1. МОНОКРИСТАЛЛЫ И ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕЛА

Формирование новых понятий и способов действий.  Организационный момент Приветствие. Проверка присутствия учащихся на уроке.  Целевая ориентация­ сообщение темы и цели урока.  Актуализация опорных понятий сам работа Гр.№____ ___10нпо_____Курс___1_ ______________ Тема программы: «Основы термодинамики» Тема: Кристаллические и аморфные тела. Цель: Обучающая: сформировать понятия «кристаллическое тело», «аморфность», рассмотреть их свойства Развивающая: содействовать развитию навыков самостоятельной работы, использованию специальной  терминологии, познавательному интересу к предмету, умения  видеть физические явления в жизни. Воспитательная: содействовать воспитанию таких качеств личности как, внимательность, усидчивость,  наблюдательность, аккуратность, точность в работе Тип занятия: Урок изучения нового материала. Вид: лекция Методы обучения:  Наглядные :демонстрация,  Словесные: беседа, устное  изложение. эксперимент, наблюдения. Оборудование: плакат, сообщения уч­ся, текст сам. работы Ход занятия: 1 2 3 4 Большинство веществ в умеренном климате Земли находятся в твердом состоянии. Твердые тела сохраняют не только форму, но и объем. По характеру относительного расположения частиц твердые тела делят на три вида: кристаллические, аморфные и композиты. При наличии периодичности в расположении атомов (дальнего порядка) твердое тело является кристаллическим. Если рассмотреть при помощи лупы или микроскопа крупинки соли, то можно заметить, что они ограничены плоскими гранями. Наличие таких граней ­ признак нахождения в кристаллическом состоянии. Тело, представляющее собой один кристалл, называется монокристаллом. Большинство кристаллических тел состоит из   множества   расположенных   беспорядочно   мелких   кристаллов,   которые   срослись   между   собой.   Такие   тела называются  поликристаллами.  Кусок сахара ­ поликристаллическое тело. Кристаллы различных  веществ имеют разнообразную форму. Размеры кристаллов тоже разнообразны.  Размеры кристаллов поликристаллического типа могут изменяться с течением времени. Мелкие кристаллы железа переходят в крупные, этот процесс ускоряется при ударах и сотрясениях, он происходит в стальных мостах, железнодорожных  рельсах и т. д., от этого прочность сооружения с течением времени уменьшается. Очень многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии в зависимости от условий могут существовать в двух или более разновидностях. Это свойство называется  полиморфизмом. У льда известно до десяти  модификаций. Полиморфизм углерода ­ графит и алмаз. Существенным   свойством   монокристалла   является  анизотропия  –   неодинаковость   его   свойств   (электрические, механические и т. д.) по различным направлениям. Поликристаллические тела изотропны, т. е. обнаруживают одинаковые свойства по всем направлениям. Объясняется это тем, что кристаллы, из которых состоит поликристаллическое тело, ориентированы друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других.I Существует четыре типа кристаллов: молекулярные, ковалентные (или атомные), ионные и металлические. Тип кристалла определяется характером взаимодействия атомов и молекул, образующих кристалл. К  молекулярным  кристаллам относятся кристаллы водорода, аргона, брома.  Прочность   этих   кристаллов   не велика. Ковалентные кристаллы: алмаз, полупроводники кремний и германий. Ионные кристаллы NaCl, AgBr. Металлические кристаллы. Металлы Аморфные тела.  Аморфные тела изотропны. Признаком аморфного тела является неправильная форма поверхности при изломе.  Аморфные тела по истечении   длительного промежутка времени все же меняют свою форму под действием силы тяжести. Этим они похожи на жидкости. При повышении температуры такое изменение формы   происходит   быстрее.   Аморфное   состояние   неустойчиво,   происходит   переход   аморфного   состояния   в кристаллическое. (Стекло мутнеет.) Беспорядок в расположении атомов аморфных тел приводит к тому, что среднее расстояние между атомами по разным направлениям одинаково, поэтому они изотропны. П Л А Н     З А Н Я Т И Я   № Практические: реш. задач,  состав конспекта ' Сходство с жидкостями объясняется тем, что атомы и молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют   время   «оседлой   жизни».   