Будова та властивості твердих тіл. Анізотропія кристалів. Рідкі кристали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

Підготувала

вчитель фізики

Луканівського ЗЗСО

з дитячим підрозділом Новіцька А.В.

 

 

 

 

2021 рік

Мета:  розкрити основні положення та зосередити увагу  учнів на ключових поняття теми:  кристали, монокристали, полікристали, анізотропія, ізотропія, аморфні тіла та рідкі кристали; застосування кристалів та аморфних тіл. Розвивати уміння самостійно здобувати знання, працювати з науково-популярною літературою, аналізувати навчальний матеріал, виділяти  основне в ньому. Формувати вміння в учнів застосовувати здобуті знання у практичній діяльності. Виховувати самостійність,  відповідальність в роботі,  інтерес до предмету.

Тип уроку: урок  засвоєння нових знань.

Обладнання: кристали кам’яної солі, пластилін,  кусочок смоли,  зразки каучуку, кристалічних тіл, кристалів (різних), бурштин, парафін, збільшувальне скло, інженерний ніж, олівець графітовий, склоріз, скло, мультимедійна дошка, проектор, ноутбук

Хід уроку

 1.Організаційний момент. (слайд 1)

2.Актуалізація опорних знань. Мозковий штурм. (слайд 2)

Учні  відповідають на запитання:

а) В яких агрегатних станах може перебувати речовина?

б) Охарактеризуйте загальну будову і властивості речовини в газоподібному стані.

в) Що ви знаєте про загальну будову і  властивості речовини в рідкому стані?

г) Розкажіть про загальну будову і властивості речовини в твердому стані.

3.Мотивація навчальної діяльності.     

 Учитель: Ми пригадали, що гази, рідини і тверді тіла відрізняються між собою.

А чи відрізняються між собою властивості  твердих тіл, Візьмемо два твердих тіла: алмаз і графіт. Як відомо з хімії – це алотропні видозміни Карбону. Що це означає? (слайд 3)

(вчитель демонструє дію склоріза і простого олівця з графітовим осердям).

Чому алмаз у склорізі  ріже скло, а графіт  лише ковзає по склу? Чи можете ви дати відповідь на це запитання зараз?    Щоб дати відповідь на це питання необхідно ознайомитись з новою темою. (презентація теми і питань, які будуть розглядатись на уроці)            

Вчитель: Отже виявити відмінності внутрішньої будови твердих тіл та  їх властивостей, а також практичну значущість теми   і є метою нашого уроку. Таким чином, тема уроку: «Будова та властивості твердих тіл. Анізотропія кристалів. Рідкі кристали» (слайд4).  В ході уроку ми повинні дізнатися (слайд 5) про поняття кристали, монокристали, полікристали, анізотропія, ізотропія, аморфні тіла; застосування кристалів та аморфних тіл. Розрізняти кристалічні та аморфні тіла. А епіграфом до сьогоднішнього уроку стануть  слова  знаменитого грецького філософа Геракліта Ефеського: (слайд 6) «Взаємну бесіду слід проводити таким чином, щоб кожний із співрозмовників отримав з неї щось корисне, цікаве, набув більше знань» 

 4. Сприйняття та осмислення нового матеріалу. (слайд 7)

Учитель: Твердими називають тіла…(речення продовжують діти).

    Причиною такої стійкості є характер руху і взаємодії молекул: вони не можуть змінювати положення своєї рівноваги, здійснюючи малі коливання і обертаючись навколо своєї осі. Енергія і амплітуда коливань тим більша, чим вища температура тіла.

    За впорядкованістю положення рівноваги тверді тіла поділяють на кристали і аморфні тіла. (слайд 8)

       (слайд 9) (довгий, анімація) Більшість твердих тіл є кристалічними. 100 мільйонів років тому шари, близькі до поверхні нашої планети, затверділи й утворили земну кору. Саме в той час й утворились більшість представлених  тут кристалів, подібно до льоду при замерзанні води. Слово «кристал» в перекладі з грецької – лід. Щоправда,  спочатку  так називали кварци, вважаючи  що ці напівпрозорі кристали утворились з води в суворих умовах  гірських вершин Альп. Надалі й всі тверді правильні природні утворення стали називати «кристалами».

