Строение и свойства кристаллических и аморфных тел
Материалы к уроку
Конспект урока
Строение и свойства кристаллических и аморфных тел
В окружающем мире огромное количество различных веществ: простых и сложных. Все это многообразие создано всего лишь тремя частицами: электронами, протонами и нейтронами. Сверхтвердый алмаз и мягкий воск, жаропрочный асбест и легко воспламеняющаяся бумага. Хорошие проводники электрического тока – медь и алюминий и диэлектрики – фарфор и слюда. Вещества могут быть в газообразном, жидком и твердом состоянии в зависимости от состава, температуры, давления. Основная задача, стоящая перед физиками и химиками - объяснить причину такого многообразия веществ, тел, наблюдаемых явлений, и предсказать образование (получение) и свойства новых веществ и соединений.
Вспомните определение и свойства твердых тел. Твердые тела состоят из кристаллических решеток, в которых упорядоченно расположены молекулы, расстояние между которыми очень мало по сравнению с размером самих молекул.
Сила взаимодействия между молекулами очень большая, поэтому молекулы ограничены в собственном движении, и их положение очень трудно изменить. В твердом теле молекулы непрерывно колеблются около положений равновесия.
Вспомните определение и свойства твердых тел. Твердые тела состоят из кристаллических решеток, в которых упорядоченно расположены молекулы, расстояние между которыми очень мало по сравнению с размером самих молекул.
Сила взаимодействия между молекулами очень большая, поэтому молекулы ограничены в собственном движении, и их положение очень трудно изменить. В твердом теле молекулы непрерывно колеблются около положений равновесия.
Отсутствие систематических перемещений молекул и есть причина того, что мы называем “твердостью”. Именно поэтому твердые тела сохраняют постоянную форму и объем.
Твердые тела имеют различное строение от чего и зависит их название. Рассматривают 2 вида твердых тел: кристаллические и аморфные.
Существует наука кристаллография. Это наука об атомно-молекулярном строении, симметрии, физико-химических свойствах, образовании и росте кристаллов, которая зародилась еще в XVIII веке. Она нам поможет разобраться в разнообразии кристаллов.
В кристаллических телах атомы (молекулы) расположены в строго определенном порядке, не меняющемся во всем объеме кристалла (соль, лед, кварц, медь).
Кристаллы (от греч. Krystallos, первоначально – лед) - твердые тела, атомы или молекулы которых образуют упорядоченную структуру -кристаллическую решетку. Для наглядного представления внутренней структуры кристалла применяется способ изображения его с помощью пространственной кристаллической решетки.
Если частицы, которые колеблются около определенных положений равновесия, мысленно соединить прямыми линиями, то получается «скелет» кристалла, в узлах которого находятся молекулы или атомы вещества.
Кристаллы одного и того же вещества имеют разнообразную форму. Углы между отдельными гранями кристаллов одинаковы. Некоторые формы кристаллов симметричны.
Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов - положительно и отрицательно заряженных атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит положительные ионы натрия Na+ и отрицательные ионы хлора Cl– .Такие кристаллы называются ионными.
Физические свойства кристаллических тел неодинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях. Это свойство кристаллов называется анизотропностью. АНИЗОТРОПИ́Я (от греч. anisos — неравный и tropos — направление) - зависимость свойств вещества от направления. Анизотропия характерна, например, для механических, оптических, магнитных, электрических и др. свойств кристаллов, т. к. обусловлена закономерностью и симметрией их внутреннего строения.
Кристалл поваренной соли при раскалывании дробится на части, ограниченные плоскими поверхностями, пересекающимися под прямыми углами, т.е. перпендикулярными особым направлениям в образце, по этим направлениям его прочность минимальна.
Это объясняется тем, что кристаллы внутри располагаются беспорядочно, и каждый в отдельности обладает анизотропией, а в целом кристалл изотропен.
Изотропия – независимость физических свойств тела от выбранного в нем направления, связана с отсутствием упорядоченного внутреннего строения; присуща газам, жидкостям (кроме жидких кристаллов) поликристаллам и аморфным телам.
Одно из основных свойств кристаллических тел – это упругость при механических воздействиях, как кратковременных, так и длительных.
Кристаллические тела обладают определенной температурой плавления.
При температуре меньше температуры плавления тело останется твердым,
при температуре больше температуры плавления становится жидким.
Все кристаллы делятся на монокристаллы и поликристаллы.
Монокристаллы – одиночные кристаллы. Их идеальная форма имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обладает симметрией.
Монокристаллы иногда обладают геометрически правильной внешней формой, но главный признак монокристалла — периодически повторяющаяся внутренняя структура во всем его объеме. Примерами монокристаллов могут служить драгоценные камни, как исландский шпат.
Поликристаллы – это твёрдые тела, состоящие из большого числа кристаллов, беспорядочно ориентированных друг относительно друга (сталь, чугун, графит), другими словами, это
совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов — кристаллитов. Имеют неправильную геометрическую форму. Примерами поликристаллов являются каменная соль, чугун.
Поликристаллическую структуру чугуна, например, можно обнаружить, если рассмотреть с помощью лупы образец на изломе. Каждый маленький монокристалл поликристаллического тела анизотропен, но поликристаллическое тело изотропно.
Кристаллография делит кристаллы на несколько видов.
Первый вид - атомные или гомеополярные кристаллы, у которых в узлах кристаллической решетки находятся атомы другого вещества. Они образуются при наличии ковалентной связи. Ковалентная химическая связь возникает между двумя атомами за счет образования общей пары валентных электронов по одному от каждого атома. За счет таких связей образуются кристаллы углерода (алмаз), кремния, германия, серого олова. Гомеополярная связь бывает не только между одинаковыми атомами, но и между атомами различных элементов, например, карбид кремния (силициум Ц), нитрид алюминия A1N (алюминий ЭН).
Кристаллы, в узлах кристаллической решетки которых находятся ионы, называются ионными кристаллами. Ионы в таких кристаллах имеют такое расположение, что силы кулоновского притяжения между противоположно заряженными ионами больше, чем силы отталкивания между одноименными ионами. Такая ионная связь – полярная или гетерополярная возникает в результате электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов. Такой связью обладают ионы неорганических соединений. Силы электростатического притяжения и отталкивания между ионами обладают сферической симметрией, и поэтому ионы разных знаков ведут себя подобно твердым шарам, притягивающимся друг к другу.
Также выделяют среди всего многообразия кристаллов - металлические кристаллы. В узлах пространственной решетки металлических кристаллов, как и в ковалентных кристаллах размещаются совершенно одинаковые частицы. В процессе конденсации паров металла в жидкое или твердое состояние его атомы сближаются так близко, что волновые функции валентных электронов становятся «общими» для всего объема металла. Поэтому в металлах валентные электроны называют обобществленными или коллективизированными. Говоря языком физики, внутри металлического кристалла имеется свободный электронный газ и электроны связывают положительные ионы металла в прочную систему.
У аморфных тел, в отличие от кристаллических, отсутствует дальний порядок в расположении молекул (стекло, смолы).
При кратковременных механических воздействиях они проявляют упругие свойства, при длительных воздействиях текучи (проявляют свойства жидкостей).
Для аморфных тел характерна изотропия свойств и отсутствие определённой точки плавления. К аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи. Аморфные вещества могут находиться либо в стеклообразном состоянии при низких температурах, либо при повышении температуры аморфные тела постепенно размягчаются и при температуре выше температуры стеклования переходят в жидкое состояние. Аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии. Вязкость аморфных материалов — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества. Наилучший пример этому – древесная смола.
Кристалл поваренной соли при раскалывании дробится на части, ограниченные плоскими поверхностями, пересекающимися под прямыми углами, т.е. перпендикулярными особым направлениям в образце, по этим направлениям его прочность минимальна.
Это объясняется тем, что кристаллы внутри располагаются беспорядочно, и каждый в отдельности обладает анизотропией, а в целом кристалл изотропен.
Изотропия – независимость физических свойств тела от выбранного в нем направления, связана с отсутствием упорядоченного внутреннего строения; присуща газам, жидкостям (кроме жидких кристаллов) поликристаллам и аморфным телам.
Одно из основных свойств кристаллических тел – это упругость при механических воздействиях, как кратковременных, так и длительных.
Кристаллические тела обладают определенной температурой плавления.
При температуре меньше температуры плавления тело останется твердым,
при температуре больше температуры плавления становится жидким.
Все кристаллы делятся на монокристаллы и поликристаллы.
Монокристаллы – одиночные кристаллы. Их идеальная форма имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обладает симметрией.
Монокристаллы иногда обладают геометрически правильной внешней формой, но главный признак монокристалла — периодически повторяющаяся внутренняя структура во всем его объеме. Примерами монокристаллов могут служить драгоценные камни, как исландский шпат.
Поликристаллы – это твёрдые тела, состоящие из большого числа кристаллов, беспорядочно ориентированных друг относительно друга (сталь, чугун, графит), другими словами, это
совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов — кристаллитов. Имеют неправильную геометрическую форму. Примерами поликристаллов являются каменная соль, чугун.
Поликристаллическую структуру чугуна, например, можно обнаружить, если рассмотреть с помощью лупы образец на изломе. Каждый маленький монокристалл поликристаллического тела анизотропен, но поликристаллическое тело изотропно.
Кристаллография делит кристаллы на несколько видов.
Первый вид - атомные или гомеополярные кристаллы, у которых в узлах кристаллической решетки находятся атомы другого вещества. Они образуются при наличии ковалентной связи. Ковалентная химическая связь возникает между двумя атомами за счет образования общей пары валентных электронов по одному от каждого атома. За счет таких связей образуются кристаллы углерода (алмаз), кремния, германия, серого олова. Гомеополярная связь бывает не только между одинаковыми атомами, но и между атомами различных элементов, например, карбид кремния (силициум Ц), нитрид алюминия A1N (алюминий ЭН).
Кристаллы, в узлах кристаллической решетки которых находятся ионы, называются ионными кристаллами. Ионы в таких кристаллах имеют такое расположение, что силы кулоновского притяжения между противоположно заряженными ионами больше, чем силы отталкивания между одноименными ионами. Такая ионная связь – полярная или гетерополярная возникает в результате электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов. Такой связью обладают ионы неорганических соединений. Силы электростатического притяжения и отталкивания между ионами обладают сферической симметрией, и поэтому ионы разных знаков ведут себя подобно твердым шарам, притягивающимся друг к другу.
Также выделяют среди всего многообразия кристаллов - металлические кристаллы. В узлах пространственной решетки металлических кристаллов, как и в ковалентных кристаллах размещаются совершенно одинаковые частицы. В процессе конденсации паров металла в жидкое или твердое состояние его атомы сближаются так близко, что волновые функции валентных электронов становятся «общими» для всего объема металла. Поэтому в металлах валентные электроны называют обобществленными или коллективизированными. Говоря языком физики, внутри металлического кристалла имеется свободный электронный газ и электроны связывают положительные ионы металла в прочную систему.
У аморфных тел, в отличие от кристаллических, отсутствует дальний порядок в расположении молекул (стекло, смолы).
При кратковременных механических воздействиях они проявляют упругие свойства, при длительных воздействиях текучи (проявляют свойства жидкостей).
Для аморфных тел характерна изотропия свойств и отсутствие определённой точки плавления. К аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи. Аморфные вещества могут находиться либо в стеклообразном состоянии при низких температурах, либо при повышении температуры аморфные тела постепенно размягчаются и при температуре выше температуры стеклования переходят в жидкое состояние. Аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии. Вязкость аморфных материалов — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества. Наилучший пример этому – древесная смола.
