Какое из перечисленных свойств характерно для аморфных тел
Аморфные тела (структура диоксида кремния)
Твердые тела разделяют на аморфные и кристаллические, в зависимости от их молекулярной структуры и физических свойств.
В отличие от кристаллов молекулы и атомы аморфных твердых тел не формируют решетку, а расстояние между ними колеблется в пределах некоторого интервала возможных расстояний. Иначе говоря, у кристаллов атомы или молекулы взаимно расположены таким образом, что формируемая структура может повторяться во всем объеме тела, что называется дальним порядком. В случае же с аморфными телами – сохраняется структура молекул лишь относительно каждой одной такой молекулы, наблюдается закономерность в распределении только соседних молекул – ближний порядок. Наглядный пример представлен ниже.
На рисунке слева (а) изображена решетка молекул кварца, а справа (б) расположение молекул кварцевого стекла, которое является аморфным телом.
К аморфным телам относится стекло и другие вещества в стеклообразном состоянии, канифоль, смолы, янтарь, сургуч, битум, воск, а также органические вещества: каучук, кожа, целлюлоза, полиэтилен и др.
Свойства аморфных тел
Особенность строения аморфных твердых тел придает им индивидуальные свойства:
- Слабо выраженная текучесть – одно из наиболее известных свойств таких тел. Примером будут потеки стекла, которое долгое время стоит в оконной раме.
- Аморфные твердые тела не обладают определенной температурой плавления, так как переход в состояние жидкости во время нагрева происходит постепенно, посредством размягчения тела. По этой причине к таким телам применяют так называемый температурный интервал размягчения.
График перехода аморфного тела в жидкое состояние изображен пунктирной линией (2), а график перехода обычного твердого тела в жидкое состояние – сплошной (1).
- В силу своей структуры такие тела являются изотропными, то есть их физические свойства не зависят от выбора направления.
- Вещество в аморфном состоянии обладает большей внутренней энергией, нежели в кристаллическом. По этой причине аморфные тела способны самостоятельно переходить в кристаллическое состояние. Данное явление можно наблюдать как результат помутнения стекол с течением времени.
Стеклообразное состояние
В природе существуют жидкости, которые практически невозможно перевести в кристаллическое состояние посредством охлаждения, так как сложность молекул этих веществ не позволяет им образовать регулярную кристаллическую решетку. К таким жидкостям относятся молекулы некоторых органических полимеров.
Материалы по теме
Однако, при помощи глубокого и быстрого охлаждения, практически любое вещество способно перейти в стеклообразное состояние. Это такое аморфное состояние, которое не имеет явной кристаллической решетки, но может частично кристаллизироваться, в масштабах малых кластеров. Данное состояние вещества является метастабильным, то есть сохраняется при некоторых требуемых термодинамических условиях.
При помощи технологии охлаждения с определенной скоростью вещество не будет успевать кристаллизоваться, и преобразуется в стекло. То есть чем выше скорость охлаждения материала, тем меньше вероятность его кристаллизации. Так, например, для изготовления металлических стекол потребуется скорость охлаждения, равная 100 000 – 1 000 000 Кельвин в секунду.
В природе вещество существует в стеклообразном состоянии возникает из жидкой вулканической магмы, которая, взаимодействуя с холодной водой или воздухом, быстро охлаждается. В данном случае вещество зовется вулканическим стеклом. Также можно наблюдать стекло, образованная в результате плавления падающего метеорита, взаимодействующего с атмосферой – метеоритное стекло или молдавит.
Молдавит, естественное стекло, образованное ударом метеорита, из Беседин, Богемия, Чехия.
Нужно помнить, что не все тела, которые существуют на планете Земля, имеют кристаллическое строение. Исключения из правила получили название «аморфные тела». Чем же они отличаются? Исходя из перевода данного термина – аморфный – можно предположить о том, что такие вещества отличаются от других своей формой или видом. Речь идет об отсутствии так называемой кристаллической решетки. Процесс расщепления, при котором появляются грани, не происходит. Аморфные тела также отличаются тем, что не зависят от окружающей среды, и их свойства постоянны. Такие вещества называются изотропными.
Небольшая характеристика аморфных тел
Из школьного курса физики можно вспомнить то, что аморфные вещества имеют такое строение, при котором атомы в них расположены в хаотичном порядке. Определенное место могут иметь лишь структуры-соседи, где такое расположение является вынужденным. Но все же проводя аналогию с кристаллами, аморфные тела не обладают строгой упорядоченностью молекул и атомов (в физике такое свойство получило название «дальний порядок»). В результате исследований было выяснено, что по своей структуре данные вещества схожи с жидкостями.
