Budowa i właściwości ciał stałych. Budowa krystaliczna
Gdy zanurzysz metalową łyżeczkę w gorącej herbacie, po pewnym czasie łyżeczka rozgrzewa się tak bardzo, że nie możesz jej dotknąć. Zupełnie inaczej zachowuje się łyżeczka wykonana z plastiku. Dlaczego jedna substancja nagrzewa się szybciej, a inna – wolniej? Jak zachowują się inne ciała stałe? Co jeszcze je różni? Jeżeli chcesz poznać odpowiedzi na te pytania, czytaj dalej.
czym charakteryzuje się budowa ciał,
podział ciał ze względu na stan skupienia,
klasyfikację ciał ze względu na właściwości mechaniczne,
sens fizyczny gęstości,
jednostkę gęstości.
dzielić ciała stałe ze względu na ich właściwości fizyczne,
podawać przykłady ciał sprężystych, plastycznych i kruchych,
opisywać budowę krystaliczną ciała stałego na przykładzie kryształu soli kuchennej,
wyjaśniać właściwości elektryczne i cieplne ciał stałych,
hodować kryształy.
Co to jest ciało stałe
Właściwości fizyczne ciał stałych, gazów i cieczy wynikają głównie z różnic w ich budowie cząsteczkowej. Gdy próbujesz ścisnąć lub rozciągnąć monetę, okazuje się, że nie jesteś w stanie tego zrobić (przynajmniej w żaden zauważalny sposób).
Cząsteczki (atomy) tworzące ciała stałe znajdują się w niewielkiej odległości od siebie i silnie na siebie oddziałują. Przy ściskaniu dominuje oddziaływanie odpychające, a przy rozciąganiu – przyciągające. Ostatecznie cząsteczki (atomy) ciał stałych drgają wokół ustalonych położeń równowagi.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1ep29UEYPKWn
Materiał filmowy dotyczący oddziaływań międzycząsteczkowych.
Ciała stałe zachowują określoną objętość.
Istnieją jednak materiały, takie jak plastelina lub guma, których kształt można z łatwością zmienić.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1Wz9KUQ9RQHZ
Materiał filmowy dotyczący zmiany kształtu ciał stałych.
Zmiana kształtu ciała stałego nie wpływa na jego objętość.
Zaznacz wszystkie poprawne odpowiedzi.
- Nie możemy zmienić objętości ciała poprzez zmianę jego kształtu.
- Możemy zmienić objętość ciała stałego poprzez jego rozciągnięcie.
- Jeżeli podzielimy ciało na dwie części, to suma ich objętości jest równa objętości ciała przed podziałem.
Ciała sprężyste, plastyczne i kruche
Przyłożenie siły zewnętrznej do danego ciała powoduje jego odkształcenieodkształcenie. Gdy przyczyna wywołująca naprężenie ustanie, ciało może powrócić do swojego stanu początkowego lub ulec trwałej zmianie. Pod wpływem siły zewnętrznej ciało może również pęknąć (np. guma, szkło) lub zostać złamane (np. kawałek kredy, gałąź drzewa).
Głównym elementem konstrukcyjnym zabawki widocznej na zdjęciu (drążka pogo) jest sprężyna. Po usunięciu przyłożonej siły wraca ona do swojego dawnego kształtu – jej odkształcenie nie jest więc trwałe. Taką właściwość fizyczną ciał nazywamy sprężystościąsprężystością.
właściwość fizyczna ciał oznaczająca, że ciało powraca do swojego pierwotnego kształtu i wymiaru po ustaniu działania zewnętrznej siły odkształcającej, najczęściej niezbyt dużej, która to odkształcenie wywołała.
Niektóre substancje (takie jak modelina) pod wpływem sił zewnętrznych ulegają trwałemu odkształceniu. Usunięcie zewnetrznej siły nie powoduje powrotu ciała do pierwotnego kształtu.
Plastyczność ciałPlastyczność ciał często wykorzystujemy w praktyce, np. plastyczność gliny pozwala na wytwarzanie dzbanków i zastaw stołowych o niezwykłych kształtach.
