Дисциплина Физическая и коллоидная химия Инструкция по выполнению задания:

Дисциплина Физическая и коллоидная химия
Задания для студентов группы 214-т на 05.02.16
Тема урока: Твердое состояние вещества
Инструкция по выполнению задания:
1. Изучите внимательно теоретическую часть по теме урока.
2. В рабочей тетради запишите тему, цель урока.
3. Составьте конспект по следующему плану:
1 Особенности кристаллического твердого состояния.
2 Особенности аморфного состояния.
3 Изоморфизм.
4 Полиморфизм.
5 Методы рафинирования металлов.
4. Составьте 8 вопросов по данной теме.
5. Работу сдайте преподавателю на проверку на первом уроке физической и коллоидной
химии после выхода из карантина.
6. Самостоятельную работу выполнить на отдельном листе.
7. Вопросы по заданию можно задать по адресу z.kuskulakova@yandex.ru или по
телефону 89226286638.
Теоретическая часть
Твердые вещества обладают устойчивой внешней формой и стремятся сохранить ее
под действием деформирующих сил.
Различают два состояния твердых веществ — кристаллическое и аморфное.
Кристаллическое состояние характеризуется упорядоченной структурой. Упорядоченность в
кристаллах — это правильное геометрическое расположение частиц, из которых состоит
твердое вещество. Эта упорядоченность позволяет экспериментально и теоретически изучать
структуру твердого состояния и явления, связанные с природой сил взаимодействия в
твердых веществах. Твердые вещества, не обладающие кристаллической структурой,
являются аморфными.
Аморфные вещества отличаются откристаллическихизотропностью, т.е. их свойства
(механические, электрические и др.) не зависят от направления. Аморфная структура, также
как и жидкая, характеризуется ближним порядком. В отличие от кристаллического вещества,
имеющего определенную температуру плавления, при которой происходит скачкообразное
изменение свойств,аморфное вещество характеризуется температурным интервалом
размягчения и непрерывным изменением свойств в этом интервале. При нагревании
аморфные вещества постепенно размягчаются, начинают растекаться и, наконец, становятся
жидкими.
Иногда аморфные вещества рассматривают как переохлажденныежидкости с очень
большой вязкостью, однако, при этом следует помнить, что в отличие от жидкостей в
аморфном веществе об-мен между соседними частицами практически не происходит.
Поскольку типичными аморфными веществами являются силикатные стекла, то часто
аморфное состояние называют стеклообразным, понимая под стеклом аморфно (т.е. без
кристаллизации) застывший расплав.
Аморфными веществами являются и органические полимеры. Они образуются из
соответствующих жидкостей (мономеров) не в результате понижения температуры, а в
результате химического соединения молекул.
Некоторые вещества могут находиться и в кристаллическом, и в аморфном состоянии,
например сера, селен, оксид кремния(IV).
По сравнению с кристаллическим аморфное состояние является менее устойчивым и
всегда обладает некоторым избыточным запасом внутренней энергии. Поэтому
самопроизвольно может происходить лишь переход из аморфного состояния в
кристаллическое, но не обратный, и этот процесс всегда сопровождается выделением
теплоты, хотя и в небольшом количестве. Однако многие аморфные вещества, в частности
большинство органических полимеров, закристаллизовать не удается.
Подавляющее большинство твердых веществ имеют кристаллическое строение.
Характерными признаками кристаллических веществ служат определенная геометрическая
форма и явно выраженная температура перехода в жидкое состояние.
Одно и то же вещество может существовать в нескольких кристаллических формах —
модификациях. Это явление называют полиморфизмом. Примером его служат алмаз и
графит, являющиесяразличными кристаллическими модификациями углерода. Температура
плавления данной кристаллической модификации индивидуального вещества при
постоянном давлении является константой.
Явление полиморфизма было открыто М. Клапротом, который в 1798 г. обнаружил,
что два разных минерала - кальцит и арагонит - имеют одинаковый химический состав
СаСО3.
