Структура твердых тел - ТВЕРДОЕ ТЕЛО

Цель: сформировать понятия «кристаллическое тело», «аморфность». Рассмотреть их свойства.

Ход урока

I. Изучение нового материала

Большинство веществ в умеренном климате Земли находятся в твердом состоянии. Твердые тела сохраняют не только форму, но и объем.

По характеру относительного расположения частиц твердые тела делят на три вида: кристаллические, аморфные и композиты.

При наличии периодичности в расположении атомов (дальнего порядка) твердое тело является кристаллическим.

Если рассмотреть при помощи лупы или микроскопа крупинки соли, то можно заметить, что они ограничены плоскими гранями. Наличие таких граней - признак нахождения в кристаллическом состоянии.

Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом. Большинство кристаллических тел состоит из множества расположенных беспорядочно мелких кристаллов, которые срослись между собой. Такие тела называются поликристаллами. Кусок сахара - поликристаллическое тело. Кристаллы различных веществ имеют разнообразную форму. Размеры кристаллов тоже разнообразны. Размеры кристаллов поликристаллического типа могут изменяться с течением времени. Мелкие кристаллы железа переходят в крупные, этот процесс ускоряется при ударах и сотрясениях, он происходит в стальных мостах, железнодорожных рельсах и т. д., от этого прочность сооружения с течением времени уменьшается.

Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях. Это свойство называется полиморфизмом. У льда известно до десяти модификаций. Полиморфизм углерода - графит и алмаз.

Существенным свойством монокристалла является анизотропия - неодинаковость его свойств (электрические, механические и т. д.) по различным направлениям.

Поликристаллические тела изотропны, т. е. обнаруживают одинаковые свойства по всем направлениям. Объясняется это тем, что кристаллы, из которых состоит поликристаллическое тело, ориентированы друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других.

Существует четыре типа кристаллов: молекулярные, ковалентные (или атомные), ионные и металлические. Тип кристалла определяется характером взаимодействия атомов и молекул, образующих кристалл.

К молекулярным кристаллам относятся кристаллы водорода, аргона, брома. Прочность этих кристаллов не велика.

Ковалентные кристаллы: алмаз, полупроводники кремний и германий.

Ионные кристаллы NaCl, AgBr.

Металлические кристаллы. Металлы

Аморфные тела. Аморфные тела изотропны. Признаком аморфного тела являются неправильная форма поверхности при изломе. Аморфные по происшествию тела после длительного промежутка времени все же меняют свою форму под действием силы тяжести. Этим они похожи на жидкости. При повышении температуры такое изменение формы происходит быстрее. Аморфное состояние неустойчиво, происходит переход аморфного состояния в кристаллическое. (Стекло мутнеет.)

Беспорядок в расположении атомов аморфных тел приводит к тому, что среднее расстояние между атомами по разным направлениям одинаково, поэтому они изотропны.

Сходство с жидкостями объясняется тем, что атомы и молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют время «оседлой жизни». Определенной температуры плавления нет, поэтому аморфные тела можно рассматривать как переохлаждение жидкости с очень большой вязкостью. Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов аморфных тел приводит к тому, что вещество в аморфном состоянии имеет меньшую плотность, чем в кристаллическом.

Композиты. Созданы композиционные материалы, механические свойства которых превосходят естественные материалы. Композиционные материалы (композиты) состоят из матрицы и наполнителей. В качестве матрицы применяются полимерные, металлические, углеродные или керамические материалы. Наполнители могут состоять из нитевидных кристаллов, волокон или проволоки. В частности, к композиционным материалам относят железобетон и железографит.

Железобетон - один из основных видов строительных материалов. Он представляет собой сочетание бетона и стальной арматуры.

Железографит - металлокерамический материал, состоящий из железа (95-98 %) и графита (2-5 %). Из него изготавливают подшипники, втулки для разных узлов машин и механизмов.

Стеклопластик - также композиционный материал, представляющий собой смесь стеклянных волокон и отвердевшей смолы.

Кости человека и животных представляют собой композиционный материал, состоящий из двух совершенно различных компонентов: коллагена и минерального вещества.

Коллаген - один из главных компонентов соединительной ткани. (Из него в основном состоят наши сухожилия.) Большая часть минерального компонента кости - соли кальция. Атомы кальция составляют 22 % общего количества атомов кости. В остальных тканях тела (мышцах, мозге, крови и т. д.) количество атомов кальция близко к 12-13 %. Если кость подержать достаточно долго в 5 %-м растворе уксусной кислоты, то весь минеральный компонент, состоящий в основном из коллагена, станет эластичным. Как резиновый жгут, кость можно будет свернуть в кольцо.

II. Повторение изученного

1. Чем отличаются кристаллические тела от аморфных?

2. Перечислите основные свойства кристаллических тел.

3. Перечислите основные свойства аморфных тел.

4. Что называют монокристаллом?

5. Какие тела называют поликристаллическими?

6. Что такое анизотропия, изотропность?

7. Приведите примеры монокристаллических, поликристаллических и аморфных тел.

8. Почему во время процесса плавления температура кристаллического тела не изменяется?

9. Почему у аморфных тел нет определенной температуры плавления?

Домашнее задание

1. Лабораторная работа «Получение кристаллов льда»

Приборы и материалы: лупа, небольшой кусок стекла, вода.

Ход работы

1. На небольшое стекло поместите большую каплю воды. Быстро охладите стекло, прижав его к снегу или поместив в морозильную камеру холодильника. С помощью лупы рассмотрите то, что получилось на стекле. Сделайте зарисовки. Объясните причину наблюдаемого явления.

