Твердые тела и их свойства
Кристаллические и аморфные тела
Вещество – то, из чего состоит физическое тело.
Состояние вещества Твердое Жидкое Газообразное
Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед» ) вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах.
Кристаллические тела. Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве.
Кристаллические решётки веществ -это упорядоченное расположение частиц (атомов, молекул, ионов) в строго определённых точках пространства.
Кристаллическая решетка- упорядоченное расположение частиц вещества
Типы кристаллических решеток • • Ионная кристаллическая решетка Атомная кристаллическая решетка Металлическая решетка Молекулярная решетка
Ионная кристаллическая решетка Поваренная соль (Na. Cl)
Атомная кристаллическая решетка Алмаз
Металлическая кристаллическая решетка Медь
Молекулярная кристаллическая решетка Лед
Типы кристаллических решеток Характеристики Вид частиц в узлах решетки Характер химической связи между частицами Прочность связи Отличительные свойства веществ Примеры веществ Тип решетки атомная ионная молекулярная металлическая
Типы кристаллических решеток характеристики Тип решетки атомная ионная молекулярная металлическая Вид частиц в узлах решетки Атомы Ионы: катионы, анионы Молекулы Атом-ионы Характер химической связи между частицами Ковалентная Ионная Силы межмолекулярног о взаимодействия Металлическая связь Прочность связи Очень прочная Прочная Слабая Разной прочности Отличительные свойства веществ Твердые, тугоплавкие, нелетучие, нерастворимы в воде Твердые, туго плавкие, нелетучие, раствори мы в воде (многие) Хрупкие, Металлический легкоплавкие, при блеск, обычных условиях хорошие часто – жидкости электро- и или газы теплопроводн ость, ковкость, пластичность Примеры веществ Кремний, алмаз Поваренная соль, основания, хлорид кальция Йод, лед, «сухой лед» Медь, железо, золото
Твердые вещества Аморфные Кристаллические Не имеют кристаллической структуры Имеют правильное расположение частиц в пространстве Строение атома химическая связь кристаллическая решетка свойства вещества.
Кристаллические тела
Выращивание кристаллов Фианитыискусственные бриллианты
Знаете ли вы , что… Карат – это единица измерения массы алмаза = 200 мг (миллиграмм)
Монокристаллы Крупные одиночные кристаллы Монокристалл кварца. Кристаллы Алмаза Физические свойства: 1)Правильная геометрическая форма 2)Постоянная температура плавления. 3)Анизотропия.
Поликристаллы- кристалл, состоящий из многочисленных, сросшихся между собой кристалликов (монокристаллов) Аметист(разновидность кварца) Физические свойства: 1)Правильная форма. 2)Постоянная температура плавления 3)Изотропия (т. е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям)
Твердые тела – тела, сохраняющие форму и объем в течение длительного времени. Аморфные тела еские Кристаллич тела Монокристаллы Поликристаллы
• Однако правильная внешняя форма не единственное следствие порядочного строения кристалла • Главное –это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления
Расслоение слюды Например, кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, труднее.
Кристаллическая решетка графита Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге
Кристаллы монокристаллы поликристаллы (кварц, алмаз) (металлы, сахар)
• Монокристаллы – это одиночные кристаллы • Поликристаллы – это твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов
Жидкие кристаллы – это органические кристаллы вещества, обладающие свойством текучести, но в то же время в них наблюдается упорядоченность. Упорядоченность наблюдается на некоторых областях, называемыми доменами.
Аморфные тела это тела не имеющие определенного порядка в расположении атомов
Аморфные вещества Песок Смола Природные смолы применяют в мыловарении Шоколад Стекло Клей
Аморфные тела. Это твёрдые тела, у которых нет строгого порядка в расположении атомов Примеры (кремнезём, смола, стекло, канифоль, сахарный леденец) , янтарь
Аморфные тела. Физические свойства: • нет постоянной температуры плавления • по мере повышения температуры размягчаются. • изотропны, т. е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям • при низких температурах они ведут себя подобно кристаллическим телам, а при высокой подобны жидкостям.
