различную форму и ограничены плоскими гранями.

В природе существуют:
а) монокристаллы — это одиночные однородные кристаллы, имеющие форму правильных многоугольников и обладающие непрерывной кристаллической решеткой

Монокристаллы поваренной соли:

б) поликристаллы — это кристаллические тела, сросшиеся из мелких, хаотически расположенных кристаллов.
Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру (металлы, камни, песок, сахар).

Анизотропия кристаллов

В кристаллах наблюдается анизотропия — зависимость физических свойств (механической прочности, электропроводности, теплопроводности, преломления и поглощения света, дифракции и др.) от направления внутри кристалла.

Анизотропия наблюдается в основном в монокристаллах.

В поликристаллах (например, в большом куске металла) анизотропия в обычном состоянии не проявляется.
Поликристаллы состоят из большого количества мелких кристаллических зерен. Хотя каждый из них обладает анизотропией, но за счет беспорядочности их расположения поликристаллическое тело в целом утрачивает анизотропию.

Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо — при 1530°,олово — при 232°, кварц — при 1713°, ртуть — при минус 38°.

Нарушить порядок расположения в кристалле частицы могут, только если он начал плавиться.

Пока есть порядок частиц, есть кристаллическая решетка — существует кристалл. Нарушился строй частиц — значит, кристалл расплавился — превратился в жидкость, или испарился — перешел в пар.

Аморфные тела

Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении атомов и молекул (стекло, смола, янтарь, канифоль).

В амофных телах наблюдается изотропия — их физические свойства одинаковы по всем направлениям.

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства (при ударах раскалываются на куски как твердые тела) и текучесть (при длительном воздействии текут как жидкости).

При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела, а при высоких температурах — подобны очень вязким жидкостям.

Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления, а значит,и температуры кристаллизации.
При нагревании они постепенно размягчаются.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.

Интересно

Одно и то же вещество может встречаться и в кристаллическом и в некристаллическом виде.

В жидком расплаве вещества частицы движутся совершенно беспорядочно.
Если, например, расплавить сахар, то:

1. если расплав застывает медленно, спокойно, то частицы собираются в ровные ряды и образуются кристаллы. Так получается сахарный песок или кусковой сахар;

2. если остывание происходит очень быстро, то частицы не успевают построиться правильными рядами и расплав затвердевает некристаллическим. Так, если вылить расплавленный сахар в холодную воду или на очень холодное блюдце, образуется сахарный леденец, некристаллический сахар.

Удивительно!

С течением времени некристаллическое вещество может «переродиться», или, точнее, закристаллизоваться, частицы в них собираются в правильные ряды.

Только срок для разных веществ различен:для сахара это несколько месяцев, а для камня — миллионы лет.

Пусть леденец полежит спокойно месяца два-три.Он покроется рыхлой корочкой. Посмотрите на нее в лупу: это мелкие кристаллики сахара. В некристаллическом сахаре начался рост кристаллов. Подождите еще несколько месяцев — и уже не только корочка, но и весь леденец закристаллизуется.

Даже наше обыкновенное оконное стекло может закристаллизоваться. Очень старое стекло становится иногда совершенно мутным,потому что в нем образуется масса мелких непрозрачных кристаллов.

На стекольных заводах иногда в печи образуется «козел», то есть глыба кристаллического стекла. Это кристаллическое стекло очень прочное.Легче разрушить печь, чем выбить из нее упрямого «козла».
Исследовав его, ученые создали новый очень прочный материал из стекла — ситалл. Это стеклокристаллический материал, полученный в результате объёмной кристаллизации стекла.

Любопытно!

Могут существовать разные кристаллические формы одного и того же вещества.
Например, углерод.

Графит — это кристаллический углерод. Из графита сделаны стержни карандашей, которые оставляют след на бумаге при легком надавливании. Структура графита слоиста. Слои графита легко сдвигаются, поэтому чешуйки графита пристают к бумаге при письме.

Но существует и другая форма кристаллического углерода — алмаз.

Так расположены атомы углерода в кристалле графита (слева) и алмаза (справа).

