в каком агрегатном состоянии находится стекло
Минутка просвещения. Часть первая: стекло — не жидкость!
В серии публикаций «Минутка просвещения» мы хотели бы всесторонне рассмотреть столь любимый нами материал, как стекло. Рассмотреть не только со стороны творческих техник, а и в научном, историческом и культурных аспектах. Ведь стекло, очень древнее изобретение человека и сыграло немаловажную, а в некоторых областях, решающую роль в развитии науки. Вы только представьте современный мир без микроскопа и телескопа! Никакой медицины, астрономии, космологии, биологии, генетики, химии и сотен других направлений просто бы не существовало в современном понимании, не свари человек прозрачное стекло!
Начать серию мы решили с развенчания одного популярного мифа о стекле.
Часто приходится слышать красивую теорию, будто бы стекло — это жидкость. Просто очень «медленная». Стекло медленно, но уверено течет вниз, утверждают адепты. В доказательство же приводят витражи и окна в старых соборах, указывая на то, что нижний край у них значительно толще верхнего и отсылают к трудам немецкого физика Густава Тамманна, активно изучавшего свойства стекла. Но все источники говорят, что ученый всего лишь сравнивал стекло с жидкостью, причем застывшей. И согласитесь — весьма удачное сравнение!
Это свободное толкование слов Тамманна, возможно, и породило процветающий по сей день миф. Красивое, даже немного логичное, но в корне не правильное предположение. Структура стекла соответствует структуре жидкости, исключительно в интервале процесса, который называется стеклованием. По простому говоря, только расплавленное стекло соответствует по своей структуре жидкости. Но в таком случае и сталь также жидкость. И свинец, и латунь, и любое другое твердое тело, которое можно расплавить. Но это всего лишь агрегатное состояние твердого вещества.
Стекло относится к стабильно-аморфным твердым веществам и может пребывать в нескольких агрегатных состояниях. Либо в стеклообразном (твердом) при низких температурах, либо в состоянии расплава (жидкости) при высоких. Тот факт, что стекло можно расплавить, не делает его жидкостью!
А неравномерная толщина стекол в окнах старых домов объяснятся очень просто. Технологии стекловарения в те времена были еще весьма далеки от совершенства — получить абсолютно ровный кусок стекла, мастерам удавалось далеко не всегда. Неровные стекла, естественно, никто не выбрасывал и при застеклении монтировали толстым концом вниз — так удобнее и прочнее. Ничего более.
А стекло, несмотря на то, что оказалось вовсе не жидкостью, все таки удивительный и особенный материал. И в следующих частях «Минутки просвещения» мы еще непременно расскажем о многих его особенностях и свойствах. Исключительно с научной точки зрения, естественно!
Между твердым телом и жидкостью: почему утекает стекло
МОСКВА, 6 ноя — РИА Новости, Ольга Коленцова. Большинство окружающих нас веществ находится в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Также существует плазма — газ, состоящий из ионов (частиц с разным количеством электронов и протонов) и свободных электронов.
На самом деле агрегатных состояний гораздо больше — сверхтекучее, сверхтвердое, вырожденное вещество, нейтрониум, сильно симметричное вещество, слабо симметричное вещество, кварк-глюонная плазма, фермионный конденсат, конденсат Бозе–Эйнштейна и странное вещество (название произошло от образующих его частиц — «странных» кварков). Данные состояния в основном получают в лабораториях при недостижимых в быту условиях.
Но мы ежедневно видим вещество, которое на самом деле не является ни газообразным, ни жидким, ни твердым, хотя на вид относится как раз к последней фазе. Это стекло. Кажется, что оно принимает форму навсегда и больше не меняет ее. Однако внимательный человек может заметить наплывы на старом стекле. Получается, что оно меняет свой вид при условиях, далеких от температуры плавления, следовательно, к твердым телам его отнести нельзя.
Действительно, подобные вещества характеризует особое агрегатное состояние, называемое аморфным. Им обладает не только стекло, но и смола, канифоль, многие пластмассы, сургуч, пластическая сера, янтарь, различные полимеры, в том числе прозрачные пакеты.
Отличие аморфных тел от твердых легко увидеть на молекулярном уровне. У твердых тел есть кристаллическая решетка — присутствует упорядоченность во взаимном расположении атомов в веществе. Такая структура называется дальним порядком.
Аморфные тела кристаллической решетки не имеют, у них обнаружен только ближний порядок в расположении молекул. Объяснить это можно на таком примере: представим, что воспитатель поставила детей в определенном порядке, заставив их взяться за руки. Однако стоило ей уйти — и дети начали менять свое местоположение, причем некоторые из них пустили в группы-ячейки новых товарищей, а другие вытолкнули стоявших там изначально. При этом каждый ребенок задействовал обе руки, держась ими за друзей. Ближний порядок характеризуется наличием закономерности связи между соседними атомами (дети обязательно держатся за руки) и отсутствием порядка на расстояниях, превышающих расстояния между атомами.
У аморфных веществ отсутствует температура плавления — они переходят в жидкое состояние постепенно, в зависимости от диапазона температур, в котором данный процесс происходит. Этим стекла и смолы отличаются от кристаллических тел, которые переходят после твердого состояния в жидкое в одной температурной точке (а некоторые твердые тела переходят сразу в газообразную фазу, например графит). Вода, даже долгое время находясь при 0,01 ⁰ С, будет оставаться жидкостью. Но стоит понизить температуру до минус 0,01 ⁰ С, и она постепенно начнет кристаллизоваться, то есть превращаться в лед. Конечно, этот процесс займет намного больше времени, чем если бы мы охладили ее сразу до минус 10 ⁰ С. И тем не менее рано или поздно вода перейдет в твердую фазу и при температуре минус 0,01 ⁰ С.
Вместо точки плавления у аморфных веществ есть точка начала размягчения в зависимости от состава материала. Например, оконное листовое стекло начинает размягчаться при температуре 600 ⁰ С, а посудное — при 560 ⁰ С. Дальнейший процесс характеризуется с физической точки зрения тем, что у стекла уменьшается вязкость — так называется свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Чем больше вязкость, тем больше пришлось бы прикладывать усилий при перемешивании вещества. В полностью жидкое состояние стекло переходит при температуре около 700-750 ⁰ С.
В отличие от твердых тел, аморфные обладают текучестью, хоть и небольшой. Чтобы доказать их подвижность, ученые провели эксперимент с твердой смолой. Оказалось, что ее капли падают примерно раз в 8-9 лет при комнатной температуре! Стекло также обладает текучестью (тоже очень малой), именно поэтому мы можем наблюдать потеки на старых окнах.
Еще одним интересным свойством аморфных тел является изотропность. Это означает, что их физические характеристики одинаковы по всем направлениям и в любой точке материала. В кристаллических телах по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы на протяжении всего объекта. Это предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между атомами и в конечном итоге — зависимость некоторых свойств от выбранного направления воздействия. Примером может послужить тот факт, что слюда (природный минерал) легко расщепляется на листочки только вдоль определенной плоскости. Также, если мы попробуем отколоть кусочек от искусственно выращенной пластинки кремния, скол будет появляться вдоль определенного направления, не зависящего от нашего пожелания и постановки скальпеля. А вот отломить кусочек от стекла довольно легко в любом выбранном направлении.
Содержание статьи
Застывшая жидкость
Если быть точным, то не застывшая, а переохлажденная. Поскольку стекло сохраняет основные свойства жидкости даже в привычном твердом состоянии. Вполне понятны возражения – мол стекло не течет! Все очень просто при комнатной температуре оно почти не течет, вернее течет, но крайне медленно, но стоит его только нагреть, движение сразу станет наглядным.
Это свойственно всем аморфным веществам, к которым относится и стекло, также в эту категорию можно включить все смолы как натуральные, так и искусственные, различные клеи, резину отдельные виды пластических масс.
Разумеется, существует разница в температурах, при которых эти вещества теряют твердость, но принцип везде одинаков.