Кристаллическая и аморфная структуры кварца
Свойства аморфных тел (вар, канифоль, янтарь, стекло): • Нет строго порядка • Изотропны • Не имеют постоянной to плавления • При to под долгим воздействием текут
Деформация твердых тел Деформация – изменение формы или объема тела под действием внешних сил: упругая пластическая
Виды деформации ü Сжатия ü ü Растяжения Кручения Сдвига Изгиба
Деформация сжатия Испытывают: колонны, стены…
Деформация растяжения Испытывают: тросы, цепи…
Физическая величина, равная модулю разности конечной и начальной длины деформированного тела, называется абсолютной деформацией: L = L – L 0 Физическая величина, равная отношению абсолютной деформации тела к его начальной длине, называют относительной деформацией: = L/ L 0
Деформация кручения Испытывают: гайки, валы, оси…
Деформация сдвига Испытывают: болты, заклепки…
Деформация сдвига
Деформация изгиба Испытывают: мосты, балки…
Механические свойства Механическим напряжением называют отношение модуля силы упругости F к площади поперечного сечения S тела, характеризует состояние деформированного тела = F/S [ ] = 1 Н/м 2 =Па
Закон Гука При малых деформациях механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению. = Е *
=Е* • Коэффициент пропорциональности Е, входящем в закон Гука, называется модулем упругости или модулем Юнга. Е=1[Па]
Диаграмма растяжения • ОАВ – область упругих деформаций • т. В – предел упругости • ВС – область пластических деформаций • т. С – предел пластичности • СД – область текучести • ДЕ – с увеличением нагрузки удлинение быстро начинает возрастать • т. Е – предел прочности • ЕК - разрушение образца
Механические свойства (применение) • Расчет механического напряжения в разных телах при деформациях, при строительстве зданий (рельсов, балок и т. д. ). • Возможность менять формы тел. • Обнаружение дефектов веществ.
Тепловые свойства ( применение) ü Учитывание размеров предметов при их нагревании и охлаждении: при натяжении ЛЭП; трубы водяного отопления…
Алмаз
Алмаз Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твёрдость(но в то же время хрупкость), наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел.
Структура • Сингония кубическая, кристаллическая решётка — кубическая гранецентрированная, простр анственная группа Fd 3 m (по Герману — Могену). Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии гибридизации. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Именно прочная связь атомов углерода объясняет высокую твёрдость алмаза.
Структура
Плавление алмаза Температура плавления алмаза составляет 3700— 4000 °C при давлении 11 Гпа. На воздухе алмаз сгорает при 850 — 1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабоголубым пламенем при 720— 800 °C, полностью превращаясь в конечном счёте в углекислый газ. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз спонтанно за 15 -30 минут переходит в графит и взрывообразно разрушается на мелкие части. Плавление алмаза.
Нахождение алмазов в природе Алмаз — редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет назад алмазы в промышленных масштабах добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовые трубки, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях.
Добыча и месторождения алмазов Промышленные месторождения алмазов связаны Основные месторождения этого типа известны с кимберлитовыми и лампроитовыми трубками, приуроченными к в. Африке, России, Австралии и Канаде. древним кратонам.
Применение • Огранённый алмаз (бриллиант) уже многие десятилетия является популярнейшим и дорогим драгоценным камнем. В то время как цена других драгоценных камней определяется модой и постоянно меняется, алмаз остаётся островком стабильности на бурном рынке драгоценностей.
Диагностика алмаза Для того, чтобы отличить настоящий алмаз от его имитации, используется специальный «алмазный щуп» , измеряющий теплопроводность исследуемого камня. Алмаз имеет намного более высокое значение теплопроводности, чем его заменители. Кроме того, используется хорошая смачиваемость алмаза жиром: фломастер, заправленный специальными чернилами, оставляет на поверхности алмаза сплошную черту, тогда как на поверхности имитации она рассыпается на отдельные капельки
Окраска • Подавляющее большинство окрашенных ювелирных алмазов — алмазы жёлтого и коричневого цвета.
