Ruch cząsteczek w gazach, cieczach i ciałach stałych. Ciała stałe: właściwości, budowa, gęstość i przykłady Odległość cząsteczek w stanie gazowym

Fizyka. Cząsteczki. Układ cząsteczek w odległościach gazowych, ciekłych i stałych.

W stanie gazowym cząsteczki nie są ze sobą połączone i znajdują się w dużej odległości od siebie. Ruch Browna. Gaz można stosunkowo łatwo sprężyć.
W cieczy cząsteczki znajdują się blisko siebie i razem wibrują. Prawie niemożliwe do skompresowania.
W ciele stałym cząsteczki są ułożone w ściśle określonej kolejności (w sieciach krystalicznych) i nie ma ruchu molekularnego. Nie można skompresować.
Budowa materii i początki chemii:
http://samlib.ru/a/anemow_e_m/aa0.shtml
(bez rejestracji i wiadomości SMS, w wygodnym formacie tekstowym: możesz użyć Ctrl+C)
Nie sposób zgodzić się z twierdzeniem, że w stanie stałym cząsteczki się nie poruszają.
Ruch cząsteczek w gazach
W gazach odległość między cząsteczkami i atomami jest zwykle znacznie większa niż wielkość cząsteczek, a siły przyciągania są bardzo małe. Dlatego gazy nie mają własnego kształtu i stałej objętości. Gazy można łatwo sprężyć, ponieważ siły odpychania na dużych odległościach są również małe. Gazy mają właściwość rozszerzania się w nieskończoność, wypełniając całą dostarczoną im objętość. Cząsteczki gazu poruszają się z bardzo dużą prędkością, zderzają się ze sobą i odbijają się w różnych kierunkach. Liczne uderzenia cząsteczek w ścianki naczynia powodują powstanie ciśnienia gazu.

Ruch cząsteczek w cieczach
W cieczach cząsteczki nie tylko oscylują wokół położenia równowagi, ale także wykonują skoki z jednego położenia równowagi do drugiego. Skoki te występują okresowo. Okres pomiędzy takimi skokami nazywany jest średnim czasem siedzącego trybu życia (lub średnim czasem relaksu) i jest oznaczony literą ?. Innymi słowy, czas relaksacji to czas oscylacji wokół jednego określonego położenia równowagi. W temperaturze pokojowej czas ten wynosi średnio 10-11 sekund. Czas jednego oscylacji wynosi 10-1210-13 s.

Wraz ze wzrostem temperatury skraca się czas siedzącego trybu życia. Odległość między cząsteczkami cieczy jest mniejsza niż wielkość cząsteczek, cząstki znajdują się blisko siebie, a przyciąganie międzycząsteczkowe jest silne. Jednakże rozmieszczenie cząsteczek cieczy nie jest ściśle uporządkowane w całej objętości.
Ciecze, podobnie jak ciała stałe, zachowują swoją objętość, ale nie mają własnego kształtu. Dlatego przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują. Ciecz ma właściwość płynności. Dzięki tej właściwości ciecz nie opiera się zmianie kształtu, jest lekko ściśnięta, a jej właściwości fizyczne są takie same we wszystkich kierunkach wewnątrz cieczy (izotropia cieczy). Naturę ruchu cząsteczek w cieczach po raz pierwszy ustalił radziecki fizyk Jakow Iljicz Frenkel (1894-1952).
Ruch cząsteczek w ciałach stałych
Cząsteczki i atomy ciała stałego są ułożone w określonej kolejności i tworzą sieć krystaliczną. Takie ciała stałe nazywane są krystalicznymi. Atomy wykonują ruchy wibracyjne wokół położenia równowagi, a przyciąganie pomiędzy nimi jest bardzo silne. Dlatego ciała stałe w normalnych warunkach zachowują swoją objętość i mają swój własny kształt.
W gazie - poruszają się losowo, włączają się
W płynie - poruszaj się zgodnie ze sobą
W ciałach stałych nie poruszają się.

Cząsteczki są bardzo małe, zwykłych cząsteczek nie da się zobaczyć nawet za pomocą najpotężniejszego mikroskopu optycznego - ale niektóre parametry cząsteczek można obliczyć dość dokładnie (masę), a inne można jedynie z grubsza oszacować (wymiary, prędkość), i to też by dobrze jest zrozumieć, czym „rozmiar” są cząsteczki” i o jakim rodzaju „prędkości cząsteczek” mówimy. Zatem masę cząsteczki określa się jako „masę jednego mola” / „liczbę cząsteczek w molu”. Np. dla cząsteczki wody m = 0,018/6·1023 = 3,10-26 kg (można obliczyć dokładniej - liczba Avogadro jest znana z dużą dokładnością, a masę molową dowolnej cząsteczki łatwo znaleźć).
Szacowanie wielkości cząsteczki rozpoczyna się od pytania, co stanowi jej wielkość. Gdyby tylko była idealnie wypolerowaną kostką! Nie jest to jednak ani sześcian, ani kula i w ogóle nie ma jasno określonych granic. Co zrobić w takich przypadkach? Zacznijmy od daleka. Oszacujmy wielkość znacznie bardziej znanego obiektu - ucznia. Wszyscy widzieliśmy dzieci w wieku szkolnym, przyjmijmy, że masa przeciętnego ucznia wynosi 60 kg (a wtedy zobaczymy, czy ten wybór ma znaczący wpływ na wynik), gęstość ucznia jest w przybliżeniu taka jak gęstość wody (pamiętajcie że jeśli weźmiesz głęboki wdech powietrza, a potem będziesz mógł „zawiesić się” w wodzie, zanurzony prawie całkowicie, a jeśli zrobisz wydech, natychmiast zaczniesz tonąć). Teraz możesz znaleźć objętość ucznia: V = 60/1000 = 0,06 metra sześciennego. metrów. Jeśli teraz założymy, że uczeń ma kształt sześcianu, to jego rozmiar obliczamy jako pierwiastek sześcienny objętości, tj. około 0,4 m. Tak wyszedł rozmiar - mniejszy niż wysokość (rozmiar „wysokości”), większy niż grubość (rozmiar „głębokości”). Jeśli nie wiemy nic o kształcie ciała ucznia, to nie znajdziemy nic lepszego niż ta odpowiedź (zamiast sześcianu moglibyśmy wziąć piłkę, ale odpowiedź byłaby mniej więcej taka sama, a obliczenie średnicy piłki jest trudniejsza niż krawędź sześcianu). Ale jeśli mamy dodatkowe informacje (na przykład z analizy zdjęć), odpowiedź może być znacznie rozsądniejsza. Niech wiadomo, że „szerokość” ucznia jest średnio cztery razy mniejsza niż jego wzrost, a jego „głębokość” jest trzy razy mniejsza. Wtedy Н*Н/4*Н/12 = V, stąd Н = 1,5 m (nie ma sensu dokładniej obliczać tak słabo określonej wartości, poleganie na możliwościach kalkulatora w takim „obliczeniu” jest po prostu analfabeta!). Otrzymaliśmy całkowicie rozsądne oszacowanie wzrostu ucznia; gdybyśmy przyjęli masę około 100 kg (a są tacy uczniowie!), otrzymalibyśmy około 1,7 - 1,8 m - również całkiem rozsądne.
Oszacujmy teraz wielkość cząsteczki wody. Znajdźmy objętość na cząsteczkę w „ciekłej wodzie” - w niej cząsteczki są najgęściej upakowane (ściśnięte bliżej siebie niż w stanie stałym „lód”). Mol wody ma masę 18 g i objętość 18 metrów sześciennych. centymetry. Wtedy objętość przypadająca na cząsteczkę wynosi V= 18·10-6/6·1023 = 3,10-29 m3. Jeśli nie mamy informacji o kształcie cząsteczki wody (lub nie chcemy brać pod uwagę złożonego kształtu cząsteczek), najłatwiej jest potraktować ją jako sześcian i znaleźć jej rozmiar dokładnie taki, jaki właśnie znaleźliśmy wielkość sześciennego ucznia: d= (V)1/3 = 3,10-10 m i to wszystko! Możesz ocenić wpływ kształtu dość skomplikowanych cząsteczek na wynik obliczeń, na przykład w ten sposób: oblicz wielkość cząsteczek benzyny, licząc cząsteczki jako sześciany - a następnie przeprowadź eksperyment, patrząc na pole powierzchni plama po kropli benzyny na powierzchni wody. Biorąc pod uwagę, że film ma „powierzchnię cieczy o grubości jednej cząsteczki” i znając masę kropli, możemy porównać rozmiary uzyskane tymi dwiema metodami. Wynik będzie bardzo pouczający!
Zastosowany pomysł nadaje się także do zupełnie innych obliczeń. Oszacujmy średnią odległość pomiędzy sąsiednimi cząsteczkami rozrzedzonego gazu dla konkretnego przypadku - azotu pod ciśnieniem 1 atm i temperatury 300 K. Aby to zrobić, znajdźmy objętość na cząsteczkę tego gazu, a wtedy wszystko okaże się proste. Zatem weźmy mol azotu w tych warunkach i znajdźmy objętość części wskazanej w warunku, a następnie podzielmy tę objętość przez liczbę cząsteczek: V= R·T/P·NA= 8,3·300/105· 6,1023 = 4,10 -26 m3. Załóżmy, że objętość jest podzielona na gęsto upakowane komórki sześcienne, a każda cząsteczka „średnio” znajduje się w środku swojej komórki. Wtedy średnia odległość pomiędzy sąsiednimi (najbliższymi) cząsteczkami jest równa krawędzi komórki sześciennej: d = (V)1/3 = 3·10-9 m. Można zauważyć, że gaz jest rozrzedzony - przy takiej zależności między wielkością cząsteczki a odległością między „sąsiadami” same cząsteczki zajmują raczej niewielką - około 1/1000 części - objętości naczynia. W tym przypadku również obliczenia przeprowadziliśmy bardzo w przybliżeniu - nie ma sensu dokładniej obliczać tak mało określonych wielkości, jak „średnia odległość między sąsiednimi cząsteczkami”.