Секрет кристалла
Главное отличие аморфных веществ от кристаллических, в том, что аморфные не имеют упорядоченной кристаллической решетки. Сохраняя структуру ближних связей, аморфное вещество не имеет дальнего порядка расположения атомов и молекул. Таким образом, для аморфных тел типична изотропия свойств и отсутствие определенной точки плавления. То есть по мере повышения температуры аморфные тела постепенно размягчаются и незаметно переходят в жидкое состояние.
Отсюда следует, что кристаллическое тело отличается от жидкости не только и не столько количественно, но и главным образом качественно. То есть аморфное тело смело можно рассматривать как жидкость с бесконечно большой вязкостью.
Загадки стекла
Известно лишь, что самым древним из найденных на сегодня изделий из рукотворного стекла считается светло-зеленая бусинка размером 9х5,5 мм, обнаруженная в окрестностях города Фивы датируемая 35 годом до н.э.
Скорее всего, стекло было получено людьми как побочный продукт при выплавке меди.
ОБ АГРЕГАТНОМ СОСТОЯНИИ СТЕКЛА
В настоящее время стёкла считаются и жидкостями, и твёрдыми телами. Представление о переохлаждении как основном способе получения стёкол широко распространено. Однако, в ряде работ показано, что стёкла обладают признаками твёрдого тела.
Основным критерием для определения агрегатного состояния тела может быть механизм разрыва химических связей под нагрузкой. В упругом твёрдом теле не должно быть необратимого переключения химических связей до момента разрушения. Если стекло обладает свойствами твёрдого тела, то оно – не переохлажденная жидкость, а упругое твёрдое тело, так как свойства тел являются отражением их структуры.
Если переход из одного агрегатного состояния в другое для кристаллических веществ определяется характеристическими значениями температуры и давления, то для стеклообразных веществ определение агрегатного состояния представляет трудности. Стёкла в настоящее время считаются и жидкостями, и твёрдыми телами.
Представление о переохлаждении как основном способе получения стёкол широко распространено. Структура стекла при этом отождествляется со структурой переохлаждённой жидкости, которая имеет высокую вязкость 3. В работе [5] проводится аналогия стекловидного состояния с жидким состоянием и указывается, что при кристаллизации стёкол происходит переход жидкой фазы в твёрдую. Хотя по общепринятым представлениям из теоретических соображений стекло представляет собой жидкость, однако, несоответствие этих представлений практике очевидно. Поэтому делаются различные попытки примирить теоретические представления и факты.
Чтобы показать, что стекло – твёрдое тело, а не переохлаждённая жидкость, специально ставились работы. Основываясь на том, что время изменения решётки под действием внешних сил у жидкостей мало, а у стёкол велико, в работе [6] поведение стекла по отношению к приложенным нагрузкам отождествляется с твёрдым телом. В работе [7] указывается, что при комнатной температуре стекло по многим свойствам близко к твёрдому кристаллическому телу. Факт придания стеклу как переохлаждённой жидкости механических свойств твёрдого кристаллического тела отражён в определении стеклообразного состояния, которое доложила терминологическая комиссия на V Всесоюзном совещании по стеклообразному состоянию [8].
На ошибочность представлений о стекле как о жидкости указано в работе [9]. В ней агрегатное состояние стекла определяется в зависимости от температуры. Показано, что ниже температуры трансформации стёкла не имеют пластических деформаций. При комнатной температуре стекло является твёрдым телом, повышение температуры приводит к проявлению закономерностей жидкого состояния. При механических испытаниях стекло ведёт себя как абсолютно упругое тело и гораздо ближе подходит к твёрдому телу, чем металлы.
Дифференцированный подход к определению агрегатного состояния стекла в зависимости от температуры является промежуточным между представлениями о стекле как о жидкости и другим крайнем случаем – представлениями о стекле как о твёрдом теле. Ещё Тамман указывал, что в стеклообразном состоянии находятся твёрдые некристаллизующиеся вещества [1]. В работе [10] также показана некорректность отождествления аморфизации кристаллического тела с жидким состоянием, получающееся аморфное тело может быть твёрдым. Так как стеклообразное состояние вещества приравнивается к аморфной форме, которая представляет твёрдые тела, то стекло относится к твёрдым телам.