Окраска Каждый цветной бриллиант — совершенно уникальное произведение природы. Существуют редкие цвета алмазов: розовый, синий, зеленый и даже красный. Примеры некоторых цветных бриллиантов: Дрезденский зелёный бриллиант → Жёлтый алмаз Тиффани → Портер-Родс (голубой) →
Дрезденский зелёный бриллиант
Жёлтый алмаз Тиффани
Портер-Родс (голубой)
Синтетические алмазы настоящее время синтетические алмазы находят широкое применение в машиностроении. Обладая высокой твёрдостью и низкой температурой резания (царапание) при финишной обработке высокотвёрдых поверхностей деталей машин и инструмента он применяется при изготовлении шлифовальных кругов, алмазоабразивных брусков для суперфинишной обработки, хонинговальных алмазоабразивных брусков для хонингования отверстий с поверхностями высокой твёрдости и точности
Графит кристаллическое аллотропное видоизменение углерода, в древности считалось минералом свинца
Кристаллическая решётка - атомная • Атомы связаны в плоские слои, состоящие из соединённых рёбрами шестиугольников. Каждый атом в слое имеет трёх соседей и угол между ними 120 градусов - возникает • Четвёртый электрон делокализован (сходство с металлами). • Связи вдоль слоёв и между ними разные по прочности.
Физические свойства • Мягкое вещество серого цвета, малая механическая прочность (неравноценные по прочности связи). • Электропроводен и имеет металлический блеск (электроны блуждают, как у металлов). • Вещество жирное на ощупь • Теплопроводность в направлении плоскости слоёв больше, чем в перпендикулярном направлении. • Электрическое сопротивление в направлении слоёв меньше, чем в перпендикулярном направлении наблюдается анизотропия (зависимость свойств вещества от направления)
ПРИМЕНЕНИЕ ГРАФИТА • Графитовый порошок – изготовление минеральных красок. • Смазочный материал (в смеси с маслом) – между отдельными слоями графита взаимодействие настолько слабо, что возникает скольжение. Чешуйки графита заполняя неровности поверхности создают гладкую поверхность. • Графитовые стержни – электроды – электропроводность. • Тигли, блоки для атомных реакторов – тугоплавкость. • Теплозащитный материал для головных частей ракет – термостойкость. • Получение карбидов – легко реагирует с металлами.
Материалы на основе графита • Графлекс или пенографит – высокопористый материал заменяет резину и металл. • Стеклоуглерод – химически стоек, заменяет платиновую химическую посуду. • Пирографит – для изготовления искусственных клапанов сердца • Углеродное волокно как наполнитель в пластики для придания большей прочности и электропроводности, лёгкие эластичные электронагреватели • Рис. Углеродная ткань и углеродное волокно, стаканчик из стеклоуглерода
Карандаши • Первые графитовые карандаши появились в XVIII веке. Это было связано с открытием графитового месторождения в Камберленде (Англия). • В 1795 г. в Париже по способу Конта изготовлялись карандаши из смеси графита и глины, обожжённые в печи. Эта технология используется и по сей день. Чем больше глины – тем твёрже карандаш. В особые мягкие карандаши добавляют воск и сало – ими можно писать на стекле. Особый сорт рыхлых карандашей служит для пастельной живописи.
На основе графита создан графин • В конце XX века учёные разработали пути синтеза графинов – веществ со слоистой структурой, аналогичной графиту. Каждый слой графина состоит из шестичленных колец, внутри которых атомы связаны особой ароматической связью и связанных в свою очередь между собой.
Аморфный углерод: древесный уголь, кокс, сажа • Как было установлено исследованиями – эти три разновидности – мелкокристаллический графит, а не отдельные аллотропные модификации. • Сажа получается при разложении метан • Кокс образуется при разложении угля без доступа воздуха • Древесный уголь образуется при разложении древесины без доступа воздуха. Обладает способностью к адсорбции – способностью поглощать различные вещества. Это явление используется для очистки сахара, спирта, в фильтре противогаза. Активированный уголь прокаливают на перегретом пару, число пор при этом увеличивается, что улучшает адсорбцию.