Алмаз — самый твердый на земле минерал.

Алмазом режут стекло и распиливают камни, применяют для бурения глубинных скважинах, полируют сверхтвердые сплавы, алмазы необходимы для производства тончайшей металлической проволоки диаметром до тысячных долей миллиметра, например, вольфрамовых нитей для электроламп.

Молекулярная физика. Термодинамика — Класс!ная физика

Источник

Аморфный лёд

Аморфный лёд — вода в форме твердого аморфного вещества, у которого молекулы воды расположены случайным образом, наподобие атомов в обычном стекле. Чаще всего в природе лёд находится в поликристаллическом состоянии. Аморфный лед отличается тем, что у него отсутствует дальний порядок кристаллической структуры.

Аморфный лёд получают путём чрезвычайно быстрого охлаждения жидкой воды (со скоростью порядка 1 000 000 К в секунду), так что молекулы не успевают сформировать кристаллическую решётку.

Точно так же, как существует много кристаллических форм льда (в настоящее время известны пятнадцать модификаций), есть также разные формы аморфного льда, отличающихся главным образом плотностью.

Содержание

Способы получения

Почти любое кристаллическое вещество можно быстрым охлаждением из расплава перевести в метастабильное аморфное состояние. Поэтому ключом к получению аморфного льда являются темпы охлаждения. Жидкую воду надо охладить до температуры её стеклования (около 136 К или −137 °C) в течение нескольких миллисекунд, чтобы избежать спонтанного зарождения кристаллов.

Давление служит ещё одним важным фактором в получении аморфного льда. Кроме того, меняя давление, можно превращать одну разновидность аморфного льда в другую.

К воде можно добавлять специальные химические вещества — криопротекторы, которые понижают температуру её замерзания и увеличивают вязкость, что препятствует образованию кристаллов. Стеклование без добавления криопротекторов достигается при очень быстром охлаждении. Эти методы используют в биологии для криоконсервации клеток и тканей.

Разновидности аморфного льда

Аморфный лёд существует в трёх главных формах: аморфный лёд низкой плотности (АЛНП или LDA), который образуется при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (АЛВП или HDA) и аморфный лёд очень высокой плотности (АЛОВП или VHDA).

Аморфный лёд низкой плотности

При осаждении водяного пара на медную пластинку, охлаждённую ниже 163 К, впервые был получен аморфный лёд с плотностью 0,93 г/см³, он же аморфная твёрдая вода, или стеклообразная вода. Сейчас в лабораториях получают АЛНП тем же методом при температуре ниже 120 К. Очевидно, в космосе такой лёд возникает подобным же способом на разных холодных поверхностях, например, частицах пыли. Предполагают, что этот лёд вполне обычен для состава комет и присутствует на внешних планетах. [1]

Если менять температуру подложки и скорость осаждения, то можно получать лёд другой плотности. Так, при 77 К и скорости осаждения 10 мг в час получается лёд плотности 0,94 г/см³, а при 10К и скорости 4 мг в час — 1,1 г/см³, причём его структура, хоть и лишённая дальнего порядка, оказывается гораздо сложнее, чем у предыдущего аморфного льда. До сих пор неясно: одна и та же модификация аморфного льда (с плотностью 0,94 г/см³) образуется при нагревании АЛВП и при осаждении из пара или они различаются.

Аморфный лёд высокой плотности

Аморфный лёд высокой плотности можно получить, сдавливая лёд I_h при температурах ниже

140 К. При температуре 77 K, АЛВП образуется из обычного природного льда I_h при давлениях около 1,6 ГПа [2] , а из АЛНП при давлении около 0,5 ГПа [3] . При температуре 77 К и давлении 1 ГПа плотность АЛВП равна 1,3 г/см³. Если сбросить давление до атмосферного, плотность АЛВП уменьшится с 1,3 г/см³ до 1,17 г/см³ [2] , но при температуре 77 К он сохраняется сколь угодно долго.

