Формула Лапласа выглядит так:

Смачивание и капиллярные явления .

Смачивание – явление, возникающее при соприкосновении жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости . Выражается, в частности, в растекании жидкости по твёрдой поверхности . Смачивание вызывает образование мениска в капиллярной трубке, определяет форму капли на твёрдой поверхности и др. (Заметим, что обычно смачивание рассматривают как результат межмолекурного взаимодействия, однако смачивание может быть результатом химической реакции, диффузионных процессов).

Мерой смачивания обычно служит краевой угол между касательными к поверхности жидкости . (Рис. 10.10). Если , то говорят, что

где коэффициенты поверхностного натяжения жидкости на границах: твёрдое тело – газ, твёрдое тело – жидкость, жидкость – газ. Сокращая на , получим для краевого угла соотношение :

К кристаллическим телам относится. Какое свойство отличает монокристалл от аморфного тела

Свойства жидкостей

1. Характеристика жидкого состояния. Ближний порядок.

2. Поверхностное натяжение. Силы, возникающие на кривой поверхности. Формула Лапласа. Смачивание и капиллярные явления.

1. Характеристика жидкого состояния. Жидкое состояние, занимает промежуточное положение между газами и кристаллами , сочетает в себе некоторые черты обоих этих состояний. Для кристаллического состояния характерно упорядоченное расположение частиц (атомов или молекул), в газах в этом смысле полный хаос. Согласно рентгенографическим исследованиям, в отношении характера расположения частиц жидкости занимают промежуточное положение.

В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближний порядок . Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших к ней соседей является упорядоченным . Однако по мере удаления от данной частицы расположение по отношению к ней других частиц становится всё менее упорядоченным и довольно быстро порядок в расположении частиц полностью исчезает.

В кристаллах имеет место дальний порядок – упорядоченное расположения частиц по отношению к любой частице наблюдается в пределах значительного объёма .

Оценить структуру вещества позволяет радиальная функция распределения (в некоторых учебниках она называется парной функцией распределения). Выберем некоторую молекулу в качестве тела отсчёта. Среднее число молекул в сферическом слое объёмом , находящихся на расстоянии r от выбранной молекулы (Рис. 10.1) обозначим dN(r) . Вероятность обнаружить молекулы в этом сферическом слое

случае идеального газа никакие элементы объёма не имеют преимущества и вероятность нахождения частицы в данном объёме пропорционально объёму и g(r)= 1.

В идеальном кристалле структура жёсткая и все взаимные расстояния являются фиксированными (Рис. 10.2).

Пики соответствует узлам решётки, а конечная ширина линии g(r) является следствием колебаний атомов относительно узла в реальном кристалле.

более сглажены, чем у кристалла). На дальних расстояниях кривая стремится к 1 как для идеального газа.

упорядочена только ориентация , взаимное же расположение, как и в обычных жидкостях, дальнего порядка не обнаруживает .

2. Поверхностное натяжение .

Молекулы жидкости располагаются настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину. Взаимодействие быстро убывает с расстоянием, начиная с некоторого расстояния r (радиус молекулярного действия). На каждую молекулу, находящуюся в поверхностном слое толщиной r , будет действовать сила, направленная внутрь жидкости (Рис. 10.5).

на увеличение потенциальной энергии молекулы . То есть в поверхностном слое молекулы обладают дополнительной потенциальной энергией - поверхностной .

Из-за наличия действующих на молекулы в поверхностном слое сил, направленных внутрь жидкости, жидкость стремится к сокращению своей поверхности , как если бы она была заключена в упруго растянутую плёнку, стремящуюся сжаться (никакой плёнки на самом деле нет).

Представим плёнку жидкости (например, мыльную плёнку), натянутую на проволочную рамку, одна из сторон которой (перемычка) может перемещаться (Рис. 10.6). Благодаря стремлению поверхности уменьшиться, на проволочку будет действовать сила. Она направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура (длина перемычки), на который она действует ().

равную силе натяжения плёнки, т.е. . Коэффициент 2 появляется из-за того, что плёнка имеет два поверхностных слоя.

Жидкость вне поля внешних сил будет принимать форму с минимальной поверхностью, т.е. форму шара .

Давление под искривлённой поверхностью .

В случае искривлённой поверхности силы поверхностного натяжения стремятся сократить эту поверхность. (Рис. 10.7).

давление в случае неискривлённой поверхности, причём >0 в случае выпуклой поверхности, и <0, если поверхность вогнутая (в этом случае поверхностный слой, стремится сократиться, растягивает жидкость и давление уменьшается).

Вычислим дополнительное давление для сферической поверхности жидкости. Рассечём мысленно сферическую каплю жидкости диаметральной плоскостью на два полушария. Из-за поверхностного натяжения

Лаплас обобщил эту формулу на поверхность любой формы.

Рис. 10.8

(Например, полное смачивание будет при ).

Смачивание имеет важное значение в промышленности . Хорошее смачивание необходимо при крашении, стирке, обработке фотоматериалов, пайке. Примеси сильно сказываются на величине поверхностного натяжения. Например, растворение в воде мыла уменьшает её коэффициент поверхностного натяжения почти в 1,5 раза (что, в частности и обуславливает использование мыла в качестве моющего средства). Несмачивание может приводить к тому, что из решета, нити которого покрыты парафином (при небольшом уровне воды), вода не выливается, опровергая известную поговорку.

Капиллярные явления.

