Урок на тему:" Кристалічні та аморфні тіла"

КРИСТАЛІЧНІ ТА АМОРФНІ ТІЛА.

(Слайд – 1)

Мета:

• сформувати уявлення про агрегатні стани речовини;
• порівняти фізичні властивості тіл у різних агрегатних станах;
• ознайомити з кристалічними й аморфними тілами;
• показати залежність лінійних розмірів твердих тіл від температури.

(Слайд – 2)

Обладнання: ЕОМ. Презентаційні проекти, підручник, збірник задач.
Тип уроку: комбінований

Хід уроку

1.  Організаційна частина.

2.   Розминка.

Пояснити прислів’я з точки зору фізичних явищ.

·        Смола до дуба не пристане.

·        Де оре сошка, там хліба трошки.

·        На дощі змокнеш і в плащі.

·        Не лізь в болото, не будеш мити ноги.

·        Розтеклось добро, як олія по воді.

3.  Повторення вивченого матеріалу.

·        Що являє собою сила поверхневого натягу? Яка формула виражає зміст цього поняття?

·        Як зміниться сила поверхневого натягу води у разі розчинення в ній мила?

·        Якої форми набувають краплі рідини в умовах невагомості? Чому?

·        Виконавши пояснювальний рисунок, розкрийте фізичну сутність явищ змочування і незмочування.

·        Чому жирові плями на одязі не вдається змити водою?

·        Що називають меніском?

·        Що таке крайовий кут? Яким є його значення у разі змочування? Незмочування?

·        Що називають капілярністю?

4.  Вивчення нового матеріалу

План проведення

1.  Кристалічні тіла.

2.  Аморфні тіла.

3.  Рідкі кристали.

4.  Вирощування кристалів.

v Кристалічні тіла.

(Слайд - 3)

 

Звернемо увагу на тверді тіла. Основна властивість твердих тіл, зберігати об єм і форму.

Чому ж так відрізняються властивості речовини в різних станах? Адже і рідка вода, і лід, і водяна пара складаються з одних і тих самих молекул! Відмінності обумовлені характером розташування, руху та взаємодії молекул.

( Слайд - 4)

У газах відстані між молекулами значно більші, ніж розміри молекул. Молекули хаотично рухаються, відносно рідко зазнають зіткнень одна з одною. Отже, вони слабо взаємодіють одна з одною. Коли ми стискаємо газ, молекули не зазнають змін: зменшуються лише відстані між ними.

Молекули рідини розташовані досить щільно, відстані між ними невеликі. Якщо уявити, що молекули - це кульки, то ці кульки тор­каються одна одної. Молекули й тут перебувають у невпинному русі, проте характер руху вже інший: майже весь час молекули колива­ються (немовби дрижать), і лише інколи протискуються між най­ближчими сусідами та трохи змінюють своє місце. Певного поряд­ку в розташуванні молекул немає. Це дуже нагадує розташування та рух людей у густому натовпі під час якихось видовищ.

Що ж до твердого тіла, то розташування молекул більше нага­дує парадну військову шеренгу (таке розташування називають крис­талічною решіткою). Рух молекул зводиться до коливань поблизу «свого місця в шерензі».

( Слайд - 5)

Передісторія Землі .( відео про виверження вулкану )
   Виверження вулкана є грандіозним явищем природи. Крізь тріщини в земній корі під великим тиском вириваються назовні мільйони тон розплавленої магми, вогняними річками стікають униз з вершини вулкана, руйнуючи все на своєму шляху.
Це грізне явище свідчить, що колись Земля була розпеченою кулею. Вона випромінювала тепло в космос, поверхня охолоджувалася, а швидкість молекул речовини ставала все меншою. Відштовхуючись між собою при зіткненнях, молекули і атоми ніби застигали на певних відстанях, на яких їх взаємодія була найменшою.
Так утворилася тверда кора Землі.
Зменшення швидкості молекул призвело до зменшення їх кінетичної енергії, тому настав момент, коли вони вже не змогли вільно рухатися в речовині. Кожна молекула зайняла в просторі певне положення, при якому її взаємодія з іншими молекулами була найменшою.

Кристалічна структура речовини

(Слайд -6)
  Уява вже підказала вам, як розміщення і молекули у твердих тілах: кожна молекула чи атом має своє місце-вузол, навколо якого здійснює невеликі коливання. Взаємодія з іншими «молекулами-сусідками» не дає їм можливості залишити це місце.
    Речовини, у яких кожен атом або молекула мають своє місце і лише коливаються відносно нього, називають кристалічними.

      Чим нижча температура речовини, тим швидкість коливань менша.
Атоми і молекули кристалічних тіл можуть як завгодно довго перебувати на одному місці (в одному вузлі).

                                                              
Твердими називають такі тіла, які зберігають об'єм і форму навіть під час дії на них інших тіл (сил). Причиною такої стійкості є характер руху і взаємодії молекул: вони не можуть змінювати положення своєї рівноваги, здійснюючи малі коливання і обертаючись навколо нього. Енергія і амплітуда коливань тим більша, чим вища температура тіла.

За впорядкованістю положення рівноваги тверді тіла поділяють на кристали і аморфні тіла.

Кристали - це тверді тіла, в яких атоми або молекули розміщені впорядковано і утворюють періодично повторювану внутрішню структуру. Можна виділити маленький об'єм (елементарну комірку), завдяки якій можна побудувати весь кристал, як будинок із цегли (рис.3.3.11). Елементарна комірка може мати форму куба, паралелепіпеда, призми тощо. Правильна геометрична форма є істотною зовнішньою ознакою будь-якого кристала в природних умовах (візерунки на вікнах під час морозу, правильні форми сніжинок, кристалів кухонної солі, гірського кришталю тощо).

       Кристали однієї і тієї самої речовини можуть мати різну форму, яка залежить від умов їх утворення; вони можуть відрізнятися і кольором. Іноді весь шматок твердої речовини може становити один кристал. Такими є, наприклад, шматочки цукру в цукровому піску, шматочки солі, гірського кришталю тощо. Усе це окремі кристали, їх називають монокристаллами

(Слайд -7)

(Слайд- 8)   Тіло, яке складається з безлічі невпорядковано розміщених кристалів, називають полікристалічними або полікристалом ("морозні візерунки" на вікнах, цукор рафінад, метали тощо).

 Полікристалічні тіла, як і аморфні, є ізотропними, тобто їх фізичні властивості в усіх напрямках однакові.

Умовно можна назвати чотири типи зв'язків між частинками в кристалах –

іонний,

атомний,

металічний,

молекулярний

- і відповідно поділити тверді тіла на чотири типи кристалів.

(Слайд – 9)  У вузлах ґратки іонних кристалів містяться додатно і від'ємно заряджені іони. Сили взаємодії між ними переважно електростатичні. До таких кристалів належать кристали кухонної солі, польового шпату, MgO тощо.

           

( Слайд – 10)   Класичним прикладом атомного кристалу є кристал алмазу, який складається з нейтральних атомів вуглецю. Атомні кристали утворюються тоді, коли між атомами кристала виникають ковалентні зв'язки. Ковалентні сили забезпечують найміцніший зв'язок атомів у єдині кристалічні ґратки, тому атомні кристали характеризуються високими значеннями твердості, температури плавлення і теплоти випаровування.

    

(Слайд – 11)   У вузлах кристалічних ґраток молекулярних кристалів містяться молекули речовини, зв'язок між якими забезпечується силами молекулярної взаємодії. Оскільки ці сили слабкіші від сил іонного і ковалентного зв'язків, молекулярні кристали є менш міцними, плавляться за дуже низької температури (тверді гелій, водень, кисень, "сухий лід", нафталін, кристали брому, льоду, більшість кристалів органічних речовин).

                 

Кристалічні ґратки металів утворюються додатними іонами металу, які містяться в її вузлах. Електрони і додатні іони металу взаємно зв'язуються. Електрони не можуть покинути метал через притягання до додатно заряджених іонів металу, а кристалічні ґратки, утворені з цих атомів, не розпадаються завдяки цементуючій дії електронного газу.

У вченні про будову твердих тіл важливу роль відіграє поняття про їх симетрію. Під симетрією кристалів розуміють закономірність, яка спостерігається у положенні їх частин на площині та в просторі. Кристалічні ґратки здебільшого мають одночасно кілька видів симетрії.

Проте не кожне поєднання елементів симетрії виявляється можливим. Існує обмежена кількість, а саме: 32 можливих комбінації площин та осей симетрії і відповідно 32 класи симетрії кристалів.

Особливостями кристалів є їх анізотропність, тобто неоднаковість фізичних властивостей у різних напрямах. Анізотропія механічних, теплових, електромагнітних і оптичних властивостей кристалів пояснюється тим, що за упорядкованого розміщення атомів, молекул або іонів сили взаємодії між ними і міжатомні відстані виявилися неоднаковими в різних напрямах

Аморфні тіла. ( Слайд 12)

Аморфні тіла - це тіла, фізичні властивості яких однакові у всіх напрямах. ( Слайд - 13)

( Слайд - 14)   Прикладами аморфних тіл є шматки затверділої смоли, янтар, вироби із скла. Аморфні тіла ізотропні. За своєю будовою аморфні тіла нагадують дуже густі рідини (рис.3.3.12). Унаслідок підвищення температури час осілого життя молекул зменшується, через що аморфне тіло поступово м'якне. Аморфні тіла не мають температури плавлення і питомої теплоти плавлення. Вони на відміну від кристалів з підвищенням температури неперервно перетворюються в рідину.

( Слайд - 15) Друга особливість аморфних тіл - це їх пластичність, тобто вони не мають межі пружності. Аморфний стан нестійкий: через деякий час аморфна речовина переходить в кристалічний стан. Але часто цей час буває дуже тривалим (роки і десятиріччя). До таких тіл належить скло. Будучи спочатку прозорим, протягом багатьох років воно мутніє: у ньому утворюються дрібні кристалики силікатів.

У практичній діяльності людини великого значення набули аморфні речовини, які називають полімерами.

( Слайд - 16)   Це високомолекулярні сполуки. Відносна молекулярна маса полімерів може змінюватися від декількох тисяч до мільйонів. Молекули полімеру складаються із величезної кількості однакових ланок - мономерів, об'єднаних у довгі ланцюги міцними хімічними зв'язками. До них належать такі природні речовини, як бавовна, шерсть, дерево, шкіра, натуральний шовк, каучук, ебоніт тощо. Величезну кількість полімерних матеріалів видобувають штучно: віскозний шовк, синтетичний каучук, целофан, органічне скло, поліетилен, пластичні маси, штучні волокна, епоксидні смоли та ін. До природних полімерів належать і біополімери: білки, нуклеїнові кислоти. Із біополімерів побудовано клітини всіх живих організмів.

( Слайд - 17) Полімери - основа гуми, лаків, фарб, клеїв, іонітів тощо. Завдяки введенню до полімерів домішок, можна створювати речовини з дуже цінними якостями: високою твердістю, легкістю, вогнестійкістю та ін.

Рідкі кристали. ( Слайд - 18)

 

Крім аморфного, відкрито ще один стан речовини з подвійною природою - і рідини, і твердого тіла - це так звані рідкі кристали, особливий стан деяких органічних речовин. Для них характерна плинність і вони утворюють краплі. Однак їх краплі можуть мати не кулеподібну, а видовжену форму. Молекули у краплі розміщуються порядком, не властивим звичайним рідинам і твердим тілам. Якщо в твердих кристалах спостерігається дальній порядок розміщення частинок у трьох взаємно перпендикулярних напрямах, то в рідких - за одним напрямом (одновісний дальній порядок).

Існують рідкі кристали в певному інтервалі температур, різному для різних речовин. Під час нагрівання вони перетворюються в звичайну рідину, внаслідок охолодження стають твердими кристалами.

Розрізняють три основні типи рідких кристалів: смектичні, нематичні, холестеричні. У нематичних рідких кристалах (від грец. "нема" - нитка) молекули схожі на нитки. У смектичних рідких кристалах (від грец. "смегма" - мило) рівень впорядкованості вищий. Молекули смектика згруповані у шари. Прикладом смектика є розчин мила у воді. Коли ми миємо з милом руки, то шари молекул мила легко ковзають один відносно одного і шкіри, забираючи з неї бруд і передаючи його воді.

Властивість холестеричних рідких кристалів змінювати колір у разі зміни температури використовують у медицині (для визначення ділянок тіла з підвищеною температурою) і в техніці (для перетворення невидимого й інфрачервоного проміння від нагрітих тіл у видиме зображення).

Дотепер вивчено понад 3000 речовин, що утворюють рідкі кристали. До них належать речовини біологічного походження, наприклад, дезоксирибонуклеїнова кислота, що несе код спадкової інформації, і речовина мозку. Подальші дослідження цих речовин не тільки розширять їх застосування в техніці, але й допоможуть проникнути в таємниці біологічних процесів.

Вирощування кристалів.

  Дефекти реальних кристалів та їх структуру можна безпосередньо виявити за допомогою електронно-мікроскопічних і рентгенівських досліджень.

          Кристали утворюються в природних умовах і штучно. За припущеннями вчених в природних умовах багато кристалів утворилось внаслідок охолодження рідкої речовини земної кори - магми, що є розплавом різних речовин. Багато мінералів виникли з перенасичених водних розчинів. Першим серед них слід назвати кам'яну сіль NaCl. Товщина пластів кам'яної солі, що утворилися під час випаровування води солоних озер, досягає в деяких родовищах кількох сотень метрів.

Штучні кристали можна здобути із розплаву шляхом кристалізації з розчину і газу. Останнім часом швидкими темпами розвивається технологія вирощування монокристалів всіма відомими способами на космічних орбітальних станціях. Невагомість і космічний вакуум дають можливість вирощувати монокристали небачених раніше розмірів і хімічної чистоти.

    ( Слайд - 19)

 

          Підприємство Міністерства промислової політики Центральне конструкторське бюро машинобудування "Донець" розробило установку "Горизонт-7", що дає змогу вирощувати найбільші монокристали сапфіра. Аналогів у світі цьому обладнанню немає.

На "Горизонті-7" можна виростити монокристали сапфіра (1100х600х60 мм, вагою понад 100 кг) методом горизонтально спрямованої кристалізації. Перша така установка вже відвантажена американській фірмі-замовникові Rubikon

Монокристали знайшли широке застосування в сучасній фізиці і техніці. Всі напівпровідникові прилади (діоди, транзистори) є кристалами із спеціально введеними домішками. Виникла нова галузь електроніки - молекулярна електроніка. Монокристали є основною деталлю багатьох типів сучасних приладів, які дістали назву квантових підсилювачів і генераторів (мазерів і лазерів).

Вирощування кристалів мідного купоросу та солі

( Слайд – 20 )

     Якщо не чекати біля моря погоди і зміни пір року, можна за два-три тижні виростити красиві кристали солей у себе удома. Для цього буде потрібно скляна банка, дріт і нитка, ще необхідний запас солі, кристали якої ви збираєтеся вирощувати. Дуже ефектно виглядають кристали мідного купоросу яскраво-синього кольору, хороші і безбарвні кубики харчової солі.
Спочатку приготуємо як можна більш концентрований розчин вибраної солі, вносячи сіль до стакана з водою, до тих пір, поки чергова порція солі не перестане розчинятися при перемішуванні. Після цього злегка підігріємо суміш аби добитися повного розчинення солі. Для цього стакан поставимо в каструлю з теплою водою.
Отриманий концентрований розчин переллємо в банку або хімічний стакан; туди ж за допомогою дротяної перемички (можна також зробити перемичку із стержня кулькової ручки) підвісимо на нитці кристалічну "приманку" - маленький кристал тієї ж солі - так, щоб він був занурений в розчин. На цій "приманці" і належить зростати майбутньому експонату вашої колекції кристалів.

    Через три доби після початку досліду нитка, опущена в насичений розчин, перетворилася на "намисто" з кристалів хлориду натрію.

   Посудину з розчином поставимо у відкритому вигляді в тепле місце. Коли кристал виросте чималим, виймемо його з розчину, обсушимо м'якою ганчірочкою або паперовою серветкою, обріжемо нитку і покриємо грані кристала безбарвним лаком, аби оберегти від "вивітрювання" на повітрі.
Так виглядатиме кристал мідного купоросу, вирощений з розчину.

Конец формы

5.Застосування.  ( Слайд - 22)

Задача 1.

Знайдіть масу води, що піднялася по капіляру, діаметр якого 0,64 мм?

Задача 2.

За якого абсолютного видовження стальний стрижень завдовжки 2 м і перерізом 10 мм² має енергію 4, 4 * 10^-2  Дж?

6.Підсумок уроку.

Запитання для самоперевірки

1. Чим відрізняються кристалічні тіла від аморфних?

2. Назвіть основні властивості кристалічних тіл.

3. Які основні властивості аморфних тіл.

4. Що називають монокристалом?

5. Які тіла називають полікристалічними?

6. Що таке анізотропія? Ізотропність?

7. Наведіть приклади монокристалічних, полікристалічних і аморфних тіл.

8. Чому протягом усього часу плавлення температура кристалічного тіла не змінюється?

9. Чому аморфні тіла не мають визначеної температури плавлення?

7. Завдання додому.