Определенной   температуры   плавления   нет,   поэтому   аморфные   тела   можно рассматривать  как   переохлаждение   жидкости   с   очень   большой   вязкостью.   Отсутствие   дальнего   порядка   в расположении   атомов   аморфных   тел   приводит   к  тому,   что   вещество  в  аморфном   состоянии   имеет   меньшую плотность, чем в кристаллическом. Композиты.  Созданы композиционные материалы, механические свойства  которых превосходят естественные материалы. Композиционные материалы  (композиты) состоят из матрицы и наполнителей. В качестве матрицы применяются полимерные, металлические, углеродные или керамические материалы. Наполнители могут состоять из нитевидных кристаллов, волокон или проволоки. В частности, к композиционным материалам относят железобетон и железографит. Железобетон  ­ один из основных видов строительных материалов. Он представляет собой сочетание бетона и стальной арматуры. Железографит  ­ металлокерамический материал, состоящий из железа (95­98 %) и графита (2­5 %). Из него изготавливают подшипники, втулки для разных узлов машин и механизмов. Стеклопластик  ­   также   композиционный   материал,   представляющий  собой   смесь   стеклянных   волокон   и отвердевшей смолы. Кости   человека   и   животных   представляют   собой   композиционный   материал,   состоящий   из   двух   совершенно различных компонентов: коллагена и минерального вещества. Коллаген   ­  один   из   главных   компонентов   соединительной   ткани.   (Из   него  в  основном   состоят   наши сухожилия.) Большая часть минерального компонента кости ­ соли кальция. Атомы кальция составляют 22,% общего количества атомов кости. В остальных тканях тела (мышцах, мозге, крови и т. д.) количество атомов кальция близко к 12­13 %. Если кость подержать достаточно долго в 5 % растворе уксусной кислоты, то весь минеральный компонент, состоящий в основном из коллагена, станет эластичным. Как резиновый жгут, кость молено будет свернуть в кольцо 5 Формирование навыков умственного труда   Чем отличаются кристаллические тела от аморфных?  Перечислите основные свойства кристаллических тел.  Перечислите основные свойства аморфных тел.  Что называют монокристаллом?  Какие тела называют поликристаллическими?  Что такое анизотропия? изотропность?  Приведите примеры монокристаллических, поликристаллических и аморфных тел.  Почему во время процесса плавления температура кристаллического тела не изменяется?  Почему у аморфных тел нет определенной температуры плавления? 6.Подведение итогов урока. Достижение цели урока; Выставление оценок с комментариями; 7.Домашнее задание по  теме: «Поверхностное натяжение. Смачивание. Капиллярность.» Самостоятельная работа. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Вариант 1 В жидкостях вблизи каждой молекулы другие молекулы  располагаются в определенном порядке,  говорят, имеется ближний  порядок . Направлены во все стороны Толщина     равна   радиусу   действия   молекулярных   сил(На   каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения к окружающим ее молекулам, удаленным от нее на расстояние порядка  10­9 м) Сферическую  Силу,   которая   действует   вдоль   поверхности   жидкости перпендикулярно   линии,   ограничивающей   эту   поверхность,   и стремится   сократить   ее   до   минимума,   называют   силой поверхностного натяжения. Угол   между   смачиваемой   поверхностью   и   касательной   к поверхности жидкости. Этот угол называют углом смачивания  Искривленную поверхность жидкости вблизи границы ее  соприкосновения с твердым телом называют мениском ­Капилляр, изготовленный из  материала, который жидкостью  смачивается ­   Это   происходит   потому,   что   силы   взаимодействия   молекул жидкости со стенками сосуда больше сил взаимодействия молекул жидкости между собой. ­ Если поверхность жидкости