Презентація на тему "Агрегатний стан речовини. Наноматеріали."

Агрегатний стан речовини. Наноматеріали.

1. Агрегатні стани речовини. Практично будь-яка речовина залежно від фізичних умов може перебувати у трьох агрегатних станах: газоподібному, рідкому та твердому. Молекули тієї самої речовини у твердому, рідкому та газоподібному станах ті самі, вони нічим не відрізняються одна від одної. Той або інший стан речовини визначається розташуванням, характером руху та взаємодії молекул. Мал. Моделі агрегатних станів речовини: газоподібний стан, рідкий та твердий.

У газах при атмосферному тиску відстань між молекулами набагато більша від розмірів самих молекул, тому вони слабо притягуються одна до одної, і якщо газу не перешкоджають стінки посудини, його молекули розлітаються. Речовини у газоподібному стані не мають власної форми та об'єму. Вони набувають форми та об'єму посудини в якій знаходяться.

У рідинах і твердих тілах молекули розміщені ближче одна до одної, взаємодія між ними значна. Тому молекули в рідинах і особливо в твердих тілах не можуть далеко віддалитися одна від одної. Рідини не мають власної форми, а набувають форму посудини в якій знаходяться, проте мають власний об'єм.

Тверді тіла мають власну форму і власний об'єм. Тверді тіла ділять на дві групи: кристалічні й аморфні. У кристалічних тіл частинки кристалів розміщені у вузлах кристалічної решітки у строгому порядку, який називають дальнім. Весь кристал можна отримати шляхом багаторазового повторення того самого структурного елемента, який називають елементарною коміркою. Строгий порядок у розміщенні частинок кристала зумовлює його правильну геометричну форму та блиск.

Монокристал - один суцільний кристал. Полікристал - сукупність хаотично розміщених монокристалів, що зрослись.

Аморфні тіла кристалічної решітки не мають. Строгого порядку у розміщенні частинок немає. Відстані між частинками менші, ніж у рідині, але більші, ніж у кристалів. До аморфних тіл належать бурштин, скло, смола, плавлений цукор, плавлений кварц та ін. До аморфних тіл відносять і полімери (деревина, природний та синтетичний каучук, поліетилен, пластики), молекули яких мають вигляд довгих ланцюгів, що містять сотні тисяч атомів.

Нагріваючи речовину можна перевести з твердого стану в рідкий чи газоподібний. І навпаки, охолоджуючи речовину її можна перевести з газоподібного в рідкий і твердий стани. Кожна кристалічна речовина плавиться за певної температури. На відміну від кристалічних тіл, аморфні речовини не мають певної температури плавлення - вони переходять у рідкий стан, поступово розм’якшуючись. Наллємо воду у форму для льоду і поставимо у морозильну камеру холодильника. Через деякий час вода перетвориться на лід. Дістанемо утворені шматочки льоду і нагріємо їх. Лід досить швидко перетвориться на рідину. Продовжимо нагрівання. Через деякий час вода починає кипіти та перетворюватись на водяну пару, її легко виявити, потримавши холодний металевий, скляний чи порцеляновий предмет над отвором посудини. Від зіткнення з його холодною поверхнею водяна пара охолоджується і знову перетворюється на рідину. Отже, ми спостерігали за зміною агрегатних станів води. Подібні зміни відбуваються з водою і в природі. Тому у природі вода трапляється у всіх агрегатних станах. Зокрема, у хмарах у вигляді пари, у річках і озерах улітку у вигляді рідини, взимку у вигляді рідини та льоду. Навіть у повітрі, яким ми дихаємо, є водяна пара.

Існує ще один агрегатний стан речовини - плазма - частково або повністю йонізований газ, тобто газ, який складається з величезної кількості заряджених частинок (йонів і електронів) та нейтральних атомів і молекул. Плазма - найпоширеніший стан речовини у Всесвіті.

2. Наноматеріали. У 1931 році німецькі фізики Макс Кнолл і Ернст Pyска створили електронний мікроскоп, який уперше дозволив досліджувати об’єкти дуже малих розмірів. Цей рік вважається початком розвитку нанотехнологій — науки, в якій вивчаються закономірності фізичних і хімічних систем протяжністю порядку декількох нанометрів або часток нанометра. Нанооб’єкти — об’єкти, один із лінійних розмірів яких розташований у межах від 1 до 100 нанометрів (1–100 нм). Наноматеріали — матеріали, створені з використанням наночасток та/або за допомогою нанотехнологій, що мають певні унікальні властивості, зумовлені присутністю цих частинок у матеріалі. До наноматеріалів відносять об'єкти, один з характерних розмірів яких лежить в інтервалі від 1 до 100 нм. В нанокристалічних матеріалах істотно змінюються механічні властивості. За певних умов ці матеріали можуть бути надтвердими або надпластичниими. Наприклад, в кристалічного нікелю при переході до нанорозмірів міцність і твердість зростають у декілька разів; додавання алюмінію, структура якого має нанорозміри, в ракетне паливо значно змінює його швидкість згорання.

Графен — шар атомів Карбону завтовшки лише 0,18 нм і горизонтальними розмірами близько 10 мкм. Графен — найміцніший серед відомих кристалічних речовин (у 200 разів міцніший за сталь), прозорий (пропускає 97,7 % світла), має високу електричну провідність. Він є ідеальним матеріалом для виробництва мікросхем, може використовуватися як ефективне антикорозійне покриття. Нанотрубка — протяжна циліндрична структура діаметром від одного до кількох десятків нанометрів і завдовжки до кількох мікрометрів. Нанотрубки у десятки разів міцніші за сталь і приблизно в 10 разів легші за неї. Мають дуже добрі електричні властивості. Вуглецеві нанотрубки можна використовувати в наноелектроніці.

Використання наноматеріалів дозволяє значно підвищити ефективність існуючих технологій. Сонячні елементи, при виготовленні яких використовують металеві наноантени, можуть поглинати до 80% енергії сонячного світла, тоді як існуючі сонячні батареї можуть використовувати тільки 20% енергії. В сучасних акумуляторах замість вуглецю використовують іони літію. Це дозволило значно збільшити їхню ємність та розширити діапазон використання. Використання наноматеріалів при виготовленні ліків дозволяє зменшити розмір таблеток та підвищити вміст лікувальної речовини у крові. Наночастинки також широко застосовують у харчовій промисловості та при виготовленні фарб. Мал. Найлегший матеріал. Досягти такого ефекту вченим вдалося завдяки видаленню всієї вологи, яка перебувала у вуглецевому ланцюгу нанотрубок, причому структуру самих нанотрубок зберегти вдалося повністю.

Нанотехнології набувають широкого застосування на практиці:• нанотехнологи розробили нову тканину, що не промокає навіть під час повного занурення у воду. Цю нанотканину виготовляють із ниток поліестеру, вкритого 40-на-нометровим шаром нановолокон. Ця тканина ще й зменшує тертя у воді, що дає можливість виготовляти з неї спортивні купальники;• в автомобільній галузі створюють лаки і фарби із самоочисним ефектом. Автомобіль Mercedes-Benz (2003 року) — автомобіль, який найлегше мити;• створюють матеріали, здатні до самоочищення;• використовують нанодріт, який має високу міцність;• в медицині нанокапсули можуть доставляти ліки безпосередньо до клітин, які потребують цих препаратів;•наноматеріали є дуже добрими каталізаторами (дозволяють у мільйони разів прискорити хімічні реакції).«Трос» з нанотрубок завтовшки з людську волосину здатний утримувати вантаж у сотні кілограмів!

Домашнє завдання. Вивчити § 10, вправа № 10 (1 – 3).