ОП.05 Физическая химия Урок 2

070 ЗМ

ОП.05 Физическая химия Урок 2

Раздел 1. Молекулярно-кинетическая теория (МКТ)

Тема 1.2 Основные свойства жидкости

Тема 1.3 Твёрдое состояние вещества

План

1. Внимательно прочитайте и изучите теоретический материал урока

2. Выполните задание

3. Фото или скан ответа отправьте в форме «Фамилия.ФХ.2.БК» на проверку в Группу по ссылке https://vk.com/club199886154

Материал считается принятым после получения соответствующей оценки («Принято», «Зачтено»)

ЗаданиеОпираясь на теоретические материалы урока, сделать в лекционной тетради письменный конспект на тему «Агрегатные состояния вещества» в виде ответов на контрольные вопросы

Теоретический материал

1) Основные свойства жидкостей: с.29 – 32 по ссылке

https://lektsii.org/10-8823.html

Дополнительный материал по теме:

а) поверхностное натяжение – по ссылке

https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/molekuljarno-kineticheskaja-teorija/svojstva-zhidkostej-poverhnostnoe-natjazhenie/

б) вязкость, текучесть

http://ency.info/materiya-i-dvigenie/molekulyarno-kineticheskaya-teoriya/355-svojstva-zhidkoste

в) смачиваемость

https://www.yaklass.ru/p/fizika/7-klass/stroenie-veshchestva-11123/pritiazhenie-i-ottalkivanie-molekul-smachivanie-i-kapilliarnost-11334/re-62eeabfb-1641-4198-ac64-db1b76aa5b25

г) явление капиллярности

https://www.yaklass.ru/p/fizika/7-klass/stroenie-veshchestva-11123/pritiazhenie-i-ottalkivanie-molekul-smachivanie-i-kapilliarnost-11334/re-bbea49ee-ad17-4d0b-8a26-59231ca3d706

В производстве металлов и сплавов используют термин «металлургические жидкости». К ним относятся растворы и расплавы (чернового металла, шлаковый и штейновый расплавы).

Растворы, применяемые в производстве металлов получают при переработке руды – сырья, полученного из горных пород, и содержащего ценный компонент в виде химического соединения (минерала) металла с другими элементами (кислородом, серой, хлором и т.д.) или – реже – в чистом виде (самородки).

Расплавленные металлы и сплавы составляют группу металлических жидкостей. Межчастичные связи в них возникают преимущественно вследствие взаимодействия положительных ионов со свободными электронами.

Жидкие чистые металлы отличаются относительно простым строением, однако их композиции - сплавы - в этом отношении исключительно сложны, что и определяет разнообразие их свойств.

Металлы, полученные непосредственно из сырья, обычно содержат достаточно высокое количество примесей (других металлов и их соединений), что ухудшает их свойства – физические и эксплуатационные. Такие металлы называют черновыми. Примесей в них может содержаться, в среднем, от 1 до 4% по массе. Обычно черновые металлы подвергают различным способам очистки от примесей – рафинируют.

К числу металлургических жидкостей относятся также расплавы шлаков (сплав оксидов) и штейнов (сплав сульфидов).

По своим свойствам и строению жидкости гораздо ближе стоят к твердым телам, чем к газам, особенно при температурах, близких к температуре кристаллизации. Такое заключение вытекает, в частности, из следующих экспериментальных фактов, впервые обобщенных Я.И.Френкелем и многократно подтвержденных и дополненных впоследствии практикой.

1. При плавлении твердых тел относительное увеличение объема не превышает 10 %. Следовательно, средние расстояния между частицами вещества в процессе плавления почти не изменяются. В то же время при испарении они увеличиваются в десятки раз.

2. Скрытая теплота плавления значительно меньше теплоты испарения, т.е. силы взаимодействия между частицами испытывают сравнительно небольшое ослабление.

3. Теплоемкость тел почти не меняется при плавлении. Это говорит о сохранении характера теплового движения частиц, которые совершают колебания около временных положений равновесия. Получив в результате взаимодействия с соседями дополнительную энергию, частица скачкообразно меняет свою позицию. В жидкости частота таких скачков значительно выше, чем в твердом теле.