Podobnie jest ze sprężyną – jeżeli za bardzo się ją rozciągnie, to nie powróci ona już do swojego pierwotnego kształtu, ponieważ została przekroczona granica sprężystości i sprężyna odkształciła się się w sposób trwały.
właściwość fizyczna ciał oznaczająca, że ciało stałe pod wpływem zewnętrznej siły odkształcającej ulega trwałemu odkształceniu.
Pod wpływem nawet słabych odkształceń niektóre ciała pękają lub się krusząsię kruszą. Dzieje się tak np. ze szkłem, ceramiką lub kredą.
właściwość fizyczna ciała, która polega na tym, że pod wpływem zewnętrznej siły odkształcającej materiał pęka lub się kruszy (ulega trwałemu odkształceniu).
Nie ma wyraźnego podziału na ciała sprężystesprężyste, plastyczneplastyczne i kruchekruche. Ma on charakter umowny i zależy od wielkości siły, która odkształca dane ciało.
W fizyce do określenia twardości substancji używa się skali Mohsa. Skala ta ma charakter porównawczy, tzn. porównujemy twardość badanego ciała z twardością minerału będącego odnośnikiem na skali twardości. Każdym minerałem o określonej twardości odczytanej ze skali można porysować minerał poprzedzający go na tej skali.
Twardość ciał według skali Mohsa.
Lp. | Nazwa minerału | Twardość minerału | |
|---|---|---|---|
talk | minerał daje się z łatwością zarysować paznokciem | ||
gips | minerał daje się zarysować paznokciem | ||
kalcyt | minerał daje się z łatwością zarysować miedzianym drutem | ||
fluoryt | minerał daje się z łatwością zarysować ostrzem noża | ||
apatyt | minerał daje się z trudem zarysować ostrzem noża | ||
ortoklaz | minerał daje się zarysować stalą narzędziową (np. pilnikiem) | ||
Minerał nie daje się zarysować nożem ani stalą narzędziową | |||
kwarc | minerałem można zarysować szkło | ||
topaz | minerałem można z łatwością zarysować szkło | ||
korund | minerałem można ciąć szkło, minerał daje się zarysować diamentem | ||
diament | minerałem można zarysować korund, minerał daje się zarysować tylko innym diamentem | ||
Wybierz odpowiednie zajęcia, gdzie wykorzystuje się właściwości plastyczne, sprężyste lub kruche ciał stałych.
gra w tenisa, drążenie pokładów węgla, kucie żelaza, wyrób złotej biżuterii, pisanie kredą po tablicy, lepienie z gliny, strzelanie z łuku, rzeźbienie w materiale skalnym, strzelanie z katapulty
| plastyczne | |
|---|---|
| sprężyste | |
| kruche |
Przewodnictwo elektryczne
Niektóre materiały świetnie nadają się jako przewody elektryczne, a inne zabezpieczają nas przed skutkami porażenia prądem elektrycznym.
Przewód elektryczny składa się z wewnętrznej żyły, wykonanej najczęściej z miedzi lub aluminium, oraz zewnętrznej osłony nazywanej izolacją. Żyła przewodzi prąd elektryczny, a izolacja, wykonana z tworzywa sztucznego (np. PVCPVC), pełni funkcję ochronną.
Co sprawia, że miedź jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego, a tworzywo sztuczne PVC wcale go nie przewodzi?
Niektóre ciała stałe bardzo dobrze przewodzą prąd elektryczny, w ich wnętrzu znajduje się dużo elektronów swobodnych. Ciała takie nazywamy przewodnikami prądu elektrycznegoprzewodnikami prądu elektrycznego. Inne ciała, które nie posiadają elektronów swobodnych i nie przewodzą prądu elektrycznego, nazywamy izolatoramiizolatorami.
ciało, które dobrze przewodzi prąd elektryczny, np. miedź, aluminium, srebro.
ciało, które nie przewodzi prądu elektrycznego, np. tworzywo sztuczne, guma, porcelana.
Wykazać, że ciała stałe mogą być dobrymi przewodnikami lub izolatorami prądu elektrycznego.
ogniwo lub bateria ;
trzy przewody z zaciskami;
żarówka lub w oprawce (dopasowana woltażem do używanej baterii lub ogniwa);
przedmioty poddawane testom na przewodnictwo elektryczne (plastikowa łyżeczka, nóż metalowy, kartka papieru, moneta itp.).
Połącz wszystkie elementy zgodnie z poniższym rysunkiem.
R4tWzEBhIKJhA 
Układ doświadczalny. Pomiar przewodnictwa elektrycznego w ciałach stałychŹródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu.Sprawdź, co się będzie działo, gdy w miejsce noża umieścisz kolejno pozostałe przedmioty..
Obserwowane ciała stałe możemy podzielić na dwie grupy. Do pierwszej zaliczymy przedmioty, które przewodziły prąd elektryczny (żaróweczka w obwodzie się świeciła), do drugiej – te, które go nie przewodziły (żarówka się nie zaświeciła). W ten sposób dokonaliśmy podziału badanych ciał na przewodniki i izolatory prądu elektrycznego.
Wykonano doświadczenie.
Wykazać, że ciała stałe mogą być dobrymi przewodnikami lub izolatorami prądu elektrycznego.
ogniwo lub bateria ;
trzy przewody z zaciskami;
żarówka lub w oprawce (dopasowana woltażem do używanej baterii lub ogniwa);
przedmioty poddawane testom na przewodnictwo elektryczne (plastikowa łyżeczka, nóż metalowy, kartka papieru, moneta itp.).
Połączono wszystkie elementy zgodnie z poniższym rysunkiem.
R4tWzEBhIKJhA Układ doświadczalny. Pomiar przewodnictwa elektrycznego w ciałach stałychŹródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu.W miejsce noża umieszczono kolejno pozostałe przedmioty.
Obserwowane ciała stałe możemy podzielić na dwie grupy. Do pierwszej zaliczymy przedmioty, które przewodziły prąd elektryczny (żaróweczka w obwodzie się świeciła), do drugiej – te, które go nie przewodziły (żarówka się nie zaświeciła). W ten sposób dokonaliśmy podziału badanych ciał na przewodniki i izolatory prądu elektrycznego.
Ze względu na właściwości elektryczne ciała stałe możemy podzielić na dwie grupy: przewodniki i izolatory prądu elektrycznego.
Uzupełnij puste miejsca.
Ciało, które przewodzi prąd elektryczny nazywamy .......................... elektrycznym. Ciało, które nie przewodzi prądu elektrycznego nazywamy .....................
Przewodnictwo cieplne ciał stałych
Ciała stałe mogą być nie tylko przewodnikami lub izolatorami prądu elektrycznego, lecz także dobrymi lub złymi przewodnikami ciepła. Przewodniki cieplne to materiały, które mogą transportować duże ilości ciepła. Do tej grupy należą przede wszystkim metale i diament. Materiały, które słabo przewodzą ciepło, nazywamy izolatorami cieplnymi. Dobrymi izolatorami cieplnymi są drewno i większość tworzyw sztucznych.
Który z materiałów jest izolatorem, a który dobrym przewodnikiem ciepła?
kubek lub menzurka,
łyżka drewniana,
łyżka metalowa,
łyżka plastikowa,
trzy koraliki,
masło.
Użyj odrobiny masła i na końcu uchwytu każdej łyżeczki przylep po jednym koraliku.
Sprawdź, czy na każdej łyżeczce znajduje się mniej więcej taka sama ilość masła. Ustaw badane przedmioty pionowo w kubku, tak by opierały się one o krawędź naczynia (łyżeczki muszą być skierowane uchwytami do góry).
Nalej do kubka gorącej wody, tak aby badane przedmioty zostały zanurzone na głębokość około ośmiu centymetrów.
Praktyczne uwagi:
masło nie może być zamarznięte,
doświadczenie nie wyjdzie w upalny dzień, gdy masło będzie zbyt miękkie.
Odpadł jedynie koralik przytwierdzony do metalowej łyżeczki. Stało się tak, ponieważ metal jest dobrym przewodnikiem ciepła. Drewno i plastik są izolatorami cieplnymi, dlatego masło mocujące koraliki do łyżeczek się nie roztopiło – koraliki pozostały na swoich miejscach.