Существование смачивания и краевого угла приводит к тому, что вблизи стенок сосуда наблюдается искривление поверхности жидкости. Если жидкость смачивает стенки, поверхность имеет вогнутую форму, если не смачивает – выпуклую. Такого рода изогнутые поверхности жидкости называются мениском. (рис. 10.11)


Смачивание	Несмачивание
Рис. 10.11

Под искривлённой поверхностью в капилляре давление будет отличаться от давления под плоской поверхностью на величину . Между жидкостью в капилляре и в широком сосуде устанавливается такая разность уровней , чтобы гидростатическое давление уравновешивало капиллярное давление . В случае сферической формы мениска

Радиус кривизны мениска выразим через краевой угол и радиус капилляра r , тогда ,

В случае смачивания и высота поднятия жидкости в капилляре тем больше, чем меньше радиус капилляра r .

Капиллярное явление занимает в жизни человека исключительную роль . Снабжение влагой растений, деревьев происходит именно с помощью капилляров, которые есть в каждом растении. Капиллярные явления могут играть и отрицательную роль. Например, в строительстве. Необходимость гидроизоляции фундаментов зданий вызвана капиллярными явлениями.

Вопросы для самоконтроля

1.Охарактеризуйте жидкое состояние в сравнении с кристаллами и газами.

2.Что такое дальний и ближний порядок?

3.Что позволяет сделать радиальная функция распределения? Нарисуйте ее для кристаллов, жидкостей и газов.

4.Что такое коэффициент поверхностного натяжения?

6.Что такое смачивание? Что является мерой смачивания? Приведите примеры процессов, для которых необходимо хорошее смачивание.

7.От чего зависит высота поднятия жидкости в капилляре?

Лекция №5 (11)

Свойства твёрдых тел

1. Аморфные и кристаллические тела. Строение и типы кристаллов. Де

фекты в кристаллах.

2. Механические свойства кристаллов. Механизм пластической деформа-

ции. Деформация упругого растяжения. Закон Гука.

Аморфные и кристаллические тела.

В аморфных телах существует ближний порядок расположения атомов. Кристаллы обладают дальним порядком расположения атомов. Аморфные тела изотропны, кристаллические – анизотропны .

При охлаждении и нагревании кривые зависимости температуры от времени различны для аморфных и кристаллических тел. Для аморфных тел переход из жидкого в твёрдое состояние может быть десятки градусов. Для кристаллов температура плавления постоянна. Возможны случаи, когда одно и тоже вещество, в зависимости от условий охлаждения, может быть получено как в кристаллическом, так и в аморфном твёрдом состоянии. Например, стекло при очень медленном охлаждении расплава может кристаллизоваться . При этом на границах мелких образующихся кристаллов будет происходить отражение и рассеяния света, и закристаллизованное стекло теряет прозрачность.

Кристаллическая решётка . Основным свойством кристаллов является регулярность расположения в них атомов. О совокупности точек, в которых расположены атомы (точнее атомные ядра), говорят как о кристаллической решётке , а сами точки называются узлами решётки .

Основной характеристикой кристаллической решётки является пространственная периодичность её структуры: кристалл как бы состоит из повторяющихся частей (ячеек).

Мы можем разбить кристаллическую решётку на совершенно одинаковые параллелепипеды, содержащие одинаковое количество одинаково расположенных атомов. Кристалл представляет собой совокупность параллелепипедов , параллельно сдвинутых по отношению друг к другу. Если сместить кристаллическую решётку параллельно самой себе на расстояние длины ребра, то решётка совместится сама с собой. Эти смещения называются трансляции , а симметрии решётки по отношению к этим смещениям говорят как о трансляционной симметрии (параллельный перенос, поворот относительно оси, зеркальное отражение и т.п.).

Если в вершине какой-либо элементарной ячейки находится атом, то такие же атомы должны, очевидно, находиться и во всех остальных вершинах этой и других ячеек. Совокупность одинаковых и одинаково расположенных атомов называется решёткой Браве данного кристалла. Она представляет как бы скелет кристаллической решётки , олицетворяющий собой всю её трансляционную симметрию, т.е. всю её периодичность.

Классификация различных типов симметрии кристаллов основывается, прежде всего, на классификации различных типов решёток Браве .

Наиболее симметричной решёткой Браве является решётка, имеющая симметрию куба (кубическая система). Существует три различных

решётки Браве, относящихся к кубической системе: простая		,
	объемно-центрированная (в центре куба – атом), гранецентрированная (кроме атомов в вершинах – ещё по атому в

центрах всех их граней). Кроме кубической есть тетрагональная, ромбическая, моноклинная и другие (рассматривать не будем).

Решётка Браве, вообще говоря, не включает в себя всех атомов в кристалле. Реальная кристаллическая решётка может быть представлена как совокупность нескольких решёток Браве, вдвинутых одна в другую .

Физические типы кристаллов .

По роду частиц, из которых построена кристаллическая решётка, по характеру сил взаимодействия между ними, различают ионные, атомные, металлические и молекулярные кристаллы.

1. Ионные кристаллы . В узлах кристаллической решётки располагаются попеременно положительные и отрицательные ионы. Эти ионы притягиваются друг к другу электростатическими (кулоновскими) силами. Пример: решётка каменной соли (рис. 11.1).

Рис. 11.1

2. Атомные кристаллы . Типичными представителями являются графит и алмаз . Связь между атомами – ковалентная . В этом случае каждый из валентных электронов входит в электронную пару, связывающую данный атом с одним из соседей.

3. Металлические кристаллы . Решётки состоят из положительно заряженных ионов , между которыми находятся “свободные” электроны . Эти электроны ”коллективизированы“ и могут рассматриваться как своего рода ”электронный газ“. Электроны играют роль “цемента”, удерживая “+” ионы, иначе решётка распалась бы. Ионы же удерживают электроны в пределах решётки.

4. Молекулярные кристаллы . Примером является лёд. В узлах – молекулы , которые связаны между собой силами Ван-дер-Ваальса , т.е. силами взаимодействия молекулярных электрических диполей .