4. При достаточно малом времени воздействия нагрузки жидкость проявляет упругие свойства, обнаруживая даже подобие хрупкости.

5. Рентгеноструктурный анализ показывает, что при температурах, не слишком превышающих температуру плавления, расположение частиц в жидкости не беспорядочно, а весьма сходно с существующим в твердом кристаллическом теле. Однако в отличие от кристаллических тел, обладающих дальним порядком, основной характеристикой структуры жидкости является ближний порядок.

Абсолютное большинство реальных металлических жидкостей - это взаимные растворы, или сплавы многих элементов, иначе говоря, многокомпонентные системы.

2) Твёрдые тела (с. 33, 34) https://lektsii.org/10-8823.html по свойствам разделяют на кристаллические и аморфные.

Кристаллическими называют тела, в которых атомы и молекулы расположены в правильном геометрическом порядке, а аморфными - в которых атомы и молекулы расположены беспорядочно. С энергетической стороны имеет место принципиальное различие между кристаллическими и аморфными телами, состоящее в том, что процесс плавления и затвердевания кристаллических тел сопровождается определенным тепловым эффектом (то есть, поглощением или выделением тепла). У аморфных тел этого теплового эффекта нет.

Характерные свойства кристаллических веществ:

а) однородность строения (однородностью кристалла назовём одинаковость узора взаимного расположения атомов во всех частях его объема);

б) анизотропия (в изотропных телах все свойства — теплопроводность, электропроводность, твёрдость царапания и т.д. — одинаковы в любом направлении, а в анизотропных телах все свойства неодинаковы в непараллельных направлениях, т.е., например, в одном направлении электрический ток проходит быстрее, в другом — медленнее);

в) симметричность.

Различие в строении кристаллических и аморфных веществ определяет и различие в их свойствах. Так, аморфные вещества, обладая большим запасом свободной энергии, химически более активны, чем кристаллические вещества такого же состава.

Стекло или стеклообразным сплавом называют неорганический или органический продукт плавления, охлажденный до твердого состояния без кристаллизации. Другими словами, стекло – это переохлажденная жидкость.

В аморфных и стеклообразных сплавах при отсутствии дальнего порядка сохраняется ближний порядок – группировки атомных частиц, отражающих химический состав вещества. Такие группировки принято называть структурными единицами. Характерным свойством стеклообразных материалов является их прозрачность в различных областях спектра. Существуют разные разновидности стекол.

Оксидные стекла (например, оконное стекло) получены на основе Na₂O СаО 6SiО₂+ силикаты калия, свинца (хрусталь) + оксид бора (термостойкое химическое стекло), прозрачны в видимой области спектра. Непрозрачны для ультрафиолетовых лучей.

Халькогенидные стекла (на основе халькогенов – серы, селена, теллура), прозрачные в видимой и ИК-областях спектра. Из них изготавливают приборы ночного видения, ключевые элементы памяти, используют для записи информации (в аппаратах для ксерокопирования), в голографии, для передачи изображения на дальние расстояния и в космическом пространстве, используют в качестве волноводов - волоконно-оптический кабель, термометров сопротивления для атомных реакторов.

Фторцирконатные стекла изготавливают на основе фторидов гафния, циркония с добавками других фторидов, имеют большой диапазон прозрачности - от УФ до ближней ИК области спектра.

Фосфатные стекла изготавливают на основе ортофосфата кальция – прозрачны в видимой и УФ-областях спектра (темные стекла на автомобилях).

Аллотропия — существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам — так называемых аллотропных (или аллотропических) модификаций или форм.

Явление аллотропии обусловлено либо различным составом молекул простого вещества (аллотропия состава), либо способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке (аллотропия формы). Если какой-либо элемент может существовать в двух или нескольких твердых формах (кристаллических либо аморфных), то считается, что он проявляет аллотропию. Различные формы одного элемента называются аллотропами. Аллотропы существуют приблизительно у половины всех элементов.

Например, углерод существует в виде алмаза либо графита. Сера существует в двух кристаллических формах-ромбической и моноклинной-в зависимости от температуры. Обе ее кристаллические формы являются примерами молекулярных кристаллов. Молекулы в них представляют собой гофрированные циклы, в каждом из которых содержится по восемь ковалентно связанных атомов серы . Твердая сера может существовать еще в третьей аллотропной форме-как пластическая сера. Эта форма серы неустойчива. Она состоит из длинных цепочек атомов серы, которые при комнатной температуре разрушаются и снова образуют молекулы S8, кристаллизующиеся в ромбическую решетку.

