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.

В природе существуют две разновидности твердых тел, различающи­еся по своим свойствам, - кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют придан­ную им форму до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обрат­ном направлении. Так, у чистых металлов переход из одного состояния в другое протекает (рис. 1.1) при определенной температуре плавления.

Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.

Кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное.

Аморфные твёрдые тела в отличие от жидкостей имеют пониженную подвиж­ность частиц (вязкость бесконечно велика), это как бы застывшие жидкости. Аморфное состояние можно зафиксировать во многих орга­нических и неорганических веществах ускоренным охлаждением из жид­кого состояния. Однако при повторном нагреве, длительной выдерж­ке 20...25°С, а в некоторых случаях при деформации нестабильность аморфного твердого тела проявляется в частичном или полном переходе в кристаллическое состояние.

Примерами такого перехода могут служить помутнение неорганических стекол при нагреве, частичная кристаллизация плавленого янтаря при нагреве, а также резины при растяжении, сопровождающаяся упрочнением.

Рис.1.1 Кривая охлаждения при кристаллизации металлов

Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве частиц, из которых они составлены (ионов, атомов, молекул).

Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов, молекул или ионов (т.е. частиц, образующих кристаллическую решётку), ха­рактера их взаимодействия в кристалле, от пространственного располо­жения частиц. Все эти детали строения кристаллов описывает понятие «структура» .

В зависимости от размеров структурных составляющих и применяе­мых методов их выявления используют следующие понятия: тонкая струк­тура, микро- и макроструктура.

Тонкая структура описывает расположение частиц в кристалле; изучают её дифракционными методами (рентгено­графия, электронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, получаемую при взаимодействии частиц кристалла с коротки­ми волнами (? = 10 -10 .. 10 -12 м) рентгеновских лучей (или волн элек­тронов, нейтронов), можно получить информацию, позволяющую установить строение кристаллов.

Большинство материалов состоит из мелких кристалликов (зерен). Наблюдать такие мелкие структурные составляющие - микроструктуру можно с помощью оптического (до 10 -7 м) или электронного (до 2?10 -10 м) микроскопа.

Микроскопические методы дают возможность определить размеры и форму кристаллов, наличие различных по своей природе кристаллов, их распределение и относительные объёмные содержания, форму инородных включений и микропустот, ориентирование кристаллов, наличие специ­альных кристаллографических признаков (двойникование, линии сколь­жения и др.). Это далеко не полное перечисление тех сведений, которые можно получить при помощи микроскопа.

Изучая строение кристаллов - макроструктуру - невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы, можно выявить характер излома, усадочные раковины, поры, размеры и форму крупных кристаллов. Используя специально приготовленные образцы (шлифованные и травленые), обнаруживают трещины, химическую неоднородность, волокнистость.

Исследование макроструктуры, несмотря на свою простоту, является очень ценным методом изучения материалов.

Подробности Категория: Молекулярно-кинетическая теория Опубликовано 14.11.2014 17:19 Просмотров: 16390

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 (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.

В зависимости от физических свойств и молекулярной структуры выделяют два основных класса твердых тел – кристаллические и аморфные.

Определение 1

Аморфные тела обладают такой чертой, как изотропность. Это понятие означает, что они относительно независимы от оптических, механических и других физических свойств и направления, в котором на них воздействуют внешние силы.

Основная черта афморных тел – хаотичное расположение атомов и молекул, которые собираются лишь в небольшие локальные группы, не более чем по несколько частиц в каждой.

Это свойство сближает аморфные тела с жидкостями. К таким твердым телам относятся янтарь и другие твердые смолы, различные виды пластика и стекло. Под воздействием высоких температур аморфные тела размягчаются, однако для их перевода в жидкость необходимы сильные воздействия тепла.

Все кристаллические тела имеют четкую внутреннюю структуру. Группы частиц в одном и том же порядке периодически повторяются во всем объеме такого тела. Чтобы наглядно представить такую структуру, обычно используют пространственные кристаллические решетки. Они состоят из определенного количества узлов, которые образуют центры молекул или атомов конкретного вещества. Обычно такая решетка построена из ионов, входящих в состав нужных молекул. Так, в поваренной соли внутренняя структура состоит из ионов натрия и хлора, попарно объединенных в молекулы. Подобные кристаллические тела называются ионными.

Рисунок 3 . 6 . 1 . Кристаллическая решетка поваренной соли.

Определение 2

В структуре каждого вещества можно выделить одну минимальную составляющую – элементарную ячейку .

Вся решетка, из которой состоит кристаллическое тело, может быть составлена путем трансляции (параллельного переноса) такой ячейки в определенных направлениях.

Число видов кристаллических решеток не бесконечно. Всего насчитывается 230 видов, большинство которых создано искусственным путем или найдено в природных материалах. Структурные решетки могут принимать формы объемно центрированных кубов (например, у железа), гранецентрированных кубов (у золота, меди), призмы с шестью гранями (магний, цинк).