Prawa gazowe i podstawy ICT.

Jeżeli gaz jest dostatecznie rozrzedzony (a to częsta przypadłość, najczęściej mamy do czynienia z gazami rozrzedzonymi), to prawie wszelkich obliczeń dokonuje się na podstawie wzoru łączącego ciśnienie P, objętość V, ilość gazu ν i temperaturę T - to to słynny „stan równania gazu doskonałego” P·V= ν·R·T. Sposób znalezienia jednej z tych wielkości, jeśli podane są wszystkie pozostałe, jest dość prosty i zrozumiały. Ale problem można sformułować w taki sposób, że pytanie będzie dotyczyło innej wielkości - na przykład gęstości gazu. Zatem zadanie: znaleźć gęstość azotu w temperaturze 300 K i ciśnieniu 0,2 atm. Rozwiążmy to. Sądząc po stanie, gaz jest dość rozrzedzony (powietrze składające się z 80% azotu i przy znacznie wyższym ciśnieniu można uznać za rozrzedzone, wdychamy nim swobodnie i łatwo przez niego przechodzimy), a gdyby tak nie było, nie mielibyśmy inne formuły nie – używamy tej ulubionej. Warunek nie określa objętości jakiejkolwiek porcji gazu, określimy ją sami. Weźmy 1 metr sześcienny azotu i znajdźmy ilość gazu w tej objętości. Znając masę molową azotu M = 0,028 kg/mol, wyznaczamy masę tej części - i problem rozwiązany. Ilość gazu wynosi ν= P·V/R·T, masa m = ν·М = М·P·V/R·T, stąd gęstość ρ= m/V = М·P/R·T = 0,028 ·20000/( 8,3·300) ≈ 0,2 kg/m3. Wybrana przez nas objętość nie została uwzględniona w odpowiedzi; wybraliśmy ją ze względu na specyfikę - łatwiej tak rozumować, ponieważ niekoniecznie od razu zdajesz sobie sprawę, że objętość może być dowolna, ale gęstość będzie ta sama. Można jednak obliczyć, że „przyjmując objętość, powiedzmy pięciokrotnie większą, zwiększymy ilość gazu dokładnie pięciokrotnie, zatem niezależnie od objętości, jaką przyjmiemy, gęstość będzie taka sama”. Można po prostu przepisać swój ulubiony wzór, zastępując go wyrażeniem na ilość gazu poprzez masę porcji gazu i jego masę molową: ν = m/M, wtedy stosunek m/V = M P/R T jest natychmiast wyrażany , a to jest gęstość. Można było wziąć mol gazu i znaleźć zajmowaną przez niego objętość, po czym natychmiast oblicza się gęstość, ponieważ znana jest masa mola. Ogólnie rzecz biorąc, im prostszy problem, tym bardziej równoważne i piękne sposoby jego rozwiązania…
Oto kolejny problem, w przypadku którego pytanie może wydawać się nieoczekiwane: znajdź różnicę ciśnienia powietrza na wysokości 20 m i na wysokości 50 m nad poziomem gruntu. Temperatura 00C, ciśnienie 1 atm. Rozwiązanie: jeśli w tych warunkach znajdziemy gęstość powietrza ρ, to różnica ciśnień ∆P = ρ·g·∆H. Gęstość wyznaczamy analogicznie jak w poprzednim zadaniu, z tą tylko trudnością, że powietrze jest mieszaniną gazów. Zakładając, że składa się ona z 80% azotu i 20% tlenu, obliczamy masę mola mieszaniny: m = 0,8 0,028 + 0,2 0,032 ≈ 0,029 kg. Objętość zajmowana przez ten mol wynosi V= R·T/P, a gęstość oblicza się jako stosunek tych dwóch wielkości. Wtedy wszystko będzie jasne, odpowiedź będzie wynosić około 35 Pa.
Gęstość gazu trzeba będzie obliczyć przy wyznaczaniu np. siły unoszącej balonu o danej objętości, przy obliczaniu ilości powietrza w butlach do nurkowania potrzebnej do oddychania pod wodą przez określony czas, przy obliczaniu liczby osłów wymagane do przetransportowania określonej ilości oparów rtęci przez pustynię oraz w wielu innych przypadkach.
Ale zadanie jest bardziej skomplikowane: na stole głośno gotuje się czajnik elektryczny, pobór mocy wynosi 1000 W, wydajność. grzejnik 75% (reszta „idzie” do otaczającej przestrzeni). Z dziobka wydobywa się strumień pary - powierzchnia „dziobka” wynosi 1 cm2. Oszacuj prędkość gazu w tym strumieniu. Weź wszystkie niezbędne dane z tabel.
Rozwiązanie. Załóżmy, że nad wodą w czajniku tworzy się para nasycona, wówczas z dziobka wypływa strumień nasyconej pary wodnej o temperaturze +1000C. Ciśnienie takiej pary wynosi 1 atm, łatwo jest znaleźć jej gęstość. Znając moc wykorzystaną do parowania Р= 0,75·Р0 = 750 W i ciepło właściwe parowania (parowania) r = 2300 kJ/kg, wyznaczymy masę pary powstałej w czasie τ: m= 0,75Р0·τ/r . Znamy gęstość, więc łatwo jest znaleźć objętość tej ilości pary. Reszta jest już jasna - wyobraźmy sobie tę objętość w postaci kolumny o polu przekroju 1 cm2, długość tej kolumny podzielona przez τ da nam prędkość odjazdu (ta długość startuje w ciągu sekundy ). Zatem prędkość strumienia opuszczającego dziobek kotła wynosi V = m/(ρ S τ) = 0,75 P0 τ/(r ρ S τ) = 0,75 P0 R T/(r P M ·S) = 750·8,3· 373/(2,3·106·1·105·0,018·1·10-4) ≈ 5 m/s.
(c) Zilberman A.R.

