XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Путешествие в мир аморфных тел - их необычные свойства

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Трифонова М.В. 1Кислова А.С. 1

---

1ГБОУ "Специализированная школа №35 г.о. Донецк"Донецкая Народная Республика

Кучеренко М.В. 1

---

1ГБОУ "Специализированная школа №35 г.о. Донецк"Донецкая Народная Республика

Работа в формате PDF

1.8 MB

Введение.

В школе мы узнали, что твердые тела бывают кристаллические и аморфные. Человек сталкивается с миром кристаллов на каждом шагу. Например, мы добавляем в чай мелкие кристаллы сахара. Поваренная соль, нужная каждому, также состоит из маленьких частичек, зато в природе можно встретить крупные прозрачные кристаллы каменной соли. Зимой на лужах образуется тонкий слой льда – это тоже кристаллическая вода. Многие различные вещества формируют кристаллы: металлы, драгоценные камни, а также соль и сахар.

Все дети любят конфеты, особенно леденцы. Вот как-то раз в жаркий день, одного из авторов работы угостили леденцовыми конфетами. Часть она съела сама, часть поделилась с подружкой, а одна конфета осталась лежать в кармане брюк. Так и забыла об этом. Через некоторое время нашла и, развернув обертку, расстроилась – леденец подтаял и покрылся белым налетом. Конфета испорчена? Что с нею произошло и почему? В ответ учитель предложил вместе с подругой изучить аморфные тела, к которым относятся леденцы. А также найти различия или сходства с кристаллическими телами.

Цель: изучить, что такое аморфные тела, какие свойства они имеют и чем отличаются от кристаллических, как они используются в нашей повседневной жизни.

Задачи:

1. Узнать, что такое аморфные тела и чем они отличаются от кристаллических.

2. Приготовить аморфное тело – леденец в домашних условиях.

3. Провести простые эксперименты, чтобы продемонстрировать свойства кристаллических и аморфных материалов.

4. Обобщить полученные данные и сделать выводы.

Гипотеза: леденец является аморфным телом, у него нет четкой температуры плавления, и он плохо проводить электрический ток и еще, имеет много свойств, отличных от кристаллических тел.

Объектом исследования являются кристаллические (кристаллы поваренной соли и сахара) и аморфные (парафин, леденец) тела.

Предметом исследования является изучение отдельных свойств кристаллических и аморфных тел, исследуя их поведение в разных условиях.

Методы исследования: изучение литературы и интернет-ресурсов, анализ, проведение экспериментов, их пояснение и обобщение.

2. Основная часть.

   1. Обзор научной и популярной литературы по теме «Кристаллические и аморфные тела»

Твёрдое тело — одно из четырёх основных агрегатных состояний вещества, отличающееся от других состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Все твердые тела можно разделить на 2 группы: кристаллические и аморфные.

Кристаллическими телами называют твердые тела, в которых молекулы и атомы расположены упорядоченно и образуют кристаллическую решетку (сетку), в узлах которой стоят частицы. Например, все металлы, поваренная соль, алмаз и др.

Аморфные тела (от греч. «аморфос» - бесформенный) – это твердые тела, которые не имеют кристаллической структуры. К ним относятся стекло, смола, янтарь, канифоль. [1]

Аморфные материалы повсюду вокруг нас: в стекле, пластике, лекарствах и даже в некоторых продуктах питания. Они удобны в использовании и имеют уникальные свойства, которые делают их идеальными для различных целей. В этом проекте мы будем исследовать, что такое аморфные тела, как они работают и где мы их можем встретить в нашей повседневной жизни. С каждым новым открытием мы будем понимать, как важны эти материалы для нашего мира! [2]

А леденец? Он не имеет строгой формы и может изменять свою поверхность, но при этом остается твердым. Это именно то, что делает его аморфным! Внутри его молекулы расположены хаотично, на разной высоте и с разными расстояниями. Из-за этого аморфные тела могут быть гибкими и изменять форму, когда мы их нагреваем или смягчаем.