Некоторые тела (в качестве примера можно взять диоксид кремния, чья формула SiO2) могут одновременно находиться в аморфном состоянии и иметь кристаллическую структуру. Кварц в первом варианте обладает структурой неправильной решетки, во втором – правильного шестиугольника.
Свойство №1
Как уже говорилось выше, аморфные тела не обладают кристаллической решеткой. Их атомы и молекулы имеют ближний порядок размещения, что и будет первым отличительным свойством данных веществ.
Свойство №2
Текучестью данные тела обделены. Для того чтобы лучше объяснить второе свойство веществ, можно сделать это на примере воска. Ни для кого не секрет, что если налить воду в воронку, то она просто выльется из нее. То же самое будет и с любыми другими текучими веществами. А свойства аморфных тел не позволяют им проделывать такие «трюки». Если воск поместить в воронку, то он предварительно растечется по поверхности и лишь потом начнет стекать с нее. Это связано с тем, что молекулы в веществе перескакивают из одного положения равновесия в абсолютно другое, не имея основного местоположения.
Свойство №3
Пора поговорить о процессе плавления. Следует запомнить тот факт, что аморфные вещества не имеют определенной температуры, при которой начинается плавление. Во время поднятия градуса тело постепенно становится мягче и затем превращается в жидкость. Физики всегда делают упор не на температуре, при которой данный процесс начал происходить, а на соответствующем температурном интервале плавления.
Свойство №4
О нем уже было сказано выше. Аморфные тела изотропны. То есть их свойства в любом направлении неизменны, даже если условия пребывания в местах различны.
Свойство №5
Хоть раз каждый человек наблюдал, что с течением определенного промежутка времени стекла начинали мутнеть. Это свойство аморфных тел связно с повышенной внутренней энергией (она в разы больше, чем у кристаллов). Из-за этого данные вещества спокойно сами могут перейти в кристаллическое состояние.
Переход к кристаллическому состоянию
Спустя определенный промежуток времени любое аморфное тело переходит в кристаллическое состояние. Это можно наблюдать в привычной жизни человека. Например, если оставить леденец или мед на несколько месяцев, то можно заметить, что они оба потеряли свою прозрачность. Обычный человек скажет, что они просто засахарились. И правда, если разломать тело, то можно заметить наличие кристаллов сахара.
Итак, говоря об этом, необходимо уточнить, что самопроизвольное превращение в другое состояние связано с тем, что аморфные вещества неустойчивы. Сравнивая их с кристаллами, можно понять, что последние в разы «мощнее». Объяснить факт можно благодаря межмолекулярной теории. Согласно ей, молекулы постоянно перескакивают с одного места на другое, тем самым заполняя пустоты. Со временем образуется устойчивая кристаллическая решетка.
Плавление аморфных тел
Процессом плавления аморфных тел называется момент, когда с поднятием температуры все связи между атомами рушатся. Именно тогда вещество превращается в жидкость. Если условия плавления таковы, что давление одинаково на протяжении всего периода, то температура также должна быть фиксированной.
Жидкие кристаллы
В природе существуют тела, которые имеют жидкокристаллическую структуру. Как правило, они входят в перечень органических веществ, а их молекулы обладают нитевидной формой. Тела, о которых идет речь, обладают свойствами жидкостей и кристаллов, а именно текучестью и анизотропией.
В таких веществах молекулы располагаются параллельно друг другу, однако, между ними нефиксируемое расстояние. Они движутся постоянно, но ориентацию менять несклонны, поэтому постоянно находятся в одном положении.
Аморфные металлы
Аморфные металлы больше известны обычному человеку под названием металлические стекла.
Еще в 1940 году ученые заговорили о существовании данных тел. Уже тогда стало известно, что специально полученные вакуумным напылением металлы, не имели кристаллических решеток. И лишь через 20 лет было произведено первое стекло такого типа. Особого внимания у ученых оно не вызвало; и только спустя еще 10 лет о нем заговорили американские и японские профессионалы, а потом уже корейские и европейские.
Аморфные металлы отличаются вязкостью, достаточно высоким уровнем прочности и стойкостью к коррозии.
Липецкий колледж транспорта и дорожного хозяйства
Методическая разработка урока физики по теме: «Кристаллические и аморфные тела»
Профессия: Слесарь по ремонту автомобиля, группа С2-14
Учебная дисциплина: ФИЗИКА
Тема урока: Кристаллические и аморфные тела
Регламент урока: 45 минут
Цели урока:
— образовательные: повторить и систематизировать знания о свойствах кристаллов, рассмотреть особенности аморфных тел, композитов, провести сравнение, ввести понятия «изотропия», «анизотропия», «поликристалл», «монокристалл».
— развивающие: развитие интереса к физике, развитие логического мышления, внимания, памяти, самостоятельности при поиске решения.