Zastanówmy się, jak zmienia się rzut powstałej siły oddziaływania między nimi na linię prostą łączącą środki cząsteczek w zależności od odległości między cząsteczkami. Jeśli cząsteczki znajdują się w odległościach kilkakrotnie większych niż ich rozmiary, wówczas siły oddziaływania między nimi praktycznie nie mają żadnego wpływu. Siły oddziaływania pomiędzy cząsteczkami mają charakter krótkotrwały.

Na odległościach przekraczających 2-3 średnice molekularne siła odpychania jest praktycznie zerowa. Zauważalna jest tylko siła przyciągania. Wraz ze zmniejszaniem się odległości wzrasta siła przyciągania i jednocześnie zaczyna oddziaływać siła odpychania. Siła ta wzrasta bardzo szybko, gdy powłoki elektronowe cząsteczek zaczynają się na siebie nakładać.

Rysunek 2.10 przedstawia graficznie zależność projekcji F R siły oddziaływania cząsteczek na odległość między ich środkami. Na odległość R 0, w przybliżeniu równe sumie promieni molekularnych, F R = 0 , ponieważ siła przyciągania jest równa sile odpychania. Na R > R 0 pomiędzy cząsteczkami istnieje siła przyciągania. Rzut siły działającej na prawą cząsteczkę jest ujemny. Na R < R 0 istnieje siła odpychająca o dodatniej wartości projekcji F R .

Pochodzenie sił sprężystych

Zależność sił oddziaływania między cząsteczkami od odległości między nimi wyjaśnia pojawienie się siły sprężystości podczas ściskania i rozciągania ciał. Jeśli spróbujesz zbliżyć cząsteczki na odległość mniejszą niż r0, wówczas zacznie działać siła, która uniemożliwia zbliżenie. I odwrotnie, gdy cząsteczki oddalają się od siebie, działa siła przyciągająca, która po ustaniu wpływu zewnętrznego przywraca cząsteczki do ich pierwotnych pozycji.

Przy niewielkim przemieszczeniu cząsteczek z położeń równowagi siły przyciągania lub odpychania rosną liniowo wraz ze wzrostem przemieszczenia. Na małym obszarze krzywą można uznać za odcinek prosty (pogrubiony odcinek krzywej na ryc. 2.10). Dlatego przy małych odkształceniach sprawdza się prawo Hooke’a, zgodnie z którym siła sprężystości jest proporcjonalna do odkształcenia. Przy dużych przemieszczeniach molekularnych prawo Hooke'a przestaje obowiązywać.

Ponieważ odległości pomiędzy wszystkimi cząsteczkami zmieniają się, gdy ciało ulega deformacji, sąsiednie warstwy cząsteczek odpowiadają za niewielką część całkowitego odkształcenia. Dlatego prawo Hooke'a jest spełnione przy odkształceniach miliony razy większych niż rozmiar cząsteczek.

Mikroskop sił atomowych

Urządzenie mikroskopu sił atomowych (AFM) opiera się na działaniu sił odpychających pomiędzy atomami i cząsteczkami na krótkich dystansach. Mikroskop ten, w odróżnieniu od mikroskopu tunelowego, umożliwia uzyskanie obrazów powierzchni, które nie przewodzą prądu elektrycznego. Zamiast wolframowej końcówki AFM wykorzystuje mały fragment diamentu, zaostrzony do rozmiarów atomowych. Fragment ten osadzony jest na cienkim metalowym uchwycie. Gdy końcówka zbliża się do badanej powierzchni, chmury elektronów diamentu i atomów powierzchniowych zaczynają się na siebie nakładać i powstają siły odpychające. Siły te odchylają końcówkę końcówki diamentowej. Odchylenie rejestrowane jest za pomocą wiązki lasera odbitej od lustra zamontowanego na uchwycie. Odbita wiązka napędza manipulator piezoelektryczny, podobny do manipulatora mikroskopu tunelowego. Mechanizm sprzężenia zwrotnego zapewnia taką wysokość igły diamentowej nad powierzchnią, że wygięcie płytki uchwytu pozostaje niezmienione.

Na rysunku 2.11 widać obraz AFM łańcuchów polimerowych aminokwasu alaniny. Każdy guzek reprezentuje jedną cząsteczkę aminokwasu.

Obecnie opracowano mikroskopy atomowe, których konstrukcja opiera się na działaniu molekularnych sił przyciągania w odległościach kilkakrotnie większych niż wielkość atomu. Siły te są około 1000 razy mniejsze niż siły odpychające w AFM. Dlatego do rejestrowania sił stosuje się bardziej złożony, czuły system.

Atomy i cząsteczki składają się z cząstek naładowanych elektrycznie. W wyniku działania sił elektrycznych na krótkich dystansach cząsteczki są przyciągane, ale zaczynają się odpychać, gdy powłoki elektronowe atomów zachodzą na siebie.

Odległości między cząsteczkami są porównywalne z rozmiarami cząsteczek (w normalnych warunkach).

ciecze, ciała amorficzne i krystaliczne
gazy i ciecze
gazy, ciecze i krystaliczne ciała stałe

W gazach w normalnych warunkach średnia odległość między cząsteczkami wynosi

w przybliżeniu równa średnicy cząsteczki
mniejsza niż średnica cząsteczki
około 10-krotność średnicy cząsteczki
zależy od temperatury gazu

Charakterystyczny jest najmniejszy porządek w ułożeniu cząstek

płyny
ciała krystaliczne
ciała amorficzne

Odległość pomiędzy sąsiednimi cząsteczkami materii jest średnio wielokrotnie większa niż wielkość samych cząstek. To stwierdzenie odpowiada modelowi

tylko modele struktury gazu
jedynie modele budowy ciał amorficznych
modele budowy gazów i cieczy
modele budowy gazów, cieczy i ciał stałych

Podczas przejścia wody ze stanu ciekłego do stanu krystalicznego

zwiększa się odległość między cząsteczkami
cząsteczki zaczynają się przyciągać
wzrasta porządek w układzie cząsteczek
odległość między cząsteczkami maleje

Przy stałym ciśnieniu stężenie cząsteczek gazu wzrosło 5-krotnie, ale jego masa nie uległa zmianie. Średnia energia kinetyczna ruchu translacyjnego cząsteczek gazu

nie uległo zmianie
wzrosła 5 razy
spadła 5-krotnie
zwiększyć o pierwiastek z pięciu

Tabela pokazuje temperatury topnienia i wrzenia niektórych substancji:

substancja	Temperatura wrzenia	substancja	Temperatura topnienia

		naftalen

Wybierz prawidłowe stwierdzenie.

Temperatura topnienia rtęci jest wyższa niż temperatura wrzenia eteru

Temperatura wrzenia alkoholu jest niższa niż temperatura topnienia rtęci

Temperatura wrzenia alkoholu jest wyższa niż temperatura topnienia naftalenu

Temperatura wrzenia eteru jest niższa niż temperatura topnienia naftalenu

Temperatura ciała stałego spadła o 17°C. W bezwzględnej skali temperatur zmiana ta wyniosła

1) 290 K 2) 256 K 3) 17 K 4) 0 K

9. Naczynie o stałej objętości zawiera gaz doskonały w ilości 2 moli. Jak powinna zmienić się temperatura bezwzględna naczynia z gazem, gdy z naczynia wypuści się 1 mol gazu, tak że ciśnienie gazu na ściankach naczynia wzrośnie 2-krotnie?

1) zwiększyć 2 razy 3) zwiększyć 4 razy

2) zmniejsz 2 razy 4) zmniejsz 4 razy

10. W temperaturze T i ciśnieniu p jeden mol gazu doskonałego zajmuje objętość V. Jaka jest objętość tego samego gazu w ilości 2 moli, pod ciśnieniem 2p i temperaturą 2T?

1) 4 V 2) 2 V 3) V 4) 8 V

11. Temperatura wodoru pobranego w naczyniu w ilości 3 moli jest równa T. Jaka jest temperatura tlenu pobranego w ilości 3 moli w naczyniu o tej samej objętości i pod tym samym ciśnieniem?

1) T 2) 8 T 3) 24 T 4) T/8

12. W naczyniu zamkniętym tłokiem znajduje się gaz doskonały. Na rysunku przedstawiono wykres zależności ciśnienia gazu od temperatury ze zmianami jego stanu. Jaki stan gazu odpowiada najmniejszej objętości?

1) ZA 2) B 3) C 4) D

13. Naczynie o stałej objętości zawiera gaz doskonały, którego masa jest zmienna. Diagram przedstawia proces zmiany stanu skupienia gazu. W którym punkcie diagramu masa gazu jest największa?

1) ZA 2) B 3) C 4) D

14. W tej samej temperaturze para nasycona w zamkniętym naczyniu różni się od pary nienasyconej w tym samym naczyniu

1) ciśnienie

2) prędkość ruchu cząsteczek

3) średnia energia chaotycznego ruchu cząsteczek

4) brak obcych gazów

15. Który punkt na wykresie odpowiada maksymalnemu ciśnieniu gazu?

nie da się udzielić dokładnej odpowiedzi

17. Balon o pojemności 2500 metrów sześciennych i masie skorupy 400 kg ma w dnie otwór, przez który za pomocą palnika podgrzewane jest powietrze w balonie. Do jakiej minimalnej temperatury musi nagrzać się powietrze w balonie, aby balon wystartował wraz z ładunkiem (koszem i aeronautą) o masie 200 kg? Temperatura powietrza otoczenia wynosi 7 ° C, jego gęstość wynosi 1,2 kg na metr sześcienny. Skorupę piłki uważa się za nierozciągliwą.

MCT i termodynamika

MCT i termodynamika

W tej sekcji każda opcja obejmowała pięć zadań do wyboru

odpowiedź, z czego 4 to poziom podstawowy, a 1 zaawansowany. Na podstawie wyników egzaminów

Nauczono się następujących elementów treści:

Zastosowanie równania Mendelejewa – Clapeyrona;

Zależność ciśnienia gazu od stężenia cząsteczek i temperatury;

Ilość ciepła podczas ogrzewania i chłodzenia (obliczenia);

Cechy wymiany ciepła;

Wilgotność względna powietrza (obliczenia);

Praca z termodynamiki (wykres);

Zastosowanie równania stanu gazu.

Wśród zadań poziomu podstawowego trudności sprawiały następujące pytania:

1) Zmiana energii wewnętrznej w różnych izoprocesach (na przykład z

izochoryczny wzrost ciśnienia) – ukończenie 50%.

2) Wykresy izoprocesów – 56%.

Przykład 5.

W pokazanym procesie bierze udział stała masa gazu doskonałego

na zdjęciu. W procesie osiągane jest najwyższe ciśnienie gazu

1) w punkcie 1

2) na całym odcinku 1–2

3) w punkcie 3

4) przez cały odcinek 2–3

Odpowiedź: 1

3) Oznaczanie wilgotności powietrza – 50%. Zadania te zawierały fotografię

psychrometr, według którego należało dokonywać odczytów stanu suchego i mokrego

termometry, a następnie za pomocą części określ wilgotność powietrza

tabela psychrometryczna podana w zadaniu.

4) Zastosowanie pierwszej zasady termodynamiki. Tych zadań okazało się najwięcej

trudne spośród zadań poziomu podstawowego dla tej sekcji – 45%. Tutaj

konieczne było skorzystanie z wykresu w celu określenia rodzaju izoprocesu

(stosowano izotermy lub izochory) i zgodnie z tym

określić jeden z parametrów na podstawie podanego drugiego.

Wśród zadań poziomu zaawansowanego zaprezentowano zagadnienia obliczeniowe

zastosowanie równania stanu gazu, które zostało zrealizowane średnio w 54%

uczniów, a także wcześniej wykorzystane zadania w celu ustalenia zmian

parametry gazu doskonałego w dowolnym procesie. Radzi sobie z nimi skutecznie

jedynie grupę silnych absolwentów, a średni wskaźnik ukończenia studiów wyniósł 45%.

Poniżej przedstawiono jedno z takich zadań.

Przykład 6

Gaz doskonały znajduje się w naczyniu zamkniętym tłokiem. Proces

zmiany stanu gazu przedstawiono na wykresie (patrz rysunek). Jak

czy objętość gazu zmieniła się podczas przejścia ze stanu A do stanu B?