Если же лёд высокой плотности нагреть при нормальном давлении, он не превратится в исходный лёд Ih, а вместо этого станет ещё одной модификацией аморфного льда, на сей раз с низкой плотностью, 0,94 г/см³. Этот лёд при дальнейшем нагревании в районе 150 К закристаллизуется, но опять не в исходный лёд I_h, a примет кубическую сингонию льда I_c.

Аморфный лёд очень высокой плотности

АЛОВП был открыт в 1996 г., когда обнаружили, что если нагреть АЛВП до 160 К при давлении в диапазоне от 1 до 2 ГПа, то он становится плотнее, и при атмосферном давлении его плотность равна 1,26 г/см³ [4] [5] .

Некоторые особенности

Тяжёлые аморфные льды вполне могли бы утонуть в обычной воде, но этого не случается: слегка нагревшись, они превратятся в кристаллический лёд, плотность которого окажется меньше водяной, и тот, не успев растаять, всплывёт вверх. Строго говоря, слово «плавление» к аморфному льду неприменимо, поскольку этот процесс происходит в интервале температур, что по-английски называется «softening» (размягчение).

С таянием аморфных льдов связана одна из нерешённых проблем. На фазовой диаграмме состояния льда граница между аморфными льдами низкой и высокой плотностей протягивается и в область жидкой фазы. Из этого следует, что при плавлении каждого из этих льдов должна получаться соответственно менее и более плотная вода, причём разница удельных объёмов у этих двух вод может достигать 20 %. Температура же этого плавления лежит в интервале от 130 до 200 К (в зависимости от давления). Можно предположить, что есть ещё точка, где сосуществуют три жидких фазы: две соответствуют размягчённым АЛНП и АЛВП, и одна — обычной жидкой. Её координаты на фазовой диаграмме — 0,1 ГПа и 200 К. Довести аморфные льды до прямого превращения в жидкость не удаётся; при нагреве до примерно 150 К они становятся кристаллическим льдом. А он тает при гораздо более высокой температуре.

Применение

Аморфный лёд используют в некоторых научных экспериментах, особенно электронной криомикроскопии, которая позволяет исследовать биологические молекулы в том состоянии, которое близко к их естественному состоянию в жидкой воде [6] .

Примечания

↑Estimation of water-glass transition temperature based on hyperquenched glassy water experiments из Science (нужна регистрация).
↑ 12 O. Mishima and LD Calvert, and E. Whalley, Nature 310, 393 (1984)
↑ O. Mishima, LD Calvert, and E. Whalley, Nature 314, 76 (1985).
↑ O.Mishima, Nature, 384, 6069 pp 546—549 (1996).
↑ Loerting, T., Salzmann, C., Kohl, I., Mayer, E., Hallbrucker, A., A 2nd distinct structural state of HDA at 77 K and 1 bar, PhysChemChemPhys 3:5355-5357. (2001).
↑ Dubochet, J., M. Adrian, J. J. Chang, J. C. Homo, J. Lepault, A. W. McDowell, and P. Schultz. Cryo-electron microscopy of vitrified specimens. Q. Rev. Biophys. 21:129-228. (1988).

Ссылки

Популярно о разновидностях льда, включая аморфный. статья С. М. Комарова — Ледяные узоры высокого давления.
Chaplin, Martin.Amorphous Ice and Glassy Water. Water Structure and Science (23 июня 2008). Архивировано из первоисточника 25 марта 2012.Проверено 22 февраля 2009.
Об исследованиях АЛОВП (англ.)
АЛВП в космосе (англ.)
Структуры АЛВП (англ.)

	Портал «Гидрология»
	Лёд в Викисловаре ?
	Ice на Викискладе ?