     Як розміщені в них атоми?                                                              

    Ще в 1912  році дослідженнями за допомогою рентгенівських променів було доведено, що атоми і молекули кристалів розміщені в певному порядку.

        Кристали - це тверді тіла, в яких атоми або молекули розміщені впорядковано і утворюють періодично повторювану внутрішню структуру. Кристалічні тіла мають певну температуру плавлення, незмінну при сталому тиску. В’язкість таких речовин під час нагрівання зменшується, вони переходять у рідкий стан, розм’якшуючись поступово. Кристали характеризуються наявністю значних сил міжмолекулярної взаємодії і зберігають сталим не лише  об'єм, а й форму. Правильна геометрична форма є істотною зовнішньою ознакою будь – якого кристала в природних умовах. Розглядаючи окремі кристали, можна переконатися, що вони обмежені плоскими, ніби шліфованими гранями у вигляді правильних багатокутників. (слайд 10

            Кристали поділяються на монокристали та полікристали (слайд 11)

             Іноді весь шматок твердої речовини може становити один кристал. Такими є, наприклад, алмаз, кухонна сіль, кварц, лід. Усе це окремі кристали, їх називають монокристалами. (слайд 12)

А які ж властивості обумовлює специфічна будова монокристалів? (слайд13)

1. Геометрична  форма (правильна).

2. Постійна температура плавлення.

3. Анізотропія.

        Що ви спостерігаєте, коли ведете простим олівцем по аркушу паперу? (Учні виконують)

• Графітове осердя залишає слід на папері. 

А чи доводилося вам розрізати графітове осердя в поперек? (учні при допомозі вчителя формують відповідь). Таке явище в фізиці називається анізотропією.

(Розповідь учителя) (слайд 14)

         Анізотропія -  це  залежність   фізичних  властивостей  від  напрямку   всередині  кристалу.

Види анізотропії:

а) Механічна.

б) Оптична.

в) Електрична.

            Що вас захоплює на склі вікон у зимові  морозні дні? (слайд 15)

- Візерунки

Тіло, яке складається з безлічі невпорядковано розміщених кристалів, називають полікристалічними або полікристалом ("морозні візерунки" на вікнах, цукор рафінад, метали тощо). (слайд 16)

Фізичні  властивості  полікристалів: (слайд 17)

1.     Геометрична  форма (неправильна).

2.     Постійна температура плавлення.

3.     Ізотропія.

 Однак є  кристали в яких спостерігаються протилежні властивості   -  це ізотропія. (слайд 18) (Розповідь вчителя). Ізотропія – однаковість фізичних властивостей  в усіх напрямках.

      Як же збудовані тверді речовини? (слайд 19) У твердих речовинах частинки розташовані у просторі суворо закономірно для кожної речовини. Щоб якось уявити цю закономірність, у тривимірному просторі подумки об'єднуємо центри молекул прямими лініями, які перетинаються. При цьому утвориться просторовий каркас, який називають кристалічними ґратками.

         Отже,  кристалічна  ґратка -  це впорядковане розміщення частинок речовини.

          Місця, в яких лінії перетинаються, називають вузлами кристалічних ґраток.

Типи кристалічних граток  (слайд 20 - 24)

Залежно від природи частинок, що містяться у вузлах кристалічних ґраток, розрізняють йонні, атомні, молекулярні та металеві  кристалічні ґратки. 

