Аморфные тела и стекла

Помимо кристаллического состояния твердые вещества могут находиться в аморфном состоянии или в состоянии стекла.

Типичными представителями аморфных веществ являются пластмассы. Эти вещества построены, как правило, из больших и гибких молекул. Такие молекулы, состоящие из 10⁴—10⁶ атомов, легко изгибаются, переплетаются с другими молекулами, скручиваются в клубок. Во многих случаях между молекулами возникают дополнительные нерегулярные химические ковалентные связи.

Например, всем известный сейчас полиэтилен. Это, несомненно, твердое вещество, состоящее из молекул, молекулярная масса которых колеблется от 3 • 10⁴ до 5 • 10⁵. При количестве звеньев в цепи таких молекулах порядка многих тысяч изгибы и переплетения молекул оказывают решающее влияние на структуру твердого полиэтилена (см. гл. 35).

Типичным представителем стекол служит кварцевое стекло. Оно почти всегда образуется при охлаждении расплавленного оксида кремния. По мере понижения температуры жидкости частицы стремятся расположиться друг относительно друга в соответствии с законом роста кристалла, и при достижении температуры кристаллизации (линии 2 фазовой диаграммы (см. рис. 4.5)) жидкость кристаллизуется. В то же время с уменьшением температуры уменьшается подвижность частиц — увеличивается вязкость жидкости. В жидкостях, характеризующихся разветвленной системой ковалентных связей, необходимое для возникновения «зародыша» кристалла и его последующего роста перемещение частиц происходит медленно. Именно в таких случаях возникает ситуация, когда существенное увеличение вязкости происходит раньше, чем начинается рост кристалла. В результате система затвердевает, но не превращается в кристалл, а сохраняется в виде переохлажденной жидкости — стекла.

Основные отличия свойств стекол, так же как и аморфных веществ, от свойств кристаллов обусловлены нерегулярностью расположения частиц.

В аморфных телах и стеклах сохраняется ближний порядок, но отсутствует дальний.

Например, в кварцевом стекле каждый атом кремния тетраэдрически окружен атомами кислорода, но, по сравнению с кристаллом, несколько искажены расстояния Si—О и углы Si—О—Si, что приводит к полному нарушению дальнего порядка (рис. 6.13).

Точно так же и в полиэтилене. Каждый атом углерода находится в тетраэдрическом окружении из двух других атомов углерода и двух атомов водорода: —СН₂—СН₂—СН₂—СН₂—, но взаимное расположение таких тетраэдров (взаимная ориентация плоских углов С—С—С) непредсказуемо.

В отличие от кристаллов аморфные вещества и стекла не имеют определенной температуры плавления — они размягчаются в достаточно широком интервале температур. Их характеризует изотропия свойств. Если разрушение кристалла происходит по межчастичным плоскостям и осколки кристалла ограничены плоскостями, то стекла разрушаются по произвольным направлениям и имеют, как говорят, раковистый излом.

Рис. 6.13. Схематическое изображение структур диоксида кремния:

а — в кристаллическом; 6 — стеклообразном состояниях С химической точки зрения одно и то же вещество в аморфном и кристаллическом состояниях различается, как правило, своей реакционной способностью. При одних и тех же условиях в аморфном или в стеклообразном состоянии вещества имеют больший запас внутренней энергии, чем в кристаллическом, и поэтому в таких состояниях они обычно более реакционноспособны.