В свою очередь кристаллические тела подразделяются на поликристаллы и монокристаллы. Большинство веществ относятся к поликристаллам, т.к. они состоят из так называемых кристаллитов. Это маленькие кристаллики, сросшиеся между собой и ориентированные хаотически. Монокристаллические вещества встречаются сравнительно редко, даже среди искусственных материалов.

Определение 3

Поликристаллы обладают свойством изотропности, то есть одинаковыми свойствами во всех направлениях.

Поликристаллическая структура тела хорошо видна под микроскопом, а у некоторых материалов, например, чугуна, и невооруженным взглядом.

Определение 4

Полиморфизм – это возможность вещества существовать в нескольких фазах, т.е. кристаллических модификациях, которые отличаются друг от друга физическими свойствами.

Процесс перехода в другую модификацию получил название полифморного перехода .

Примером такого явления может быть превращение графита в алмаз, который в промышленных условиях происходит при высоком давлении (до 100 000 атмосфер) и высоких температурах
(до 2000 К).

Чтобы изучить структуру кристаллической решетки монокристалла или поликристаллического образца, используется дифракция рентгеновского излучения.

Простые кристаллические решетки показаны на рисунке ниже. Необходимо учитывать, что расстояние между частицами так мало, что сопоставимо с размерами самих этих частиц. Для наглядности на схемах показаны только положения центров.

Рисунок 3 . 6 . 2 . Простые кристаллические решетки: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.

Наиболее простой является кубическая решетка: такая структура состоит из кубов с частицами в вершинах. Гранецентрированная решетка имеет частицы не только в вершинах, но и на гранях. Например, кристаллическая решетка поваренной соли представляет собой две гранецентрированные решетки, вложенные друг в друга. Объемноцентрированная решетка имеет дополнительные частицы в центре каждого куба.

У решеток металлов есть одна важная черта. Ионы вещества удерживаются на своих местах благодаря взаимодействию с газом свободных электронов. Так называемый электронный газ образуется за счет одного или нескольких электронов, отдаваемых атомами. Такие свободные электроны могут перемещаться по всему объему кристалла.

Рисунок 3 . 6 . 3 . Структура металлического кристалла.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Твердыми являются кристаллические и аморфные тела. Кристалл — так в древности называли лед. А потом стали называть кристаллом кварц и считая эти минералы окаменевшим льдом. Кристаллы бывают природными и Они используются в ювелирной промышленности, оптике, радиотехнике и электронике, в качестве опор для элементов в сверхточных приборах, как сверхтвердый абразивный материал.

Кристаллические тела характеризуются твердостью, имеют строго закономерное положение в пространстве молекул, ионов или атомов, в результате чего образуется трехмерная периодическая кристаллическая решетка (структура). Внешне это выражается определенной симметрией формы твердого тела и его определенными физическими свойствами. Во внешней форме кристаллические тела отражают симметрию, свойственную внутренней "упаковке" частиц. Это определяет равенство углов между гранями всех кристаллов, состоящих из одного и того же вещества.

В них равными будут и расстояния от центра до центра между соседствующими атомами (если они расположены на одной прямой, то это расстояние будет одинаковым на всей протяженности линии). Но для атомов, лежащих на прямой с другим направлением, расстояние между центрами атомов будет уже иным. Этим обстоятельством объясняется анизотропия. Анизотропность - главное, чем отличаются кристаллические тела от аморфных.

Более 90% твердых тел можно отнести к кристаллам. В природе они существуют в виде монокристаллов и поликристаллов. Монокристаллы — одиночные, грани которых представлены правильными многоугольниками; для них характерно наличие непрерывной кристаллической решетки и анизотропии физических свойств.

Поликристаллы — тела, состоящие из множества мелких кристаллов, "сросшихся" между собой несколько хаотично. Поликристаллами являются металлы, сахар, камни, песок. В таких телах (например, фрагмент металла) анизотропия обычно не проявляется из-за беспорядочного расположения элементов, хотя отдельно взятому кристаллу этого тела свойственна анизотропия.

Другие свойства кристаллических тел: строго определенная температура (наличие критических точек), прочность, упругость, электропроводность, магнитопроводность, теплопроводность.

Аморфные - не имеющие формы. Так дословно переводится это слово с греческого. Аморфные тела созданы природой. Например, янтарь, воск, К созданию искусственных аморфных тел причастен человек - стекло и смолы (искусственные), парафин, пластмассы (полимеры), канифоль, нафталин, вар. не имеют вследствие хаотичного расположения молекул (атомов, ионов) в структуре тела. Поэтому для какого-либо аморфного тела изотропны - одинаковы во всех направлениях. Для аморфных тел не существует критической точки температуры плавления, они постепенно размягчаются при нагревании и переходят в вязкие жидкости. Аморфным телам отведено промежуточное (переходное) положение между жидкостями и кристаллическими телами: при низких температурах они твердеют и становятся упругими, кроме того, могут раскалываться при ударе на бесформенные куски. При высоких температурах эти же элементы проявляют пластичность, становясь вязкими жидкостями.

Теперь вы знаете, что такое кристаллические тела!