Твёрдое тело

Атомы, молекулы, ионы — микроскопические частицы строения материи

Значительный прорыв в понимании микромира произошел в XX веке, когда был изобретен электронный микроскоп. С учетом открытий, сделанных учеными ранее, удалось сложить стройную картину микромира. Теории, описывающие состояние и поведение мельчайших частиц вещества, довольно сложные, они относятся к области квантовой физики. Для понимания особенностей разных агрегатных состояний материи достаточно знать названия и особенности основных структурных частиц, которые образуют разные вещества.

1. Атомы — химически неделимые частицы. Сохраняются в химических реакциях, но разрушаются в ядерных. Металлы и многие другие вещества атомарного строения имеют твердое агрегатное состояние при обычных условиях.
2. Молекулы — частицы, которые разрушаются и образуются в химических реакциях. Молекулярное строение имеют кислород, вода, углекислый газ, сера. Агрегатное состояние кислорода, азота, диоксидов серы, углерода, кислорода при обычных условиях — газообразное.
3. Ионы — заряженные частицы, в которые превращаются атомы и молекулы, когда присоединяют или теряют электроны — микроскопические отрицательно заряженные частички. Ионное строение имеют многие соли, например поваренная, железный и медный купорос.

Есть вещества, частицы которых определенным образом расположены в пространстве. Упорядоченное взаимное положение атомов, ионов, молекул называют кристаллической решеткой. Обычно ионные и атомарные кристаллические решетки характерны для твердых веществ, молекулярные — для жидкостей и газов. Высокой твердостью отличается алмаз. Его атомная кристаллическая решетка образована атомами углерода. Но мягкий графит тоже состоит из атомов этого химического элемента. Только они по-другому расположены в пространстве. Обычное агрегатное состояние серы — твердое, но при высоких температурах вещество превращается в жидкость и аморфную массу.

Разнообразие веществ

За последние 200 лет человечество изучило свойства веществ лучше, чем за всю историю развития химии. Естественно, количество веществ так же стремительно растет, это связано, прежде всего, с освоением различных методов получения веществ.

В повседневной жизни мы сталкиваемся с множеством веществ. Среди них – вода, железо, алюминий, пластмасса, сода, соль и множество других. Вещества, существующие в природе, например, кислород и азот, содержащиеся в воздухе, вещества, растворенные в воде, и имеющие природное происхождение, называются природными веществами. Алюминия, цинка, ацетона, извести, мыла, аспирина, полиэтилена и многих других веществ в природе не существует.

Их получают в лаборатории, и производит промышленность. Искусственные вещества не встречаются в природе, их создают из природных веществ. Некоторые вещества, существующие в природе, можно получить и в химической лаборатории.

Так, при нагревании марганцовки выделяется кислород, а при нагревании мела – углекислый газ. Ученые научились превращать графит в алмаз, выращивают кристаллы рубина, сапфира и малахита. Итак, наряду с веществами природного происхождения существует огромное множество и искусственно созданных веществ, не встречающихся в природе.

Вещества, не встречающиеся в природе, производятся на различных предприятиях: фабриках, заводах, комбинатах и т.п.

В условиях исчерпания природных ресурсов нашей планеты, сейчас перед химиками стоит важная задача: разработать и внедрить методы, при помощи которых можно искусственно, в условиях лаборатории, или промышленного производства, получать вещества, являющиеся аналогами природных веществ. Например, запасы топливных ископаемых в природе на исходе.

Может настать тот момент, когда нефть и природный газ закончатся. Уже сейчас ведутся разработки новых видов топлива, которые были бы такими же эффективными, но не загрязняли окружающую среду. На сегодняшний день человечество научилось искусственно получать различные драгоценные камни, например, алмазы, изумруды, бериллы.

Типы твердых тел

Зависимо от степени проявления тех или иных свойств, все твердые тела можно поделить на такие основные типы:

• Аморфные
• С кристаллической структурой

Огромное разнообразие твердых тел по сути можно рассматривать как бесконечное количество молекулярных связей. Без использования всего разнообразия твердых тел с различными свойствами и характеристиками невозможно было бы представить себе текущий уровень развития науки и техники. Множество приборов и серьезного научного оборудования созданы на основании знаний того, какими свойствами обладают твердые тела, например, огромное количество электронного оборудования использует полупроводники со своими уникальными свойствами и возможностями. Речь идет о магнитах, сверхпроводниках и прочих материалах, без которых было бы невозможным такое стремительное развитие науки.