1) cały czas wzrastał

2) cały czas maleje

3) najpierw wzrosła, a następnie spadła

4) najpierw spadła, a następnie wzrosła

Odpowiedź: 1

Rodzaje działalności Ilość

zadania %

zdjęcia2 10-12 25,0-30,0

4. FIZYKA

4.1. Charakterystyka kontrolnych materiałów pomiarowych w fizyce

2007

Praca egzaminacyjna do jednolitego egzaminu państwowego w 2007 roku miała

taką samą strukturę jak w poprzednich dwóch latach. Składał się z 40 zadań,

różnią się formą prezentacji i stopniem złożoności. W pierwszej części pracy

Do każdego zadania dołączono 30 zadań wielokrotnego wyboru

cztery możliwości odpowiedzi, z czego tylko jedna była prawidłowa. Druga część zawierała 4

zadania z krótkimi odpowiedziami. Były to zadania obliczeniowe, po rozwiązaniu

co wymagało udzielenia odpowiedzi w postaci liczby. Trzecia część egzaminu

praca - to 6 problemów obliczeniowych, do których trzeba było doprowadzić kompletną

szczegółowe rozwiązanie. Łączny czas wykonania pracy wyniósł 210 minut.

Kodyfikator elementów i specyfikacji treści edukacyjnych

Prace egzaminacyjne zostały opracowane w oparciu o Obowiązkowe Minimum

1999 nr 56) i uwzględnił federalny komponent standardu stanowego

wykształcenie średnie (pełne) z fizyki, stopień specjalistyczny (Zarządzenie MON z dn

marzec 2004 nr 1089). Kodyfikator elementu treści nie uległ zmianie zgodnie z

w porównaniu do roku 2006 i obejmowały tylko te elementy, które występowały jednocześnie

obecne zarówno w federalnym komponencie standardu stanowego

(poziom profilu, 2004) oraz w Obowiązkowej minimalnej zawartości

edukacja 1999

W porównaniu z kontrolnymi materiałami pomiarowymi z 2006 roku w wariantach

W ujednoliconym egzaminie stanowym 2007 wprowadzono dwie zmiany. Pierwszym z nich była redystrybucja

zadania w pierwszej części pracy w ujęciu tematycznym. Bez względu na trudność

(poziom podstawowy lub zaawansowany), następnie wszystkie zadania mechaniczne były wykonywane w pierwszej kolejności

w MCT oraz termodynamiki, elektrodynamiki i wreszcie fizyki kwantowej. Drugi

Zmiana dotyczyła celowego wprowadzenia testowania zadań

kształtowanie umiejętności metodologicznych. W roku 2007 w ramach zadań A30 sprawdzano umiejętności

analizować wyniki badań eksperymentalnych wyrażone w formie

tabele lub grafiki, a także konstruować wykresy na podstawie wyników eksperymentu. Wybór

przydziały dla linii A30 realizowane były w oparciu o potrzebę weryfikacji w tym zakresie

szereg opcji dla jednego rodzaju działalności i odpowiednio niezależnie od

przynależność tematyczna konkretnego zadania.

Arkusz egzaminacyjny obejmował zadania podstawowe i zaawansowane

i wysoki poziom trudności. Zadania na poziomie podstawowym sprawdzały opanowanie większości

ważne pojęcia i prawa fizyczne. Kontrolowano zadania wyższego szczebla

umiejętność wykorzystania tych pojęć i praw do analizy bardziej złożonych procesów lub

umiejętność rozwiązywania problemów polegających na zastosowaniu jednego lub dwóch praw (wzórów) według dowolnego z nich

tematyka zajęć z fizyki w szkole. Obliczane są zadania o wysokim stopniu złożoności

zadania odzwierciedlające poziom wymagań egzaminów wstępnych na uczelnie oraz

wymagają zastosowania wiedzy z dwóch lub trzech działów fizyki jednocześnie w zmodyfikowanym lub

nowa sytuacja.

KIM 2007 obejmował zadania dotyczące wszystkich podstawowych treści

sekcje kursu fizyki:

1) „Mechanika” (kinematyka, dynamika, statyka, prawa zachowania w mechanice,

drgania mechaniczne i fale);

2) „Fizyka molekularna. Termodynamika";

3) „Elektrodynamika” (elektrostatyka, prąd stały, pole magnetyczne,

indukcja elektromagnetyczna, drgania i fale elektromagnetyczne, optyka);

4) „Fizyka kwantowa” (elementy STW, dualizm korpuskularno-falowy, fizyka

atom, fizyka jądra atomowego).

Tabela 4.1 przedstawia rozkład zadań pomiędzy blokami treści w każdym z nich

z części arkusza egzaminacyjnego.

Tabela 4.1

w zależności od rodzaju zadań

Cała praca

(z wyborem

(z krótkim

zadania % Ilość

zadania %

1 Mechanicy 11-131 27,5-32,5 9-10 22,5-25,0 1 2,5 1-2 2,5-5,0

2 MCT i termodynamika 8-10 20,0-25,0 6-7 15,0-17,5 1 2,5 1-2 2,5-5,0

3 Elektrodynamika 12-14 30,0-35,5 9-10 22,5-15,0 2 5,0 2-3 5,0-7,5

4 Fizyka kwantowa i

STO 6-8 15,0-20,0 5-6 12,5-15,0 – – 1-2 2,5-5,0

Tabela 4.2 przedstawia rozkład przypisań pomiędzy blokami treści w

w zależności od poziomu trudności.

Tabela4.2

Podział zadań według sekcji kursu fizyki

w zależności od poziomu trudności

Cała praca

Poziom podstawowy

(z wyborem

Podniesiony

(z możliwością wyboru odpowiedzi

i krótkie

Wysoki poziom

(z rozwiniętą

Sekcja odpowiedzi)

zadania % Ilość

zadania %

1 Mechanicy 11-13 27,5-32,5 7-8 17,5-20,0 3 7,5 1-2 2,5-5,0

2 MCT i termodynamika 8-10 20,0-25,0 5-6 12,5-15,0 2 5,0 1-2 2,5-5,0

3 Elektrodynamika 12-14 30,0-35,5 7-8 17,5-20,0 4 10,0 2-3 5,0-7,5

4 Fizyka kwantowa i

STO 6-8 15,0-20,0 4-5 10,0-12,5 1 2,5 1-2 2,5-5,0

Opracowując treść pracy egzaminacyjnej, braliśmy pod uwagę

konieczność sprawdzenia biegłości w różnego rodzaju czynnościach. Naraz

zadania dla każdego z szeregów wariantów zostały wybrane z uwzględnieniem rozkładu rodzajowego

działania przedstawione w tabeli 4.3.

1 Zmiana liczby zadań dla każdego tematu wynika z różnych tematów zadań złożonych C6 i

zadania A30, sprawdzające umiejętności metodyczne z wykorzystaniem materiału z różnych działów fizyki, w

różne serie opcji.

Tabela4.3

Podział zadań według rodzaju działalności

Rodzaje działalności Ilość

zadania %

1 Rozumieć fizyczne znaczenie modeli, koncepcji, ilości 4-5 10,0-12,5

2 Wyjaśnić zjawiska fizyczne, rozróżnić wpływ różnych

czynniki wpływające na występowanie zjawisk, przejawy zjawisk w przyrodzie lub

ich zastosowanie w urządzeniach technicznych i życiu codziennym

3 Stosować prawa fizyki (wzory) do analizy procesów

poziom jakości 6-8 15,0-20,0

4 Stosować prawa fizyki (wzory) do analizy procesów

obliczony poziom 10-12 25,0-30,0

5 Analizować wyniki badań eksperymentalnych 1-2 2,5-5,0

6 Analizować informacje uzyskane z wykresów, tabel, diagramów,

zdjęcia2 10-12 25,0-30,0

7 Rozwiązywać problemy o różnym stopniu złożoności 13-14 32,5-35,0

Wszystkie zadania z pierwszej i drugiej części pracy egzaminacyjnej zostały ocenione na 1

wynik podstawowy. Rozwiązania zadań z części trzeciej (C1-C6) sprawdzało dwóch ekspertów ds

zgodnie z ogólnymi kryteriami oceny, biorąc pod uwagę poprawność i

kompletność odpowiedzi. Maksymalna liczba punktów za wszystkie zadania ze szczegółową odpowiedzią wyniosła 3

zwrotnica. Zadanie uznawano za rozwiązane, jeśli student uzyskał za nie co najmniej 2 punkty.

Na podstawie punktów uzyskanych za wykonanie wszystkich zadań egzaminacyjnych

pracy, przekładało się na punkty „testowe” w 100-punktowej skali oraz na oceny

w pięciostopniowej skali. Tabela 4.4 pokazuje zależności pomiędzy pierwotnymi,

wyniki testów w systemie pięciopunktowym z ostatnich trzech lat.

Tabela4.4

Podstawowy współczynnik punktacji, wyniki testów i oceny szkolne

Lata, punkty 2 3 4 5

2007 szkoła podstawowa 0-11 12-22 23-35 36-52

test 0-32 33-51 52-68 69-100

2006 szkoła podstawowa 0-9 10-19 20-33 34-52

test 0-34 35-51 52-69 70-100

2005 szkoła podstawowa 0-10 11-20 21-35 36-52

test 0-33 34-50 51-67 68-100

Porównanie granic wyników podstawowych pokazuje, że w tym roku warunki

uzyskanie odpowiednich ocen było bardziej rygorystyczne w porównaniu do roku 2006, ale

w przybliżeniu odpowiadał warunkom z roku 2005. Wynikało to z faktu, że w przeszłości

roku do jednolitego egzaminu z fizyki przystąpili nie tylko ci, którzy planowali naukę na uniwersytetach

na odpowiednim profilu, ale także prawie 20% uczniów (z ogólnej liczby zdających),

którzy studiowali fizykę na poziomie podstawowym (dla nich o tym egzaminie decydował

region obowiązkowy).

Łącznie do egzaminu w roku 2007 przygotowano 40 opcji,

czyli pięć serii po 8 opcji, stworzonych według różnych planów.

Seria opcji różniła się kontrolowanymi elementami treści i typami

działania dotyczące tego samego zakresu zadań, ale ogólnie wszyscy mieli w przybliżeniu

2 W tym przypadku mamy na myśli formę informacji przedstawioną w tekście zadania lub rozpraszacze,

dlatego to samo zadanie może testować dwa typy działań.

na tym samym średnim poziomie trudności i odpowiadały planowi egzaminu

praca podana w Załączniku 4.1.

4.2. Charakterystyka uczestników jednolitego egzaminu państwowego z fizyki2007 rok

Liczba uczestników Jednolitego Egzaminu Państwowego z Fizyki w tym roku wyniosła 70 052 osób, co stanowi

znacznie niższe niż w roku poprzednim i w przybliżeniu zgodne ze wskaźnikami

2005 (patrz tabela 4.5). Liczba regionów, w których absolwenci przystąpili do jednolitego egzaminu państwowego

fizyki wzrosła do 65. Liczba absolwentów, którzy wybrali fizykę w tym formacie

Ujednolicony egzamin państwowy różni się znacznie w zależności od regionu: od 5316 osób. w Republice

Tatarstan do 51 osób w Nienieckim Okręgu Autonomicznym. Jako procent

do ogólnej liczby absolwentów liczba uczestników Jednolitego Państwowego Egzaminu z Fizyki waha się od

0,34% w Moskwie do 19,1% w obwodzie samarskim.

Tabela4.5

Liczba uczestników egzaminu

Numer roku Dziewczęta Chłopcy

regiony

uczestnicy Liczba % Liczba %

2005 54 68 916 18 006 26,1 50 910 73,9

2006 61 90 3893 29 266 32,4 61 123 67,6

2007 65 70 052 17 076 24,4 52 976 75,6

Na egzamin z fizyki decydują się głównie młodzi mężczyźni, a tylko jedna czwarta

całkowitej liczby uczestników to dziewczęta, które zdecydowały się kontynuować

uczelnie edukacyjne o profilu fizycznym i technicznym.

Rozkład uczestników egzaminów według kategorii pozostaje praktycznie niezmienny z roku na rok.

rodzaje osad (patrz tabela 4.6). Prawie połowa absolwentów, którzy przyjęli

Unified State Exam in Physics, mieszka w dużych miastach i tylko 20% to studenci, którzy ukończyli

szkoły wiejskie.

Tabela4.6

Podział uczestników egzaminu według rodzaju rozliczenia, w którym

mieszczą się ich instytucje edukacyjne

Liczba zdających Procent

Rodzaj miejscowości zdających

Osada wiejska (wieś,

wieś, folwark itp.) 13 767 18 107 14 281 20,0 20,0 20,4

Osada miejska

(wieś pracująca, wieś miejska

typ itp.)

4 780 8 325 4 805 6,9 9,2 6,9

Miasto do 50 tys. mieszkańców 7 427 10 810 7 965 10,8 12,0 11,4

Miasto liczące 50-100 tys. mieszkańców 6 063 8 757 7 088 8,8 9,7 10,1

Miasto o populacji 100-450 tys. osób 16 195 17 673 14 630 23,5 19,5 20,9

Miasto liczące 450-680 tys. mieszkańców 7 679 11 799 7 210 11,1 13,1 10,3

Miasto liczące ponad 680 tys. mieszkańców.

osoby 13 005 14 283 13 807 18,9 15,8 19,7

Petersburg – 72 7 – 0,1 0,01

Moskwa – 224 259 – 0,2 0,3

Brak danych – 339 – – 0,4 –

Razem 68 916 90 389 70 052 100% 100% 100%

3 W 2006 roku w jednym z województw egzaminy wstępne na uczelnie fizyczne odbywały się wyłącznie w

Ujednolicony format egzaminu państwowego. Spowodowało to tak znaczny wzrost liczby uczestników Unified State Exam.

Skład uczestników egzaminów według rodzaju wykształcenia pozostaje praktycznie niezmieniony.

instytucje (patrz tabela 4.7). Podobnie jak w zeszłym roku zdecydowana większość

badanych ukończyło szkoły ogólnokształcące, a jedynie około 2%

absolwenci przyszli na egzamin z placówek oświatowych szkół podstawowych lub

wykształcenie średnie zawodowe.

Tabela4.7

Podział uczestników egzaminów według typu instytucji edukacyjnej

Numer

egzaminowani

Procent

Rodzaj placówki edukacyjnej zdających

2006 G. 2007 G. 2006 G. 2007 G.

Placówki ogólnokształcące 86 331 66 849 95,5 95,4

Kształcenie ogólne wieczorowe (zmianowe).

instytucje 487 369 0,5 0,5

Ogólnokształcąca szkoła z internatem,

szkoła kadetów, internat z

wstępne szkolenie w locie

1 144 1 369 1,3 2,0

Instytucje edukacyjne szkół podstawowych i

wykształcenie średnie zawodowe 1469 1333 1,7 1,9

Brak danych 958 132 1,0 0,2

Razem: 90 389 70 052 100% 100%

4.3. Główne wyniki egzaminu z fizyki

Ogólnie rzecz biorąc, wyniki prac egzaminacyjnych w 2007 roku były następujące

nieco wyższe od wyników z ubiegłego roku, ale w przybliżeniu na tym samym poziomie co

wskaźniki z poprzedniego roku. Tabela 4.8 przedstawia wyniki Jednolitego Egzaminu Państwowego z Fizyki w 2007 roku.

w pięciopunktowej skali oraz w tabeli 4.9 i ryc. 4,1 – na podstawie wyników testów 100-

skala punktowa. Dla przejrzystości porównania wyniki przedstawiono w porównaniu

poprzednie dwa lata.

Tabela4.8

Podział uczestników egzaminu według poziomu

przygotowanie(procent całości)

Lata „2” Oceny „p3o” 5 punktów „b4n” w skali „5”

2005 10,5% 40,7% 38,1% 10,7%

2006 16,0% 41,4% 31,1% 11,5%

2007 12,3% 43,2% 32,5% 12,0%

Tabela4.9

Rozmieszczenie uczestników egzaminu

na podstawie wyników testów uzyskanych w2005-2007 yy.

Rok Przedział skali wyników testu

wymiana 0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100

2005 0,09% 0,57% 6,69% 19,62% 24,27% 24,44% 16,45% 6,34% 1,03% 0,50% 68 916

2006 0,10% 0,19% 6,91% 23,65% 23,28% 19,98% 15,74% 7,21% 2,26% 0,68% 90 389

2007 0,07% 1,09% 7,80% 19,13% 27,44% 20,60% 14,82% 6,76% 1,74% 0,55% 70 052

0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100

Wynik testu

Procent uczniów, którzy otrzymali

odpowiedni wynik testu

Ryż. 4.1 Podział uczestników egzaminu według uzyskanych wyników z testów

Tabela 4.10 przedstawia porównanie skali w punktach testowych na 100

skala z wynikami wykonania zadań w wersji egzaminu w szkole podstawowej

Tabela4.10

Porównanie przedziałów wyników podstawowych i testowych w2007 rok

Przedział skali

punkty testowe 0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100

Przedział skali

punkty podstawowe 0-3 4-6 7-10 11-15 16-22 23-29 30-37 38-44 45-48 49-52

Aby otrzymać 35 punktów (ocena 3, wynik podstawowy – 13) zdający

Wystarczyło poprawnie odpowiedzieć na 13 najprostszych pytań z pierwszej części

praca. Aby zdobyć 65 punktów (ocena 4, ocena początkowa – 34), absolwent musi

było na przykład prawidłowe udzielenie odpowiedzi na 25 pytań wielokrotnego wyboru, rozwiązanie trzech z czterech

problemy z krótką odpowiedzią, a także radzą sobie z dwoma problemami wysokiego poziomu

złożoność. Ci, którzy otrzymali 85 punktów (ocena 5, wynik podstawowy – 46)

wykonał doskonale pierwszą i drugą część pracy oraz rozwiązał co najmniej cztery problemy

trzecia część.

Najlepsi z najlepszych (zakres od 91 do 100 punktów) muszą nie tylko

swobodnie poruszać się po wszystkich zagadnieniach szkolnego kursu fizyki, ale także praktycznie

Unikaj nawet błędów technicznych. Aby więc zdobyć 94 punkty (wynik podstawowy

– 49) można było „nie zdobyć” tylko 3 punktów podstawowych, pozwalając np.

błędy arytmetyczne przy rozwiązywaniu jednego z problemów o wysokim stopniu złożoności

i popełnij błąd, odpowiadając na dowolne dwa pytania wielokrotnego wyboru.

Niestety, w tym roku nie nastąpił wzrost liczby absolwentów, którzy zyskali

Według wyników Unified State Examination in Physics, najwyższy możliwy wynik. W tabeli 4.11

Podana jest liczba 100 punktów w ciągu ostatnich czterech lat.

Tabela4.11

Liczba zdających, który uzyskał punkty zgodnie z wynikami egzaminu100 zwrotnica

Rok 2004 2005 2006 2007

Liczba uczniów 6 23 33 28

Tegorocznymi liderami jest 27 chłopców i tylko jedna dziewczyna (Romanova A.I. z

Szkoła średnia w Nowoworonieżu nr 1). Podobnie jak w roku ubiegłym wśród absolwentów Liceum nr 153

Ufa - dwóch uczniów na raz, którzy zdobyli 100 punktów. Te same wyniki (dwa 100-

Gimnazjum nr 4 im JAK. Puszkina w Yoshkar-Ola.

Ciała stałe to substancje, które mogą tworzyć ciała i mają objętość. Różnią się od cieczy i gazów kształtem. Ciała stałe zachowują swój kształt ciała, ponieważ ich cząstki nie mogą się swobodnie poruszać. Różnią się gęstością, plastycznością, przewodnością elektryczną i kolorem. Mają także inne właściwości. Na przykład większość tych substancji topi się podczas ogrzewania, uzyskując ciekły stan skupienia. Część z nich po podgrzaniu natychmiast zamienia się w gaz (sublimację). Ale są też takie, które rozkładają się na inne substancje.

Rodzaje ciał stałych

Wszystkie ciała stałe są podzielone na dwie grupy.

Amorficzny, w którym poszczególne cząstki są ułożone losowo. Innymi słowy: nie mają jasnej (określonej) struktury. Te ciała stałe mogą topić się w pewnym zakresie temperatur. Najpopularniejsze z nich to szkło i żywica.
Krystaliczne, które z kolei dzielą się na 4 typy: atomowy, molekularny, jonowy, metaliczny. W nich cząstki są rozmieszczone tylko według określonego wzoru, a mianowicie w węzłach sieci krystalicznej. Jego geometria w różnych substancjach może się znacznie różnić.

Substancje stałe krystaliczne przeważają pod względem liczebności nad substancjami amorficznymi.