2. Для более подготовленных учеников - вырастить кристалл самостоятельно в домашних условиях.

Дополнительный материал

Жидкие кристаллы

В 1889 году австрийским ботаником Ф. Рейницером и немецким физиком О. Лиманом были открыты органические вещества, которые обладают свойством жидкости - текучестью, но сохраняют определенную упорядоченность в расположении молекул и анизотропию свойств, характерную для монокристаллов. Эти вещества получили название жидких кристаллов.

Как же могут существовать жидкие кристаллы, совмещающие в себе прямо противоположные свойства жидкости и металла? Дело в том, что жидкость, оставаясь в целом изотропной, может состоять из анизотропных молекул. Молекулы, из которых состоит жидкость, имеют удельную форму в виде палочек. Каждая отдельная молекула в этом случае - анизотропна. Например, она может пропускать свет, который распространяется вдоль палочки, и поглощать его, если он распространяется поперек этого направления. Но в жидкости все молекулы-палочки расположены хаотически, и в среднем свет поглощается, проходя по разным направлениям, одинаково.

Такую ситуацию можно представить, если высыпать коробок спичек в таз с водой и хорошо перемешать их. Тогда мы увидим, что поверхность воды со спичками будет изотропной, т. е. по любому направлению мы пересечем приблизительно одинаковое количество спичек, как вдоль, так и поперек их длины.

Представим теперь, что каждая спичка обладает магнитными свойствами, подобно магнитной стрелке. Поместим таз в силовое магнитное поле, направленное вдоль поверхности воды. Тогда все спички своими головами вытянутся в одну сторону, и поверхность приобретет анизотропные свойства - направления вдоль и поперек спичек будут обладать различными свойствами. Приобретя анизотропные свойства, жидкость сохранила свои основные свойства:

Воду со спичками можно перелить в другой таз, и она примет форму того сосуда, в который ее нальют, спички могут свободно двигаться.

Аналогичные процессы происходят и в некоторых жидкостях, состоящих из анизотропных молекул. Под действием внешних воздействий, в частности, электрического поля, тонкие слои такой жидкости приобретают анизотропные свойства, которое модно использовать в технике. Например, помещая такую жидкость в тонкий зазор толщиной в 0,1-0,01 мм между двумя стеклянными пластинами, на которых в одном направлении нацарапаны микроскопические бороздки, добиваются того, что все молекулы выстраиваются вдоль этих бороздок. Такая плоская сборная пластинка (ячейка) хорошо пропускает падающий на нее свет. Если при помощи прозрачных электродов создать на отдельных ее участках электрическое поле; то ориентация молекул в этих местах изменится и изменится способность пропускать свет.

Для переориентации молекул в тонком слое жидкого кристалла требуются очень малые затраты электрической энергии, и этот процесс происходит достаточно быстро - за сотые и даже тысячные доли секунды. При помощи слабых электрических сигналов можно управлять тем, как слой жидкого кристалла пропускает свет.

Такой принцип реализован в буквенно-цифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы, термометры), его используют для создания экранов телевизоров, плоских дисплеев компьютеров информационных стендов на железнодорожных вокзалах и в аэропортах.

Некоторые жидкие кристаллы меняются при изменении температуры. Это свойство используют в медицине для определения участков тела с повышенной температурой и в технике для контроля качества микросхем.

Реальные процессы, которые происходят в жидкокристаллических ячейках, значительно сложнее и многообразнее, чем описанная выше модель.

Поэтому в настоящее время жидкие кристаллы интенсивно исследуются учеными, а инженеры находят все более широкие и интересные возможности их применения в самых разнообразных устройствах.

Выращивание кристаллов (один из методов)

Самый простой, но очень важный метод выращивания кристаллов - выращивание из растворов. К нему относится, в первую очередь, выращивание кристаллов путем постепенного снижения температуры раствора. Метод хорош тем, что не требует сложной аппаратуры и позволяет выращивать кристаллы очень многих веществ. Однако он пригоден только для хорошо растворимых соединений.

Другой способ - испарение растворителя.

При этом создается небольшое пересыщение раствора, за счет которого и идет кристаллизация.

Установка представляет собой сосуд из органического стекла емкостью около 750 мл. В него было налито примерно 600 мл насыщенного раствора медного купороса. По мере испарения в сосуд подливали новые порции раствора. Верхнюю часть стенок сосуда необходимо смазать тонким слоем вазелинового масла, для предотвращения появления кристаллов - паразитов.

Первоначально из поликристаллической массы медного купороса отбирается семь кристаллов более или менее правильном формы. Каждый опускается на тонкой (0,15 мм) леске в сосуд с насыщенным раствором медного купороса. По мере роста удаляются неудачные кристаллы, обросшие паразитами и потерявшие типичную для монокристаллов форму. Через три недели остаются только три лучших кристалла, а через месяц всего один. Он был уже довольно велик, поэтому линейный рост его замедлился из-за большой поверхности кристаллизации. Вместо обычного в таких случаях перемешивания раствора, вращаем сам кристалл. Для этого подвешиваем, его па леске (длиной около 0,7 м), конец которой укрепляем на оси микродвигателя. За 10-12 секунд работы двигателя леска закручивается настолько, что после закрепления оси обеспечивает медленное вращение монокристалла в течение примерно получаса. На протяжении всего времени эксперимента сосуд был прикрыт целлофаном, чтобы в него не попадала пыль.