— воспитательные: формирование научного мировоззрения, воспитание аккуратности, взаимопомощи.
Вид урока: комбинированное занятие (рассказ преподавателя +фронтальный опрос + работа с раздаточным материалом + работа со справочниками + составление конспекта)
Тип урока: учебное занятие по изучению нового материала и его первичному закреплению
Технологии обучения: ИКТ, проблемное обучение.
Обеспечение урока:
— техническое: компьютер, презентация, видеоролик «Гнущееся стекло»
— учебно-методическое: справочник по физике и технике, авт.Е.С.Енохович, наборы кристаллических и аморфных тел, модели кристаллических решеток.
ХОД УРОКА
Организационный момент ( 1-2 мин.)
Актуализация ранее усвоенных знаний ( работа с психрометром -1 об-ся, фронтальный опрос: составить предложениия со словами – 7 об-ся) (5 мин.)
А) Какая погода сегодня у нас на уроке? (работа с психрометром)
Б) На экране слова, с которыми надо составить предложения по ранее изученной теме «Влажность воздуха»
— вода, воздух;
— влажность, психрометр;
— комфорт;
— цемент, доски;
— кондитерские изделия, ткани, бумага…;
— книги, картины;
— теплицы, растения. Слайд 1
Изучение нового материала
3.1. Рассказ преподавателя о кристаллах с демонстрацией слайдов и моделей кристаллических решеток, работой обучающихся с раздаточным материалом (10 мин) Преподаватель: Напомню, что мы продолжаем изучать молекулярно-кинетическую теорию.
— В чем состоит основная задача МКТ? (Ответ: МКТ объясняет свойства макроскопических тел на основе знаний о строении вещества и поведении молекул).
— Мы рассмотрели подробно на предыдущих уроках особенности газов и жидкостей. Для завершения МКТ нам необходимо рассмотреть особенности твердых тел.
Вопрос:– Какие особенности о строении твердых тел нам известны из курса физики? (Ответы: молекулы расположены очень близко друг к другу, силы взаимодействия между молекулами велики, молекулы совершаю колебания около своих положений равновесия).
Главная особенность – это правильное расположение атомов, т.е. наличие кристаллической решетки, поэтому большинство твердых тел называют кристаллическими. Однако существует еще одна группа твердых тел, о которых мы раньше не говорили – это аморфные тела. Итак, тема сегодняшнего урока «Кристаллические и аморфные тела». (Слайд 2)
Цель урока: (Слайд 3)
На рисунке показаны кристаллические решетки различных веществ. Обратите внимание на то, что линии, соединяющие положения атомов, образуют правильные геометрические фигуры: квадраты, прямоугольники, треугольники, 6-угольники и т.д.
Т.е. кристаллы – это твердые тела, атомы которых расположены в определенном порядке.
Правильное расположение атомов хорошо демонстрирует модель кристаллической решетки. Слайды 4-6
Из уроков химии вы знаете, что кристаллические решетки могут состоять не только из нейтральных атомов, но и из ионов, молекул. При этом мы опять же наблюдаем правильное расположение частиц в пространстве.
(Слайды 7 -8) Бывает, что одни и те же атомы образуют разные вещества с абсолютно разными свойствами в зависимости от вида кристаллической решетки. Это свойство называют полиморфизмом. Слева – слоистая решетка графита (модель которого мы только видели). Графит – мягкое, непрозрачное, проводящее ток вещество. Справа – алмаз с каскадной решеткой, состоящей из тех же атомов углерода. Алмаз – прозрачный кристалл, диэлектрик, самое прочное вещество в природе.
Рассмотрим еще одну особенность кристаллов
— У вас на столах имеются крупинки сахара и сахар-рафинад. Чем они отличаются?
Монокристалл – крупинки сахара, поликристалл – сахар – рафинад. (Слайд 9)
— Еще одно свойство кристаллических тел – анизотропия — зависимость физ. свойств кристаллов от направления в кристалле. Монокристаллы – анизотропны (пример тому графит, слюда, снежинка). Слайд 10
Поликристаллы таким свойством не обладают, их физические свойства одинаковы по всем направлениям (изотропия), т.к. они состоят из огромного количества беспорядочно сросшихся между собой монокристалликов.
Следующий отличительный признак кристаллов (металлы и сплавы) найдите, поработав со справочником. Стр.113 температура плавления. (1 мин.) ( Слайд11)
Сделайте вывод: у всех кристаллов определенная температура плавления и она у каждого металла – своя.
Общий вывод по свойствам кристаллов: Слайд, запись в конспект. (Слайд 12)
3.2 Рассказ преподавателя о свойствах аморфных тел с демонстрацией слайдов, видеофрагмента, работой обучающихся с раздаточным материалом, работой со справочником( 10 мин)
Преподаватель: У вас на столах имеется еще одно вещество – это леденец. Разверните его и скажите, имеет он правильную форму? Есть ли у него плоские грани? (Ответы: нет).
В отличие от кристаллов сахарный леденец может и раскалываться и размягчаться, постепенно переходя в жидкое состояние, при этом меняя форму. Все аморфные тела – это вещества, атомы которых расположены в относительном порядке, нет строгой повторяемости пространственной структуры. (Слайд 13-14)
Следствием этого является изотропия – одинаковые физические свойства по разным направлениям.
Примерами аморфных тел являются смола, канифоль, янтарь, пластилин и другие.
Следующее свойство аморфных тел найдите, поработав со справочником стр. 112 (парафин, масло сливочное, воск пчелиный) Сделайте вывод: у аморфных тел нет определенной температуры плавления. Отсюда следует, что аморфные тела обладают текучестью, как жидкости при высоких температурах и свойствами твердого тела – при низких. Слайды 15-17
Вывод по аморфным телам
Видеофрагмент «Гнущееся стекло»(1,5 мин.)
Вывод: стекло при низких температурах проявляет свойства твердого тела, а при высоких ведет себя как жидкость.
Первичное закрепление материала по слайдам 18-20 ( 3 мин.)
3.3. Рассказ преподавателя о композитах с демонстрацией слайдов и примерами их использования в строительстве, автомобилестроении)(6 мин.)Слайд21
Сообщение «О применении композитов в автомобилестроении» Слайд 22
В настоящее время мало кто может представить себе жизнь без четырехколесного коня. Автомобили стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Именно поэтому данная область постоянно эволюционирует, создавая все более современные и технологичные машины. И, конечно же, эта отрасль не обходится без композитных материалов. Погоня за экономией топлива, уменьшением веса и улучшением внешнего вида стала развиваться гораздо интереснее, когда производители начали применять композитные материалы. В автомобилестроении настала новая эра – эра “карбона”.
Углеволокно – основной полимерный материал, который применяют при производстве машин. Стоит отметить, что он применяется не только с целью придания лучших механических свойств, но и с целью улучшить внешний вид автомобиля. На сегодняшний день практически все кузова концепт-каров от известных автогигантов более чем на 50% состоят из композитов на основе углеволокна. Кроме того, активно применяется кевлар, иногда стеклопластик.
Многие расходные элементы машин также могут быть выполнены с использованием полимеров. Это могут быть покрышки, в которых базальтовое волокно применяется как армирующий материал. Это могут быть тормозные колодки и диски, в которых композиты применяют для увеличения срока службы и улучшения работы при повышенных нагрузках. Это могут быть диски сцепления, что позволяет увеличить ресурс качества работы сцепления.
Интерьер салонов автомобилей тоже не обходится без композитных материалов. Карбоновые основания кресел, декоративные панели, торпеда, ручка переключения передач, панели приборов и многие-многие другие элементы. Детали, выполненные с применением данного материала, придают салону особый внешний вид, а также увеличивают его срок службы.
Систематизация и закрепление изученного материала Слайд 23
Выполнение тестового задания: 3 мин.
1.Какое из перечисленных свойств характерно для кристаллических тел? Выберите правильный ответ.
А.Существование определенной температуры плавления.
Б. Изотропность.
В.Отсутствие определённой температуры плавления.
2.Какое из перечисленных свойств характерно только для аморфных тел? Выберите правильный ответ.
А. Анизотропность.
Б. Существование определённой температуры плавления.
В.Отсутствие определённой температуры плавления.
3.Что называется анизотропией кристаллов?
А. Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла.
Б.Одинаковость физических свойств по всем направлениям.
В.Хорошая теплопроводность внутри кристалла.
4. Что можно сказать об изменении температуры в процессе плавления кристаллического тела?
А. Температура остается постоянной.
Б. Температура увеличивается.
В. Температура может быть любой.
5.Что такое монокристалл?
А. Тело, имеющее правильную геометрическую форму и ограниченное естественными плоскими гранями
Б. Частица вещества, имеющая правильную геометрическую форму
В. Твердое тело, состоящее из одного кристалла
Оцените свою работу по тестам методом самопроверки: 1 мин. Слайд 24
5 ответов – «5»
4 ответа – «4»
3 ответа – «3»
2 ответа – «2»
1 ответ – «1»
Оценка деятельности обучающихся на уроке, комментирование 2 мин.
Домашнее задание. §§ 75,76, вопросы §§
работа в сети Интернет. Тема: Слайд 25
Применение жидких кристаллов в технике
Жидкие кристаллы в организме человека
Преподаватель Зубарева В.А.