10 класс
§ 46. Строение и свойства твёрдых тел
Кристаллы.
Если рассматривать при помощи лупы или микроскопа крупинки сахара, соли, медного купороса и т. п., то можно заметить, что они ограничены плоскими, как бы шлифованными гранями. Наличие таких естественных граней является признаком нахождения вещества в кристаллическом состоянии.
Кристаллом называют тело определённой геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями.
Тело, представляющее собой одиночный кристалл, называют монокристаллом.
На рисунке 6.42 приведены примеры монокристаллов: а — кристалл исландского шпата; б — кристалл медного купороса; в — кристалл изумруда. Маленькая крупинка сахарного песка является монокристаллом. Большинство же кристаллических тел состоит из множества беспорядочно расположенных и сросшихся между собой мелких кристалликов. Такие тела называют поликристаллами.
Поликристаллами являются все металлы 1 и минералы.
1 Металлы могут существовать и в виде монокристаллов.
В зависимости от условий многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии могут существовать в двух или более разновидностях (модификациях). В этом состоит свойство полиморфизма. Например, углерод имеет различные модификации, например графит и алмаз. Графит — мягкий материал матово-чёрного цвета. Из него изготавливают грифели карандашей. Алмаз — прозрачный и очень твёрдый кристалл. При температуре около 150 °C (при нагревании в вакууме) алмаз превращается в графит. Для того чтобы графит превратить в алмаз, его нужно нагреть до 2000 °C под давлением 10 10 Па.
Важным свойством монокристалла является анизотропия (от греч. anisos — неравный, tropos — поворот, направление) — неодинаковость его свойств (механических, тепловых, электрических и т. д.) по различным направлениям. Если кристаллы поваренной соли, имеющие кубическую форму, раскалывать, то мелкие осколки будут иметь преимущественно форму прямоугольного параллелепипеда. Это означает, что в направлениях, параллельных граням, прочность кристалла поваренной соли гораздо меньше, чем в диагональных и других направлениях.
Правильность внешней формы твёрдых (кристаллических) тел обусловлена тем, что частицы (атомы, молекулы), из которых эти тела состоят, расположены относительно друг друга в определённом порядке, на строго определённых расстояниях друг от друга.
Атомы или молекулы твёрдых тел в отличие от жидкостей не могут разорвать свои связи с ближайшими соседями и колеблются около определённых положений равновесия. Вследствие теплового движения расстояния между частицами несколько меняются, так как они совершают колебания около определённых точек — положений равновесия частиц. Именно эти точки (их называют узлами) и расположены в определённом порядке.
Если мысленно соединить линиями положения равновесия атомов, то получится правильная пространственная решётка, называемая кристаллической. На рисунке 6.43 показаны кристаллические решётки поваренной соли (а) и алмаза (б).
В пространственной решётке можно выделить наименьший фрагмент, повторением которого можно образовать всю решётку. Этот наименьший фрагмент называют элементарной ячейкой решётки. Так, элементарной ячейкой решётки кристалла криптона является куб (рис. 6.44).
В монокристалле криптона такая ячейка повторяется много раз с неизменной ориентацией. На этом основании говорят, что в кристалле наблюдается дальний порядок в расположении атомов или других частиц (ионов, молекул и т. п.), из которых построен кристалл.
Аморфные тела.
В природе существует множество аморфных (от греч. anιorphos — бесформенный) тел. Тепловые, электрические и оптические свойства аморфных тел одинаковы по всем направлениям, т. е. аморфные тела изотропны. Признаком аморфного тела является неправильная форма поверхности при их изломе.
Аморфные тела подобно кристаллическим телам сохраняют свою форму. Однако спустя длительный промежуток времени аморфные тела изменяют свою форму под действием, например, силы тяжести. Это делает их похожими на жидкости. Так, длинная стеклянная трубка, положенная на опоры, в конце концов под действием силы тяжести прогибается. Аморфное состояние неустойчиво, и рано или поздно вещество из аморфного состояния переходит в кристаллическое.
В расположении атомов (молекул) аморфного тела наблюдается беспорядок. Только ближние атомы-соседи располагаются в относительном порядке. Но строгой повторяемости во всех направлениях одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет. Наблюдается лишь так называемый ближний порядок.
На рисунке 6.45, а схематически изображён фрагмент кристаллической решётки кварца — совокупность правильных шестиугольников. Для сравнения на рисунке 6.45, б показана решётка аморфного кварца. Она имеет неправильную форму: наряду с шестиугольниками встречаются пяти- и семиугольники и т. д.
По мере повышения температуры аморфные тела постепенно размягчаются. Это происходит потому, что с ростом температуры учащаются перескоки атомов из одного положения равновесия в другое. Определённой температуры плавления у аморфных тел в отличие от кристаллических веществ нет. Поэтому аморфные твёрдые тела можно рассматривать как переохлаждённые жидкости с очень большой вязкостью.
Тепловое расширение твёрдых тел.
При изменении температуры размеры тел меняются: при нагревании, как правило, увеличиваются, при охлаждении — уменьшаются.
Исследования физических явлений опытным путём
Расширение небольшого стального шара, нагретого на газовой горелке, можно заметить по его прохождению через кольцо. Холодный шар легко проходит через кольцо (рис. 6.46, а), а нагретый — застревает в нём (рис. 6.46, б). Когда шар остынет, он снова проходит через кольцо.
При нагревании тела среднее расстояние между колеблющимися молекулами увеличивается, поэтому увеличиваются и размеры тела. Применительно к твёрдым телам, форма которых при изменении температуры (при равномерном нагревании или охлаждении) не меняется, различают изменение линейных размеров (длины, диаметра и т. п.) — линейное расширение и изменение объёма — объёмное расширение.
Опыт показывает, что при небольших изменениях температуры изменение линейных размеров твёрдого тела прямо пропорционально изменению температуры. Удлинение тела при нагревании (или укорочение при охлаждении) зависит также от его первоначальной длины. Поэтому удобнее рассматривать не само удлинение тела, а относительное удлинение: отношение увеличения длины Δl = l - l0 к первоначальной длине l0. Относительное удлинение пропорционально изменению температуры Δt = t - t0:
Коэффициент пропорциональности ɑɪ называют температурным коэффициентом линейного расширения. Он показывает, на какую долю своего первоначального значения изменяются линейные размеры тела при его нагревании на 1 К. Коэффициент линейного расширения зависит от природы вещества, а также от температуры. Однако, если рассматривать изменения температуры в не слишком широком интервале, зависимостью aɪ от температуры можно пренебречь и считать температурный коэффициент линейного расширения величиной постоянной для данного вещества. Для большинства твёрдых тел его значения составляют 10 -5 - 10 -6 K -1.
Линейный размер твёрдого тела, как следует из формулы (1), зависит от изменения температуры следующим образом:
В формулах (1) и (2) обычно начальное значение температуры полагают равным нулю (t0 = 0 °C). Соответственно l0 считают длиной тела при этой температуре.
На практике начальная температура тела далеко не всегда бывает равна 0 °C. Расчёт длины твёрдого тела при любой температуре выполняют следующим образом. Пусть при температуре t1 длина тела равна l1, а при температуре t2 она равна l2. Тогда длину l2 можно определить по приближённой формуле:
Линейные размеры твёрдых тел увеличиваются прямо пропорционально росту температуры.
При тепловом расширении твёрдых тел возникают силы, которые могут разрушать мосты, изгибать железнодорожные рельсы (рис. 6.47), разрывать провода линий электропередачи. Для того чтобы этого не случилось, при конструировании того или иного сооружения необходимо учитывать тепловое расширение. Например, железнодорожные рельсы на стыках имеют зазор. Несущие детали мостов ставят на катки, способные передвигаться при изменениях длины моста зимой и летом.
Вопросы:
1. Что называют:
а) кристаллом;
б) кристаллической решёткой?
2. В чём заключается свойство анизотропии монокристаллов? Обладают ли этим свойством поликристаллы?
3. В каких телах в расположении атомов или других частиц наблюдается:
а) дальний порядок;
б) ближний порядок?
4. Охарактеризуйте структуру и свойства аморфных тел.
5. В чём заключается физический смысл температурного коэффициента линейного расширения?
Вопросы для обсуждения:
1. Шар, выточенный из монокристалла, при нагревании может изменить не только свой объём, но и форму. Почему?
2. Почему при соединении железнодорожных рельсов оставляют промежутки в стыках, а трамвайные рельсы часто сваривают без промежутков?
Упражнения:
1. При температуре, равной 0 °C, было отмерено 500 м алюминиевой и столько же медной проволоки. Чему будет равна разность длин проволок при температуре 100 °C? Температурный коэффициент линейного расширения алюминия равен 22,9 ∙ 10 -6 К -1, меди - 16,7 ∙ 10 -6 К -1.
2. По железной проволоке длиной 6 м пропущен электрический ток. При этом проволока накалилась докрасна и удлинилась на 37 мм. На сколько повысилась её температура? Температурный коэффициент линейного расширения железа равен 1,2 ∙ 10 -5 C -1.
Это любопытно...
На переднем крае науки и техники
В 1985 г. была открыта ранее неизвестная модификация углерода — фуллерен C60. Молекула фуллерена представляет собой замкнутую сферу, составленную из правильных пятиугольников (пентагонов) и шестиугольников (гексагонов) с атомами углерода в вершинах (рис. 6.48).
Это молекулярное соединение по форме напоминает футбольный мяч. В отличие от графита и алмаза, структура которых представляет собой периодическую решётку атомов, минимальным элементом структуры молекулы фуллерена является не атом, а молекула. В 1985 г. Роберт Кёрл (р. 1933), Харольд Крото (1939—2016), Ричард Смолли (1943—2005) исследовали спектры паров графита, полученных при лазерном облучении твёрдого образца. В экспериментах твёрдая графитовая мишень подвергалась воздействию мощного лазерного излучения. В результате происходило образование плазмы, имеющей температуру 5000 — 10000 °C, в которой и синтезировались молекулы C60. Они идентифицировались методом масс-спектроскопии, т. е. с помощью прибора, позволяющего сортировать атомы и молекулы по их массам. За открытие фуллеренов Р. Кёрл, X. Крото и Р. Смолли были удостоены Нобелевской премии по химии 1996 г.
Свое название фуллерены получили по фамилии архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера (1895—1983), сконструировавшего купол павильона США на выставке в Монреале в 1967 г. в виде сочленённых пяти- и шестиугольников (рис. 6.49).
В настоящее время ведутся исследования по использованию фуллеренов для создания фотоприёмников и оптоэлектронных устройств, алмазных и алмазоподобных плёнок, сверхпроводящих материалов, синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами. Аккумуляторы на основе фуллеренов способны запасать в 5 раз больше энергии (по сравнению с распространёнными сегодня литиевыми аккумуляторами). При этом такие батареи будут иметь более высокую эффективность, малый вес, а также экологическую безопасность. Аккумуляторы на основе фуллеренов могут найти широкое применение для питания персональных компьютеров и слуховых аппаратов.
По мнению специалистов, фуллерены найдут применение в биологии, медицине и фармакологии. Молекулы фуллерена обладают высокой химической активностью благодаря большому числу свободных связей, способных присоединять различные радикалы. Фуллерены могут выступать как замедлители действия белков, блокируя нежелательные реакции, как антиоксиданты, связывая свободные радикалы, и др.