Снег и лёд

Фазы льда
Снег	Снежный покров \| Пороша \| Наст \| Фирн \| Фирновая граница \| Снеговая линия \| Депрессия снеговой линии \| Нивально-гляциальная зона \| Проталина \| Красный снег
Природные образования: снежные	Сугроб \| Надув \| Заструга \| Снежник \| Снежница\| Снежный карниз
Перенос снега	Снегопад \| Метель \| Буран \| Пурга \| Позёмок \| Снежная крупа \| Лавина \| Снежный эффект озера
Лёд	Морской лёд \| Снежура \| Шуга \| Сало \| Паковый лёд \| Гололёд \| Гололедица \| Изморозь \| Иней \| Глетчерный лёд \| Дегляциация \| Сёрдж \| Ледоём \| Гляциоизостазия \| Гляциодислокация \| Гляциодиапир \| Гляциогалокинез
Природные образования: ледяные	Криосфера \| Шельфовый ледник \| Дропстоун \| Наледь \| Вечная мерзлота \| Ископаемый лёд \| Мёртвый лёд \| Сосулька \| Торосы \| Припай \| Стамуха \| Ледниковая трещина
Ледяной покров: частичный	Реки́: Ледоход \| Полынья \| Забереги \|Океана: льдина, айсберг \| Земли́: ледник \| Рафтинг (геология) \| Эрратические валуны \| Подвижка ледника
Иглу \| Ледяная скульптура \| Кубики льда Создание снега: Снежная пушка \| Снежное ружьё Зимние развлечения, игры со снегом: снеговик (снежная баба) \| снежок ( Снежки, Юкигассен ) \| каток \| горка \| Снежная крепость
Научные дисциплины	Криология \| Гляциология \| Четвертичная гляциогидрология \| Палеогляциология \| Маринизм
Персонажи	Снежная королева \| Снегурочка \| Юки-онна
Мероприятия	Снежный фестиваль \| Винтерлюд \| Новый год

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Аморфный лёд» в других словарях:

АМОРФНЫЙ — (греч., этим. см. аморфа). Бесформенный говорится о кристаллах, не имеющих правильной кристаллической формы. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. АМОРФНЫЙ [гр. amorphos] в химии и минералогии: не имеющий … Словарь иностранных слов русского языка

аморфный — рыхловатый, бесформенный, расплывчатый Словарь русских синонимов. аморфный см. бесформенный Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е. Александрова … Словарь синонимов

аморфный — ая, ое. amorphe adj. Бесформенный. Сл. калька фр. amorphe или научнолат.amorphus.. Отмечается в Сл. Бурдона и Михельсона 1866 г., 38. Ранее калькировалось словами безобразный ( Каде Сл. 1810 г., 1. 79), безвидный ( П. ф. Горянинов Зоология 1837 г … Исторический словарь галлицизмов русского языка

АМОРФНЫЙ — АМОРФНЫЙ, аморфная, аморфное; аморфен, аморфна, аморфно (греч. amorphos Бесформенный). 1. Не имеющий правильного кристаллического строения (минер. и хим.). Аморфный порошок. Аморфное состояние. 2. Бесформенный (книжн.). Аморфная масса. Толковый… … Толковый словарь Ушакова

АМОРФНЫЙ — АМОРФНЫЙ, ая, ое; фен, фна. 1. Не имеющий кристаллического строения (спец.). Аморфное вещество. 2. перен. Бесформенно расплывчатый (книжн). | сущ. аморфность, и, жен. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

АМОРФНЫЙ — (от греч. а отриц. част, и morphe вид, форма), не кристаллический. Атомы А. вещества расположены в хаотическом беспорядке, в противоположность веществу кристаллическому, где они занимают строго определенные места на ребрах и гранях… … Большая медицинская энциклопедия

аморфный — бесструктурный — [Англо русский геммологический словарь. Красноярск, КрасБерри. 2007.] Тематики геммология и ювелирное производство Синонимы бесструктурный EN uncrystalline … Справочник технического переводчика

Аморфный — Amorphous Аморфный. Не имеющий кристаллической структуры; некристаллический. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО Профессионал , НПО Мир и семья ; Санкт Петербург, 2003 г.) … Словарь металлургических терминов

Аморфный — (греч.) бесформенный. См. Аморфность … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Аморфный — прил. 1. Не имеющий кристаллического строения (о твёрдом теле). 2. перен. Лишённый чёткости и определённости; расплывчатый. 3. перен. Пассивный, вялый, безразличный (о человеке). Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

Источник