Полиморфизм простых веществ обычно называют аллотропией, в то же время
понятие полиморфизма не относится к некристаллическим аллотропным формам (например,
газообразным О2 и О3). Типичный пример полиморфных форм - модификации углерода
(алмаз, лонсдейлит, графит, карбины и фуллерены), которые резко различаются по
свойствам. Наиболее стабильной формой существования углерода является графит, однако и
другие его модификации при обычных условиях могут сохраняться сколь угодно долго. При
высоких температурах они переходят в графит. В случае алмаза это происходит при
нагревании выше 1000 oС в отсутствие кислорода. Обратный переход осуществить гораздо
труднее. Необходима не только высокая температура (1200-1600 oС), но и гигантское
давление - до 100 тысяч атмосфер. Превращение графита в алмаз проходит легче в
присутствии расплавленных металлов (железа, кобальта, хрома и других).
Полиморфные превращения металлов имеют большое значение в технике. Такие
превращения позволяют проводить различные операции термической обработки
железоуглеродистых и цветных сплавов.
При контакте ряда веществ возможно явление изоморфизма. Изоморфизм - свойство
химически и геометрически близких атомов, ионов и их сочетаний замещать друг друга в
кристаллической решетке, образуя кристаллы переменного состава; т. е. изоморфизм — это
изменение химического состава минерала при сохранении его кристаллической структуры.
Химически близкими считаются атомы с одинаковыми валентностями, типом связи,
поляризацией, геометрически близкими – атомы с равными радиусами или объемами (с
отклонением не более 5—7%). Близкие, но не тождественные по составу вещества
кристаллизуются в одинаковых формах.
Этот термин (от греческих "изос" - равный и "морфе" - форма) был предложен Э.
Мичерлихом в 1819 г. Закон изоморфизма бы сформулирован Э. Мичерлихом в 1821 г. таким
образом: "Одинаковые количества атомов, соединенные одинаковым способом, дают
одинаковые кристаллические формы; при этом кристаллическая форма не зависит от
химической природы атомов, а определяется только их числом и относительным
положением".
Работая в химической лаборатории Берлинского университета, Мичерлих обратил
внимание на полное сходство кристаллов сульфатов свинца, бария и стронция и близость
кристаллических форм многих других веществ. Его наблюдения привлекли внимание
известного шведского химика Й.-Я. Берцелиуса, который предложил Мичерлиху
подтвердить замеченные закономерности на примере соединений фосфорной и мышьяковой
кислот. В результате проведенного исследования был сделан вывод, что "две серии солей
различаются лишь тем, что в одной в качестве радикала кислоты присутствует мышьяк, а в
другой - фосфор". Открытие Мичерлиха очень скоро привлекло внимание минералогов,
начавших исследования по проблеме изоморфного замещения элементов в минералах.
При совместной кристаллизации веществ, склонных к изоморфизму (изоморфных
веществ), образуются смешанные кристаллы (изоморфные смеси). Это возможно лишь в том
случае, если замещающие друг друга частицы мало различаются по размерам (не более 15%).
Кроме того, изоморфные вещества должны иметь сходное пространственное расположение
атомов или ионов и, значит, сходные по внешней форме кристаллы. К таким веществам
относятся, например, квасцы. В кристаллах алюмокалиевых квасцов KAl(SO4)2 . 12H2O
катионы калия могут быть частично или полностью заменены катионами рубидия или
аммония, а катионы алюминия - катионами хрома(III) или железа(III).
Изоморфизм широко распространен в природе. Большинство минералов представляет
собой изоморфные смеси сложного переменного состава. Например, в минерале сфалерите
ZnS до 20% атомов цинка могут быть замещены атомами железа (при этом ZnS и FeS имеют
разные кристаллические структуры). С изоморфизмом связано геохимическое поведение
редких и рассеянных элементов, их распространение в горных породах и рудах, где они
содержатся в виде изоморфных примесей.
Изоморфное замещение определяет многие полезные свойства искусственных
материалов современной техники - полупроводников, ферромагнетиков, лазерных
материалов
Однако не все кристаллические вещества при нормальном давлении переходят в
жидкое состояние. Например, при нормальном давлении при медленном нагревании
кристаллы иода возгоняются, т.е. превращаются в пар, минуя жидкое состояние. При
быстром нагревании в запаянном сосуде иод плавится, превращаясь в черную жидкость.
Кроме того, известно много веществ, нагреть которые до температуры плавления не удается
вследствие разложения их при более низких температурах.
Одиночные кристаллы (монокристаллы) иногда встречаются в природе; в большом
количестве их получают искусственно. Чаще всего кристаллические вещества представляют
собой поликристаллические образования — сростки большого числа по-разному
ориентированных мелких кристаллов неправильной формы, нjправильного внутреннего
строения. Характерной особенностью кристаллических веществ, вытекающей из их
строения, является анизотропия. Она проявляется в том, что механические, электрические и
другие свойства зависят от направления в кристалле.
Кристаллы классифицируют по различным признакам. Форму кристаллов изучает
кристаллография. В кристаллографии принятоклассифицировать
кристаллы по
геометрической закономерностирасположения частиц в пространстве.
В курсе физической химии целесообразно в основу классификации положить
различие в характере связи между частицами (ионами, атомами, молекулами), образующими
кристалл. В кристаллических веществах частицы размещены в пространстве в определенном
порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку — каркас пересекающихся
друг с другом воображаемых прямых линий. В точках пересечения — узлах решетки —
находятся центры частиц, образующих кристалл. Кристаллическая решета построена из
одинаковых структурных единиц, индивидуальных для каждого кристалла.
В зависимости от типа частиц, образующих кристалл, и природы сил взаимодействия
между ними различают четыре класса кристаллических решеток: ионная, ковалентная,
молекулярная, металлическая.
Известны также промежуточные типы кристаллических решеток. Например, графит
несет в себе черты ковалентной, молекулярной и металлической решеток. Переходные
формы между металлической и ковалентной решетками характерны для некоторых простых
веществ, например для мышьяка.
Методы рафинирования металлов подразделяются на три группы:1. химикометаллургические, 2.электролитические,3. физические и кристаллографические.
Физические методы рафинирования включают дистилляцию,
вакуумную сепарацию, кристаллофизические способы очистки.
ректификацию,
Ректификацию применяют для получения цинка высокой чистоты. При нагревании
цинк возгоняется, а примеси остаются в кубовом остатке.
Отгонкой в вакууме очищают магний от алюминия, кремния, тяжелых и тугоплавких
металлов, упругость паров которых в широком интервале температур значительно ниже
упругости пара рафинируемого металла. Перегонка в вакууме является последней
технологической операцией в процессе получения чистой ртути.
Очистку металлов кристаллизацией осуществляют двумя основными методами –
зонной плавкой и вытягиванием монокристаллов из расплава. Сущность последнего метода
состоит в том, что расплав, находящийся при температуре несколько выше точки плавления,
опускают монокристаллическую затравку и затем медленно вытягивают вместе с
затвердевшим металлом. Примеси концентрируются в верхней или нижних частях
вытянутого образца в зависимости от коэффициента распределения примесей. Процесс
многократно повторяют с последующим удалением загрязненной части образца.
Получение монокристаллов тугоплавких металлов позволяет изучать влияние
несовершенства кристаллической структуры на важнейшие физические свойства этих
материалов.
Самостоятельная работа
Вид работы: заполнить таблицу.
Тема: Основные типы кристаллических решеток
Тип решетки
Ионная
Атомная
Молекулярная
Металлическая
Виды частиц в
узлах решетки
Вид связи
между
частицами
Примеры
веществ
Физические
свойства
веществ