Йонні кристалічні ґратки Типовим представником сполук з йонним типом кристалічних ґраток є натрій хлорид NaCl. (мал.2) Його кристалічні ґратки утворені йонами Натрію Na+ та йонами Хлору Сl-, які почергово розміщуються у вузлах ґраток. Йони утримуються один з одним силами притягання, і кристал солі є ніби єдиним цілим. Такі кристали мають значну міцність.

Атомні кристалічні ґратки.

У вузлах атомних кристалічних ґраток містяться окремі атоми, сполучені між собою ковалентними зв'язками. Такі кристалічні ґратки має алмаз (мал. 3). У його кристалі кожний атом Карбону сполучений ковалентними зв'язками з чотирма сусідніми атомами Карбону, тобто утворює чотири спільні електронні пари. Ось чому можна говорити, що Карбон — чотиривалентний елемент. Алмаз та інші речовини, які мають атомні кристалічні ґратки, характеризуються великою твердістю, дуже високими температурами плавлення і кипіння, вони практично не розчиняються в жодних розчинниках, не проводять електричний струм, оскільки вільних електронів немає, всі 4 валентні електрони беруть участь в утворенні ковалентних зв’язків. (повідомлення учня  «Легенда про алмази») (додаток1)

       

Молекулярні кристалічні ґратки. У вузлах молекулярних кристалічних ґраток містяться молекули як неполярні, так і полярні. Наприклад, у вузлах кристалічних ґраток йоду містяться неполярні молекули йоду. А прикладом речовини, де у вузлах кристалічної ґратки є  полярні молекули, це вода. Сили міжмолекулярної взаємодії, так звані сили Ван-дер-Ваальса, значно слабкіші за сили ковалентного зв'язку. Тому речовини з молекулярними ґратками мають невелику твердість, вони легкоплавкі і леткі. До таких речовин належать, наприклад, йод, нафталін, бром, вода, спирт, хлор, амоніак, метан, «сухий лід».

 

Металічні кристалічні ґратки . У вузлах кристалічних ґраток розміщені позитивні йони металу, між якими рухаються так звані вільні (валентні) електрони, що утворюють електронний газ

Зв’язок у металевих кристалах забезпечують сили притягання між позитивними йонами, розміщеними у вузлах ґраток, і негативним електронним газом. Ці сили притягання зрівноважуються силами відштовхування, які діють між однойменними йонами. Таку кристалічну  ґратку мають всі метали.

Учитель:  Ми познайомились з будовою кристалів та їх видами. Давайте поговоримо про кристали, які ми спостерігаємо взимку  кожного сніжного дня (слайд 25)

  А чи мають сніжинки однакову форму, розміри?

Питання про будову та форму сніжинок  цікавило з давніх – давен багатьох  вчених  світу. (слайд 26) (Повідомлення учениці про вчених) (Додаток)

(слайд 27-29) Кристали утворюються в природних умовах і штучно. За припущеннями вчених в природних умовах багато кристалів утворилось внаслідок охолодження рідкої речовини земної кори – магми, що є розплавом різних речовин.

Штучні кристали можна здобути із розплаву шляхом кристалізації з розчину і газу. Останнім часом швидкими темпами розвивається технологія вирощування монокристалів всіма відомими способами на космічних орбітальних станціях. Невагомість і космічний вакуум дають можливість вирощувати монокристали небачених раніше розмірів і хімічної чистоти.

Учитель: (слайди 30-32) Сьогодні ми не можемо не згадати про справжні дива – кристалічні печери. Багато мінералів виникли з перенасичених водних розчинів. Першим серед них слід назвати кам’яну сіль NaCl. Товщина пластів кам’яної солі, що утворилися під час випаровування води солоних озер, досягає в деяких родовищах кількох сотень метрів. Кристали зазнають в природних умовах  певних зовнішніх дій, зокрема, дії вітру і води. 

Учитель: Давайте пригадаємо властивості кристалів. (Мають по стійну температуру  просторову гратку, проявляють анізотропні властивості (монокристали))А чи зустрічали ви в повсякденному житті тверді тіла з протилежними властивостями? Чи відрізняються вони своїми властивостями від кристалів?(пластилін, віск, смолу, слюда та ін ). 