Твёрдость стеклообразного состояния обусловливается, в первую очередь, наличием консервативных короткодействующих сил связи [11]. В работе [12] стекло также считается твёрдым телом, атомная структура которого зависит не только от химического состава, но и от термической обработки. В твёрдом состоянии стекло обладает компактной неупорядоченной структурой [13]. Стеклообразное состояние является одной из форм твёрдого состояния вещества – некристаллическим твёрдым телом [4, 14].
Таким образом, одновременно сосуществуют несколько представлений об агрегатном состоянии стекла. Стёкла считается жидкостями с чрезмерно высокой вязкостью, жидкостями, обладающими свойствами твёрдого тела и твёрдыми телами. То есть стеклу приписывается как жидкое состояние, так и твёрдое.
Рассмотрим характерные признаки твёрдого тела. Под твёрдыми телами понимаются вещества, которые обладают некоторой жёсткостью по отношению к сдвигу [15]. Обычно твёрдые вещества имеют кристаллическую структуру. Твёрдые тела в отличие от жидкостей имеют высокую прочность химических связей. Это приводит к тому, что все атомы твёрдого тела постоянно совершают тепловые колебания возле некоторых центров равновесия. Только незначительная часть атомов может совершать переходы в иные положения равновесия в результате тепловых флуктуаций. Жёсткостью химических связей обусловливается сопротивление твёрдого тела внешним нагрузкам и обеспечивается его твёрдость.
В жидкостях благодаря малой прочности химических связей в результате тепловых флуктуаций возможна перегруппировка большого количества молекул. Действие даже малых внешних сил на жидкость приводит к лёгкому разрыву химических связей. Жидкость не может сопротивляться большим сдвиговым нагрузкам.
Таким образом, сопротивление тела сдвиговым нагрузкам зависит от силы химических связей, то есть определяется химическим составом. В свою очередь, при заданном составе сила химических связей в теле определяется внешними параметрами. Такими параметрами являются температура и давление. В зависимости от природы атомов, составляющих тело, сопротивление сдвиговым нагрузкам при некоторых фиксированных температуре и давлении будет разным. Какая величина напряжений на сдвиг должна быть границей между твёрдым телом и жидкостью?
Несомненно, температура и давление могут приводить к изменению агрегатного состояния вещества, поэтому следует рассматривать тела в нормальных условиях. Подразделение тел на твёрдые и жидкие не может быть сделано корректно по величине сдвигающих напряжений. Основным критерием для определения агрегатного состояния тела может быть механизм разрыва или трансформации химических связей под нагрузкой. Следует рассматривать не только твёрдые и жидкие тела, а все возможные промежуточные состояния. Твёрдое тело может быть упругим, упруго-пластичным, пластичным. Жидкость представляет собой вязкое тело, при этом она может быть упруго-вязкой.
Истинно упругим твёрдым телом следует называть такое тело, которое при действии нагрузки имеет только упругие деформации, то есть в нём отсутствует механизм необратимого переключения химических связей до момента разрушения.
К какому же агрегатному состоянию относится стекло? О величине вязкости, достигаемой при отвердевании твёрдого тела, нет единого мнения [3]. В работе [16] отмечается, что даже классические жидкости при температурах, близких к температурам кристаллизации, можно рассматривать как твёрдые тела. Это возможно в связи с тем, что различия между жидкостью и твёрдым телом не столь глубокие.
Противоположное мнение в работе [17], считается, что стекло ближе стоит к понятию твёрдого тела, чем кристаллы. У силикатного стекла при растяжении не обнаруживается даже признаков пластичности. Такое поведение стёкол связано с невозможностью развития в них дефектов типа дислокаций, которые приводят к деформированию и разрушению металлов [18].