Таким образом, твёрдые тела это один из важнейших предметов изучения физики и одно из важнейших предпосылок к перспективам развития науки. В частности, сегодня ученых интересуют свойства твердых тел с кристаллической структурой внутреннего строения, которые проявляются в результате взаимодействия частиц.

Коллективные свойства электронов дают возможность электропроводности тех или иных тел, тип коллективного колебания, возникающего при поглощении тепла, определяет степень теплоемкости. Определено, что тепловые свойства твердых тел разные: некоторым твердым телам более свойственно поглощение тепла и соответственного нагревания, а некоторым – меньше. На основании получаемых данных рассматриваются варианты, при которых управление свойствами твердых тел используется в полезных практических и научных целях.

Свойства кристаллических твердых тел предполагают наличие кристаллической решетки. В этих телах частицы имеют четкую структуру, четкую периодичность и порядок размещения структурных единиц и составляющих элементов всей конструкции. Свойства твердого вещества аморфного типа – совершенно иные. Они представляют собой огромное количество хаотичного скопления атомов.

Еще одной отличительной чертой кристаллического тела является анизотропность. Данная характеристика твердых тел-кристаллов предполагает зависимость свойств тела от направления внутри кристалла.

Кристаллическая структура присуща всем металлам, именно поэтому они – лучшие материалы для строительства

Однако важно обратить внимание на то, что анизотропность не проявляется постоянно. В обычном состоянии эта характеристика никак не проявляется у металлов. Оказывается, в некоторых случаях вещество может пребывать в аморфном и кристаллическом состоянии одновременно

Оказывается, в некоторых случаях вещество может пребывать в аморфном и кристаллическом состоянии одновременно.

Особые свойства твердых тел

• Анизотропия – одно из свойств твердого вещества, которое заключается в зависимости физических свойств от направления в кристалле.
• Изотропия – отсутствие зависимости свойства тела от направления
• Полиформизм – особое свойство, которое заключается в способности твёрдых тел находиться в состоянии с различной кристаллической решёткой. Свойство присуще только твердому агрегатному состоянию веществ.

Молекулы и атомы тел типа аморфные поддаются колебаниям, однако незначительным по сравнению с жидкостью, поэтому по внутренним свойствам их можно приравнять к кристаллическим.

Их атомы не находятся в постоянном процессе перестраивания из одного положения в другое, поэтому их состояние равновесия характеризуется как неменяющееся. Аморфные тела в состоянии низкой температуры отвечают свойствам твердых тел. При повышении температуры – меняются связи на молекулярном уровне, а тела начинают напоминать по своим свойствам жидкость.

Аморфные тела имеют одновременно схожесть и с кристаллическими, и с твердыми телами, и с жидкими. Из частицы находятся в определенном порядке, что позволяет создавать материалы, вещества, предметы с заданными и ожидаемыми свойствами. Управляемые свойства твердых тел физика рассматривает как одно из самых основных направлений практически ориентированного изучения того, какими общими свойствами обладают твердые тела и как этими свойствами управлять.

Два очень редких результата аномалий в природе

В природе встречаются очень редкие соединения, которые обладают невероятной прочностью.

• Нитрид бора – вещество, кристаллы которого имеют специфическую вюрцитную форму. С приложением нагрузок соединения между атомами в кристаллической решетке перераспределяются, повышая прочность на 75 %. Показатель твердости – 114 ГПа. Образуется это вещество при вулканических извержениях, в природе его очень мало.
• Лонсдейлит (на главном фото) – соединение аллотропного углерода. Материал был обнаружен в воронке метеорита, считается, что он образовался из графита под воздействием условий взрыва. Показатель твердости – 152 ГПа. В природе встречается редко.