Могут быть одновременно несколько видов связей (например, в графите – ковалентная, металлическая и Ван-дер-Ваальсовская).

Дефекты в кристаллах .

В реальных кристаллических решётках существует отклонения от идеального расположения атомов в решётках, которые мы до сих пор рассматривали. Все такие отклонения называются дефектами кристаллической решётки .

Точечные дефекты – такие, при которых нарушается ближний порядок :

Другой вид дефектов – дислокации – линейные дефекты кристаллической решётки, нарушающие правильное чередование атомных плоскостей . Они нарушают дальний порядок , искажая всю его структуру. Они играют важную роль в механических свойствах твёрдых тел. Простейшие типы дислокаций краевая и винтовая. В случае краевой дислокации лишняя кристаллическая плоскость вдвинута между соседними слоями атомов (рис. 11.5).

В случае винтовой дислокации часть кристаллической решётки сдвинута относительно другой (рис. 11.6)

Кристаллические тела — твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку. Порядок атомов может быть дальний и ближний.

Аморфные тела не имеют кристаллической структуры и в отличие от кристаллов не расщепляются с образованием кристаллических граней. Также они, как правило, изотропны (не обнаруживают различных свойств в разных направлениях). Не имеют определённой точки плавления.

Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью в расположении равновесных положений атомов. В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек.

2.Что такое кристаллическая решётка?

Кристалли́ческая решётка - вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Решёткой является совокупность точек (атомов), которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции. Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково. Применение к решётке в целом любой из присущих ей трансляций приводит к её параллельному переносу и совмещению. Для удобства анализа обычно точки решётки совмещают с центрами каких-либо атомов из числа входящих в кристалл, либо с центрами молекул.

3.Что такое узлы кристаллической решётки?

Точки размещния частиц

называют узлами кристаллической решѐтки.

В зависимости от типа частиц, расположенных в

узлах кристаллической решѐтки, и характера

связи между ними различают 4 типа

кристаллических решѐток: ионные, атомные,

молекулярные, металлические.

4.Чем отличаются монокристаллы от поликристаллов?

Монокристалл - отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств

Поликристалл — агрегат мелких кристаллов какого-либо вещества, иногда называемых из-за неправильной формы кристаллитами или кристаллическими зёрнами.

5.Как можно классифицировать кристаллы?

Виды кристаллов

Следует разделить идеальный и реальный кристалл.

Идеальный кристалл- Является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани.

Реальный кристалл- Всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство - закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

6.Что такое ионная связь?

Ионная связь, электровалентная связь, гетеровалентная связь, один из видов химической связи, в основе которого лежит электростатическое взаимодействие между противоположно заряженными ионами.

7.Что такое ковалентная связь?

Ковалентная связь, один из видов химической связи между двумя атомами, которая осуществляется общей для них электронной парой (по одному электрону от каждого атома). К. с. существует как в молекулах (в любых агрегатных состояниях), так и между атомами, образующими решетку кристалла.

8. Какие типы кристалл. систем Вы знаете?

В зависимости от пространственной симметрии, все кристаллические решётки подразделяются на семь кристаллических систем.

1. триклинная сингония - наименьшая симметрия, нет одинаковых углов, нет осей одинаковой длины;

2. моноклинная сингония - два прямых угла, нет осей одинаковой длины;

3. ромбическая сингония - три прямых угла (поэтому ортогонально), нет осей одинаковой длины;

4. гексагональная сингония - две оси одинаковой длины в одной плоскости под углом 120°, третья ось под прямым углом;

5. тетрагональная сингония - две оси одинаковой длины, три прямых угла;

6. тригональная сингония - три оси одинаковой длины и три равных угла, не равных 90°;

7. кубическая сингония - высшая степень симметрии, три оси одинаковой длины под прямым углом.

Кристаллические тела и их свойства

В твёрдых телах частицы (молекулы, атомы и ионы) расположены настолько близко друг к другу, что силы взаимодействия между ними не позволяют им разлетаться.

Эти частицы могут лишь совершать колебательные движения вокруг положения равновесия. Поэтому твёрдые тела сохраняют форму и объём.

По своей молекулярной структуре твёрдые тела разделяются на кристаллические и аморфные .

Строение кристаллических тел

Кристаллическая решётка

Кристаллическими называют такие твёрдые тела, молекулы, атомы или ионы в которых располагаются в строго определённом геометрическом порядке, образуя в пространстве структуру, которая называется кристаллической решёткой .

Этот порядок периодически повторяется по всем направлениям в трёхмерном пространстве. Он сохраняется на больших расстояниях и не ограничен в пространстве. Его называют дальним порядком .

Типы кристаллических решёток

Кристаллическая решётка — это математическая модель, с помощью которой можно представить, как расположены частицы в кристалле. Мысленно соединив в пространстве прямыми линиями точки, в которых расположены эти частицы, мы получим кристаллическую решётку.

Расстояние между атомами, расположенными в узлах этой решётки, называется параметром решётки .

В зависимости от того, какие частицы расположены в узлах, кристаллические решётки бывают молекулярные, атомные, ионные и металлические .

От типа кристаллической решётки зависят такие свойства кристаллических тел, как температура плавления, упругость, прочность.

При повышении температуры до значения, при котором начинается плавление твёрдого вещества, происходит разрушение кристаллической решётки.

Молекулы получают больше свободы, и твёрдое кристаллическое вещество переходит в жидкую стадию. Чем прочнее связи между молекулами, тем выше температура плавления.

Молекулярная решётка

В молекулярных решётках связи между молекулами не прочные. Поэтому при обычных условиях такие вещества находятся в жидком или газообразном состоянии.

Твёрдое состояние для них возможно только при низких температурах. Температура их плавления (перехода из твёрдого состояния в жидкое) также низкая. А при обычных условиях они находится в газообразном состоянии.

Примеры — иод (I2), «сухой лёд» (двуокись углерода СО2).

Атомная решётка

В веществах, имеющих атомную кристаллическую решётку, связи между атомами прочные.

Поэтому сами вещества очень твёрдые. Плавятся они при высокой температуре. Кристаллическую атомную решётку имеют кремний, германий, бор, кварц, оксиды некоторых металлов и самое твёрдое в природе вещество — алмаз.

Ионная решётка

К веществам с ионной кристаллической решёткой относятся щёлочи, большинство солей, оксиды типичных металлов.

Так как сила притяжения ионов очень велика, то эти вещества способны плавиться только при очень высокой температуре. Их называют тугоплавкими. Они обладают высокой прочностью и твёрдостью.

Металлическая решётка

В узлах металлической решётки, которую имеют все металлы и их сплавы, расположены и атомы, и ионы.

Благодаря такому строению металлы обладают хорошей ковкостью и пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью.

Чаще всего форма кристалла — правильный многогранник.

Грани и рёбра таких многогранников всегда остаются постоянными для конкретного вещества.

Одиночный кристалл называют монокристаллом . Он имеет правильную геометрическую форму, непрерывную кристаллическую решётку.

Примеры природных монокристаллов — алмаз, рубин, горный хрусталь, каменная соль, исландский шпат, кварц. В искусственных условиях монокристаллы получают в процессе кристаллизации, когда охлаждая до определённой температуры растворы или расплавы, выделяют из них твёрдое вещество в форме кристаллов.

При медленной скорости кристаллизации огранка таких кристаллов имеет естественную форму. Таким способом в специальных промышленных условиях получают, например, монокристаллы полупроводников или диэлектриков.

Мелкие кристаллики, беспорядочно сросшиеся друг с другом, называются поликристаллами . Ярчайший пример поликристалла — камень гранит. Все металлы также являются поликристаллами.

Анизотропия кристаллических тел

В кристаллах частицы расположены с различной плотностью по разным направлениям.

Если мы соединим прямой линией атомы в одном из направлений кристаллической решётки, то расстояние между ними будет одинаковым на всём этом направлении. В любом другом направлении расстояние между атомами тоже постоянно, но его величина уже может отличаться от расстояния в предыдущем случае. Это означает, что на разных направлениях между атомами действуют разные по величине силы взаимодействия. Поэтому и физические свойства вещества по этим направлениям также будут отличаться.

Это явление называется анизотропией — зависимостью свойств вещества от направления.

Электропроводность, теплопроводность, упругость, показатель преломления и другие свойства кристаллического вещества различаются в зависимости от направления в кристалле. По-разному в разных направлениях проводится электрический ток, по-разному нагревается вещество, по-разному преломляются световые лучи.

В поликристаллах явление анизотропии не наблюдается.

Свойства вещества остаются одинаковыми по всем направлениям.

Характеристика твердых тел.

Молекулы (или атомы) расположены строго упорядоченно. Расстояние между молекулами ≈ диаметру молекулы. Атомы или молекулы твердых тел колеблются около определенных положений равновесия.

Поэтому твердые тела сохраняют не только объем, но и форму. Если соединить центры положений равновесия атомом или ионов твердого тела, то получится правильная пространственная решетка, называемая кристаллической.

Твердые тела, в которых атомы или молекулы располо-жены упорядочение и образуют периодически повторяющуюся внутреннюю структуру, назы-ваются кристаллами. Поэтому кристаллы имеют плоские грани (Крупинка поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг с другом прямые углы).

Физические свойства кристал-лических тел неодинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных на-правлениях.

Анизотропия кристаллов – это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления.

Например, различная механическая прочность кристаллов по разным направлениям (Кусок слюды легко расслаивается в одном направлении, но разорвать его в направлении перпендикулярном пластинкам гораздо сложнее). Многие кристаллы по — разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Например, кристаллы кварца и турмалина по – разному преломляют свет в зависимости от направления падающих на него лучей.

Кристалл поваренной соли при раскалывании дробится на части, ограниченные пло-скими поверхностями, пересе-кающимися под прямыми угла-ми.

Эти плоскости перпендику-лярны особым направлениям в образце, по этим направлениям его прочность минимальна.

Анизотропия механических, тепловых, электрических и оп-тических свойств кристаллов объ-ясняется тем, что при упоря-доченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаи-модействия между ними и меж-атомные расстояния оказывают-ся неодинаковыми по различным направлениям.

Кристаллические тела делят-ся на монокристаллы и поли-кристаллы.

Монокристаллы – это одиночные кристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям (анизотропия).

Монокристаллы ино-гда обладают геометрически пра-вильной внешней формой, но главный признак монокристалла - периодически повторяю-щаяся внутренняя структура во всем его объеме.

Поликристал-лическое тело представляет собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентиро-ванных маленьких кристаллов - кристаллитов. Поликристалличе-скую структуру чугуна, напри-мер, можно обнаружить, если рассмотреть с помощью лупы образец на изломе. Каждый ма-ленький монокристалл поликри-сталлического тела анизотропен, но поликристаллическое тело изо-тропно.

Поликристаллы– это твердые тела состоящие из большого числа маленьких сросшихся кристалликов (металлы, кусок сахара).

Все направления внутри поликристаллов равноправны и свойства поликристаллов одинаковы по всем направлениям (изотропия).

Аморфными называются тела, физические свойства которых одинаковы по всем направле-ниям. Примерами аморфных тел могут служить куски затвердев-шей смолы, янтарь, изделия из стекла. Аморфные тела яв-ляются изотропными телами.

Изотропность физических свойств аморфных тел объясняется бес-порядочностью расположения со-ставляющих их атомов и моле-кул. У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов, нет строгой повторяемости по всем направлениям одного и того же элемента структуры.

Определенной температуры плавления у аморфных тел в отличие от кристаллических нет.

Свойства аморфных тел. Все аморфные тела изотропны, т.е. их физические свойства по всем направлениям одинаковы (стекло, смола, пластмасса и т.д.).

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твердым телам, и текучесть, подобно жидкости (При сильном ударе кусок смолы раскалывается на кусочки, а при длительном нахождении смолы на твердой поверхности, смола постепенно растекается, и чем выше температура, тем быстрее это происходит.).

Тема 5.2 Механические свойства твердых тел. Виды деформаций. Упругость, прочность, пластичность, хрупкость. Закон Гука. Плавление и кристаллизация.

Внутреннее строение Земли и планет*

Деформацией твердого тела называется изменение формы или объема тела под действием внешних сил.

Виды деформации.

Упругие деформации – это деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил (пружина, резиновый шнур) и тело восстанавливает свою первоначальную форму.

Пластические деформации – это деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил (пластилин, глина, свинец) и тело не восстанавливает свою первоначальную форму.

Механическим напряжением называют отношение модуля силы упругости F к площади поперечного сечения S тела:

;

Закон Гука: при малых деформациях напряжение прямо пропорционально относительному удлинению .

Закон Гука выполняется при небольших деформациях (участок ОА диаграммы).

1) , где — модуль упругости или модуль Юнга (он характеризует сопротивляемость материала упругой деформации); — относительная деформация (относительное удлинение); — начальная длина, ∆l – абсолютное удлинение тела.

2) , где — коэффициент жесткости.

Диаграмма растяжения. (рис.) Для исследования деформации растяжения стержень при помощи специальных устройств подвергают растяжению, а затем измеряют удлинение образца и возникающее в нем напряжение. По результатам опытов вычерчивают график зависимости напряжения от относительного удлинения , получивший название диаграммы растяжения (рис.).

Участок ОА – пропорциональная деформация; — предел пропорциональности (максимальное напряжение, при котором еще выполняется закон Гука); если увеличивать нагрузку, то деформация становится нелинейной, но после снятия нагрузки форма и размеры тела практически восстанавливаются.

(Участок АВ- упругая деформация); — предел упругости; По мере увеличения нагрузки деформация нарастает все быстрее и при некотором значении напряжения, соответствующем на диаграмме точке С, удлинение нарастает практически без увеличения нагрузки.

Это явление называется текучестью материала (участок СD). Разрыв образца происходит после того, как напряжение достигает максимального значения , называемого пределом прочности (образец растягивается без увеличения внешней нагрузки вплоть до разрушения).

Похожая информация:

Поиск на сайте:

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВО ТВЕРДОГО ВЕЩЕСТВА

Теоретические сведения

Вещество может существовать в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом.

Плазму часто называют четвертым агрегатным состоянием. Зависимость свойств вещества от агрегатного состояния указана в табл. 33.

Таблица 1

Свойства веществ в разных агрегатных состояниях

Агрегатное состояние вещества определяется силами, действующими между молекулами, расстоянием между частицами и характером их движения.

В твердом состоянии частицы занимают определенное положение относительно друг друга.

Вещество обладает низкой сжимаемостью, механической прочностью, поскольку молекулы не имеют свободы движения, а только колебания. Молекулы, атомы или ионы, образующие твердое вещество, называют структурными единицами.

Твердые вещества делятся на аморфные и кристаллические
(табл.

34). Кристаллические вещества плавятся при строго определенной температуре Тпл, аморфные – не имеют резко выраженной температуры плавления; при нагревании они размягчаются (характеризуются интервалом размягчения) и переходят в жидкое или вязкотекучее состояние рис.

Таблица 2

Сравнительная характеристика аморфных и кристаллических веществ

18. Изменение объема веществ при нагревании: а – кристаллических; б – аморфных

Внутреннее строение аморфных веществ характеризуется беспорядочным расположением молекул(табл.

34). Кристаллическое состояние вещества предполагает правильное расположение в пространстве частиц, составляющих кристалл, и образованиемкристаллической (пространственной ) решетки Основной особенностью кристаллических тел является их анизотропия – неодинаковость свойств (тепло-, электропроводность, механическая прочность, скорость растворения и т.

д.) по разным направлениям, в то время как аморфные тела – изотропны . Твердые кристаллы – трехмерные образования, характеризующиеся строгой повторяемостью одного и того же элемента структуры (элементарной ячейки) во всех направлениях. Элементарная ячейка представляет собой наименьший объем кристалла в виде параллелепипеда, повторяющегося в кристалле бесконечное число раз. Задают элементарную ячейку с помощью осей и углов (рис. 19).

Существуют основные параметры кристаллических решеток.

Энергия кристаллической решетки Екр., кДж/моль, –это энергия, которая выделяется при образовании 1 моля кристалла из микрочастиц (атомы, молекулы, ионы), находящихся в газообразном состоянии и удаленных друг от друга на расстояние, исключающее их взаимодействие.

Константа кристаллической решетки d, –наименьшее расстояние между центром двух частиц в кристалле, соединенных химической связью.

Координационное число к.ч.

–число частиц, окружающих в пространстве центральную частицу, связанных с ней химической связью.

Точки, в которых размещены частицы кристалла, называются узлами кристаллической решетки

Несмотря на многообразие форм кристаллов, их можно строго и однозначно классифицировать. Систематизация форм кристаллов была введена русским академиком А.В. Гадолиным (1867), она основана на особенностях симметрии кристаллов. В соответствии с геометрической формой кристаллов возможны следующие их системы (сингонии): кубическая, тетрагональная, орторомбическая, моноклинная, триклинная, гексагональная и ромбоэдрическая (рис.

Рис. 20. Основные системы кристаллов

Одно и то же вещество может иметь различные кристаллические формы, которые отличаются по внутреннему строению, а значит, и по физико-химическим свойствам. Такое явление называется полиморфизмом .

Изоморфизм –два разных по природе вещества образуют кристаллы одинаковой структуры. Такие вещества могут замещать друг друга в кристаллической решетке, образуя смешанные кристаллы.

В зависимости от вида частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки и типа связей между ними кристаллы бывают четырех типов: молекулярные, атомные, ионные и металлические (рис.

21. Виды кристаллов

Кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных) называются молекулярными . Молекулы в таких кристаллических решетках соединены между собой сравнительно слабыми водородными, межмолекулярными и электростатическими силами. Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления. Они малорастворимы в воде, не проводят электрический ток и обладают высокой летучестью.

Примерами веществ с молекулярными решетками являются лед, твердый углекислый газ («сухой лед»), твердые галогенводороды, твердые простые вещества, образованные одно- (благородные газы), двух- (F2, Cl2, Br2, J2, H2, N2,O2), трех- (O3), четырех- (P4), восьми- (S8) атомными молекулами.

Большинство кристаллических органических соединений также имеют молекулярную решетку.

Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называют атомными (ковалентными) .

Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями.

Примером кристалла с атомной кристаллической решеткой может служить алмаз (рис. 21) – одна из модификаций углерода. Данный кристалл состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами (к.ч. = 4).

Число веществ с атомной кристаллической решеткой велико.

Все они имеют высокую температуру плавления, не растворимы в жидкостях, обладают высокой прочностью, твердостью, имеют широкий диапазон электропроводимости (от изоляторов и полупроводников до электронных проводников). Атомная кристаллическая решетка характерна для элементов III и IV групп главных подгрупп (Si, Ge, B, C).

Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными . Их образуют вещества с ионной связью. Примером образования ионной кристаллической решетки может служить кристалл хлорида натрия (NaCl ) (рис.

21). Вещества с ионной кристаллической решеткой обладают высокой твердостью, хрупкостью, являются тугоплавкими и малолетучими. Плавление ионных кристаллов приводит к нарушению геометрически правильной ориентации ионов относительно друг друга и ослаблению прочности связи между ними. Поэтому расплавы, растворы таких кристаллов проводят электрический ток. Вещества с ионными кристаллическими решетками легко растворяются в полярных жидкостях, являются диэлектриками.

Ионные кристаллические решетки образуют многие соли, оксиды, основания.

Кристаллическая решетка, состоящая из атомов и ионов металлов, соединенных металлической связью (рис. 21), называется металлической .

Металлическая решетка является, как правило, весьма прочной. Этим объясняются свойственные большинству металлов твердость, малая летучесть, высокая температура плавления и кипения.

Она же обусловливает такие характерные свойства металлов как электро- и теплопроводность, блеск, ковкость, пластичность, непрозрачность, фотоэффект. Металлической кристаллической решеткой обладают чистые металлы и сплавы.

Тела, которые в обыденной жизни называют твердыми, отличаются от жидкостей отсутствием способности течь. Не обладая текучестью, твердые тела сохраняют неизменной свою форму. Жидкости же и газы принимают форму сосуда, в котором они находятся. Как мы увидим в дальнейшем, с молекулярной точки зрения приведенное выше определение неточно.

Разнообразные твердые тела, с которыми человеку приходится иметь дело в своей практической деятельности, можно разделить на две группы, существенно различающиеся по своим свойствам. Одну группу образуют тела кристаллические, другую - аморфные.

Одной из основных особенностей кристаллических тел является анизотропия, т. е. зависимость свойств макроскопически однородного тела от направления. Если исследовать такие характеристики физических свойств тела, как показатель преломления световых лучей, коэффициент теплопроводности, модуль упругости и т. п., то окажется, что в кристалле в зависимости от направления эти величины могут иметь разное значение. Иными словами, в различных направлениях кристалл обладает различной теплопроводностью, различной упругостью, различной способностью преломлять световые лучи.

Анизотропия - характерная особенность кристаллов. Аморфные тела не обладают анизотропией. Если исследовать различные физические свойства стекла, которое является типичным представителем аморфного тела, то окажется, что во всех направлениях его свойства одинаковы.

Независимость физических свойств тела от направления называют изотропностью. Аморфные тела изотропны. Изотропность аморфных твердых тел является проявлением сходства их молекулярной структуры с молекулярной структурой жидкостей. Можно считать, что твердые аморфные тела - это жидкости,

вязкость которых при понижении температуры настолько возросла, что они потеряли способность течь, сохранив при этом молекулярную структуру, характерную для жидкости.

Следует указать на то, что подавляющее большинство материалов, используемых человеком в его практической деятельности, изотропны. Это и понятно, поскольку, как правило, практическое использование анизотропных материалов затруднительно. В то же время большая часть материалов, применяемых в технике и строительном деле, таких, например, как железо, медь, цинк, гранит и т. д., является кристаллическими, а следовательно, анизотропными веществами. Использование этих материалов возможно тем не менее в силу того, что анизотропия характерна только для отдельных больших кристаллов, так называемых монокристаллов. Технические же материалы представляют собой тела, образованные соединенными вместе маленькими кристалликами. Такие тела называют поликристаллическими. Чем меньше кристаллики, образующие поликристаллическое тело, тем более оно однородно и одновременно более изотропно. В тех случаях, когда необходима высокая изотропность материала, он должен быть возможно более мелкокристаллическим.

Бывают, однако, случаи, когда желательно получить отдельный монокристалл больших размеров. Для этой цели разработаны специальные методы выращивания больших кристаллов, позволяющие получать монокристаллы с линейными размерами в десятки сантиметров.

Многие тела (сера, глицерин, сахар и т. п.) могут существовать как в кристаллической, так и в аморфной, или, как часто говорят, в стеклообразной, форме.

Если расплавленную и нагретую до температуры около 350° серу быстро охладить, вылив ее в холодную воду, она превращается не в обычную кристаллическую серу, а в аморфную пластическую. Свойства аморфной серы не похожи на свойства серы кристаллической. Кристаллическая сера хрупка, аморфная же пластическая сера легко изменяет свою форму при сравнительно небольшом давлении, напоминая в этом отношении пластилин.

Как правило, аморфная форма твердого тела менее устойчива, чем кристаллическая. Аморфные тела самопроизвольно, хотя и очень медленно, превращаются в кристаллические. В случае стекла этот процесс сопровождается появлением микроскопических трещин и называется расстекловыванием.

Следует, однако, отметить, что процесс кристаллизации аморфного тела может протекать столь медленно, что аморфное состояние будет практически полностью устойчиво. Так, например, янтарь, являющийся аморфным телом, так же как и другие ископаемые смолы, образовался десятки миллионов лет назад, однако в нем не обнаруживается никаких признаков кристаллизации, и он может рассматриваться как полностью устойчивое аморфное вещество.

Различие между аморфными и кристаллическими телами проявляется при переходе их в жидкое состояние, т. е. при плавлении. Для уяснения этого различия проделаем следующий опыт: будем нагревать мелко измельченное твердое тело и наблюдать происходящие при этом изменения температуры, отмечая через определенные промежутки времени показания прибора, измеряющего температуру, и откладывая эти величины в качестве ординат на графике (рис. 67), на котором вдоль оси абсцисс отложено время нагрева Если соединить между собой найденные таким образом точки, то в случае кристаллического тела возникнет кривая, изображенная на графике сплошной линией.

Рис. 67. Плавление твердого кристаллического тела и аморфного тела.

Первоначально нагрев твердого тела сопровождается повышением его температуры, возрастающей приблизительно прямо пропорционально времени нагрева (отрезок При достижении температуры плавления дальнейший рост температуры прекращается, несмотря на нагревание тела (отрезок Подводимое тепло в этом случае расходуется на плавление кристалла (теплота плавления). После того как все твердое тело расплавится (точка С), температура при дальнейшем подводе теплоты начинает вновь возрастать (отрезок

Иная картина наблюдается при нагревании аморфного твердого тела. В этом случае отсутствует резко выраженная температура плавления. На соответствующей кривой (пунктирная кривая на рис. 67) наблюдается только изменение скорости возрастания температуры. В некотором, не резко ограниченном интервале температур, соответствующем области размягчения аморфного тела, скорость возрастания температуры уменьшается. Вязкость аморфного твердого тела в области размягчения падает и тело превращается из твердого в жидкое.

Кроме указанных выше особенностей, кристаллы отличаются от аморфных тел наличием правильной формы. Иногда правильная форма кристаллического тела бывает искажена особыми условиями роста кристаллов или же механической обработкой. Однако наличие правильной формы кристаллов у кристаллических твердых тел всегда можно установить по характеру их излома. Излом кристаллического тела имеет шероховатую поверхность, образованную кристалликами правильной формы больших или меньших размеров. Излом же аморфного тела имеет гладкую поверхность с характерными острыми краями, хорошо знакомыми по излому стекла.

Внешняя форма отдельных кристалликов может сильно изменяться в зависимости от условий роста кристалла. Последнее особенно бросается в глаза при рассматривании причудливых форм снежинок.

Для учения о кристаллах чрезвычайно важно то, что вне зависимости от внешней формы кристалла углы между его гранями имеют всегда постоянную, определенную для данного типа кристалла величину. В тех случаях, когда рост кристалла не искажен какими-либо внешними причинами, его форма определяется принципом минимума свободной поверхностной энергии. При этом следует помнить, что различные грани кристалла характеризуются различной поверхностной энергией, и при росте кристалла грани с малой поверхностной энергией получают наибольшее развитие. В целом же равновесная форма кристалла такова, что его суммарная поверхностная энергия минимальна.

Кристаллические и аморфные тела

Цель урока:

Раскрыть основные свойства кристаллических и аморфных тел.

Познакомить учащихся с правильной формой кристаллов и со свойством анизотропии, методом моделирования в изучении свойств кристаллов.

Оборудование:

Набор кристаллических тел; линза короткофокусная.

Спиртовка, стеклянная палочка.

Компьютер с мультимедийным проектором; план-конспект урока, мультимедийное приложение к уроку, выполненное в Mikrosoft Point .

Ход урока

Вступление: Большинство окружающих нас твердых тел представляют собой вещества в кристаллическом состоянии. К ним относятся строительные и конструкционные материалы: различные марки стали, всевозможные металлические сплавы, минералы и т. д. Специальная область физики-физика твердого тела - занимается изучением строения и свойств твердых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники.

В любой отрасли техники используются свойства твердого тела: механические, тепловые, электрические, оптические и т. д. Все большее применение в технике находят кристаллы. Вы, наверное, знаете о заслугах советских ученых - академиков, лауреатов Ленинской и Нобелевской премий А. М. Прохорова и Н Г Басова в создании квантовых генераторов. Действие современных оптических квантовых генераторов - лазеров - основано на использовании свойств монокристаллов (рубина и др.) Как устроен кристалл? Почему многие кристаллы обладают удивительными свойствами? Каковы особенности структуры кристаллов, которые отличают их от аморфных тел? Ответы на эти и аналогичные вопросы вы сможете дать в конце урока. Запишем тему “Кристаллические и аморфные тела”.

Изложение нового материала:

Обратимся к пройденному материалу. Какими свойствами обладают твёрдые тела?

Ученик:

1) Они сохраняют форму и объём.

2) В строении имеют кристаллическую решётку.

Учитель: Все твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные. Мы рассмотрим, в чём их сходство и различие.

Что такое кристаллы?

Кристаллы - это твёрдые тела, атомы или молекулы которых занимают определённые, упорядоченные положения в пространстве. Кристаллы одного и того же вещества имеют разнообразную форму. Углы между отдельными гранями кристаллов одинаковы. Некоторые формы кристаллов симметричны. Цвет кристаллов различен, - очевидно, это зависит от примесей.

Для наглядного представления внутренней структуры кристалла используют его изображение с помощью кристаллической решётки. Различают несколько типов кристаллов:

1) ионные

2) атомные

3) металлические

4) молекулярные.

Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обладает симметрией. В кристаллах можно найти различные элементы симметрии. Кристаллические тела делятся на монокристаллы и поликристаллы.

Монокристаллы - одиночные кристаллы (кварц, слюда…) Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обладает симметрией. В кристаллах можно найти различные элементы симметрии. Плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии. На первый взгляд кажется, что число видов симметрии может быть бесконечно большим. В 1867 г. русский инженер А. В. Гадолин впервые доказал, что кристаллы могут обладать лишь 32 видами симметрии. Убедимся в симметрии кристаллика снега - снежинки

Симметрия кристаллов и другие их свойства, о которых мы будем говорить далее, привели к важной догадке о закономерностях в расположении частиц, составляющих кристалл. Может кто-нибудь из вас попытается ее сформулировать?

Ученик. Частицы в кристалле располагаются так, что они образуют определенную правильную форму, решетку.

Учитель. Частицы в кристалле образуют правильную пространственную решетку. Пространственные решетки различных кристаллов различны. Перед вами модель пространственной решетки поваренной соли. (Демонстрирует модель.) Шарики одного цвета имитируют ионы натрия, шарики другого цвета - ионы хлора. Если соединить эти узлы прямыми линиями, то образуется пространственная решетка, аналогичная представленной модели. В каждой пространственной решетке можно выделить некоторые повторяющиеся элементы ее структуры, иначе говоря, элементарную ячейку.

Понятие о пространственной решетке позволило объяснить свойства кристаллов.

Рассмотрим их свойства.

1) Внешняя правильная геометрическая форма (модели)

2) Постоянная температура плавления.

3) Анизотропия – различие в физических свойствах от выбранного в кристалле направления (показывает пример со слюдой, с кристаллом кварца)

Но монокристаллы в природе встречаются редко. Но такой кристалл можно вырастить в искусственных условиях.

А сейчас познакомимся с поликристаллами.

Поликристаллы - это твёрдые тела, состоящие из большого числа кристаллов, беспорядочно ориентированных друг относительно друга (сталь, чугун …)

Поликристаллы тоже имеют правильную форму и ровные грани, температура плавления у них имеет постоянное значение для каждого вещества. Но в отличие от монокристаллов, поликристаллы изотропны, т.е. физические свойства одинаковые по всем направлениям. Это объясняется тем, что кристаллы внутри располагаются беспорядочно, и каждый в отдельности обладает анизотропией, а в целом кристалл изотропен.

Кроме кристаллических тел существуют - аморфные тела.

Аморфные тела - это твёрдые тела, где сохраняется только ближний порядок в расположении атомов. (Кремнезём, смола, стекло, канифоль, сахарный леденец).

Например, кварц может находиться как в кристаллическом состоянии, так и аморфном - кремнезём. (См. рис в учебнике). Они не имеют постоянной температуры плавления и обладают текучестью (показывает сгибание стеклянной палочки над спиртовкой). Аморфные тела изотропны, при низких температурах они ведут себя подобно кристаллическим телам, а при высокой подобны жидкостям.

Наблюдение кристаллических и аморфных тел

(делают записи в тетрадь)

Рассматриваем с помощью лупы кристаллики поваренной соли. - Какую форму они имеют? (форма кубиков).

Рассмотрим кристаллы медного купороса. – Какова особенность данных кристаллов? (некоторые имеют плоские грани).

Рассмотрим излом цинка и найдем на нем грани мелких кристалликов.

Рассмотрим аморфные тела: стекло, канифоль или воск. Обратим внимание на излом стекла. В чем отличие от излома металла? (гладкая поверхность с острыми краями).

Задачи для самостоятельной работы.

1. Почему в мороз снег скрипит под ногами?

Ответ : Ломаются сотни тысяч снежинок – кристаллов.

2. Каково происхождение узоров на поверхности оцинкованного железа?

Ответ : Узоры появляются вследствие кристаллизации цинка.

3. Итоговый тест.

Учитель: Откройте дневники и запишите задание на дом: § 75,76(1); § 24, 26,27. Задание для желающих: вырастить кристаллы из раствора медного купороса или квасцов.

Литература:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика 10 кл. – М.: Просвещение 1992.

2. Пинский А.А. Физика 10 кл. – М. “Просвещение” 1993г.

3. Тарасов Л. В. Этот удивительно симметричный мир. - М.: Просвещение, 1982.

4. Школьникам о современной физике: физика сложных систем. - М.: Просвещение, 1978.

5. Энциклопедический словарь юного физика.

6. В.Г. Разумовский, Л.С. Хижнякова. Современный урок физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1983.

7. Методика преподавания физики в 8–10 классах средней школы. Ч. 2/ Под ред. В.П. Орехова, А.В. Усовой и др. – М.: Просвещение 1980.

8. В.А.Волков. Поурочные разработки по физике. М. “ВАКО” 2006г.

Итоговый тест

1. Закончите предложение.

1) монокристаллы;