Wykonano doświadczenie.
Który z materiałów jest izolatorem, a który dobrym przewodnikiem ciepła?
kubek lub menzurka,
łyżka drewniana,
łyżka metalowa,
łyżka plastikowa,
trzy koraliki,
masło.
Użyto odrobiny masła i na końcu uchwytu każdej łyżeczki przylepiono po jednym koraliku.
Sprawdzono, czy na każdej łyżeczce znajduje się mniej więcej taka sama ilość masła. Ustawiono badane przedmioty pionowo w kubku, tak by opierały się one o krawędź naczynia (łyżeczki muszą być skierowane uchwytami do góry).
Nalano do kubka gorącej wody, tak aby badane przedmioty zostały zanurzone na głębokość około ośmiu centymetrów.
Praktyczne uwagi:
masło nie może być zamarznięte,
doświadczenie nie wyjdzie w upalny dzień, gdy masło będzie zbyt miękkie.
Odpadł jedynie koralik przytwierdzony do metalowej łyżeczki. Stało się tak, ponieważ metal jest dobrym przewodnikiem ciepła. Drewno i plastik są izolatorami cieplnymi, dlatego masło mocujące koraliki do łyżeczek się nie roztopiło – koraliki pozostały na swoich miejscach.
Materiały, które dobrze przewodzą ciepło są używane wszędzie tam, gdzie zależy nam na szybkim przepływie energii cieplnej ze źródła. Dlatego na procesory komputerów naklejamy specjalną pastę przewodzącą i duże metalowe radiatory.
Cylindry i głowice silników spalinowych wykonane są z aluminium lub żeliwa (żelaza z niewielkimi domieszkami innych pierwiastków). Dzięki temu temperatura tych urządzeń lub ich elementów nie rośnie nadmiernie, bo ciepło jest szybko odprowadzane na zewnątrz. Z kolei metalowe dna patelni i garnków pozwalają szybko doprowadzić ciepło do przyrządzanych potraw.
Często jednak ten przepływ ciepła chcemy powstrzymać. Używamy wtedy materiałów źle przewodzących ciepło (izolatorów). Ściany budynków oklejamy styropianem lub płytami wykonanymi z wełny mineralnej, by zmniejszyć koszty ogrzewania pomieszczeń. Uchwyty patelni i garnków wykonujemy z drewna lub tworzyw źle przewodzących ciepło, co chroni nas przed oparzeniem. W chłodne dni zakładamy kilka warstw odzieży, na wakacjach zaś pod namiotami śpimy na karimacie, a nie na gołej ziemi.
Uważny obserwator dostrzeże, że dobre przewodniki ciepła wykorzystywane są w kuchni (materiały, z których wytwarza się garnki), w żelazkach lub częściach chłodnic samochodowych.
Zwykle dobre przewodniki ciepła są również dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego (np. metale).
W przypadku niektórych stopów metali możemy zauważyć zjawisko tzw. pamięci kształtu. Gdy zmienimy kształt ciała w niskiej temperaturze, to po jego ogrzaniu do temperatury pokojowej wraca ono do formy, jaką miało przed odkształceniem.
Budowa krystaliczna ciał stałych
Ciała zbudowane są z atomów, jonów lub cząsteczek. W niektórych ciałach są one rozmieszczone bardzo regularnie. Jeśli znamy położenie kilku atomów lub cząsteczek w takim ciele, jesteśmy w stanie przewidzieć położenie kolejnych. Gdy połaczymy je ze sobą za pomocą linii, uzyskamy pewną strukturę geometryczną, nazywaną siecią krystalicznąsiecią krystaliczną. Jeżeli regularna sieć zajmuje całą przestrzeń ciała, to ma ono budowę monokrystaliczną, jeśli zaś ciało składa się z dużej liczby małych kryształków – polikrystaliczną.
Sól kamienna jest kryształem jonowym.
Sól kamienna, składnik większości potraw, ma jony tworzące regularną sieć krystaliczną. Każdy jon sodu otoczony jest przez sześć atomów chloru i odwrotnie: każdy jon chloru otoczony jest przez sześć jonów sodu. Ze względu na ich ścisłą strukturę trudno jest zmienić odległości między nimi, a tym samym wpłynąć na zmianę objętości lub kształtu kryształu. Temperatura topnienia soli jest wysoka – wynosi .
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1NeLfAfin4yj
Materiał filmowy dotyczący hodowli kryształu NaCl
Zastosuj się do wskazówek zawartych w filmie i spróbuj wyhodować własny kryształ.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RriHCMVVlyKDH
Materiał filmowy przedstawiający kryształy występujące wokół nas.
Podaj kilka przykładów ciał stałych o budowie krystalicznej ze swojego najbliższego otoczenia. Odpowiedź zapisz w polu poniżej.
Budową krystaliczną charakteryzuje się wiele ciał, m.in. metale, sole, diament, grafit i cukier.
Ciała krystaliczneCiała krystaliczne mogą być zbudowane z atomów tego samego pierwiastka, lecz charakteryzować się odmiennymi właściwościami, np. diament i grafit zbudowane są z atomów węgla. Tworzą one jednak różne struktury, co powoduje, że grafit jest bardzo kruchy i przewodzi prąd elektryczny, natomiast diament to najtwardszy minerał na świecie, który nie przewodzi prądu elektrycznego.
Ciała bezpostaciowe
Nie wszystkie substancje tworzące ciała stałe mają strukturę krystaliczną. Część z nich charakteryzuje się nieuporządkowaną strukturą cząsteczkową. Ciała takie nazywamy bezpostaciowymibezpostaciowymi lub amorficznymi.
Przykładami ciał amorficznych są: szkło, guma, tworzywa sztuczne i niektóre minerały.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/Rg5ppS9BBcymS
Materiał filmowy dotyczący ciał bezpostaciowych.
Okazuje się, że struktura krystaliczna lub amorficzna nie jest jednoznacznie przypisana do danego materiału. Jeśli ciecz, która przy powolnym ochładzaniu po zamarznięciu tworzy strukturę polikrystaliczną zostanie zestalona bardzo szybko przez gwałtowne ochłodzenie, to struktura krystaliczna nie zdąży się utworzyć i ciało stałe będzie miało strukturę bezpostaciową.
Podsumowanie
Właściwości fizyczne ciał stałych, gazów i cieczy wynikają głównie z różnic w ich budowie cząsteczkowej. Cząsteczki (atomy) tworzące ciała stałe znajdują się w niewielkiej odległości od siebie i są ze sobą silnie związane.
Ciała stałe zachowują swój kształt i swoją objętość.
Zmiana kształtu ciała stałego nie wpływa na jego objętość.
Sprężystość jest właściwością fizyczną ciał polegającą na tym, że ciało powraca do swojego pierwotnego kształtu i wymiaru po ustaniu działania zewnętrznej siły odkształcającej.
Plastyczność to właściwość fizyczna ciał polegająca na tym, że ciało stałe pod wpływem siły zewnętrznej ulega trwałemu odkształceniu.
Kruchość to właściwość fizyczna ciała polegająca na tym, że pod wpływem siły zewnętrznej materiał pęka lub się kruszy.
Nie ma wyraźnego podziału na ciała sprężyste, plastyczne i kruche. Podział ten ma charakter umowny i zależy od wielkości siły działającej na dane ciało.
Ze względu na właściwości elektryczne ciała stałe możemy podzielić na dwie grupy: przewodniki i izolatory prądu elektrycznego.
Ciała stałe mogą być dobrymi lub złymi przewodnikami ciepła.
Zwykle dobre przewodniki elektryczności sa dobrymi przewodnikami ciepła (np. metale).
Niektóre ciała stałe zbudowane są z atomów, jonów lub cząsteczek wykazujących regularne rozmieszczenie w przestrzenni. Jeśli znamy położenie jednego atomu lub cząsteczki, jesteśmy w stanie przewidzieć położenie kolejnych. Gdy połączymy je wszystkie ze sobą za pomocą linii, uzyskamy pewną strukturę geometryczną nazywaną siecią krystaliczną.
