>>> Перейти на полный размер сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 9. Твёрдое состояние вещества. Жидкие кристаллы

  1. Подберите синонимы к слову «аморфный», придумайте словосочетания с ними.
  2. Назовите соборы в Москве, в интерьере которых есть витражи, и крупнейший православный храм Санкт-Петербурга, украшенный мозаиками.
  3. Перечислите химические элементы из таблицы Менделеева, которые обладают пограничными свойствами.
  4. Объясните, какие предметы и приборы современного быта ассоциируются у вас со словами «жидкие кристаллы».

Кристаллическое состояние вещества. Твёрдое состояние вещества по своему строению и свойствам подразделяют на кристаллическое и аморфное.

Атомы, молекулы или ионы твёрдых кристаллических веществ, в отличие от жидкостей и газов, занимают строго определённое место в пространстве, которое, как вы знаете, называется узлом. Если соединить узлы, в которых находятся частицы твёрдого вещества, воображаемыми линиями, то получится правильная пространственная решётка, называемая кристаллической. Вы уже знаете четыре типа кристаллических решёток: ионные, атомные, молекулярные и металлические, — можете назвать физические свойства веществ с этими типами решёток, которые заметно различаются. Однако у всех кристаллических веществ есть общее свойство: каждое из них имеет свою, строго определённую температуру плавления.

Аморфность, её признаки и свойства. А что же такое аморфное состояние вещества? «Аморфный» в переводе с греческого означает «бесформенный», т. е. в аморфных веществах образующие его частицы не имеют определённого расположения по всему объёму, как в кристалле. Частицы, образующие аморфное вещество, расположены беспорядочно, и только ближние атомы или молекулы-соседи располагаются в относительном порядке. Поэтому аморфным называют такое состояние твёрдых веществ, при котором они, подобно веществам, находящимся в кристаллическом состоянии, какое-то время сохраняют свою форму, но при определённых условиях эта форма изменяется, что сближает их с жидкостями. Например, восковая свеча, поставленная вертикально, через некоторое время утолщается внизу. Попробуйте проделать нечто подобное с обыкновенной жевательной резинкой или кусочком пластилина. Результат будет таким же. По мере повышения температуры процесс размягчения ускоряется. Определённой температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.

Помните у Пушкина: «Вода и камень, лёд и пламень»? Камень у поэта — символ твёрдости. Вы, разумеется, сможете назвать причину этого свойства камня. Он, как кусочек горной породы, состоит преимущественно из оксида кремния (IV), который имеет атомную кристаллическую решётку, а отсюда и большую твёрдость. Так ли всё просто в химическом мире? Оказывается, оксид кремния может быть не только кристаллическим твёрдым веществом, но и аморфным. В зависимости от условий затвердевания расплава (например, в зависимости от условий его охлаждения) в аморфном состоянии могут оказаться такие вещества, которые в обычном состоянии имеют кристаллическую структуру. Так, если расплавить кристалл кварца — оксида кремния (IV), то при его быстром охлаждении образуется плавленый аморфный кварц, который имеет меньшую плотность, чем кристаллический. Аморфный кварц широко используется для изготовления различных изделий, в том числе лабораторной посуды.

Аморфное состояние веществ неустойчиво, и рано или поздно оно переходит в кристаллическое. Например, в аморфном стекле под влиянием ударных нагрузок образуются мелкие кристаллы, и стекло мутнеет. Застывший твёрдый мёд засахаривается так же, как засахаривается при длительном хранении стекловидная карамель.

Пластическая сера (рис. 37), представляющая собой вещество в аморфном состоянии, через некоторое время превращается в кристаллическую ромбическую серу с молекулярной решёткой.

Рис. 37. Получение пластической серы

Таким образом, вещества в аморфном состоянии с точки зрения их структуры можно рассматривать как очень вязкие жидкости, а с точки зрения их свойств — как твёрдые вещества.

Аморфное и кристаллическое состояния вещества, являясь двумя крайними полюсами твёрдого состояния, тем не менее могут встречаться одновременно у одного и того же вещества. Многие полимеры, представляя собой в целом аморфные вещества, вместе с тем имеют участки кристаллической структуры. Этим определяется, например, высокая прочность полипропиленового и капронового волокон.

Слово «аморфный» содержит в себе негативный оттенок. Однако это справедливо для характеристики личностных качеств человека. В мире химических веществ и материалов всё наоборот. Именно аморфные вещества являются нам в матовости драгоценного жемчуга, в медовом свечении янтаря, в скромном обаянии полудрагоценных опала и халцедона, в волшебном многоцветии витражей и мозаик (рис. 38), в изумительной игре света хрусталя и блеске зеркальных витрин.

Рис. 38. Один из вит ражей собора Сент-Этьен в Меце (Франция). XIII в.

Аморфность — ценное качество полимеров, так как оно обусловливает такое их технологическое свойство, как термопластичность. Именно благодаря термопластичности полимер можно вытянуть в тончайшую нить (рис. 39), превратить в прозрачную плёнку или отлить в изделие самой замысловатой формы.

Рис. 39. Светильник из световодов, выполненных из тонких нитей плексигласа

Относительность и условность в химии. Существование аморфных тел ещё раз доказывает философскую истину, что всё в мире относительно... Давайте посмотрим на пройденный материал под этим углом зрения.

Утверждение о том, что деление элементов на металлы и неметаллы универсально, является относительным, так как целый ряд элементов обладает пограничными свойствами — это и германий, и олово, и сурьма.

Один из наиболее ярких примеров относительности — двойственное положение водорода в Периодической системе (табл. 4). Каждому элементу там отведено строго определённое зарядом атомного ядра местоположение. И единственный элемент, которому в таблице Менделеева отведено два места, причём в резко противоположных группах (щелочных металлов и галогенов), — это водород.

Таблица 4
Положение водорода в периодической системе

Деление химической связи на типы носит условный характер, так как все эти типы характеризуются определённым единством.

Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи. Металлическая связь совмещает ковалентное взаимодействие атомов с помощью обобществлённых электронов и электростатическое притяжение между этими электронами и ионами металлов.

В веществах часто отсутствуют предельные случаи химической связи (или чистые химические связи). Например, фторид лития LiF относят к ионным соединениям. Фактически же в нём связь на 80% ионная и на 20% ковалентная. Правильнее поэтому, очевидно, говорить о степени полярности (ионности) химической связи.

Различные типы связей могут быть у одних и тех же веществ, например:

  • в основаниях: между атомами кислорода и водорода в гидроксо-группах связь ковалентная полярная, а между металлом и гидроксо-группой — ионная;
  • в солях кислородсодержащих кислот: между атомами неметалла и кислородом кислотного остатка — ковалентная полярная связь, а между металлом и кислотным остатком — ионная;
  • в солях аммония: между атомами азота и водорода — ковалентная полярная связь, а между ионами аммония и кислотным остатком — ионная;
  • в пероксидах металлов (например, Na2O2): связь между атомами кислорода ковалентная неполярная, а между металлом и кислородом — ионная.

Также различные типы связей могут переходить одна в другую:

  • при электролитической диссоциации в воде ковалентных соединений ковалентная полярная связь превращается в ионную;
  • при испарении металлов металлическая связь превращается в ковалентную неполярную и т. д.

Причиной единства всех типов и видов химических связей служит их одинаковая физическая природа — электронно-ядерное взаимодействие, сопровождающееся выделением энергии.

Относительна взаимообусловленность физических свойств веществ и типа их кристаллической решётки. Так, например, немало веществ с атомной кристаллической решёткой, отнюдь не характеризующихся твёрдостью (графит, красный фосфор). И другой вариант: не тугоплавки некоторые вещества с ионной кристаллической решёткой (легкоплавки селитры — нитраты щелочных металлов).

