Конспект урока и презентация на тему «Кристаллы», 1 курс

Конспект урока и презентация на тему «Кристаллы»,
1 курс, специальность «Живопись (по видам)»
Емельяненко Татьяна Александровна, преподаватель естественно-научных
дисциплин ГБПОУ «Самарское художественное училище
им. К.С. Петрова-Водкина», г. Самара
Цель: сформировать у студентов представление о строении и свойствах
кристаллов.
Задачи: ознакомиться со строением и свойствами твердых тел на примере
кристаллов, сформировать представления о жидких кристаллах, научиться
моделировать кристаллические решетки. Ознакомиться с понятиями:
механические свойства твердых тел, кристаллизация, анизотропия,
классификацией кристаллов. Повторить понятие аллотропия, аллотропные
модификации. Сравнить свойства тел находящихся в разных агрегатных
состояниях.
Оборудование: рисунки, фото кристаллов и кристаллических решеток,
модели кристаллических решеток. Проектор, персональный компьютер.
Комбинированное занятие.
Методы: словесный, наглядный.
План занятия
 Организационные мероприятия (5мин.).
 Изучение нового материала (25мин.).
 Обобщение (5мин.).
 Рефлексия (5мин.).
 Индивидуальные задания (5мин.).
Ход занятия.
 Организационные мероприятия.
 Изучение нового материала:
Непрерывное беспорядочное движение молекул приводит их в такое
состояние, при котором энергия системы принимает минимальное значение,
равномерно распределяясь между всеми молекулами – участниками
взаимодействия.
Поняв в природу кристаллических тел, люди научились создавать самые
разнообразные кристаллы, даже такие, которых раньше не существовало в
природе. Были синтезированы фианиты, по своим свойствам не уступающие
алмазу. Люди стали выращивать искусственные рубины, сапфиры, изумруды,
алмазы для научных и промышленных целей. Особое значение имеет
получение полупроводниковых кристаллических материалов (кремний,
германий). Они используются для получения полупроводниковых приборов,
применяющихся в радиоэлектронной промышленности (при производстве
интегральных схем для компьютеров, телевизоров, музыкальной и другой
техники).
1
При увеличении температуры кристалла, увеличивается кинетическая
энергия молекул, что приводит к росту амплитуды колебаний молекул около
положения равновесия. Если средняя кинетическая энергия = потенциальной,
то молекула может покинуть свое место в кристалле и занять другое
положение в пространстве. Такой переход нарушает порядок расположения
молекул (или атомов) в кристалле. При этом твердое тело переходит в
жидкое состояние. В жидкостях сохраняется порядок между близко
расположенными молекулами, но дальний порядок, характерный для
кристаллических тел, разрушается.
Одной из самых изученных является кристаллическая структура льда.
Молекулы воды сильно поляризованы, т.е. электрический заряд распределен
в них несимметрично из – за особенностей внутреннего строения. Молекулы
воды представляют собой диполи. При сближении молекул образуются
сотовые структуры, связующий элемент в которых – водородные связи.
Наличие водородных связей приводит к тому, что расстояние между
молекулами льда больше, чем между молекулами воды. Именно из – за этого
лед легче воды. Это обстоятельство приводит к тому, что водоемы зимой не
промерзают полностью, до самого дна.
Характерный для жидкости кратковременный ближний порядок
охватывает всего 2 … 3 молекулярных слоя. Если же упорядоченное
расположение молекул и атомов является устойчивым и распространяется на
весь объем тела, то для характеристики его внутреннего строения
используют термин «дальний порядок».
Дальний порядок служит основным признаком кристаллического тела.
Кристаллы
Параметры
Монокристаллы
Поликристаллы
Определение Тела состоят из одного
Тела состоят из множества
кристалла
кристаллов
Пример
некоторые драгоценные
Металлы, гипс, лед, др.
камни, жемчужины,
снежинки
(Демонстрация презентации)
Молекулы и атомы в кристаллах расположены не хаотично, а в виде ячеек
правильной геометрической формы. Такой форме соответствует
пространственная решетка кристалла, а именно дальний порядок.
Кристалл представляет анизотропную среду, т.е. его свойства
неодинаковы по различным направлениям. Если нанести на гладкую
поверхность гипса тонкий слой воска и коснуться его раскаленной иглой,
вокруг иглы воск расплавится. При этом пятно расплавленного воска примет
форму эллипса. Вывод, теплопроводность гипса вдоль большой оси эллипса
оказалась более высокой, чем в других направлениях. Гипс анизотропен.
Если такой же опыт проделать на поверхности стекла, то пятно
расплавленного воска примет форму круга. Следовательно,
теплопроводность стекла не зависит от направления. Стекло изотропно и
2
является аморфным веществом. В его структуре отсутствует дальний
порядок.
Типы связей в кристаллах
Молекулярная
Пара
метры
Частицы,
Молекулы
осуществляющие
взаимодействие
Заряд частиц
0
Примеры
лед
соединений
Ионная
Атомная
Металлическая
Ионы
Атомы
Ион-атомы
металла
+, Поваренная
соль
0
Кристаллы
сурьмы,
селена, оксида
кремния
+, 0
Металлы
сплавы
Примеры кристаллических структур
Алмаз: четыре атома расположены в вершинах тетраэдра, в центре которого
– пятый, объемное пространственное строение. Атомы упакованы плотнее,
чем в графите. Прочная, устойчивая кристаллическая решетка.
элементарная ячейка алмаза.
Графит: Плоское, слоистое пространственное строение. Слои плохо связаны
между собой.
фрагмент кристаллической решетки графита.
(Демонстрация презентации)
3
В большинстве случаев, твердое состояние вещества плотнее жидкого.
Пример, если в расплавленную сталь бросить кусок твердой стали, то он
сразу же опустится на дно. Но есть группа веществ (чугун, висмут, кремний),
плотность которых в кристаллическом состоянии меньше, чем в жидком.
Такое аномальное свойство объясняется своеобразным строением их
кристаллической решетки. Пример, при кристаллизации воды формируется
ажурная решетка с пустотами между колечками атомов. При плавлении льда
в воде еще сохраняются элементы пространственной решетки. Они
постепенно разрушаются при нагревании до + 4 0С. Именно при этой
температуре вода обладает наибольшей плотностью. Такое свойство воды
играет важную роль в живой природе.
В средних широтах, осенью поверхностный слой воды озер, рек, др.
водоемов начинает остывать. Охлажденная вода опускается ко дну, а на ее
место поднимается еще не остывшая и менее плотная вода. Возникает
конвекция. Она продолжается до тех пор, пока температура во всем объеме
водоема не понизится до + 4 0С. Затем конвекция прекращается. Верхний
слой воды продолжает охлаждаться и наконец замерзает. Покрытый снегом
лед обладает очень низкой теплопроводностью. Поэтому в придонном слое
температура в течение всей зимы остается близкой к + 4 0С, что сохраняет
жизнь обитателям водоема.
Параметр
Порядок
расположения
молекул
текучесть
Температура
плавления
Устойчивость
Форма
Пример
Аморфное тело
от греч «аморфный» «бесформенный»
дальний
Слабо выражена
при нагревании постепенно
размягчается, переходя в
жидкое состояние
Самопроизвольно переходят в
кристаллическое состояние:
пластическая сера – в
кристаллическую, стекла,
старый хрусталь
кристаллизуются, теряют
прозрачность
непостоянная
аморфное железо (железное
стекло), полученное при
быстром охлаждении расплава
аморфная сера (пластическая –
темно-бурого цвета)
при охлаждении
расплавленного кварцевого
песка, образуется аморфное
кварцевое стекло
Кристалл
ближний
строго определенная
более устойчивое состояние, чем
аморфное
постоянная
железо
кристаллическая сера (желтого цвета)
кристаллический кварц
4
(Демонстрация презентации)
Механические свойства твердых тел.
Исследование механических свойств твердых тел имеет практическое
применение (прежде всего, позволяет создавать материалы с самыми
разнообразными свойствами).
Детали, механизмы машин, конструкций испытывают при эксплуатации
нагрузку, следовательно, должны обладать необходимой для этого
прочностью. В зависимости от назначения детали подвергают какому-либо
виду деформации: растяжению, сжатию, кручению, сдвигу.
 Упругость материала – способность образца восстанавливать
свою форму после прекращения действия силы. Пример,
пружины, рессоры, прокладки.
 Твердость материала – способность сохранять форму при
больших нагрузках. Пример, резцы, фрезы, зубила.
 Пластичность – способность сохранять форму после
прекращения воздействия.
Относительная деформация(  ) показывает, какую часть от
первоначального размера образца составляет его абсолютная деформация.
 = х / х
Приложенная к телу сила F, создает внутри тела напряжение  . Пусть
сила F равномерно действует на тело сечением S в перпендикулярном
направлении. Тогда
 =F/S
построим график зависимости относительной деформации  от напряжения
 . Предположим, что в качестве испытуемого образца взята цилиндрическая
проволока, которая подвергается растяжению. Вначале удлинение
пропорционально создаваемому напряжению. Область упругих деформаций
характеризуется прямой 0 х1. напряжение  1, соответствующее точке х1,
называют пределом пропорциональности. При дальнейшем увеличении
напряжения пропорциональность нарушается, но до точки х2 деформация
остается еще упругой, и после снятия напряжения образец принимает
прежнюю форму. При напряжении  2 наступает предел упругость. Упругая
деформация сменяется пластической, а относительное удлинение быстро
нарастает. Наконец, за точкой х3 график становится параллельным оси
абсцисс. Это область текучести материала. Относительная деформация
увеличивается при постоянном напряжении, после чего происходит разрыв
образца.
В области упругих деформаций справедлив закон Гука:
 =k,
5
где k – коэффициент упругости материала, из которого изготовлен образец.
Кроме растяжения существуют и другие виды деформации твердых тел
– деформация сдвига, изгиба, кручения. Эти виды могут быть упругими и
неупругими. Если деформация является упругой, то для нее справедлив закон
Гука.
Тепловое расширение.
Механические свойства твердых тел существенно зависят от их температуры.
Пример, нагретая сталь приобретает ковкость, а резина при очень низкой
температуре становится хрупкой.
При нагревании кристалла энергия тепловых колебаний атомов и
молекул в узлах пространственной решетки увеличивается. Но такие
колебания не являются гармоническими. При сближении 2 молекул или
атомов силы отталкивания между ними возрастают быстрее, чем силы
притяжения. Иначе говоря, при увеличении размаха колебаний частице
«легче удалиться от своей соседки, чем приблизиться к ней. В результате
средние расстояния между молекулами и атомами в кристалле возрастают, и
объем кристалла увеличивается. Это явление – тепловое расширение.
Количественные характеристики – коэффициенты линейного  и
объемного  расширения. Коэффициенты показывают относительное
увеличение размеров тел, изготовленного из данного вещества, при
нагревании на 1 0С. Пусть при 0 0С длина некоторого тела была равна l0, а
после нагревания до температуры t она увеличилась и стала равной l. По
определению получаем
 =
l  l0
l0t
откуда
l = l0 (1 +  t)
Коэффициент объемного расширения выразим через коэффициент
линейного расширения:
 =3 
тогда объемное расширение тела будет
V = V0 (1 +  t)
Пример, 1) электрический питающий провод на железных дорогах жестко не
закрепляют с обеих концов. Иначе в летнюю жару они сильно провисают, а
зимой могут разорваться. Один конец перекидывают через неподвижный
блок и натягивают с помощью подвешенных к нему грузов.
2) Рельсы на железных дорогах не укладывают вплотную друг к другу, а
на их стыках оставляют небольшие зазоры с учетом того, что в летнее время
длина рельсов увеличивается, а зимой – сокращается.
3) Металлические паропроводы, трубы, по которым подается горячая
вода, в нескольких местах изгибают в виде петель-компенсаторов.
6
4) при строительстве зданий подбирают материалы с одинаковым
коэффициентом объемного расширения. Иначе при изменении температуры в
стенах возникают трещины и перекосы, что может привести все сооружения
в аварийное состояние.
Плавление – процесс перехода из твердого состояния в жидкое.
Плавление кристаллических веществ происходит при постоянной
температуре – температуре плавления вещества (Тпл). Аморфные тела не
имеют определенной температуры плавления. Количество теплоты,
необходимое для превращения в жидкость кристаллического вещества при
температуре плавления определяется по формуле:
Q =  m,
m – масса расплавленного вещества,
 - удельная теплота плавления, Дж/кг.
Кристаллизация – процесс обратный плавлению. При кристаллизации
выделяется такое же количество теплоты, какое было затрачено на плавление
вещества:
Q = -  m.
Жидкие кристаллы. (Демонстрация презентации)
 Обобщение. Сформулировать определения моно- и поликристаллы.
Охарактеризовать явление анизотропия. Дать определения: плавление,
кристаллизация. Сравнить свойства аморфных тел и кристаллов.
 Рефлексия. Выставление оценок за работу.
 Индивидуальные задания: Изготовление моделей кристаллических
решеток.
Список использованной литературы
1. Габриелян О.С. Химия. - М.: Дрофа, 2010
2. Пустовалова Л.М., Никанорова И.Е. Общая химия. – Ростов-на-Дону:
Феникс, 2005
3. Самойленко П.И., Сергеев А.В. Физика. – М.: Издательский дом
«Академия», 2007.
7