Опишите молекулярное строение твердых тел кратко
Обновлено: 05.07.2024
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Все предметы и вещи, которые окружают нас каждый день, состоят из различных веществ. При этом мы привыкли считать предметами и вещами только что-то твердое – например, стол, стул, чашку, ручку, книгу и так далее.
Три состояния вещества
А воду из-под крана или пар, идущий от горячего чая, мы за предметы и вещи как бы не считаем. Но ведь всё это также является частью физического мира, просто жидкости и газы находятся в другом состоянии вещества. Итак, существует три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. И любое вещество может находиться в каждом из этих состояний по очереди. Если мы достанем куб льда из морозильника и будем его нагревать, то он растает и превратится в воду. Если же мы оставим конфорку включенной, то вода нагреется до 100 градусов по Цельсию и вскоре превратится в пар. Таким образом, одно и то же вещество, то есть один и тот же набор молекул, мы по очереди наблюдали в разных состояниях вещества. Но если молекулы остаются одни и те же, что же тогда меняется? Почему лед – твердый и сохраняет свою форму, вода – легко принимает форму чашки, а пар – и вовсе разлетается в разные стороны? Всё дело в молекулярном строении.
Молекулярное строение твердых тел таково, что молекулы расположены друг к другу очень близко (расстояние между молекулами намного меньше размеров самих молекул), а сдвинуть с места молекулы при таком расположении очень трудно. Поэтому твердые тела сохраняют объем и держат форму. Молекулярное строение жидкости характеризуется тем, что расстояние между молекулами приблизительно равно размеру самих молекул, то есть молекулы расположены уже не так близко, как в твердых телах. А значит, их легче двигать друг относительно друга (поэтому жидкости так легко принимают другую форму), но сила притяжения молекул все еще достаточна, чтобы молекулы не разлетались и сохраняли объем. А вот молекулярное строение газа , напротив, не позволяет газу ни держать объем, ни сохранять форму. Причина в том, что расстояние между молекулами газа намного больше размеров самих молекул, и даже малейшие силы способный разрушить эту шаткую систему.
Причина перехода вещества в другое состояние
Теперь выясним в чем же причина перехода вещества из одного состояния в другое. Например, почему лед при нагревании становится водой. Ответ прост: тепловая энергия конфорки переходит во внутреннюю энергию молекул льда. Получив эту энергию, молекулы льда начинают колебаться все быстрее и быстрее и, в конце концов, выходят из подчинения соседних молекул. Если мы выключим нагревательный прибор, то вода так и останется водой, если же оставим включенным, то вода превратится в пар по уже известной там причине.
Из-за того, что твердые тела сохраняют объем и форму, именно они у нас ассоциируются с окружающим миром. Но если мы посмотрим внимательно, то обнаружим, что газы и жидкости также занимают важную часть физического мира. Например, окружающий нас воздух состоит из смеси газов, главный из которых, азот, тоже может быть жидкостью – но для этого его надо охладить до температуры почти минус 200 градусов по Цельсию. А вот главный элемент обычной лапочки – вольфрамовую нить – можно расплавить, то есть превратить в жидкость, наоборот только при температуре 3422 градусов по Цельсию.
Любое вещество в природе, в зависимости от внешней температуры и давления, может существовать в различных агрегатных состояниях. Одним из таких агрегатных состояний является твердое. Кратко рассмотрим особенности строения твердых тел.
Твердое состояние вещества
К 10 классу известно, что при изменении внешней температуры и давления происходит изменение агрегатного состояния вещества. Агрегатное состояние вещества зависит от пространственной конфигурации молекул, а эти два фактора прямо влияют на возможности молекулярных движений.
Вещество, молекулы которого удерживаются на постоянном расстоянии друг от друга силами межмолекулярного притяжения, находится в твердом состоянии.
Кристаллические вещества
Чаще всего в твердом состоянии молекулы вещества расположены друг относительно друга не хаотично, а в строгом порядке, образуя ту или иную пространственную структуру. С молекулярной точки зрения, такая структура энергетически выгодна, в ней молекулы вещества имеют наименьшую потенциальную энергию.
Строгий порядок при этом определяет геометрическую форму вещества в этом состоянии. Такая геометрическая форма называется кристаллом.
Рис. 1. Примеры кристаллов различных веществ.
Конкретная форма кристаллов может быть самой различной. Например, кристалл поваренной соли имеет форму куба. Если взять соль крупного помола, и рассмотреть ее через лупу, можно убедиться, что углы между гранями кристаллов всегда прямые.
Кристалл льда имеет ажурную шестигранную структуру: модель ледяного кристалла достаточно сложна, но ее шесть граней можно видеть в снежинках.
Кристалл графита имеет слоистую структуру. Именно это позволяет карандашу рисовать: на бумаге остаются слои кристалла графита.
Пространственная организация кристаллов нередко определяет такое важное свойство, как анизотропия — различие физических свойств кристалла в зависимости от направления.
Рис. 2. Поликристаллическое строение.
Аморфные вещества
Существует также класс аморфных веществ, молекулы которых никогда не образуют строгих пространственных структур и всегда располагаются хаотично. Такие вещества нередко рассматриваются как жидкости с крайне высокой вязкостью. К аморфным веществам относятся смолы, пластмассы, стекло.
Битум в твердом состоянии похож на кристалл. Он не меняет формы, растрескивается при ударах, имеет твердость выше, чем у графита. Однако эксперимент, начатый в Квинслендском университете в 1927 г, и продолжающийся до сих пор, показал, что битум может очень медленно течь через воронку под действием тяжести. К настоящему времени из воронки упало девять капель. Подсчитано, что вязкость битума примерно в $2.3×10^$ раз больше, чем у воды.
