Задачі для самостійного опрацювання

1. Який діаметр повинна мати мильна бульбашка, щоб додатковий (лапласівський) тиск на її поверхні дорівнював 200 Па?

2. Визначити діаметри каналів трьох капілярних трубок, якщо відомо, що вода при 293 К піднімається у них на висоту відповідно 2,5 см, 5 см, 8 см.

Тема 3. Будова і властивості твердих тіл. Кристалічні й аморфні тіла.

1. Прочитати теоретичний матеріал, який наведено нижче.

2. Законспектувати опорний конспект у робочому зошиті.

3. Розв’язати тестові завдання у робочому зошиті.

4. Виконати самостійну роботу №3 за темою «Рідкі кристали та їх властивості. Застосування рідких кристалів у техніці. Полімери: їх властивості та застосування» у зошиті для самостійних робіт.

Теоретичний матеріал

За своїми фізичними властивостями і молекулярній структурі тверді тіла розділяються на два класи – аморфні такристалічні тіла.

Характерною особливістю аморфних тіл є їх ізотропна, т. е. незалежність всіх фізичних властивостей (механічних, оптичних і т. д.) від напряму. Молекули і атоми в ізотропних твердих тілах розташовуються хаотично, утворюючи лише невеликі локальні групи, декілька частинок, що містять (ближній порядок). По своїй структурі аморфні тіла дуже близькі до рідин. Прикладами аморфних тіл можуть служити стекло, різні затверділі смоли (янтар), пластики і т. д. Якщо аморфне тіло нагрівати, то воно поступово розм'якшується, і перехід в рідкий стан займає значний інтервал температур.

У кристалічних тілах частинки розташовуються в строгому порядку, утворюючи просторові структури, що періодично повторюються, у всьому об'ємі тіла. Для наочного представлення таких структур використовуються просторові кристалічні решітки, у вузлах яких розташовуються центри атомів або молекул даної речовини. Найчастіше кристалічна решітка будується з іонів (позитивно і негативно заряджених) атомів, які входять до складу молекули даної речовини. Наприклад, грати куховарської солі містять іони Na+ і Cl–^, не об'єднані попарно в молекули NaCl (мал. 3.6.1). Такі кристали називаються іонними.

Малюнок 3.6.1. Кристалічна решітка куховарської солі.

Кристалічні тіла можуть бути монокристаламиі полікристалами. Полікристалічні тіла складаються з багатьох зрощених між собою хаотично орієнтованих маленьких кристалів, які називаються кристалітами. Великі монокристали рідко зустрічаються в природі і техніці. Найчастіше кристалічні тверді тіла, у тому числі і ті, які виходять штучно, є полікристалами.

На відміну від монокристалів, полікристалічні тіла ізотропні, тобто їх властивості однакові на всіх напрямках.

Монокристали застосовуються у техніці. Майже всі напівпровідникові прилади – це монокристали зі спеціально введеними домішками, які надають їм тих чи інших властивостей.

Видатним досягненням молекулярної електроніки було створення молекулярних підсилювачів і генераторів мікрохвильового випромінювання – мазерів і потужних генераторів випромінювання оптичного діапазону – лазерів. Основними деталями багатьох типів цих приладів є монокристали.

Зараз опрацьовано спеціальні методи вирощування великих кристалів, які дають змогу дістати зразки, лінійні розміри яких становлять десятки сантиметрів.

Структури кристалічних решіток експериментально вивчаються за допомогою дифракції рентгенівського випромінювання на монокристалах або полікристалічних зразках.

На мал. 3.6.2 приведені приклади простих кристалічних решіток. Слід пам'ятати, що частинки в кристалах щільно упаковані, так що відстань між їх центрами приблизно рівному розміру частинок. У зображенні кристалічних решіток указується тільки положення центрів частинок.

Малюнок 3.6.2.

Прості кристалічні решітки: 1 – прості кубічні грати; 2 – гранецентровані кубічні грати; 3 – об’ємноцентровані кубічні грати; 4 – гексагональні грати.

У залежності від роду частинок, розташованих у вузлах кристалічних решіток, і характеру сил взаємодії між ними кристали поділяються на 4 типи:

1. іонні кристали – у вузлах решіток розташовуються по черзі іони протилежного знаку. Сили взаємодії між іонами є в основному електростатичними.

Зв’язок обумовлений кулонівськими силами притягання між різнойменно зарядженими іонами називається іонним.

В такому кристалі не можна виділити окремих молекул, весь кристал є ніби однією гігантською молекулою. Такі кристали мають значну міцність. До них відносять неорганічні сполуки, зокрема солі.

2. атомні кристали –у вузлах решіток – нейтральні атоми, що утримуються найближчими сусідами ковалентним зв’язком ( сили взаємодії виникають в результаті взаємного обміну валентними електронами між кожними двома сусідніми атомами ). До таких кристалів відносять алмаз, графіт, германій, сірчистий цинк ZnS, оксид берилію ВеО та ін. Вони характеризуються високою твердістю і тугоплавкістю.

3. молекулярні кристали – у вузлах решіток знаходяться нейтральні молекули речовини, сили взаємодії між якими обумовлені незначним взаємним зсувом електронів в електронних оболонках атомів. Такі кристали при дуже низькій температурі ( тверді гелій, водень, кисень, азот ), легко випаровуються ( “сухий лід”, нафталін ). Також до молекулярних кристалів відносять кристали брому Br₂, йоду J₂, льоду H₂O, більшість кристалів органічних речовин.

4. металічні кристали – у вузлах решіток розміщені позитивні іони металу; між ними хаотично рухаються електрони, які взаємодіючи з іонами, утримують їх, інакше решітка б розсипалась під дією сил відштовхування між іонами. Такі кристали характеризуються доброю електропровідністю і теплопровідністю та мають симетрію високого порядку.

Малюнок 3.6.3.

Структура металевого кристала.

Опорний конспект

Властивості твердого тіла:

· Характеризується щільною упаковкою частинок;

· Сили взаємодії великі;

· Зберігає форму і об’єм.

Стани

Кристалічний Аморфний

· Частинки розміщені у Порядку в розміщенні частинок

певному порядку, немає;

утворюючи кристалічну

решітку;

· Правильність зовнішньої Відсутня правильна зовнішня

форми; форма; ізотропія;

· Певна температура Відсутність певної температури

плавлення; плавлення;

Відносяться до в’язких рідин.

Кристалічна решітка – розташування частинок, що характеризується періодичною повторюваністю в трьох вимірах.

Вузли кристалічних решіток – точки, відносно яких частинки здійснюють теплові коливання.

Отже,

Тверді тіла

· Такі речовини, у яких є кристалічна будова, тобто дальній порядок у розташуванні їх частинок.

Кристалічні тіла:

Монокристали Полікристали

· Тверді тіла, частинки яких Тверді тіла, які складаються з

утворюють єдині кристалічні безлічі невпорядковано розмі –

решітки ( лід, поварена сіль, щених дрібних кристаликів

ісландський шпат). (“морозні візерунки” на вікнах,

цукор – рафінад).

Характеризуються

Дефекти кристалів

· відхилення від упорядкованого розташування частинок у вузлах кристалічних решіток.

Типи дефектів

Точкові лінійні

1. вакансія – відсутність атома 1. дислокація – порушення

у вузлі решіток. правильного чергування

2. міжвузловий атом – атом, що атомних площин.

впровадився у міжвузловий

простір. Крайова Гвинтова

3. домішковий атом – атом домі- дислокації.

шки, або атом основної речови- Порушують дальній порядок

ни, що зміщає. розташування частинок.

Такі дефекти порушують ближній

порядок розташування частинок.

Тестові завдання

Розв’язати у зошиті тестові завдання:

Початковий рівень (1-4 бали)

1. Існування рідин та твердих тіл є підтвердженням існування між частинками сил ....

А - притягання;

Б - відштовхування;

В - притягання і відштовхування.

А
Б
В