Властивості твердих тіл




Скачати 126,92 Kb.
Дата конвертації07.06.2018
Розмір126,92 Kb.
ТЕМА 4

Розділ : Молекулярна фізика.

Тема: Властивості твердих тіл

Мета вивчення : ознайомлення зі структурою, властивостями та застосування рідких кристалів.
План вивчення:

1.Рідкі кристали - структура, властивості, використання.

2.Створення матеріалів із наперед заданими технічними властивостями.

3. Будова полімерів та їх властивості.


1. Рідкі кристали

Більшість речовин може перебувати в трьох агрегатних станах — твердому, рідкому й газоподібному. Однак деякі органічні речовини, молекули яких мають ниткоподібну форму або форму плоских пластин, можуть перебувати в особ­ливому стані, маючи одночасно властивості анізотропії і текучості. Цей стан, який поєднує властивості кристала і рідини, називають рідкокристалічним. А речовини, які до­сить дивовижно поєднують властивості рідин і кристалів, дістали назву рідких кристалів. Вони текучі і утворюють краплі. Правда, їхні краплі можуть мати не сферичну, а ви­довжену форму. Детальне дослідження показало, що розміще­ння молекул у них має порядок, не властивий звичайним рідинам і твердим тілам. Якщо в твердих кристалах спосте­рігається дальній порядок у розміщенні частинок в будь-яких трьох взаємно перпендикулярних напрямах, то в рідких — в одному напрямі (одновісний дальній порядок).

Маючи впорядковану орієнтацію молекул в одному з на­прямів, рідкі кристали характеризуються анізотропією фізич­них властивостей: поверхневого натягу, електропровідності, магнітних і оптичних характеристик тощо. За механічними властивостями вони нагадують рідини, в'язкість яких ко­ливається від рідкого клею до «твердого» скла.

Існують рідкі кристали в певному інтервалі температур, різному для різних речовин. Нагріваючись, вони перетворю­ються у звичайну рідину, від охолодження стають твердими кристалами. Розрізняють два основних типи рідких криста­лів: нематичнйи (від грецького «нема» — нитка) і смектичний (від грецького «смекма» — мило). В нематичних рідких кристалах впорядкованість розташування молекул полягає в тому, що в певному об'ємі, який відповідає одному «монокри­сталу», поздовжні осі всіх молекул паралельні , а будь-який інший дальній порядок у розміщенні частинок від­сутній. У смектичних рідких кристалах молекули розташо­вані шарами. Найпоширеніший приклад смектичного рідкого кристала — розчин мила у воді. Ті якості мила, які роблять його мийним засобом, безпосередньо пов'язані з його здатністю утворювати рідкі кристали. Мильний розчин складається з великої кількості подвійних шарів молекул мила, розділених шарами води. 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.

Вже вивчено понад 3000 речовин, які утворюють рідкі кри­стали. До них належить багато органічних речовин біологіч­ного походження, наприклад дезоксирибонуклеїнова кислота, яка несе код спадкової інформації, і речовина мозку.

Багато рідких кристалів мають дуже цінну якість: деякі їх властивості різко змінюються за порівняно незначної зміни зовнішніх умов (температури, електричного і магнітного полів тощо). Це явище знайшло вже практичне застосування: на основі рідких кристалів опрацьовано перетворювач інфра­червоного зображення у видиме, лабораторний прилад для вимірювання коливань температури і т. ін.

Рідкі кристали використовуються в різних оптичних інди­каторах, наприклад у циферблатах наручних годинників, на яких час фіксується не стрілкою, а зміною цифр

Надзвичайно велике значення рідких кристалів у біології та медицині. Немає сумнівів у тому, що дальші дослідження цих речовин не тільки розширять їх застосування в техніці, а й дадуть змогу проникнути в таємниці біологічних процесів.



2. Створення матеріалів із наперед заданими технічними властивостями

Останнім часом у багатьох галузях народного господарства зростають потреби в економічних і високоякісних матеріалах, що мають певні технічні властивості. Для науки й техніки по­трібні матеріали досить міцні та особливо стійкі проти нагрівання, дії хімічних реагентів, корозії. В авіації, ракетній, космічній і ядерній техніці, радіоелек­троніці прогрес був би просто неможливий без надміцних ма­теріалів, здатних витримувати температури до 2500 °С і вище.