С течением времени (недель, месяцев) аморфные тела могут переходить в кристаллическое состояние самопроизвольно. Сахарный леденец или мед через некоторое время становятся непрозрачными. Говорят, что они «засахарились». [3]

2. 2. Приготовление аморфного тела (леденца)

Для проведения леденца в домашних условиях потребуется:

- сахар-песок — 200 г;

- вода — 50 мл;

- сок лимона — 1 столовая ложка;

- растительное масло — для смазывания формы или ложки.

Необходимо подготовить кастрюлю с толстым дном, деревянные палочки, на которые насаживаются леденцы. Пергаментную бумагу хорошо смазать растительным маслом. На нее выкладывают леденцовую карамель для охлаждения.

Смешать сахара, воду и лимонный сок в кастрюле. Поставить кастрюлю на огонь и, непрерывно помешивая, довести смесь до кипения. Огонь уменьшить до умеренного и продолжить уваривать.

Деревянной палочкой можно проверить степень готовности леденцовой массы – для этого надо окунуть деревянную палочку на секунду в кипящий сироп, вынуть и сразу опустить в холодную воду, чтобы остудить карамель. Если после охлаждения масса на палочке мягкая – не готова, варим далее. По мере готовности карамель становится золотистого цвета. Когда смесь на палочке после охлаждения будет твердым комком – снять с огня.

С помощью ложки выложить карамель по формам или на бумагу. Палочки вдавить в карамель. Дать полностью остыть и леденец готов! [4]

Процесс приготовления леденцовой карамели в приложении 1.

2. 3. Проведение экспериментов по исследованию свойств аморфных тел и установлению отличия от кристаллических тел

Эксперимент 1.Память формы и теплопроводность

Материалы: пластилин, металлический шарик, стакан с горячей водой (≈40-50⁰С), стакан с холодной водой.

Ход работы

1. Размять пластилин в руках до мягкого состояния, придать форму шарика и оставить рядом с металлическим на 5 минут.

2. Опустить на 1 минуту пластилиновый шарик в стакан с горячей водой. Придать шарику новую форму.

3. Опустить в стакан с холодной водой. Достать и попробовать деформировать.

4. Проделать аналогичные действия с металлическим.

Вывод: пластилин в отличие от металла легко менял форму при нагревании (плохая память) и хорошо держит форму после «закаливания». Пластилин плохо проводит тепло. Аморфное тело обладает плохой теплопроводностью, чем металлы. Поэтому ручку на сковороде делают из пластмассы, питьевой стаканчик из пластика.

Эксперимент 2.Самопроизвольная кристаллизация

Материалы: две банки меда – свежий и жидкий, вторя – засахаренный; растворы поваренной соли и сахара.

Ход работы

1. Рассмотреть внешний вид и консистенцию каждого тела.

2. Рассмотреть под микроскопом жидкий и засахаренный мед, растворы поваренной соли и сахара в период испарения.

Вывод: Свежий мёд под микроскопом выглядит как однородная, жидкий мед прозрачный, текучий. Засахаренный мед – мутный, густой и с кристаллами сахара - неоднородная масса без чётких граней и повторяющихся фигур,возможны небольшие включения (см. Приложение 2). Аморфные вещества со временем переходят в более устойчивое кристаллическое состояние. Частицы кристаллических веществ (поваренная соль и сахар)образуют правильные геометрические формы (кубики и многогранники) (см. Приложение 3).

Эксперимент 3.Оптические свойства

Материалы: кусок льда (кристаллическое тело), леденец (аморфное тело), фонарик.

Ход работы

1. Направить луч света через оба тела.

2. Сравнить четкость и яркость пятна на стене.

Вывод: лед дает нечеткое пятно из-за кристаллической структуры. Аморфное тело пропускает свет во всех направлениях одинаково – ярко и четко (см. Приложение 4). Это свойство называется изотропностью.

Эксперимент 4.Сравнение температуры плавления аморфного и кристаллического тела

Материалы и оборудование: кусочки свечи (парафин), леденца и льда, термометр, секундомер, 2 пробирки, металлическая емкость, спиртовка.

Ход работы

1. Измельчить лед и насыпать в пробирку (металлическую тарелочку).

2. Поместить пробирку над спиртовкой, опустив термометр в вещество.

3. Записывать показания термометра каждую минуту, чтобы определить температуру плавления льда.

4. Аналогичные действия проделать с леденцом и парафином.