Жидкие кристаллы. Относительно и деление веществ на типы по их агрегатному состоянию. Об этом свидетельствуют так называемые жидкие кристаллы.

Жидкими кристаллами называются вещества, которые одновременно обладают свойствами жидкости (текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии) и твёрдого кристаллического вещества (анизотропией, т. е. зависимостью физических свойств — механических, тепловых, электрических и др. — от направления).

В настоящее время науке известно несколько тысяч веществ, образующих жидкие кристаллы. Жидкокристаллическое состояние присуще таким соединениям, молекулы которых имеют удлинённую, линейную форму. Для них направление осей молекул упорядоченно, т. е. сохраняется порядок во всём объёме по одному из трёх направлений пространства. Центры же масс молекул расположены беспорядочно.

В зависимости от того, как ориентируются молекулы в пространстве, различают три основных типа жидких кристаллов. В кристаллах первого типа оси молекул параллельны, а сами молекулы сдвинуты относительно друг друга на произвольные расстояния в направлении своих осей. В кристаллах второго типа молекулы параллельны друг другу и расположены слоями. Для кристаллов третьего типа характерно закручивание молекул в перпендикулярном направлении от слоя к слою.

Особенности строения обусловливают свойства жидких кристаллов. Так, возможностью хаотического поступательного движения молекул объясняется текучесть, а их упорядоченным расположением — анизотропия таких физических свойств, как упругость, электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемость и др.

Изучение жидких кристаллов показало, что их свойства изменяются в зависимости от температуры, длины волны внешнего излучения, механической деформации, электрического и магнитного полей. Это определяет возможность их широкого применения в системах хранения и обработки информации, в индикаторах и т. п.

Одним из свойств жидких кристаллов, нашедших широкое применение, является изменение цвета в зависимости от температуры. Это свойство позволяет использовать их для выявления структурных дефектов непрозрачных объектов: благодаря неодинаковой теплопроводности дефекты вызывают различные цветовые эффекты в плёнке жидкого кристалла.

На основе жидких кристаллов разработаны приборы, позволяющие изменять падающий световой поток, — модуляторы. Модулятор состоит из плёнки жидкого кристалла, расположенной между прозрачными электродами, и диафрагмы, роль которой может играть оправа чувствительного слоя приёмника.

Напряжение, подаваемое на жидкий кристалл, изменяет степень рассеяния им падающего света; при этом коэффициент рассеяния в некоторых пределах линейно зависит от напряжения. Изменяя определённым образом напряжение, можно изменить прозрачность слоя жидкого кристалла и соответственно поток проходящего излучения.

Жидкие кристаллы, оптические свойства которых изменяются под действием электрического поля, используются в цифровых индикаторах (часы, калькуляторы, весы и т. п. (рис. 40). Принцип работы таких индикаторов следующий. Жидкокристаллическое вещество помещается между чёрной металлической пластиной и тонкой, прозрачной для света металлической плёнкой, нанесённой на покровное стекло.

Рис. 40. Весы торговые с жидкокристаллическим дисплеем

Чёрная металлическая пластина и тонкая плёнка образуют конденсатор. Если на его обкладках напряжения нет, то свет проходит через жидкий кристалл и поглощается чёрной пластиной. Циферблат выглядит чёрным. Если к обкладкам конденсатора приложено напряжение, то жидкий кристалл рассеивает свет и становится непрозрачным. В этом случае циферблат будет светиться в тех местах, где создано электрическое поле. Если верхняя плёнка имеет форму цифры, то и область свечения получится в виде цифры. От создания первых индикаторов прошло всего лишь несколько лет, как мы увидели телевизоры (рис. 41) с жидкокристаллическим экраном. Изображение на экране такого телевизора высокого качества, а электроэнергии он потребляет меньше, чем обычный.

Рис. 41. Телевизор с жидкокристаллическим экраном

Жидкие кристаллы играют большую роль в жизнедеятельности человеческого организма. Так, белок, входящий в состав мышечной ткани, обладает способностью образовывать жидкие кристаллы. Волокна гладких и поперечно-полосатых мышц имеют структуру жидкого кристалла, благодаря чему могут растягиваться и сжиматься, не разрушаясь. Вещество коллаген, содержащееся в опорных тканях (костях, сухожилиях) и в мозге, также близко по структуре к жидким кристаллам. Мозг человека по своей природе представляет сложную жидкокристаллическую систему. В белом веществе мозга и проводящих путях нервной системы жидкие кристаллы играют роль диэлектриков.

Форма жидких кристаллов наиболее удобна для протекания биологических процессов. Она соединяет в себе устойчивость к внешним воздействиям с необычайной пластичностью, гибкостью. Жидкокристаллические волокнистые образования обладают значительной прочностью, что необходимо для опорных тканей. Помимо этого, жидкокристаллическое состояние очень чувствительно ко всем внутриклеточным процессам. Это объясняет, почему жидкие кристаллы обнаруживаются в важнейших функциональных участках клетки.

Примеры относительности в биологии и физике. Огромное количество примеров относительности явлений можно привести из биологии. Вспомним лишь некоторые примеры из курса естествознания 10 класса. Например, вирусы — своеобразный мостик между живой и неживой природой. Они имеют свойства живых организмов, лишь попадая в клетку. Подобно живым организмам, вирусы, зацепившись за оболочку клетки, растворяют её и впрыскивают в клетку свою нуклеиновую кислоту. Эта РНК или ДНК заставляет клетку-хозяина производить многочисленные копии вируса. Вне клетки вирусы представляют собой кристаллические вещества, напоминая объекты неживой природы.

Другой пример связан с эвгленой зелёной. Она иллюстрирует относительность принадлежности простейших к животным, потому что, подобно растениям, содержит хлоропласты и на свету, как и растения, способна синтезировать органические вещества из углекислого газа и воды, т. е. осуществлять фотосинтез.

Замечательной физической иллюстрацией относительности явлений служит теория, которая так и называется — теория относительности А. Эйнштейна (1879—1955).

Мы привели всего лишь некоторые примеры относительности из ряда ключевых естественно-научных понятий. Это должно убедить вас в том, что в окружающем нас мире не так много абсолютных истин, что этот мир нарисован не только чёрной и белой красками, он многолик, многоцветен и бесконечно прекрасен.

Следующий параграф будет посвящён классификации и описанию свойств органических и неорганических веществ, а также доказательствам относительности приведённой классификации.

Теперь вы знаете

  • что такое кристаллическое состояние вещества
  • что такое аморфность, её признаки и свойства
  • в чём заключается относительность и условность в химии
  • что представляют собой жидкие кристаллы

Теперь вы можете

  • объяснить, в чём суть аморфного состояния твёрдых веществ, перечислить известные вам аморфные вещества и указать область их применения
  • проиллюстрировать наиболее яркими примерами из химии, биологии и физики относительность явлений
  • назвать свойства жидких кристаллов и причины, по которым эти свойства изменяются
  • описать, какую роль играют жидкие кристаллы в жизнедеятельности человеческого организма

Выполните задания

  1. Дайте характеристику аморфных веществ, объясните, что у них общего с жидкостями и кристаллами.
  2. Сформулируйте, что доказывает двойственное положение водорода в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева и почему деление химической связи на типы носит условный характер.
  3. Опишите, что представляют собой жидкие кристаллы, перечислите их типы и области применения.

Темы для рефератов

  1. История стекла в человеческой цивилизации.
  2. Искусственные полимеры: взгляд в будущее.
  3. От принципа относительности Г. Галилея — к теории относительности А. Эйнштейна.
  4. Жидкие кристаллы и человеческий организм.
  5. История открытия жидких кристаллов.

Рейтинг@Mail.ru