Багато з використовуваних у техніці матеріалів не існує в природному стані — їх створила людина. В сучасній техніці використовується понад 20 тисяч конструкційних і будівель­них матеріалів, і їх асортимент з кожним роком зростає за рахунок створення надміцних, жаростійких, хімічно стійких матеріалів та їх сплавів. Але якщо раніше нові матеріали створювалися в результаті простого відбору природних речо­вин із необхідними властивостями, то нині на основі знання залежності фізичних і хімічних властивостей речовини від її будови (структури) цілеспрямовано створюють матеріали із заздалегідь заданими механічними, тепловими, електромаг­нітними, оптичними та іншими властивостями.

Одним із засобів керування властивостями нових мате­ріалів є утворення різних сплавів. Сплавляючи в певному співвідношенні різні метали, дістають сплави з бажаними технічними властивостями. В розплавленому стані відбуваєть­ся активне дифузійне перемішування частинок (іонів, атомів, молекул) вихідних речовин, яке у процесі кристалізації сприяє утворенню сплаву із властивостями, які відрізняються від властивостей його компонентів. Тепер виготовляються і використовуються тисячі металевих сплавів з різноманітними властивостями: дюралюміній (сплав алюмінію з міддю, маг­нієм і манганом), латунь (сплав міді з цинком), бронза (сплав міді з оловом, алюмінієм або свинцем), бабіт (сплав олова, стибію і міді), легована сталь (сплави заліза з нікелем, кобаль­том, хромом та іншими металами) тощо. Тверді металеві сплави мають високу пластичність і міцність. Сплавляючи тугоплавкі метали (вольфрам, хром, ванадій, іридій, молібден тощо), дістають особливо тверді сплави, які використовують для виготовлення металорізального інструменту. На основі титану дістають легкі і надзвичайно міцні сплави, здатні працювати за температури 500—600 °С. За густини 4,5 • 103 кг/м3 титан має модуль пружності приблизно в 2 рази більший, ніж залізо, і в 6 раз більший, ніж алюміній. Ці яко­сті титанових сплавів зробили їх незамінними в надзвуковій авіації, космічній техніці та інших галузях науки і техніки.

Для роботи у разі великих механічних навантажень використовувалися переважно метали та їх сплави. Однак метали непридатні в агресивних середовищах або за високих температур, оскільки зазнають корозії, а під час нагрівання стають пластичними і набувають плинності, тобто повільно і безперервно деформуються під впливом навантажень чи меха­нічних напруг. З метою підвищення міцності металів у їх кристалічні решітки вводять атоми інших елементів, таких, як Карбон, Силіцій, Нітроген, Бор. В результаті дістають сполуки металів з Карбоном (карбіди), Силіцієм (силіциди), Бором (бориди), Нітрогеном (нітриди), які дістали назву мета­лоподібних. Ці з'єднання, зберігаючи значною мірою власти­вості металів (міцність, електропровідність тощо), одночасно набувають і нових (твердість, теплостійкість, хімічна стій­кість). Атоми металу і неметалу зв'язуються між собою дуже міцними ковалентно-металевими зв'язками.

Карбіди деяких металів (Титану, Цирконію, Гафнію, Ванадію, Танталу, Ніобію, Молібдену тощо) дуже тверді і ту­гоплавкі речовини. Підвищення цих цінних якостей дося­гається в результаті сплавляння між собою різних карбідів чи карбідів з металами: нікелем, кобальтом, хромом тощо. Так, деталі із сплаву карбідів танталу, гафнію і цирконію можуть працювати за температури до 3000 °С. Найтугоплавкішим з усіх відомих матеріалів є сплав карбідів танталу (80 %) і гаф­нію. Його температура плавлення дорівнює 4215 С.Металоподібні сполуки знаходять широке і різноманітне застосування у сучасній техніці: захисні покриття під час до­бування жароміцних волокон, в металургії, енергетиці тощо.

З кожним роком зростає застосування в техніці так званих бінарних сполук неметалів: Карбону, Силіцію, Нітрогену і Бору, тобто продуктів з'єднання між собою двох різних атомів цих елементів. В кристалічній структурі бінарних сполук ато­ми зв'язані міцними ковалентними зв'язками. Тому ці речо­вини відзначаються винятковою твердістю, термостійкістю, вогнетривкістю і хімічною стійкістю.