вогнутая, то ее стремление к  сокращению приведет к возникновению равнодействующей силы,  направленной вертикально вверх. В результате жидкость поднимется 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Вариант 2 В масштабе больших областей порядка в расположении молекул  уже нет поэтому говорят, что отсутствует дальний порядок Направлены во все стороны, кроме, стороны,  граничащей с  поверхностью воды Молекулы, образующие поверхностный слой жидкости, обладают дополнительной   потенциальной   энергией   по   сравнению   с молекулами, находящимися внутри жидкости. Шаровую поверхность. Поверхностное натяжение измеряется силой, с которой  поверхностный слой действует на единицу длины того или иного  контура несвободной поверхности жидкости по касательной к этой  поверхности. ( Н/м).   между   смачиваемой   поверхностью   и   касательной   к Угол   поверхности жидкости. Этот угол называют краевым углом. Поднятие жидкостей по тонким трубкам. Такие трубки называют  капиллярными или капиллярами ­ Капилляр, изготовлен  из материала, который жидкостью не  смачивается. ­Это   происходит   потому,   что   силы   взаимодействия   молекул жидкости со стенками сосуда меньше сил взаимодействия молекул жидкости между собой. ­ Если поверхность жидкости выпуклая, то ее стремление к  сокращению приведет к возникновению результирующей силы,  направленной вертикально вниз. В результате жидкость между  пластинами опустится ниже уровня в широкой части сосуда 10. Поднятие (или опускание) жидкости по капилляру прекратится  тогда, когда сила поверхностного натяжения жидкости Fs  уравновесится силой тяжести столба жидкости в капилляре 10. по  теме: «Поверхностное натяжение. Смачивание. Капиллярность.» Самостоятельная работа. Вариант 1 Вариант 2 1. 2. Что называют ближним порядком , есть ли он жидкости? Расставьте силы  взаимного притяжения М1 1. 2. Что называют дальним порядком , есть ли он жидкости? Расставьте силы взаимного  притяжения М2 М1 М2 3. 4. 5. 6. 7. 8. Какова толщина поверхностного слоя? Какую форму принимает жидкости при минимальной  потенциальной энергии ее поверхностного слоя? Какую силу называют силой поверхностного натяжения. По какой формуле находят поверхностное натяжение. Какой угол называют углом смачивания? Дайте определение мениску. 3. Какую силу называют силой поверхностного натяжения. 4. Чем отличаются молекулы, образующие поверхностный  слой жидкости от молекул находящихся внутри нее? 5. Как называют форму, которую принимает жидкость при  минимальной потенциальной энергии ее поверхностного  слоя? 6. Международной системе единиц поверхностное натяжение  измеряется в … 7. Какой угол называют краевым углом? 8. Что называют капилляром? 9.    ­ Укажите , какая это поверхность  (смачиваемая  или несмачиваемая). ­ Почему взаимодействие воды и поверхности  выглядит именно так? ­ Вверх или вниз направлена результирующая? 9.  ­ Укажите , какая это поверхность  (смачиваемая  или несмачиваемая). ­ Почему взаимодействие воды и  поверхности выглядит именно так? ­ Вверх или вниз направлена  результирующая? 10. При каком условии прекращается поднятие жидкости по  капилляру? 10. Запишите формулу для определения высоты поднятия жидкости. М1М1 1. МОНОКРИСТАЛЛЫ И ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕЛА В   узлах   кристаллической   решетки  и о н н о г о   крист а л л а находятся   ионы   противоположных   знаков.   Ионы   располагаются так,   что   силы   электрического   притяжения   между   ионами, имеющими   заряды   противоположных   знаков,   оказываются большими, чем силы отталкивания между ионами одного знака. Именно   поэтому   конфигурация   кристаллической   решетки оказывается   устойчивой   и   может   сохраняться   неограниченно долго.  Так   как   электростатические   силы   одинаковы   по   всем направлениям, то ионы можно рассматривать как противоположно наэлектризованные   шары.   На   рисунке   39   была   показана   схема расположения ионов в кристалле каменной соли. Мы видим, что в ионном   кристалле   ионы   противоположных   знаков   расположены ближе,   чем   ионы   одинакового   знака.   