Sól kamienna to przykład ciała o budowie krystalicznej.
Nie wszystkie substancje tworzące ciała stałe mają strukturę krystaliczną. Część z nich charakteryzuje się nieuporządkowaną strukturą cząsteczkową. Ciała takie nazywamy bezpostaciowymi lub amorficznymi.
Szkło to przykład ciała amorficznego.
Opisz różnice w budowie wewnętrznej między kryształem a ciałem bezpostaciowym i podaj po dwa przykłady każdego z rodzajów tych ciał. Odpowiedź zapisz w polu poniżej.
Czy dobre przewodniki prądu elektrycznego są równocześnie dobrymi przewodnikami ciepła? Odpowiedź zapisz w polu poniżej.
Opisz pojęcie sieci krystalicznej. Spróbuj wymyślić własną sieć krystaliczną. Odpowiedź zapisz w polu poniżej.
Czym różnią się ciała sprężyste, plastyczne i kruche? Odpowiedź zapisz w polu poniżej.
Który materiał wykorzystałbyś do zabezpieczenia uchwytu patelni: izolator czy dobry przewodnik ciepła? Uzasadnij swoją odpowiedź. Odpowiedź zapisz w polu poniżej.
Zadania
Kasia, Marek i Iza rozmawiają o właściwościach mechanicznych ciał stałych. Wskaż poprawne wypowiedzi.
- Marek - Dane ciało stałe może wykazywać właściwości sprężyste, plastyczne i kruche, w zależności od wartości przykładanej siły zewnętrznej.
- Iza - Właściwości sprężyste, plastyczne i kruche ciał zależą od wartości sił występujących między cząsteczkami tworzącymi dane ciało.
- Kasia - Ciała stałe mogą być tylko ciałami sprężystymi lub kruchymi.
Które informacje są prawdziwe, a które fałszywe?
| Prawda | Fałsz | |
| Objętość ciała stałego można znacząco zmienić po przyłożeniu sił ściskających lub rozciągających. | □ | □ |
| Objętość ciała stałego trudno zmienić ze względu na silne oddziaływania międzycząsteczkowe. | □ | □ |
| Ciała stałe posiadają określoną objętość. | □ | □ |
Dopasuj daną substancję do grupy przewodników lub izolatorów cieplnych.
aluminium, szkło, drewno, korek, styropian, stal nierdzewna, srebro, miedź
| Przewodniki cieplne | |
|---|---|
| Izolatory cieplne |
Słownik
ciała stałe, w których atomy lub cząsteczki ułożone są w chaotyczny sposób i nie tworzą sieci krystalicznej
ciała, które pod wpływem przyłożonej siły kruszą się w wyniku rozerwania wiązań między ich cząsteczkami lub atomami
ciała stałe, w których atomy lub cząsteczki są ułożone w regularny sposób i tworzą sieć krystaliczną
ciała, które pod wpływem przyłożonej siły zmieniają swój kształt, a po ustaniu jej działania nie wracają do stanu początkowego
ciała, które pod wpływem przyłożonej siły zmieniają swój kształt, a po ustaniu jej działania wracają do stanu początkowego
ciało zbudowane z cząsteczek lub atomów ułożonych bardzo blisko siebie; ma określony kształt i stałą objętość
graniczna wartość siły, po przekroczeniu której ciało nie powróci już do swojego pierwotnego kształtu, mimo że siła, która spowodowała odkształcenie, przestała już działać (odkształcenie jest trwałe)
kryształ posiadający uporządkowaną strukturę w całej objętości
zmiana kształtu ciała, a często również jego objętości pod wpływem siły zewnętrznej lub temperatury. Odkształcenie może być sprężyste, gdy po ustaniu naprężenia ciało powraca do stanu początkowego, lub plastyczne – gdy jest trwałe
kryształ składający się z małych monokryształów o zupełnie przypadkowej orientacji. Większość substancji krystalicznych to polikryształy
rodzaj tworzywa sztucznego, polichlorek winylu
struktura utworzona z regularnie ułożonych cząsteczek lub atomów w ciałach stałych