Прикладом такої бінарної сполуки є карбід силіцію БіС, який в техніці називають карборундом. Його дуже широко використовують для виготовлення абразивів, вогнетривів і напівпровідників. Ниткоподібні монокристали карбіду силіцію використовують для армування металів і полімерів та до­бування в такий спосіб винятково міцних матеріалів.

Дуже міцний ковалентний зв'язок утворюють атоми Бору і Нітрогену в кристалічній структурі нітриду бору N6, причому існують три різні форми кристалічних решіток, дві з яких аналогічні алмазу і графіту. Нітрид бору, кристалічна решітка якого схожа з графітом — це білий порошок («білий графіт»), слугує кращим, ніж графіт, змащенням. Нітрид бору, що має кристалічну решітку, аналогічну алмазу, за твердістю не по­ступається йому і перевищує його за міцністю і термостійкістю. В техніці цей матеріал називають ельбором, кубонітом або бора­зоном. Різальні й абразивні інструменти, виготовлені на основі ельбору, в 10—20 раз перевищують за стійкістю твердосплавні інструменти. Такими інструментами можна обробляти сталь і чавун, тоді'як алмазні інструменти для цієї мети непридатні: під час розігрівання алмаз перетворюється в графіт.

У багатьох галузях науки і техніки широко використову­ють чудові механічні, електромагнітні й оптичні властивості монокристалів хімічних елементів і багатьох речовин, насам­перед алмазу, рубіну, германію, кварцу, силіцію, сапфіру, ісландського шпату тощо. Але, на жаль, ці монокристали трапляються в природі дуже рідко і в більшості випадків ма­ють тріщини, забруднення, дефекти кристалічної структури. У зв'язку з цим швидкими темпами розвиваються техніка і технологія штучного вирощування, або синтезу монокриста­лів багатьох хімічних елементів і сполук дуже високої хімічної чистоти з досконалою кристалічною структурою.

В Україні виробляються сотні штучних кристалів, у тому числі дорогоцінних і напівдорогоцінних: діамантів, смарагдів, рубінів, гранатів, сапфірів, аметистів, топазів тощо. Вирощені штучні монокристали ні в чому не поступаються природним, а деякі і значно їх перевищують, оскільки в процесі їх виготов­лення учені й інженери можуть цілеспрямовано змінювати склад вихідних речовин, умови вирощування і тим самим створювати монокристали з необхідними властивостями.

Існують два основні способи вирощування монокристалів: кристалізація із розплаву і кристалізація із розчину.

Великим досягненням науки й техніки останніх сорока ро­ків була організація промислового виробництва синтетичних алмазів. Вони виявилися кращими за природні: твердіші, менш крихкі і стійкіші проти зношування. Наприклад, ал­мазні підшипники, які працюють без змащення у хрономет­рах вищого класу для морських кораблів і в інших особливо точних навігаційних приладах, роблять 60 млн. обертів без помітного зношування. Синтетичні алмази у вигляді порош­ків, паст і дрібних кристалів також використовують у прила­дах і деталях, які вимагають великої твердості. їх застосову­ють для дуже точної обробки важливих деталей машин і при­ладів, виробів з твердої сталі, кераміки, природних алмазів. Алмазні різці, свердла, пилки, філь’єри і коронки в сотні і тисячі разів довговічніші за звичайні, при цьому обробка ними твердих сплавів і пластиків прискорюється в 6—12 раз. Глибоке буріння свердловин ведеться тепер майже виключно за допомогою алмазного інструменту.

3. Будова полімерів та їх властивості.

Деякі з матеріалів, які нині називаються полімерами, відомі давно. Близько ста років потому було вивчено характерні властивості натуральних полімерних матеріалів, таких як папір, шовк, бавовна, смоли тощо. Основними методами одержання синтетичних полімерів є полімеризація і поліконденсація. Всі природні і синтетичні полімерні речовини є сумішшю молекул з різним ступенем полімеризації, тобто в полімері завжди є молекули різних довжин і, отже, різних молекулярних мас. Наприклад, молекулярна маса поліетилену досягає значень 140 кг/моль, а капрону – 26 кг/моль.Взагалі для твердих полімерів більш властивим є аморфний стан, ніж кристалічний. Деякі полімери можна одержати аморфними, якщо вони здатні навіть кристалізуватися при швидкому охолодженні розплаву (каучук, полівінілхлорид). Інші полімери, подібні поліетилену і тетрафторетилену, ніколи не вдавалось одержати в переохолодженому стані.

Аморфні полімери, залежно від температури, можуть бути в склоподібному, високоеластичному та в’язкотекучому (рідкому) станах. При цьому збільшення температури викликає їхню зміну в зазначеній вище послідовності. Зміна стану аморфного полімеру в залежності від температури відбивається на фізичних властивостях, зокрема деформації. Кристалічні полімери утворюються у вигляді полікристалічних агрегатів. Початкова стадія кристалізації у більшості полімерів пов’язана з виникненням кристалічних пачок ланцюгових молекул, які, залежно від умов, складаються в стрічки, пластини або так звані сферолітні утворення. У кристалічних полімерів сферолітні структури зустрічаються досить часто. Розміри сферолітів можуть бути від кількох мікрометрів до одного міліметра.

Структура полікристалічного полімеру значною мірою залежить від швидкості росту кристалів і від концентрації в зразку центрів кристалізації. В загальному випадку вона характеризується розподілом кристалічних областей в масі аморфного полімеру. При цьому одна і та сама молекула полімеру може переходити через кілька кристалічних і аморфних областей, як це схематично зображено на рис. 4.40. Такий взаємозв’язок областей зумовлює значну міцність полімерних зразків.

Низькомолекулярним кристалам є властивою певна температура плавлення. Плавлення полімерних кристалів відбувається в інтервалі температур, який становить 3…4 °С. Це пояснюється тим, що в полімерних кристалах є досить помітне відхилення від суворо просторового розподілу ланок молекул як на поверхні, так і в об’ємі кристала.

Особливий інтерес становлять біологічні макромолекули (біополімери) білків, РНК і ДНК, головна особливість яких полягає в тому, що ланцюг білка, РНК або ДНК є не лише молекулою певної речовини, а і своєрідною машиною (або автоматом), яка виконує певні операції. Наприклад, послідовність ланок молекули ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти) містить запис інформації (генетичної інформації), і вона кодує «тексти» білків за допомогою так званого генетичного коду. Білок з одним текстом приймає кванти світла в сітківці ока, з другим – створює зусилля у м’язах, з третім – працює в системі імунітету і т. д. Яким чином прочитується текст ДНК і як за інструкцією, яка міститься в ньому, будується білок? Ці та всі подібні питання належать до фізики біополімерів.

Важливим поштовхом до розвитку фізики полімерів послужила книга австрійського фізика Е. Шредінгера, видана у 1944 р. Послідовниками Е. Шредінгера були наукові співробітники Кавендишської лабораторії Дж. Уотсон, Ф. Крік і М. Уілкінс. Ці вчені здійснили одне із значних відкриттів в біології XX ст.: встановили структуру молекули ДНК – генетичного матеріалу клітини, який зберігає інформацію про спадкові ознаки організму. За це відкриття у 1962 р. їм було присуджено Нобелівську премію. Було встановлено, зокрема, що ДНК є основною молекулою живої природи. Нових законів фізики в біології не було встановлено, але центральну проблему, проблему будови гена, вирішити вдалось.

Відкриття структури ДНК відіграло в розвитку біології таку саму роль, як відкриття атомного ядра в фізиці. Вивчення будови атома привело до виникнення квантової фізики, а відкриття будови ДНК – до створення молекулярної біології.



Раніше рівень технічного розвитку тієї чи іншої країни визначався за обсягом виплавки сталі і заліза. З розвитком практичного використання синтетичних матеріалів потреба в металах не зменшується і їхнє виробництво неперервно зростає. Разом з тим, значення полімерних матеріалів стало настільки великим, що уже рівень технічного прогресу визначається не лише об’ємом виробництва, а й об’ємом одержання полімерних матеріалів, асортиментом і напрямком їх використання.

Питання для самоперевірки:
1.Чим відрізняються рідкі кристали від звичайних кристалів?

2.Чим відрізняються рідкі кристали від аморфних тіл ?

3. Де знайшли своє використання рідкі кристали?

4.За допомогою яких технологій створюються нові матеріали з певними властивостями?

5.Як вирощують монокристали?

6. Пояснити будову та властивості полімерів


Література: С.У. Гончаренко Фізика 10 клас (§26, 27)
Творче завдання:

Написання реферату на тему: « Використання полімерів в сучасному житті»


База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка