Кристални и аморфни тела

Заглавие на работата: Кристални и аморфни тела. Видове кристални решетки. течни кристали

Категория: Обобщение на урока

Предметна област: Педагогика и дидактика

Описание: Според техните физични свойства и молекулярна структура твърдите тела се разделят на два класа - аморфни и кристални тела. Молекулите и атомите в изотропните твърди тела са подредени произволно, образувайки само малки локални групи, съдържащи няколко частици с малък обсег.

Дата на добавяне: 2015-02-11

Размер на файла: 177.63 KB

Работата е изтеглена от: 24 души.

Тема №31: „Кристални и аморфни тела. Видове кристални решетки. Течни кристали.»

1 Кристални и аморфни тела.

Според техните физични свойства и молекулярна структура твърдите вещества се разделят на два класа - аморфни и кристални твърди вещества. Характерна особеност на аморфните тела е тяхната изотропност, т.е. независимостта на всички физически свойства (механични, оптични и др.) От посоката. Молекулите и атомите в изотропните твърди тела са подредени на случаен принцип, образувайки само малки локални групи, съдържащи няколко частици (порядък на къси разстояния).

Като примери за аморфни тела могат да служат стъкло, различни втвърдени смоли (кехлибар), пластмаси и др.Ако аморфното тяло се нагрее, то постепенно се омекотява и преходът към течно състояние заема значителен температурен диапазон.

Проучванията показват, че структурите на течностите и аморфните тела имат много общи неща. В аморфни и течни тела се наблюдава близък ред в опаковането на частиците (атоми или молекули). Поради тази причина аморфните тела се считат за много гъсти, вискозни (замръзнали) течности.

При външни влияния аморфните вещества едновременно проявяват еластични свойства,като кристални твърди вещества и течливост като течности. Така че, при краткотрайни въздействия (въздействия), те се държат като твърди вещества и при силен удар се разпадат на парчета. Но при много дълго излагане (например разтягане) текат аморфни вещества. Това може да се види и у дома, ако имате търпение. Например катранът (или катранът, битумът) също е аморфно вещество. Ако го натрошите на малки части и напълните съда с получената маса, след известно време смолата ще се слее в едно цяло и ще приеме формата на съд.

Има 4 модификации на желязото, 9 модификации на сярата и т.н. Всяка модификация е стабилна в определен диапазон от температури и налягания.

Фигура 9 показва плоска диаграма на разположението на молекулите на кварц от кристално тяло (а) и кварцово стъкло от аморфно тяло (б).

В кристалните тела частиците са подредени в строг ред, образувайки пространствени периодично повтарящи се структури в целия обем на тялото. За визуално представяне на такива структури се използват пространствени кристални решетки, в чиито възли са разположени центровете на атоми или молекули на дадено вещество.

Най-често кристалната решетка е изградена от йони (положително и отрицателно заредени) атоми, които влизат в състава на молекулата на дадено вещество. Например, готварската солна решетка съдържа йони Na+ и Cl, които не са комбинирани по двойки в молекули NaCl (фиг. 3.6.1). Такива кристали се наричат йонни.

Фигура 3.6.1. Кристалната решетка на трапезната сол.

Във всяка пространствена решетка може да се разграничи структурен елемент с минимален размер, който се нарича елементарна клетка. Цялата кристална решетка може да бъде изградена отпаралелен трансфер (транслация) на елементарната клетка в някои посоки. Теоретично е доказано, че могат да съществуват общо 230 различни пространствени кристални структури. Повечето от тях (но не всички) се срещат в природата или са създадени изкуствено. Кристалните решетки на металите често са под формата на шестоъгълна призма (цинк, магнезий), куб с лицев център (мед, злато) или центриран куб с тяло (желязо).

Кристалните тела могат да бъдат монокристали и поликристали. Поликристалните тела се състоят от много произволно ориентирани малки кристали, слети заедно, които се наричат кристалити. Големите монокристали рядко се срещат в природата и технологията. Най-често кристалните твърди вещества, включително тези, които са получени изкуствено, са поликристали. За разлика от монокристалите, поликристалните твърди вещества са изотропни, т.е. техните свойства са еднакви във всички посоки. Поликристалната структура на твърдото вещество може да се открие с микроскоп, а понякога се вижда и с просто око (чугун).

Примери за монокристали са скъпоценни камъни, исландски шпат (фиг. 3), топаз (фиг. 4).

Примери за поликристали са: каменна сол (фиг. 5), кварц (фиг. 6), захар, лед, желязо, мед.

Редът в структурата на кристала води до анизотропия, т.е. зависимост на физичните свойства от избраната посока. Обяснява се с разликата в плътността на частиците в кристалната решетка в различни посоки.

На първо място, различната механична якост на кристалите в различни посоки е поразителна. Например, парче слюда лесно се разслоява в една от посоките на тънки плочи,но разбиването му в посока, перпендикулярна на плочите, е много по-трудно. Графитният кристал също лесно се разслоява в една посока. Когато пишете с молив, това разслояване става непрекъснато и върху хартията остават тънки слоеве графит. Много кристали провеждат топлина и електрически ток по различен начин в различни посоки. От посоката зависят и оптичните свойства на кристалите. И така, диамантеният кристал пречупва светлината по различен начин в зависимост от посоката на падащите върху него лъчи.

Монокристалите са анизотропни, поликристалите са изотропни.

Кристалните тела имат определена температура на топене tmelt, която не се променя по време на топене при постоянно налягане (фиг. 8, крива 1).

Познавайки точката на топене и температурата на тялото, винаги е възможно да се определи в какво състояние на агрегация ще бъде кристалното тяло: ако температурата на тялото е по-висока от точката на топене, тогава тялото е в течно състояние, ако е по-малко, то е в твърдо състояние.

Много вещества могат да съществуват в няколко кристални модификации (фази), които се различават по физични свойства. Това явление се нарича полиморфизъм. Преходът от една модификация към друга се нарича полиморфен преход. Интересен и важен пример за полиморфен преход е превръщането на графит в диамант. Този преход в производството на изкуствени диаманти се извършва при налягания от 60100 хиляди атмосфери и температури от 15002000 К. Има 4 модификации на желязо, 9 модификации на сяра и т.н. Всяка модификация е стабилна в определен диапазон от температури и налягания.

2 Видове кристални решетки

Структурите на кристалните решетки се изследват експериментално с помощта на рентгенова дифракция върху монокристали или поликристални проби. Наориз. 3.6.2 показва примери за прости кристални решетки. Трябва да се помни, че частиците в кристалите са плътно опаковани, така че разстоянието между техните центрове е приблизително равно на размера на частиците. В изображението на кристалните решетки е посочено само положението на центровете на частиците.

Ориз. 3.6.2. Прости кристални решетки: 1 проста кубична решетка; 2 лицево центрирана кубична решетка; 3 центрирани по тялото куб

решетка; 4 шестоъгълна решетка.

В простата кубична решетка частиците са разположени във върховете на куба. В лицево-центрирана решетка частиците са разположени не само във върховете на куба, но и в центровете на всяко от лицата му. Показано на фиг. 3.6.1 готварската солна решетка се състои от две лицево-центрирани решетки, вложени една в друга, състоящи се от Na + и Cl. В обемно-центрирана кубична решетка допълнителна частица е разположена в центъра на всяка елементарна кубична клетка. Кристалните структури на металите имат важна особеност.

Положително заредените метални йони, които образуват кристалната решетка, се задържат близо до равновесните позиции от силите на взаимодействие с "газа от свободни електрони" (фиг. 3.6.3). Електронният газ се образува от един или повече електрони, дарени от всеки атом. Свободните електрони могат да се скитат из целия обем на кристала.

3 Течни кристали

Течните кристали (съкратено LC) са вещества, които едновременно притежават свойствата както на течности (течливост), така и на кристали (анизотропия). Според структурата LC са течности, подобни на желе, състоящи се от продълговати молекули, подредени по определен начин в целия обем на тази течност. Най-характерното свойство на LC е способността им да променят ориентациятамолекули под въздействието на електрически полета, което открива широки възможности за тяхното приложение в индустрията.

Една особена комбинация от свойства, присъщи както на течности, така и на кристали, се дължи на особеностите на вътрешната молекулна структура на течните кристали. В зависимост от естеството на подреждането на молекулите се разграничават три основни типа термотропни течни кристали: смектични, нематични и холестерични, а напоследък се разграничават и дискотични фази.

Смектичните (от гръцки smegma сапун, мехлем) течни кристали могат да се образуват от вещества, чиито молекули имат удължена пръчковидна форма и са ориентирани успоредно една на друга, образувайки тънък слой. Вътре в слоевете, в странични посоки, няма строга периодичност в подреждането на молекулите. Смектичните течни кристали са например преливащи се сапунени мехурчета. Смектичният слой има най-важното свойство на твърд кристал - анизотропията на оптичните свойства, тъй като светлината се разпространява по дългата ос на молекулите с по-ниска скорост, отколкото през нея, а индексите на пречупване в течен кристал са различни в тези посоки.

Вторият тип термотропни течнокристални вещества се нарича нематичен (от гръцки. Nema нишка). Тези вещества съдържат нишковидни частици, които или се утаяват по стените на съда, или остават свободни. Тези нишки изглеждат "сресани" и вървят успоредно една на друга, но могат да се плъзгат нагоре и надолу. Нематичните течни кристали не са толкова подредени, колкото смектичните. Те обаче са и оптически анизотропни и под микроскоп дават "моаре" текстура с редуващи се светли и тъмни ивици. Нематичните течни кристални частици реагират на електрически и магнитни полета по същия начин като железните стружки,разположени по подреден начин по протежение на силовите линии на полето.

Холестеричните течни кристали са предимно производни на холестерола. Тук плоските и дълги молекули се събират на слоеве по същия начин, както при смектичните, но вътре във всеки слой подреждането на частиците прилича повече на нематични течни кристали. Интересно е, че най-тънките съседни молекулни слоеве в холестеричен течен кристал са леко завъртяни един спрямо друг, поради което купчина от такива слоеве описва спирала в пространството. Благодарение на такава особена структура тези течни кристали имат оригинални оптични свойства. Обикновената светлина, преминавайки през такива вещества, се разпада на два лъча, които се пречупват по различен начин. Когато безцветен, като вода, холестеричен течен кристал навлезе в зона с променяща се температура, той придобива ярък цвят.

Дискотичните течни кристали, открити от Чандрасекар (САЩ) и други, са система от течни колони, образуващи двуизмерна решетка.

Трите основни вида термотропни течни кристали са смектични, нематични и холестерични.

Едно от важните направления в използването на течни кристали е термографията. Чрез избора на състава на течнокристално вещество се създават индикатори за различни температурни диапазони и за различни дизайни. Например, течни кристали под формата на филм се прилагат към транзистори, интегрални схеми и печатни платки на електронни схеми. Дефектните елементи, много горещи или студени, неработещи, веднага се забелязват чрез ярки цветни петна. Лекарите са получили нови възможности: течнокристален индикатор върху кожата на пациента бързо диагностицира латентно възпаление и дори тумор.

С помощта на течни кристали се откриват изпарения на вредни химични съединения и опасни за здравето.човешкото гама и ултравиолетово лъчение. На базата на течни кристали са създадени измерватели на налягането и ултразвукови детектори. Но най-обещаващата област на приложение на течнокристалните вещества са информационните технологии. Минаха само няколко години от първите индикатори, познати на всички от електронните часовници, до цветните телевизори с течнокристален екран с размерите на пощенска картичка. Тези телевизори осигуряват много висококачествено изображение, консумирайки нищожно количество енергия от малка батерия или батерия.