Фосфор может существовать в трех аллотропных формах. Наиболее устойчивая из них-красный фосфор. Красный фосфор имеет каркасную кристаллическую структуру, в которой каждый атом ковалентно связан с тремя другими атомами фосфора. Белый фосфор представляет собой молекулярный кристалл. Каждая его молекула содержит четыре атома фосфора, ковалентно связанных в тетраэдрическую структуру. Третий аллотроп - черный фосфор-образуется только при высоких давлениях. Он существует в виде макромолекулярной слоистой структуры.

Полиморфизм - это исключительное явление, присущее только твёрдому агрегатному состоянию вещества, в частности, веществам кристаллической структуры.

Суть этого явления заключается в том, что под влиянием тех или иных процессов некоторые вещества способны изменять свою кристаллическую форму при сохранении химической природы, т.е. химического состава и молекулярного строения.

Это явление наблюдается как у элементов (например, углерода, серы, кремния, железа и т.д.), так и у соединений (например, льда, кремнезёма, рутила, углекислого кальция и т.д.).

С физической точки зрения превращение кристаллического вещества из одной формы в другую обуславливается внутренней перегруппировкой молекул, которая ведёт к изменению его кристаллической структуры и свойств. Так как перемещение молекул в твёрдом теле возможно только при условии сообщения им некоторой подвижности, то процесс перехода вещества из одной модификации в другую осуществляется под действием двух факторов: давления и температуры. Из этого следует, что каждая модификация существует при строго определенных условиях (параметрах), и совместное их существование одновременно невозможно, кроме как в точке пересечения кривых упругости их паров и температур, т. е. в точке превращения.

Фуллерены— это недавно открытая форма углерода, отличная от известных ранее графита и алмаза.

Наиболее распространенным среди фуллеренов является фуллерен С60, который представляет из себя молекулу из 60 атомов углерода, образующих замкнутую сферическую поверхность, составленную из правильных шести- и пятиугольников, — молекулярный аналог европейского футбольного мяча. Фуллерены - аллотропные молекулярные формы углерода, в к-рых атомы расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, покрывающих поверхность сферы или сфероида. Такие молекулы могут содержать 28, 32, 50, 60, 70, 76 и т. д. атомов С.

Главной особенностью фуллеренов является их повышенная реакционная активность. Они легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. На их основе возникла новая стереохимия углеродов, позволяющая целенаправленно создавать новые органические молекулы и, следовательно, вещества с заданными формами и свойствами. Фуллерены могут быть использованы как “нанокирпичики” для конструирования материалов с заданными параметрами.

Контрольные вопросы

1) Дайте физическую характеристику жидкого состояния вещества (форма, объём, расстояние между частицами и силы взаимодействия между ними, оптические свойства – цвет, прозрачность; сжимаемость)

2) Какими свойствами обладают жидкости?

3) Что такое поверхностное натяжение? Как влияет это свойство на применение жидкостей?

4) Что такое Вязкость? Текучесть?

5) Охарактеризовать свойство смачиваемости и угла смачиваемости.

6) Что такое капиллярность?

7) Дайте определение «металлургическим жидкостям». Какие жидкости к ним относятся?

8) Запишите пять основных фактов, характеризующих металлургические жидкости, согласно теории Я.И. Френкеля

9) Какова роль металлургических растворов в производстве металлов из руд?

10) Дайте понятие чернового металла, шлака и штейна с точки зрения рассмотрения их в качестве металлургических объектов

11) Какой процесс называют рафинированием?

12) Дайте физическую характеристику твёрдых тел (форма, объём, расстояние между частицами и силы взаимодействия между ними, оптические свойства – цвет, прозрачность)

13) Сравните кристаллические и аморфные твёрдые вещества. Приведите примеры твёрдых веществ каждой из групп

14) Что такое кристаллическая решётка? Какие они бывают? Зарисуйте типы кристаллических решёток

15) Что такое аллотропия? Что такое полиморфизм?