5. Построить графики зависимости температуры от времени для каждого образца согласно таблице (см. Приложение 5).

Рисунок 1. Графики плавления аморфных и кристаллических веществ

Вывод: в ходе исследования установлено, что лед (кристаллическое тело) начал плавиться при 0⁰С, а аморфные тела: парафиновая свеча - от 52 до 65⁰С и леденец – от 68 до 82⁰С. На графике кристаллического тела есть площадка: пока весь лед не растает, температура не повысилась. У парафина и леденца график идет плавно, без резких перепадов. Т.е. во время плавления аморфного тела, температура не остается постоянной, а повышается при нагревании тела. Это свидетельствует об отсутствии у аморфных тел четкой температуры фазового перехода (плавления/отвердевания).

Эксперимент 5.Электропроводимость растворов кристаллов и аморфных тел.

Материалы и оборудование: леденец, поваренной соли, 2 стакана с водой, электроды, лампочка на подставке, источник тока, соединительные провода, ключ.

Ход работы

1. Растворить заранее в отдельных стаканах с водой леденец, кристаллы поваренной соли.

2. Собрать электрическую цепь из последовательно соединенных источника тока, лампочки, ключа, электродов.

3. Электроды поочередно опускать в стаканы с растворами. Замкнув цепь, наблюдать за свечением лампочки. Если цепь замкнута, лампочка загорится, что покажет проводимость материала.

Наблюдали: Раствор поваренной соли хорошо проводит электрический ток – лампочка горит. Сладкая вода не зажгла лампочку – электрический ток отсутствует (см. Приложение 6).

4. Сладкий раствор нагреем над спиртовкой и опят опустим в него электроды. Лампочка слабо загорелась.

Вывод: растворы кристаллов проводят электрический ток. Чтобы раствор аморфного вещества проводил ток, надо изменить условия – нагреть раствор.

По результатам всех исследований можно сделать общий вывод:

1. леденец не плавится резко при комнатной температуре, а постепенно размягчается: сначала становится липким, тягучим, а потом жидким. Четкой границы перехода из твердого в жидкое состояние нет.

2. Изотропен - ломается одинаково во всех направлениях в любой точке. Если на леденец быстро воздействовать (ударить), то он раскалывается на кусочки с неровными краями.

3. Приготовленный леденец прозрачный или полупрозрачный из-за отсутствия границ между кристаллами, рассеивающих свет. Со временем леденец засахарится и станет мутным и непрозрачным.

4. Впитывает влагу, становится липким, легко растворим в воде. Раствор сладкой воды не проводит электрический ток.

1. 4. Применение аморфных веществ

Аморфные тела находят широкое применение в различных отраслях благодаря своим уникальным свойствам, таким как отсутствие кристаллической структуры, высокая гибкость, термостойкость и прозрачность. Ниже перечислены основные области их применения:

- строительство: стекло, как один из самых распространенных аморфных материалов, используется в строительстве окон, дверей, фасадов зданий и перегородок. Его высокая прозрачность и возможность обработки делают его идеальным для архитектуры.

- транспорт: В автомобилях и поездах используется закаленное стекло для обеспечения безопасности пассажиров и повышения прочности.

- в быту: Стеклянные емкости для хранения пищевых продуктов и напитков также являются свидетельством практического использования аморфных тел.

Пластиковые упаковки, стенки контейнеров и бутылок часто изготавливаются из аморфных полимеров. Они легкие, герметичные и обеспечивают защиту содержимого от внешней среды. Аморфные полимеры применяются в производстве моющих средств, косметики и других товаров, требующих удобной упаковки и долгого срока хранения.

Сделанные из аморфных волокон (например, нейлон или акрил) ткани используют в одежде, мебельных обивках и других текстильных изделиях.

- оптоэлектроника: Аморфные полупроводники, такие как аморфный кремний, применяются в солнечных батареях. Они позволяют создавать более тонкие и легкие панели, что раскрывает новые возможности в области возобновляемой энергетики.

Аморфные материалы используются в производстве экранов для телевизоров, смартфонов и других электронных устройств. Например, аморфный силиций широко применяется в активных матрицах жидкокристаллических дисплеев.

- медицина: Некоторые аморфные материалы, такие как биостекло, используются в медицинских имплантатах и протезах благодаря своей биосовместимости и долговечности.