При   этом   каждый положительный  ион окружен шестью  отрицательными  ионами и каждый   отрицательный   ион   —   шестью   положительными   ионами.   Следовательно,   внутри кристалла нельзя выделить молекулу. Весь кристалл представляет как бы одну огромную мо­ лекулу. Такой вид связи называют ионной. 2. В узлах кристаллической решетки  атомного  кристалла находятся нейтральные   атомы.   Связь   между   этими   атомами   можно   упрощенно объяснить следующим образом. При сближении атомов их валентные электроны как бы становятся общими для ближайших соседей. Так, при сближении   атомов   германия   четыре   валентных   электрона   каждого атома становятся общими для ближайших четырех атомов (рис. 40) и обеспечивают взаимодействие с ними. Следует, однако, иметь в виду, что это достаточно грубая модель, отражающая лишь самую существен­ ную особенность взаимодействия атомов в атомном кристалле. Такой вид связи атомов в кристалле называют ковалентной связью. 4.   В   случае  м е т а л л и ч е с к и х   к р и с т а л л о в   в   узлах   решетки располагаются   положительные   ионы  металла,  а   между   ними   хаотически, подобно   молекулам   газа,   движутся   освободившиеся   от   связи   с   атомами свободные электроны. Эти «обобществленные» электроны играют   роль   своеобразного   цемента,   скрепляющего положительные       ионы.       Вместе       с       тем       и положительные   ионы удерживают электроны в пределах кристаллической ре­ шетки, и они поэтому не могут при обычных условиях покинуть кристалл. На рисунках приведены плоское (а) и объемное  (б)  схематические   изображения   ионов   и свободных электронов в металлическом кристалле натрия.     Такую     связь атомов   называют  металлической 3.Наконец,  м о л е к у л я р н ы е   к р и с т а л л ы .   В   их   узлах   находятся   нейтральные   молекулы, которые   удерживаются   силами   молекулярного   притяжения.   Эти   силы   невелики.   Поэтому   твердые вещества   с   молекулярной   решеткой   легко   разрушаются.   Молекулярные   кристаллические   решетки имеют, например, водород, азот, вода, углекислота, когда эти вещества находятся в твердом состоянии. 5. Реальные кристаллы состоят из огромного числа подобных ячеек. При этом надо отметить, что в том   случае,  когда   образованию   кристалла   ничто   не   мешает,   его   форма   в   точности   повторяет форму   элементарной   ячейки.  Такие   кристаллы   называют  монокристаллами.  В   природе встречаются   довольно   большие   монокристаллы   минералов,   а   иногда   и   металлов.   В   лабораториях получают   искусственно   монокристаллы   многих   веществ.   Однако   чаще   мы   имеем   дело   с поликристаллами,   т.   е.   с   такими   кристаллическими   телами,   в   которых   множество   хаотично ориентированных   маленьких   кристалликов   срослись   между   собой.  Такими   поликристаллами являются   все   металлы.   При   этом   иногда   кристаллы,   из   которых   состоит   металл,   видны   даже   не­ вооруженным глазом. Хорошо видны, например, кристаллы цинка. По   своим   свойствам   монокристаллы   отличаются   от   поликристаллов.   Для   большинства монокристаллов   характерна  анизотропия,  т.   е.   различие   свойств   по   разным   направлениям.  У поликристаллов анизотропия существует только внутри каждого кристаллика, но в пределах всего тела обычно анизотропия не обнаруживается. Так, если тонкие пластины монокристалла и поликристалла графита   покрыть   воском,   а   затем   положить   на   середину   каждой   пластины   раскаленный   шарик,   то обнаружится, что на монокристалле граница расплавленного воска будет иметь форму эллипса, а на поликристалле   —   форму   окружности.   Опыт   свидетельствует   об   анизотропии   теплопроводности   у монокристалла и об отсутствии ее у поликристалла. Анизотропия  кристаллов объясняется их строением __________________________________________________________________________________ 3.Наконец,  м о л е к у л я р н ы е   к р и с т а л л ы .   В   их   узлах   находятся   нейтральные   молекулы, которые   удерживаются   силами   молекулярного   притяжения.   Эти   силы   невелики.   Поэтому   твердые вещества   с   молекулярной   решеткой   легко   разрушаются.   Молекулярные   кристаллические   решетки имеют, например, водород, азот, вода, углекислота, когда эти вещества находятся в твердом состоянии. 5. Реальные кристаллы состоят из огромного числа подобных ячеек. При этом надо отметить, что в том   случае,  когда   образованию   кристалла   ничто   не   мешает,   его   форма   в   точности   повторяет форму   элементарной   ячейки.  Такие   кристаллы   называют  монокристаллами.  В   природе встречаются   довольно   большие   монокристаллы   минералов,   а   иногда   и   металлов.   В   лабораториях получают   искусственно   монокристаллы   многих   веществ.   Однако   чаще   мы   имеем   дело   с поликристаллами,   т.   е.   с   такими   кристаллическими   телами,   в   которых   множество   хаотично ориентированных   маленьких   кристалликов   срослись   между   собой.  Такими   поликристаллами являются   все   металлы.   При   этом   иногда   кристаллы,   из   которых   состоит   металл,   видны   даже   не­ вооруженным глазом. Хорошо видны, например, кристаллы цинка. По   своим   свойствам   монокристаллы   отличаются   от   поликристаллов.   Для   большинства монокристаллов   характерна  анизотропия,  т.   е.   различие   свойств   по   разным   направлениям.  У поликристаллов анизотропия существует только внутри каждого кристаллика, но в пределах всего тела обычно анизотропия не обнаруживается. Так, если тонкие пластины монокристалла и поликристалла графита   покрыть   воском,   а   затем   положить   на   середину   каждой   пластины   раскаленный   шарик,   то обнаружится, что на монокристалле граница расплавленного воска будет иметь форму эллипса, а на поликристалле   —   форму   окружности.   Опыт   свидетельствует   об   анизотропии   теплопроводности   у монокристалла и об отсутствии ее у поликристалла. Анизотропия  кристаллов объясняется их строением Жидкие кристаллы В  1889   году   австрийским   ботаником   Ф.   Рейницером   и  немецким физиком   О.   Лиманом   были   открыты   органические   вещества,   которые обладают свойством жидкости ­ текучестью, но сохраняют определенную упорядоченность   в   расположении   молекул   и   анизотропию   свойств, характерную для монокристаллов. Эти вещества получили название жидких кристаллов. Как   же   могут   существовать   жидкие   кристаллы,   совмещающие   в   себе прямо   противоположные  свойства   жидкости   и  металла?   Дело   в   том,  что жидкость, оставаясь в целом изотропной, может состоять из анизотропных молекул. Молекулы, из которых состоит жидкость, имеют удельную форму в виде палочек. Каждая отдельная молекула в этом случае ­ анизотропна. Например,   она   может   пропускать   свет,   который   распространяется   вдоль палочки,   и   поглощать   его,   если   он   распространяется   поперек   этого направления. Но в жидкости все молекулы­палочки расположены хаотически, и в среднем свет поглощается, проходя по разным направлениям, одинаково. Такую ситуацию можно представить, если высыпать коробок спичек в таз с водой  и хорошо перемешать их. Тогда мы увидим, что поверхность воды   со   спичками   будет   изотропной,   т.   е.   по   любому   направлению   мы пересечем приблизительно одинаковое Количество спичек, как вдоль, так и поперек их длины. Представим   теперь,   что   каждая   спичка   обладает   магнитными свойствами, подобно магнитной стрелке. Поместим таз в силовое магнитное поле,   направленное   вдоль   поверхности   воды.   Тогда   все   спички   своими головами   вытянутся   в   одну   сторону,   и   поверхность   приобретет анизотропные   свойства   ­   направления   вдоль   и   поперек   спичек   будут обладать   различными   свойствами.   Приобретя   анизотропные   свойства, жидкость сохранила свои основные свойства: Воду со спичками можно перелить в другой таз, и она примет форму того сосуда, в который ее нальют, спички могут свободно двигаться. Аналогичные   процессы   происходят   и   в   некоторых   жидкостях, состоящих из анизотропных молекул. Под действием внешних воздействий, в частности, электрического поля, тонкие слои такой жидкости приобретают анизотропные свойства, которое  модно использовать в технике. Например, помещая такую жидкость в тонкий зазор толщиной в 0,1­0,01 мм между двумя   стеклянными   пластинами,   на   которых   в   одном   направлении нацарапаны   микроскопические   бороздки,   добиваются   того,   что   все   мо­ лекулы   выстраиваются   вдоль   этих   бороздок.   Такая   плоская   сборная пластинка (ячейка ) хорошо пропускает падающий на нее свет. Если при помощи   прозрачных   электродов   создать   на   отдельных   ее   участках электрическое   поле,   то   ориентация   молекул   в   этих   местах   изменится   и изменится способность пропускать свет. Реальные   процессы,   которые   происходят   в   жидкокристаллических ячейках, значительно сложнее и многообразнее, чем описанная выше модель. Поэтому в настоящее время жидкие кристаллы интенсивно исследуются учеными, а инженеры находят все более широкие и интересные возможности их применения в самых разнообразных устройствах. Выращивание кристаллов (один из методов) Самый   простой,   но   очень   важный   метод   выращивания   кристаллов   ­ выращивание   из   растворов.   К   нему   относится,   в   первую   очередь, выращивание   кристаллов   путем   постепенного   снижения   температуры раствора. Метод хорош тем, что не требует сложной аппаратуры и позволяет выращивать кристаллы очень многих веществ. Однако он пригоден только для хорошо растворимых соединений. Другой способ ­ испарение растворителя. При этом создается небольшое пересыщение раствора, за счет которого и идет кристаллизация. Для   переориентации   молекул   в   тонком   слое   жидкого   кристалла требуются   очень  малые   затраты   электрической   энергии,   и   этот   процесс происходит достаточно быстро за сотые и даже тысячные доли секунды. При помощи   слабых   электрических   сигналов   можно   управлять   тем,   как   слой жидкого кристалла пропускает свет. Такой   принцип   реализован   в   буквенно­цифровых   индикаторах (электронные часы,  микрокалькуляторы, термометры), его используют для создания   экранов   телевизоров,   плоских   дисплеев   компьютеров информационных стендов на железнодорожных вокзалах и в аэропортах. Некоторые жидкие кристаллы меняются при изменении температуры. Это   свойство   используют   в   медицине   для   определения   участков   тела   с повышенной температурой и в технике для контроля качества микросхем. Установка представляет собой сосуд из органического стекла емкостью около 750  мл. В него было налито примерно 600 мл насыщенного раствора медного   купороса.   По  мере   испарения   в   сосуд   подливали   новые   порции раствора. Верхнюю часть стенок сосуда необходимо смазать тонким слоем вазелинового масла, для предотвращения появления кристаллов ­ паразитов. Первоначально   из   поликристаллической   массы   медного   купороса отбирается семь  кристаллов более или менее правильной формы. Каждый опускается   на   тонкой   (0,15   мм)   леске   в   сосуд   с   насыщенным   раствором медного купороса. По мере роста удаляются неудачные кристаллы, обросшие паразитами и потерявшие типичную для монокристаллов  форму. Через три недели остаются только три лучших кристалла, а через месяц всего один. Он был   уже   довольно   велик,   поэтому   линейный   рост   его   замедлился   из­за большой   поверхности   кристаллизации.   Вместо   обычного   в   таких   случаях перемешивания раствора, вращаем сам кристалл. Для этого подвешиваем, его на   леске   (длиной   около   0,7   м),   конец   которой   укрепляем   на   оси микродвигателя.   За   10­12   секунд   работы   двигателя   леска   закручивается настолько, что после закрепления оси обеспечивает медленное вращение мо­ нокристалла   в   течение   примерно   получаса.  На   протяжении   всего   времени эксперимента  сосуд был прикрыт целлофаном, чтобы в него не попадала пыль.