Перевіримо. Спробуйте ножем розрізати кусок пластиліну. Чи має значеиння те, як ми його розрізаємо? Чи має пластилін анізотропію?

Інший вид твердих тіл називається аморфними тілами. Їм притаманна ізотропія.

 

(Розповідь учителя про аморфні тіла ) (слайд 33-40)

           Аморфні тіла - це тіла, фізичні властивості яких однакові у всіх напрямах. Прикладами аморфних тіл є шматки затверділої смоли, янтар, вироби зі скла. Аморфні тіла ізотропні. За своєю будовою аморфні тіла нагадують дуже густі рідини.  Унаслідок підвищення температури час осілого життя молекул зменшується, через що аморфне тіло поступово м'якне. Аморфні тіла не мають визначеної  температури плавлення і питомої теплоти плавлення. Вони на відміну від кристалів з підвищенням температури неперервно перетворюються на рідину.

  Друга  особливість аморфних тіл - це їх пластичність, тобто вони не мають межі пружності. Аморфний стан нестійкий: через деякий час аморфна речовина переходить в кристалічний стан. Але часто цей час буває дуже тривалим (роки і десятиріччя). До таких тіл належить скло. Будучи спочатку прозорим, протягом

(учнізаповнюють таблицю слайд 40)

 Учитель: крім аморфного, відкрито ще один стан речовини з подвійною природою – і рідини, і твердого тіла – це так звані рідкі кристали, особливий стан деяких органічних речовин. (слайд 41)

    Розрізняють три основні типи рідких кристалів: смектичні, нематичні, холестеричні. (слайд 42) 

    У нематичних рідких кристалах (від грец. «нема» – нитка) молекули схожі на нитки

 У смектичних рідких кристалах (від грец. «смегма» – мило) рівень впорядкованості вищий. Молекули смектика згруповані у шари

    Прикладом смектика є розчин мила у воді. Коли ми миємо з милом руки, то шари молекул мила легко ковзають один відносно одного і шкіри, забираючи з неї бруд і передаючи його воді.

    У холестеричних кристалах молекули мають форму спіралі, крок якої залежить від температури

(слайд 43)  Існують рідкі кристали в певному інтервалі температур, різному для різних речовин. Під час нагрівання вони перетворюються в звичайну рідину, внаслідок охолодження стають твердими кристалами.

Практичне використання рідких кристалів (слайди 44-46). 

5.      Узагальнення та систематизація знань.

1. Давайте узагальнимо, про що ми дізналися сьогодні на уроці. 

1. Робота учнів з он-лайн тестами (слайд 47) + робота на платформі «На урок»

2. ( Відповіді учнів на запитання вчителя.) (слайд 48)

 

1. Що називають кристалами?

2. Які види кристалів  ви знаєте?

3. Що називають монокристалами? Наведіть приклади.

4. Що називають полікристалами? Наведіть приклади.

5. Що називають анізотропією?Ізотропією?

6. Що таке аморфні тіла?Наведіть приклади.

6. Що називають полімерами?

7. Які кристали називаються рідкими? Де вони використовуються?

    6.   Підсумок уроку (Слайд 48)

Учитель: Наш урок підходить до завершення. Згадайте, якою проблемною ситуацією починався урок?  Давайте проаналізуємо, що ми дізналися і навчилися протягом уроку, і знову спробуємо дати відповідь на питання Чому алмаз у склорізі  ріже скло, а графіт  лише ковзає по склу? (Слайди 49-51)

Аналіз роботи учнів на уроці

7.   Повідомлення домашнього завдання.

Опрацювати параграф §34

Підготувати повідомлення з тем:

“Виготовлення штучних алмазів”

“Як працює ЖК монітор?”

Розпочати роботу над проектом по вирощуванню кристалів в домашніх умовах , створити презентацію проекту   

https://naurok.com.ua/prezentaciya-proekt-viroschuvannya-kristaliv-soley-154327.html

http://www.myshared.ru/slide/1408072/

https://www.youtube.com/watch?v=9tWRwRvgg-M

 

Матеріали до уроку

 

Кристали – це тверді тіла, атоми або молекули яких займають впорядковані положення в просторі. Порядок розміщення частинок – далекий.

Властивості кристалічних тіл:

•        Правильна зовнішня форма , симетричність.
•        Наявність чіткої температури плавлення;
•        Наявність чіткої межі між рідким і твердим станом;
•        анізотропія — залежність фізичних властивостей (механічних, теплових, електричних, магнітних, оптичних) від вибрано­го в кристалі напрямку.

Типи кристалів

Тип кристалів	Що знаходиться у вузлах кристалічних ґраток	Приклади кристалів
Іонні	Іони розміщуються почергово з протилежними зарядами	Сіль NaCl
Атомні	Нейтральні атоми, які утриму­ються ковалентними зв'язками квантово-механічного похо­дження	Алмаз
Металічні	Позитивні іони (між вузлами — електронний газ)	Метали з високою електропровідністю
Молеку­лярні	Нейтральні молекули, які вза­ємодіють за рахунок зміщення електронних оболонок атомів	Парафін, Вг2, СН4

Аморфні тіла не мають строгого порядку в розташуванні атомів (не мають кристалічних ґраток). Порядок розміщення частинок – близький.

Властивості аморфних тіл:

•        не мають фіксованої температури плавлення, оскільки не мають кристалічної ґратки;
•        не мають чіткої межі між тверди м і рідким станами;
•        аморфні тіла ізотропні, тобто їх фізичні властивості однакові по всіх напрямах.

При дуже тривалій дії аморфні тіла течуть.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учень/учениця __________________________________________________

 

Порівняльна характеристика твердих тіл

№ п/п	Питання	Кристалічні тіла	Аморфні тіла
1	Який порядок розміщення частинок?
2	Ізотропні чи анізотропні?
3	Чи мають сталу температуру плавлення?
4	Чи наявна межа між твердим і рідким станами?
5	Чи мають таку властивість, як текучість?
6	Навести приклади твердих тіл.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Завжди шестикутні

Напевно, кожен з нас хоч раз у житті спостерігав як кружляючи, повільно падали сніжинки, даруючи нам можливість насолоджуватися їхньою красою. Сніжинки зачаровують та дивують різноманіттям форм. Ми сам можемо створити неповторні новорічні сніжинки з паперу, а природа мимохідь формує тисячі тисяч несхожих і довершених кристаликів льоду з однаковісіньких молекул води. Як це їй так легко і невимушено вдається? Одна з найбільш ранніх згадок про сніжинки датована ІІ століттям до нашої ери. В трактаті, написаному в Китаї у 135 році до нашої ери, сказано: „Квіти рослин і дерев зазвичай мають п'ять кінчиків, а сніжинки завжди шестикутні...” Описання сніжинок знаходимо в роботах таких відомих вчених як Йоганн Кеплер, Рене Декарт, Роберт Гук.

 Йоганн Кеплер відкрив людству закони руху планет. У 1611 році у трактаті „Новорічний подарунок шестикутного снігу” він наприкінці зізнався, що дуже далекий від того, щоб „осягнути справжню природу цього явища”.

Рене Декарт вперше пов’язав геометрію і алгебру, створивши аналітичну геометрію і визначив подальший розвиток математики і фізики. У 1637 р. у праці „Метеори” він із захопленням описує свої спостереження за сніжинками і наводить малюнки десяти різних їхніх типів.

Роберт Гук – учений енциклопедист, один із засновників експериментальної фізики, автор знаменитого закону Гука, багатьох відкриттів в астрономії та біології. Саме він ввів поняття „клітина” (cell) через схожість з тісними монашими келіями. У 1665 р. у фундаментальній праці „Мікрографія” серед вражаючих ілюстрацій побаченого у власноруч виготовлений мікроскоп Роберт Гук наводить малюнки сніжинок у збільшенні і зізнається: „Навіть у найпростіших діях природи ми ще неуки”.

Красу і різноманіття сніжинок поетично пояснює Борис Вейнберг у книзі „Сніг, іній, град, лід і льодовики”, яка вийшла в Одесі у 1909 р.: „Кожна сніжинка плоттю і кров’ю записує метеорологічні показники на шляху свого падіння”. Змінюються навколишні умови, і на сніжинці наростають нові „гілочки”. Але цей вишуканий запис є для нас ієрогліфами, які важко зрозуміти. Науковці намагаються розшифрувати їх та дізнатися більше про умови виникнення і росту сніжинок. Можливо, їм не вистачає саме твоїх ідей і наснаги.

Вперше штучно виростити сніжинку вдалося японському фізику Укітіро Накая, фахівцю в галузі рентгенівського випромінювання. В університеті Хокайдо, де він отримав посаду доцента, не було потрібного йому обладнання, і Укітіро Накая почав вивчати сніг, якого навколо було вдосталь. Три роки поспіль він намагався штучно виростити сніжинку, аж поки випадково не побачив льодовий кристал на кінчику волосинки хутра кролика. Така ж волосинка і стала ключовим елементом обладнання, на якому 12 березня 1936 р. вперше в історії людства вдалося штучно відтворити маленьку небесну гостю.

 

 

Легенда про алмази

Перші алмази були знайдені в руслі річки Голконда в Індії, точна дата знахідки не відома. Найдавніша згадка про алмази в давньоіндійській літературі залишилась в «Артхашастрі» («Науці про користь»), автор якої, Чанак'я (Каутілья, Вішнугупта і Ватсьяна), був першим міністром уславленого царя Чандрагупти (III ст. до Р. Х.). Алмази широко присутні в індійській міфології. Кілька творів VI–VII ст. описують вчення монаха Агастьї про камені, де зокрема розповідається легенда про походження алмазів. Згідно з міфічними уявленнями індусів, у розсип алмазів перетворилося тіло повелителя демонів Бали, коли бог Індра спопелив його блискавкою «ваджра».

В уривку боргової книги написаної санскритом (від 4. століття до н. І. Христа) є записи, які підтверджують, що діамант був цінністю, якою в Індії в ті часи торгували.

В маєтках величних та багатих людей були знайдені в первинному вигляді дуже красиві кристали, які були дорогоцінними. Діамант мав велику популярність як талісман дякуючи своїй винятковій твердості і іншими чудовими властивостями. Був символом відваги та мужності — це риси чоловіків.

Містична сила діаманта була відома ще в Єгипті, носіння діамантів на чотирьох пальцях лівої руки мало означати, що вена кохання («vena amoris») прийде з пальця прямо до серця. Розташування діаманта або діамантового пороху на кінчику пальця повинно гарантувати пряму дорогу до з'єднання кохання з вічністю.

До Європи найбільш ймовірно вперше привіз діаманти Олександр Великий. Спочатку були сприйняті за таємничий раритет, потім були їм надані магічні та цілющіі властивості. Згадувалось, що коли Олександр Великий дістався до долини діамантів, побачив її дно посипане дорогоцінними каменями, яке охороняли незчисленні армії змій з ворожими поглядами. Але Олександр змій обдурив, а їх діамантів дістався. В старій Греції люди порівнювали діаманти зі «злими богами, які впали на землю». Щоб звеличувати твердість діаманта, називали їх «adamas», непереможний. 60 років перед І.Христом писав Плініус про діаманти в своїй Історії природи. Перший не шліфований діамант з'явився в Римі між 1. та 3. століттями.