Представления о стекле как о жидкости недостаточно убедительны [19]. Утверждение, что стекло является переохлаждённой жидкостью, справедливо в такой же мере, как кристаллы – охлаждённые жидкости.
Как можно сомневаться в том, что стекло – твёрдое тело, если прочность стекла на сжатие велика и составляет до 200 кг/мм 2 [20].
Хотя ряд авторов утверждает, что стекло – переохлаждённая жидкость, но такой взгляд на стекло не соответствует истине [21]. Научные представления о стекле как о жидкости не имеют под собой реальных оснований. Факты свидетельствуют, что стекло нельзя считать вязкой жидкостью. Если стекло обладает свойствами твёрдого тела, то оно – не переохлаждённая жидкость, а твёрдое тело, так как свойства тел являются отражением их структуры. Основываясь на отсутствии пластических деформаций при нормальных условиях и высокой прочности на сжатие, стёкла следует считать упругими твёрдыми телами.
1. Г.Тамман. Стеклообразное состояние, 136. ОНТИ, Л.-М., 1935.
2. П.У.Макмиллан. Стеклокерамика, 263. Мир, М., 1967.
3. А.А.Аппен. Химия стекла, 351. Химия, Л., 1970.
4. Г.М. Бартенев. Строение и механические свойства неорганических стёкол, 7. Стройиздат, М., 1966.
5. А.Я.Кузнецов. ЖФХ, 1726, 33, № 8, 1959.
6. Ю.С.Балашов, В.Н.Макаров, В.С.Постников. В кн.: Аналитические возможности метода внутреннего трения, 122. Наука, 1973.
7. М.С.Гомельский. Тонкий отжиг оптического стекла, 5. Машиностроение, Л., 1969.
8. Стеклообразное состояние, 392. Наука, Л., 1971.
9. П.П.Кобеко. Аморфные вещества, 432. Изд. АН СССР, М., 1952.
10. Г.В.Куколев. Химия кремния и физическая химия силикатов, 463. Высшая школа, М., 1966.
11. Р.Л.Мюллер. В кн.: Химия твёрдого тела, 9. Изд. Ленингр. ун-та, Л., 1965.
12. Р.Чарльз. В кн.: Современные материалы, 87. Мир, М., 1970.
13. А.Винтер. В сб.: Стеклообразное состояние, 273. Наука, Л., 1971.
14. Г.М.Бартенев, Сверхпрочные и высокопрочные неорганические стёкла, 37. Стройиздат, М., 1974.
15. Р.Пайерлс. Квантовая теория твёрдых тел, 259. Изд. иностр лит., М., 1956.
16. Я.И.Френкель. Кинетическая теория жидкостей, 423. Изд. АН СССР, М.-Л., 1945.
17. П.П.Кобеко. В кн.: Строение стекла, 296. Изд. АН СССР, М.-Л., 1955.
18. В.П.Пух. Прочность и разрушение стекла, 12. Наука, Л., 1973.
Почему стекло прозрачное
Если словосочетания «квантовая механика», «электронная оболочка», «уравнения Максвелла» вас не пугают, то вы наверняка и сами сумеете ответить на вопрос о прозрачности стекла. Но статью мы ориентируем всё же на тех, кто только начинает познавать основы физики и строения материалов.
Прозрачное стекло
Чтобы не вдаваться в достаточно сложные рассуждения и не приводить пугающего вида системы уравнений, выведенных величайшим физиком XIX века, стоит вернуться к теории света (по ссылке наш ролик на ютубе об основах физической оптике). Также нам придется упомянуть теорию строения веществ. Именно на основании Максвелловых основополагающих теорий и будут строиться объяснения, в итоге которых и будет дан предельно краткий ответ на вопрос о причине, по которой мы можем видеть сквозь стекло любой толщины.
Об атомной теории строения веществ – без формул и загадок
Разговор о прозрачности стекла придётся начать издалека. С какими телами мы имеем дело в повседневной жизни? Правильно – с твердыми, жидкими, газообразными. Точнее, с физическими телами, которые находятся в одном из агрегатных состояний – при постоянных давлении и температуре агрегатное состояние тела сохраняется стабильным.