Неупорядоченная сверходнородность

У кур есть пять колбочек в сетчатке. Четыре обнаруживают цвет и одна отвечает за уровни света. Однако, в отличие от человеческого глаза или шестиугольных глаз насекомых, эти колбочки рассредоточены случайно, не имеют реального порядка. Происходит это потому, что колбочки в глазу курицы имеют зоны отчуждения вокруг, а те не позволяют двум колбочкам одного типа находиться рядом. Из-за зоны отчуждения и формы колбочек они не могут образовывать упорядоченные кристаллические структуры (как в твердых веществах), но когда все колбочки рассматриваются как одно целое, оказывается, что они имеют высокоупорядоченный узор, как видно на изображениях Принстона ниже. Таким образом, мы можем описать эти колбочки в сетчатке куриного глаза как жидкость при ближайшем рассмотрении и как твердое вещество при взгляде издалека. Это отличается от аморфных твердых тел, о которых мы говорили выше, поскольку этот сверходнородный материал будет выступать как жидкость, а аморфное твердое тело — нет.

Особенности, присущие только жидкостям

Для каждой жидкости, благодаря наличию в ней молекулярных сил, присущи такие свойства, как поверхностное натяжение и капиллярный эффект. Если вещество находится в поле тяжести, например, нашей Земли, то любое помещенное в нее тело будет выталкиваться из жидкости согласно знаменитому закону Архимеда.

Если же на жидкость не действует гравитация, то выталкивающая сила будет равна нулю. Кроме того, в отсутствии внешних сил веществ в таком состоянии стремится приобрести наименьшую площадь поверхности, уменьшая тем самым полную энергию. Именно поэтому в условиях невесомости капли воды имеют сферическую форму, так как шар является фигурой с наименьшей площадью поверхности для этого объема жидкости.

Капиллярные свойства объясняются способностью молекул вступать в связи не только друг с другом, но и с атомами и молекулами других тел. Эти физические характеристики жидкости называются когезия и адгезия, соответственно.

Говоря кратко о строении газообразных, жидких и твердых тел, следует упомянуть свойство вязкости, которое присуще жидкому и газообразному состоянию. Под вязкостью понимается способность сопротивляться какому-либо смещению слоев вещества относительно друг друга при наличии градиента давления. Для жидкостей этот показатель зависит от скорости смещения этих слоев, температуры и молекулярной массы. Чем выше скорость движения тела в жидкости, чем больше молекулярная масса частиц жидкости, и чем ниже температура, тем больше вязкость.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Молекула — это

1) мельчайшая частица вещества 2) частица вещества, сохраняющая его химические свойства 3) мельчайшая частица вещества, сохраняющая все его свойства 4) мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства

2. О том, что между частицами вещества существуют промежутки, свидетельствуют:

А. Сжимаемость газов Б. Разделение вещества на части

Правильный ответ

1) только А 2) только Б 3) и А, и Б 4) ни А, ни Б

3. При нагревании столбика воды в чайнике

1) уменьшается среднее расстояние между молекулами воды 2) увеличивается среднее расстояние между молекулами воды 3) увеличивается объём молекул воды 4) уменьшается объём молекул воды

4. При растяжении медной проволоки между молекулами

1) действуют только силы притяжения 2) действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, но силы притяжения больше сил отталкивания 3) действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, но силы отталкивания больше сил притяжения 4) действуют только силы отталкивания

5. Твёрдое упругое тело сжали, поставив на него груз. Как изменились силы взаимодействия между молекулами вещества этого тела?

1) увеличились только силы притяжения 2) увеличились только силы отталкивания 3) увеличились и силы притяжения, и силы отталкивания, но силы притяжения стали больше, чем силы отталкивания 4) увеличились и силы притяжения, и силы отталкивания, но силы отталкивания стали больше, чем силы притяжения

6. В каком агрегатном состоянии находится вещество, если оно не имеет собственной формы, но имеет собственный объём?

1) только в жидком 2) только в газообразном 3) в жидком или газообразном 4) только в твёрдом

7. В каком агрегатном состоянии находится вещество, если оно не имеет ни собственной формы, ни собственного объёма?

1) только в жидком 2) только в газообразном 3) в жидком или газообразном 4) только в твёрдом

8. Наименьшая упорядоченность в расположении частиц характерна для

1) газов 2) жидкостей 3) кристаллических тел 4) аморфных тел

9. В процессе перехода воды из жидкого состояния в кристаллическое

1) увеличивается расстояние между молекулами 2) молекулы начинают притягиваться друг к другу 3) увеличивается упорядоченность в расположении молекул 4) уменьшается расстояние между молекулами

10. При превращении леденца из аморфного состояния в кристаллическое на его поверхности образуются кристаллики сахара. При этом

1) существенно увеличиваютcя расстояния между молекулами сахара 2) молекулы сахара перестают хаотически двигаться 3) увеличивается упорядоченность в расположении молекул сахара 4) существенно уменьшаются расстояния между молекулами сахара

11. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Молекула — мельчайшая частица вещества. 2) Передача давления жидкостью и газом обусловлена подвижностью их молекул. 3) В не деформированном теле силы притяжения между молекулами равны силам отталкивания. 4) На малых расстояниях между молекулами действуют только силы отталкивания. 5) Взаимодействие между молекулами имеет гравитационную природу.

12. Из приведённых утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Вода при переливании из одного сосуда в другой принимает форму сосуда. 2) Диффузия в жидкостях происходит быстрее, чем в газах. 3) Молекулы вещества находятся в непрерывном направленном движении. 4) При данной температуре все молекулы движутся с одинаковыми скоростями. 5) Вода растекается по деревянному столу, так как силы взаимодействия между молекулами воды меньше, чем силы взаимодействия между молекулами воды и дерева.

Хрупкость и вязкость

Если постоянно прилагать внешнее воздействие на любой твердый материал, то он рано или поздно разрушится. Существует два вида разрушений:

• хрупкое;
• вязкое.

Первое характеризуется возникновением и быстрым ростом трещин. Хрупкие разрушения приводят к катастрофическим последствиям на производстве, поэтому стараются использовать материалы и условия их эксплуатации, при которых разрушение материала было бы вязким. Последнее характеризуется медленным ростом трещин и поглощением большого количества энергии до разрушения.

Для каждого материала существует температура, которая характеризует хрупко-вязкий переход. В большинстве случаев уменьшение температуры переводит разрушение из вязкой области в хрупкую.

Свойства твердых веществ

Что нам известно на сегодняшний день? Ученые давно изучают свойства твердого состояния вещества. При воздействии на него температур изменяется и оно. Переход такого тела в жидкость называют плавлением. Трансформация твердого вещества в газообразное состояние называется сублимацией. При понижении температуры происходит кристаллизация твердого тела. Некоторые вещества под действием холода переходят в аморфную фазу. Этот процесс ученые называют стеклованием.

При фазовых переходах изменяется внутренняя структура твердых тел. Наибольшую упорядоченность она приобретает при понижении температуры. При атмосферном давлении и температуре Т > 0 К любые вещества, существующие в природе, затвердевают. Только гелий, для кристаллизации которого нужно давление в 24 атм, составляет исключение из этого правила.

Твердое состояние вещества придает ему различные физические свойства. Они характеризуют специфическое поведение тел под воздействием определенных полей и сил. Эти свойства подразделяют на группы. Выделяют 3 способа воздействия, соответствующие 3 видам энергии (механической, термической, электромагнитной). Соответственно им существует 3 группы физических свойств твердых веществ:

• Механические свойства, связанные с напряжением и деформацией тел. По этим критериям твердые вещества делят на упругие, реологические, прочностные и технологические. В покое такое тело сохраняет свою форму, но оно может изменяться под действием внешней силы. При этом его деформация может быть пластической (начальный вид не возвращается), упругой (возвращается в первоначальную форму) или разрушительной (при достижении определенного порога происходит распад/разлом). Отзыв на прилагаемое усилие описывают модулями упругости. Твердое тело сопротивляется не только сжатию, растяжению, но и сдвигам, кручению и изгибам. Прочностью твердого тела называют его свойство сопротивляться разрушению.
• Термические, проявляющиеся при воздействии тепловых полей. Одно из самых важных свойств – температура плавления, при которой тело переходит в жидкое состояние. Оно отмечается у кристаллических твердых веществ. Аморфные тела обладают скрытой теплотой плавления, поскольку их переход в жидкое состояние при повышении температуры происходит постепенно. По достижении определенной теплоты аморфное тело теряет упругость и приобретает пластичность. Это состояние означает достижение им температуры стеклования. При нагревании происходит деформация твердого тела. Причем оно чаще всего расширяется. Количественно это состояние характеризуется определенным коэффициентом. Температура тела влияет на такие механические характеристики, как текучесть, пластичность, твердость и прочность.
• Электромагнитные, связанные с воздействием на твердое вещество потоков микрочастиц и электромагнитных волн большой жесткости. К ним условно относят и радиационные свойства.

Проводимость графита — редкий пример проводника неметалла

Электрический ток — это направленный поток заряженных частиц. Такими заряженными частицами могут быть ионы или электроны, способные свободно передвигаться. В некоторых случаях способность материала проводить или не проводить электрический ток позволяет судить о его структуре.

Графит — редкий пример проводника — неметалла. На практике его используют в качестве токопроводящих «щеток» в электроинструменте.

Графит проводит ток, поскольку каждый атом углерода в его структуре соединен ковалентно только с 3 другими атомами. Таким образом, 1 (4-ы) электрон у каждого атома остается относительно свободным, принимая участия в образовании связи, «размазанной» по всему слою атомов. Такая связь называется делокализованной. Она является источников электронов, способных свободно передвигаться по слоям графита проводить электрический ток.

Интересное видео, в котором наглядно показана не только проводимость графита, но и образование электрической дуги между графитовыми стержнями.

Когда вещества с ионными связями (соли) расплавлены или растворены в воде, кристаллическая решетка разрушается, ионы становятся свободными и могут проводить электричество. Это явление помогло в свое время ученым понять, что ионные вещества состоят из заряженных частиц.

Упругость — главное свойство всех твердых материалов

Прилагая к твердому веществу даже самое маленькое напряжение, мы вызываем его деформацию. Иногда деформация может быть настолько маленькой, что этого можно не заметить. Тем не менее, все твердые материалы деформируются при приложении внешней нагрузки. Если после снятия этой нагрузки деформация исчезает, то говорят об упругости материала.

Яркий пример явления упругости — сжатие металлической пружины, которое описывается законом Гука. Через силу F и абсолютное растяжение (сжатие) x этот закон записывается так:

Здесь k — некоторое число.

В случае объемных металлов закон Гука принято записывать через приложенное внешнее напряжение σ, относительную деформацию ε и модуль Юнга E:

Модуль Юнга является постоянной величиной для конкретного материала.

Особенностью упругой деформации, которая отличает ее от деформации пластической, является обратимость. Относительные изменения размеров твердых веществ при упругой деформации не превышают 1%. Чаще всего они лежат в районе 0,2 %. Упругие свойства твердых тел характеризуются отсутствием смещения положений структурных элементов в кристаллической решетке материала после прекращения действия внешней нагрузки.

Если внешнее механическое усилие достаточно велико, то после прекращения его действия на теле можно видеть остаточную деформацию. Она называется пластической.

Газы

Газ — это вещество, не имеющее определенного объёма и формы. Согласно кинетической теории, энергии молекул газа достаточно, чтобы разорвать связывающие их силы, они разлетаются и заполняют весь предостав­ленный им объем. Этот процесс называем диффузией. Воздушный шарик надувается по мере того, как его наполняет газ. Через пятнадцать минут воздух и бром перемешаются, так как их молекулы распределяются по обеим банкам (см. рис.). Запахи (ароматы цветов) – это тоже газы, распространяющиеся в воздухе с помощью диффузии. Давление газа зависит от того, на­сколько интенсивно его молекулы ударяются о стенки сосуда. Если (при неизменной температуре) уменьшить объем газа, скажем, уменьшив объем сосуда, то его давление возрастет, поскольку молекулы газа будут чаще ударять по стенкам. Давление также возрас­тет, если в сосуд накачать новую порцию газа. При нагревании молекулы газа начинают двигаться быстрее и на большее рас­стояние, т.к. газ расширяется и становится менее плотным. Если нагреваемый газ не имеет возможности расширяться, его давление возрастает.