Рис. 3. Эксперимент с битумом в Квинслендском институте.
Что мы узнали?
Строение твердых тел может быть кристаллическим или аморфным. В кристалле молекулы занимают строго определенное пространственное положение. В результате кристалл имеет определенную геометрическую форму, а также ему свойственна анизотропия. Аморфные вещества подобны жидкостям с очень высокой вязкостью.
Твердое тело имеет собственную форму, не растекается по объему и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры — кристаллические решетки.
Кристаллическое тело может состоять из одного кристалла (монокристалл). Может состоять из многих "сросшихся" кристаллов (поликристаллы).
Монокристаллы обладают анизотропией, поликристаллы изотропны. Анизотропия - различие свойств по разным направлениям. Прежде всего, бросается в глаза различная механическая прочность кристаллов по разным направлениям. Например, кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Так же легко расслаивается в одном направлении кристалл графита. Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Многие кристаллы по-разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Так, кристалл алмаза по-разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей.
Молекулы (ионы, атомы), образующие кристаллическую решетку, колеблются около положения узла, отклоняясь на малые, по сравнению с расстоянием между узлами, расстояния. Чем выше температура тела, тем больше размах колебаний молекул. Кинетическая энергия молекул значительно выше потенциальной энергии их взаимодействия.
Аморфные тела
Если связанные атомы образуют беспорядочные нагромождения, получим аморфное тело (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске). К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др.
Следует иметь в виду, что в ряде случаев одно и то же вещество в зависимости от условий его получения может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Так как аморфные тела могут самопроизвольно переходить в кристаллическое состояние, следует, что кристаллическая форма вещества более устойчива, чем аморфная.
Молекулы кварца: а) кристаллического, б) аморфного.
С точки зрения молекулярного строения аморфные тела следует отнести не к твердым телам - кристаллам, а к жидкостям с очень большой вязкостью.
Все аморфные тела изотропные, т.е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям.
Молекулы аморфных тел движутся так, как движутся молекулы жидкостей, но их подвижность очень мала.
Жидкие кристаллы
Это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия).
По структуре представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости.
Модель жидкого кристалла
Деформация твердого тела
Изменение линейных размеров или форм твердого тела под действием внешних сил.
Виды деформаций. Деформация растяжения или сжатия - изменение любого линейного размера тела (длины, ширины или высоты). Деформация сдвига - перемещение всех слоев твердого тела в одном направлении параллельно некоторой плоскости сдвига. Деформация изгиба - сжатие одних частей тела при растяжении других. Деформация кручения - поворот параллельных сечений образца вокруг некоторой оси под действием внешней силы.
Механические свойства твердых тел
Сила упругости возникает при деформации тела, обусловлена электромагнитными силами взаимодействия составляющих его частиц. При небольшом внешнем воздействии атомы выходят из состояния равновесия и стремятся вернуться в исходное положение. Сила упругости направлена противоположно деформации.
Возьмем медную проволоку длиной l и площадью поперечного сечения S. Подвесим груз, под действием силы тяжести проволока удлинится на
Относительное удлинение
При деформации растяжения , при сжатии - .
Жесткость образца. Модуль Юнга.
Модуль Юнга характеризует упругие свойства вещества. Это постоянная величина, зависящая только от материала, его физического состояния. Физический смысл модуля Юнга: он численно равен напряжению, которое возникло бы в образце при относительной деформации, равной единице. Характеризует способность материала сопротивляться деформации растяжения или сжатия. Значение модуля Юнга табличное.
Механическое напряжение.
Механическим напряжением называется отношение силы упругости, возникающей в образце, к площади поперечного сечения образца
Зависимость между ? и ? является одной из важнейших характеристик механических свойств твердых тел. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой растяжения.
Предел пропорциональности. Существует максимальное напряжение (до точки a на диаграмме) , при котором сохраняется прямая пропорциональность между механическим напряжением и относительным удлинением
Предел упругости. Максимальное напряжение (точка b на диаграмме), при котором еще не возникают заметные остаточные деформации. При снятии внешней силы, деформирующей образец, размеры и формы возвращаются к исходным. При дальнейшем воздействии образец после снятия напряжения уже не восстанавливает свои первоначальные размеры и у тела сохраняется остаточная деформация. Такие деформации называются пластическими (участки bc, cd и de). На участке bc деформация происходит почти без увеличения напряжения. Это явление называется текучестью материала. В точке d достигается наибольшее напряжение, которое способен выдержать материал без разрушения (предел прочности). В точке e происходит разрушение материала.
Материалы, у которых область текучести незначительна, называются хрупкими (стекло, фарфор, чугун).
Механические свойства твердого вещества можно отобразить и на диаграмме
Закон Гука справедлив на участке 01.
Напряжение, при котором материал разрушается называется пределом прочности. При проектировании зданий нельзя допускать, чтобы механическое напряжение в элементах конструкций достигали предельных значений. Для этого вводится так называемый запас прочности или коэффициент безопасности
Значения пределов прочности веществ при различных видах деформации являются табличными.
Пластичные металлы
Одним из наиболее пластичных металлов является золото. Из него можно изготовить так называемое сусальное золото - золотую фольгу толщиной всего несколько микрон.
Древние ученые считали, что всё на свете состоит из воды, земли, воздуха. Оказывается, в чем-то они были правы. Все вещества могут находиться в тех же состояниях, что вода, земля и воздух. Эти состояния называются жидким, твердым и газообразным. На этом уроке вы узнаете, чем отличаются эти состояния друг от друга и чем объясняются эти различия.
Читайте также: