Твердые тела кристаллические и аморфные. Какое свойство отличает монокристалл от аморфного тела
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.
4. . 5. . 6. . 7. .
Каждый может легко разделить тела на твердые и Жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) - это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах - это аморфные. Особую группу твердых тел составляют такие, для которых зависимость температуры от времени нагревания представлена на рисунке 12. Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением. Кристаллические тела - это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решеткой . Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.
Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами. Монокристалл обладает единой кристаллической решеткой во всем объеме.
Анизотропия монокристаллов заключается в зависимости их физических свойств от направления. Поликристалл представляет собой соединение мелких, различным образом ориентированных монокристаллов (зерен) и не обладает анизотропией свойств. Большинство твердых тел имеют поликристаллическое строение (минералы, сплавы, керамика).
Основными свойствами кристаллических тел являются: определенность температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от порядка расположения атомов, т. е. от типа кристаллической решетки.
Аморфными называют вещества, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны . Это значит, что свойства одинаковы по всем направлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует определенная температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. п.
Упругость - свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. По характеру смещения частиц твердого тела происходящие при изменении его формы деформации делятся на: растяжение - сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Для упругих деформаций справедлив закон Гук, согласно которому упругие деформации прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям. Для деформации растяжения - сжатия закон Гука имеет вид: , где - механическое напряжение, - относительное удлинение, - абсолютное удлинение, - модуль Юнга (модуль упругости). Упругость обусловлена взаимодействием и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.
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;
2) поликристаллы.
а) одиночные кристаллы;
1) крупинка соли;
3) крупинка сахара;
4) кусочек сахара-рафинада
в) аморфное состояние.
1) кристаллические тела;
2) аморфные тела.
Итоговый тест
1. Закончите предложение.
«Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называется …»
2. Вставьте пропущенные слова.
«Твердые тела подразделяются на … и … »
3. Найдите соответствие между твердыми телами и кристаллами.
1) монокристаллы;
2) поликристаллы.
а) одиночные кристаллы;
б) большое число маленьких кристалликов.
4. Найдите соответствие между веществом и его состоянием.
1) крупинка соли;
3) крупинка сахара;
4) кусочек сахара-рафинада
а) поликристаллическое состояние;
б) монокристаллическое состояние;
в) аморфное состояние.
5. Найдите соответствие между телами и температурой плавления.
1) кристаллические тела;
2) аморфные тела.
а) определенной температуры плавления нет;
б) температуры плавления постоянная.
Подробности Категория: Молекулярно-кинетическая теория Опубликовано 14.11.2014 17:19 Просмотров: 15569В 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 (I 2), «сухой лёд» (двуокись углерода СО 2).
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.