Есть еще тела мягкие (аморфные) – их физическое состояние характеризуется как промежуточное между твердым телом и жидкостью. Отличная по своим показателям текучесть, к примеру, присущая жидкостям, наблюдается в таких твердых телах, как лед или сапожный вар. Кроме того, еще причисляют к агрегатным состояниям плазму.
Огонь, вода… и бетонные стены
Вернемся к теории строения. Все тела состоят из различных веществ; каждое вещество имеет сложную молекулярную структуру. Молекулы, слагающие физические тела, могут иметь строгий порядок расположения – в таком случае мы наблюдаем твердое тело. Если закономерность в расположения молекул отсутствует, мы говорим о жидкости, паре или газе.
Итак: твердое тело отличается правильной «упаковкой» молекул. Просветы между молекулами газообразного или жидкого тела намного больше. В силу этого фотонам, из которых (согласно с корпускулярной теорией света) состоит пучок света, проще пройти через газ или жидкость. Структура твердого тела «воспринимается» фотонами как кирпичная стена.
Структура твёрдого тела
Частицам света удается проникнуть лишь сквозь редкие атомы жидкости, газа, пара. Это и будет прозрачность. Именно поэтому эти тела оптически прозрачные.
Структура газа и жидкости
В твёрдых же телах фотоны сталкиваются с плотно выстроенными атомами твердых тел, не в состоянии разминуться с ними или же «выбить» часть электронов, нарушить ионную связь и выйти наружу. Получаем непрозрачность.
Непрозрачное твердое тело
Световая энергия в последнем случае преобразуется в тепловую, и поток фотонов попросту нагревает твердый объект, не в состоянии проникнуть за его пределы.
Прохождение света через вещество
Разумеется, мы говорим сейчас о свете видимой для человека частоты. Вот тут мы уже подошли ко второй части теории света – волновой.
Курс физики, корпускулярно-волновая теория – все вспомнили? Свет – не только поток частиц, но еще и волна с определенной частотой. В случае с газами мы имеем дело с веществами, в которых расстояния между атомами превышает длину волны видимого диапазона. В итоге свету в буквальном смысле есть где пройти.
О леденцах и стеклах – на уровне атомов
Исключением из этого правила остаются кристаллы – твердые физические тела, сохраняющие прозрачность.
Причина этого – в строгой системе кристаллической решетки, которую невозможно нарушить, не уничтожив при этом кристалл. Таким же свойством – прозрачностью – обладают и некоторые твердые объекты, которые подвергались специфическому воздействию. К примеру – были нагреты и потом быстро охлаждены. В таких телах световой луч свободно путешествует между частичками и не испытывает ощутимых преград.
Что напоминает процесс доведения до высокой температуры с последующим резким охлаждением? Все, кто делал домашние леденцы, узнали последовательность действий. Леденец прозрачен и не препятствует прохождению света, именно в силу расположения атомов в порядке, характерном для жидкостей.
Прохождение света через оптически прозрачный предмет с водой. Логика всегда одна.
Стекло — также твердый физически аморфный объект, прозрачность которого обусловлена на атомном уровне. Помимо физической структуры, роль играет химическое соединение элементов в составе стекла. Для изготовления стекла необходима нагретая смесь песка SiO2, извести CaO, соды Na2CO3. Мы видим только легкие элементы в составе песка – легкие с точки зрения расположения в таблице Менделеева.
Химия подарила нам знания, что для ионной связи легких элементов характерна полностью заполненная электронная оболочка. Если фотон способен поглотиться ионами вещества, он попросту отдаст энергию иону – тело из такого вещества будет непрозрачным. Фотоны не обладают достаточным запасом энергии, чтобы разрушить ионные связи в плотной оболочке легких элементов (или их соединений).
Стекло прозрачно – причину этого мы объяснили, оперируя понятиями курса физики и химии средней школы. Сказывается специфическое строение стекла, которое в буквальном смысле пропускает через себя поток световой энергии без нагрева и без поглощения.