Аморфные препараты чаще всего обладают лучшей растворимостью и биодоступностью, что улучшает их эффективность.

Практическое применение аморфных тел охватывает широкий спектр отраслей и технологий, где их уникальные свойства делают их незаменимыми. Исследования в этой области продолжают углубляться, открывая новые возможности для создания инновационных материалов и устройств, что имеет большое значение для общества и экономики.

3. Заключение

В ходе исследовательской работы авторы изучили материал по выбранной теме в сети Интернет и школьной библиотеке. Авторами был проведен ряд экспериментов по исследованию свойств аморфных тел и их отличию от кристаллических. В работе рассмотрен один из видов аморфных тел – тела, содержащие сахар – леденец и мед.

Авторы узнали, что аморфные материалы, в отличие от кристаллических, не имеют четкой упорядоченной структуры. Благодаря этому у них есть уникальные свойства, такие как гибкость, прозрачность и устойчивость к воздействию различных факторов. Как и многие другие виды аморфных материалов, карамельные леденцы также не имеют упорядоченной структуры. При их изготовлении сахар плавится и затем охлаждается, превращаясь в твердое состояние, без кристаллизации, что делает леденцы твердыми, но хрупкими. К сожалению, аморфные тела не имеют четкой температуры плавления. В эксперименте начал плавиться при 0⁰С, парафиновая свеча - от 52 до 65⁰С, а леденец – от 68 до 82⁰С. Интересно, что именно эта аморфная структура придаёт леденцам их характерную текстуру и позволяет им медленно расплавляться во рту, создавая сладкое наслаждение. Это показывает, как аморфные материалы могут использоваться не только в промышленности, но и в кулинарии.

Таким образом, поставленная авторами гипотеза полностью подтверждена. Цели и задачи выполнены.

Полученный экспериментальный материал включен в практическую часть школьного кружка «лаборатория занимательных исследований и изобретений», который можно использовать как наглядный материал на уроках естественно-научной направленности.

4. Список использованных источников и литературы

1. Аморфные тела – урок. 7 класс // ЯКласс : [сайт]. – 2021. - URL :

https://www.yaklass.by/p/fizika/7-klass/stroenie-veshchestva-2422/vzaimodeistvie-chastitc-veshchestva-agregatnye-sostoianiia-veshchestva-2429/re-1a685c3c-d3f2-403e-85fb-51fc2ab3e09c (дата обращения: 22.02.2026).

2. Плешаков А. А. Естествознание введение в естественно-научные предметы, учебник для общеобразовательных учреждений, 5 [класс + электронное приложение] / А. А. Плешаков, Н. И. Сонин. — Москва : Дрофа, 2012. — 174, [1] с. цв. ил., ил., карты, портр.; 24.

3. Аморфные тела – урок. 8 класс // ЯКласс : [сайт]. – 2021. - URL :

https://www.yaklass.ru/p/fizika/8-klass/stroenie-i-svoistva-veshchestva-7590802/modeli-tverdogo-zhidkogo-i-gazoobraznogo-sostoianii-veshchestva-159352/re-5e5a1556-a16c-4688-b701-8a1ca7f5b64c (дата обращения: 12.04.2026).

4. Гаева, Е. Как приготовить леденцы из сахара, как в СССР // Sport24 : [сайт]. – 2019. – URL : https://sport24.ru/lifestyle/article-ledentsy-iz-sakhara-retsept-domashnikh-ledentsov-kak-prigotovit-ledentsy-iz-sakhara-kak-v-sssr-retsepty-sovetskikh-sladostey (дата обращения: 09.06.2026).

5. Приложения

Приложение 1

Процесс приготовления леденцовой карамели (аморфного тела)

Приложение 2

Процесс кристаллизации аморфного тела

Жидкий мед Кристаллизация меда Засахаренный мед

Приложение 3

Структура растворов кристаллических и аморфных тел

под микроскопом

Раствор сахара	Раствор поваренной соли

Приложение 4

Оптические свойства

Приложение 5

Таблица 1. Температуры плавления различных веществ

Примечание: красным цветом отмечена температура плавления веществ

Приложение 6

Электропроводность растворов кристаллических и аморфных тел