Образцами аморфных тел также являются:
1.аморфный кварц,
2.сахарный леденец.
Жидкие кристаллы. Некоторые органические вещества, молекулы которых имеют нитевидную форму или форму плоских пластин, могут находиться в особом состоянии, обладая одновременно свойствами анизотропии и текучести. Это состояние, сочетающее свойства кристалла и жидкости, называют жидкокристаллическим.
1.аморфный кварц,
2.сахарный леденец.
Жидкие кристаллы. Некоторые органические вещества, молекулы которых имеют нитевидную форму или форму плоских пластин, могут находиться в особом состоянии, обладая одновременно свойствами анизотропии и текучести. Это состояние, сочетающее свойства кристалла и жидкости, называют жидкокристаллическим.
Его можно наблюдать при плавлении кристаллов некоторых веществ. В данном случае образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей тем, что она существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Например, кристаллы замерзшей воды: лед и снег. Ледяной покров реки или айсберга - это не один большой кристалл, так как плотная масса льда состоит из множества отдельных кристаллов и является поликристаллической. Но различить отдельные кристаллы очень сложно, так как они плотно прижаты друг к другу. Но все же это реально: кристаллы льда можно различить в тающем льду, например, в льдинках весеннего ледохода на реке. Лед состоит как бы из шестигранных столбиков "карандашиков" параллельных друг другу, сросшихся вместе и стоящих торчком к поверхности воды. Лучше и проще всего рассмотреть симметричное строение кристаллов льда на снежинках. Каждая снежинка имеет 6 лучей, на каждом из которых могут располагаться дополнительные лучики, придающие снежинкам различную форму.
Иногда люди задумываются, почему же только шесть лучей? Формы кристаллов могут быть разнообразными, но симметрия этих форм для каждого вещества своя, ее определяет симметрия и закономерность атомного строения данного вещества. Снежинка может быть только шестилучевой -такова симметрия строения кристаллов снега. Астроном Иоанн Кеплер в 1611 году в своем трактате «Новогодний дар. О шестиугольных снежинках» объяснил форму кристаллов волей Божьей.
Однако есть исключения. В 1635 году философ и математик Рене Декарт впервые занялся описанием видов снежинок, разглядывая их невооруженным глазом. Он первый нашел и описал достаточно редкую 12-конечную снежинку.
В 1665 г. Роберт Хук рассматривал снежинки уже под микроскопом. Затем в огромном томе зарисовок всего, что он увидел с помощью микроскопа, опубликовал множество рисунков снежинок самой разной формы в зависимости от температуры.
Иногда люди задумываются, почему же только шесть лучей? Формы кристаллов могут быть разнообразными, но симметрия этих форм для каждого вещества своя, ее определяет симметрия и закономерность атомного строения данного вещества. Снежинка может быть только шестилучевой -такова симметрия строения кристаллов снега. Астроном Иоанн Кеплер в 1611 году в своем трактате «Новогодний дар. О шестиугольных снежинках» объяснил форму кристаллов волей Божьей.
Однако есть исключения. В 1635 году философ и математик Рене Декарт впервые занялся описанием видов снежинок, разглядывая их невооруженным глазом. Он первый нашел и описал достаточно редкую 12-конечную снежинку.
В 1665 г. Роберт Хук рассматривал снежинки уже под микроскопом. Затем в огромном томе зарисовок всего, что он увидел с помощью микроскопа, опубликовал множество рисунков снежинок самой разной формы в зависимости от температуры.
Также некоторые ученые, проводя свои исследования, сделали вывод о том, что строение снежинки зависит от окружающей её действительности. Если вода замерзает там, где играет классическая музыка, структура снежинки одна, если рядом звучат взрывы, то строение снежинки совершенно другое.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