Rodzaje substancji krystalicznych

W stanie stałym prawie wszystkie substancje mają strukturę krystaliczną. Wyróżniają się siatkami w węzłach zawierającymi różne cząstki i pierwiastki chemiczne. To zgodnie z nimi otrzymali swoje imiona. Każdy typ ma charakterystyczne właściwości:

W atomowej sieci krystalicznej cząstki ciała stałego są połączone wiązaniami kowalencyjnymi. Wyróżnia się trwałością. Z tego powodu takie substancje mają wysoką temperaturę wrzenia. Ten typ obejmuje kwarc i diament.
W molekularnej sieci krystalicznej wiązania między cząstkami charakteryzują się słabością. Substancje tego typu charakteryzują się łatwością wrzenia i topienia. Charakteryzują się lotnością, dzięki czemu mają określony zapach. Do takich substancji stałych zalicza się lód i cukier. Ruchy cząsteczek w ciałach stałych tego typu wyróżniają się aktywnością.
W węzłach odpowiednie cząstki, naładowane dodatnio i ujemnie, naprzemiennie. Są one utrzymywane razem przez przyciąganie elektrostatyczne. Ten typ sieci występuje w alkaliach, solach. Wiele substancji tego typu jest łatwo rozpuszczalnych w wodzie. Ze względu na dość silne wiązanie między jonami są one ogniotrwałe. Prawie wszystkie z nich są bezwonne, ponieważ charakteryzują się nielotnością. Substancje posiadające sieć jonową nie mogą przewodzić prądu elektrycznego, ponieważ nie zawierają wolnych elektronów. Typowym przykładem ciała stałego jonowego jest sól kuchenna. Ta sieć krystaliczna nadaje mu kruchość. Wynika to z faktu, że każde jego przesunięcie może prowadzić do pojawienia się sił odpychających jony.
W metalowej sieci krystalicznej w węzłach znajdują się tylko dodatnio naładowane jony chemiczne. Pomiędzy nimi znajdują się wolne elektrony, przez które doskonale przechodzi energia cieplna i elektryczna. Dlatego wszelkie metale wyróżniają się taką cechą, jak przewodność.

Ogólne pojęcia dotyczące ciał stałych

Ciało stałe i substancja to praktycznie to samo. Terminy te odnoszą się do jednego z 4 stanów skupienia. Ciała stałe mają stabilny kształt i wzór termicznego ruchu atomów. Co więcej, te ostatnie wykonują niewielkie oscylacje w pobliżu położeń równowagi. Dziedzina nauki badająca skład i strukturę wewnętrzną nazywa się fizyką ciała stałego. Istnieją inne ważne obszary wiedzy dotyczące takich substancji. Zmiana kształtu pod wpływem czynników zewnętrznych i ruchu nazywana jest mechaniką ciała odkształcalnego.

Ze względu na odmienne właściwości ciał stałych znalazły one zastosowanie w różnych urządzeniach technicznych stworzonych przez człowieka. Najczęściej przy ich stosowaniu opierano się na takich właściwościach jak twardość, objętość, masa, sprężystość, plastyczność i kruchość. Współczesna nauka umożliwia wykorzystanie innych właściwości ciał stałych, które można wykryć jedynie w warunkach laboratoryjnych.

Czym są kryształy

Kryształy to ciała stałe, których cząstki są ułożone w określonej kolejności. Każdy ma swoją własną strukturę. Jego atomy tworzą trójwymiarowy układ okresowy zwany siecią krystaliczną. Ciała stałe mają różną symetrię struktury. Stan krystaliczny ciała stałego uważa się za stabilny, ponieważ ma minimalną ilość energii potencjalnej.

Zdecydowana większość ciał stałych składa się z ogromnej liczby losowo zorientowanych pojedynczych ziaren (krystalitów). Substancje takie nazywane są polikrystalicznymi. Należą do nich stopy i metale techniczne, a także wiele skał. Pojedyncze kryształy naturalne lub syntetyczne nazywane są monokrystalicznymi.

Najczęściej takie ciała stałe powstają ze stanu fazy ciekłej, reprezentowanej przez stop lub roztwór. Czasem otrzymuje się je ze stanu gazowego. Proces ten nazywa się krystalizacją. Dzięki postępowi naukowo-technicznemu sposób uprawy (syntetyzowania) różnych substancji osiągnął skalę przemysłową. Większość kryształów ma naturalny kształt, np. Ich rozmiary są bardzo zróżnicowane. Zatem naturalny kwarc (kryształ górski) może ważyć nawet setki kilogramów, a diamenty - nawet kilka gramów.

W ciałach amorficznych atomy znajdują się w ciągłych wibracjach wokół losowo rozmieszczonych punktów. Zachowują pewien porządek krótkiego zasięgu, ale brakuje im porządku dalekiego zasięgu. Wynika to z faktu, że ich cząsteczki znajdują się w odległości porównywalnej z ich wielkością. Najczęstszym przykładem takiego ciała stałego w naszym życiu jest stan szklisty. często uważany za ciecz o nieskończenie dużej lepkości. Czas ich krystalizacji jest czasami tak długi, że w ogóle się nie pojawia.

To właśnie powyższe właściwości tych substancji czynią je wyjątkowymi. Amorficzne ciała stałe są uważane za niestabilne, ponieważ z czasem mogą stać się krystaliczne.

Cząsteczki i atomy tworzące ciało stałe są upakowane z dużą gęstością. Praktycznie zachowują swoje względne położenie względem innych cząstek i są utrzymywane razem w wyniku interakcji międzycząsteczkowych. Odległość między cząsteczkami ciała stałego w różnych kierunkach nazywana jest parametrem sieci krystalicznej. Struktura substancji i jej symetria determinują wiele właściwości, takich jak pasmo elektronowe, łupliwość i optyka. Gdy substancja stała zostanie wystawiona na działanie wystarczająco dużej siły, właściwości te mogą zostać w takim czy innym stopniu pogorszone. W tym przypadku ciało stałe ulega deformacji szczątkowej.

Atomy ciał stałych podlegają ruchom wibracyjnym, które decydują o posiadaniu przez nie energii cieplnej. Ponieważ są one znikome, można je zaobserwować jedynie w warunkach laboratoryjnych. substancji stałej ma ogromny wpływ na jej właściwości.

Badanie ciał stałych

Cechy, właściwości tych substancji, ich właściwości i ruch cząstek są badane w różnych dziedzinach fizyki ciała stałego.

Do badań wykorzystuje się następujące metody: spektroskopię radiową, analizę strukturalną z wykorzystaniem promieni rentgenowskich i inne metody. W ten sposób bada się właściwości mechaniczne, fizyczne i termiczne ciał stałych. Twardość, wytrzymałość na obciążenie, wytrzymałość na rozciąganie, przemiany fazowe są badane przez inżynierię materiałową. Ma to wiele wspólnego z fizyką ciała stałego. Jest jeszcze jedna ważna współczesna nauka. Badanie istniejących substancji i synteza nowych odbywa się za pomocą chemii ciała stałego.

Cechy ciał stałych

Charakter ruchu zewnętrznych elektronów atomów substancji stałej determinuje wiele jej właściwości, na przykład elektryczne. Istnieje 5 klas takich ciał. Ustawia się je w zależności od rodzaju wiązania między atomami:

Jonowy, którego główną cechą jest siła przyciągania elektrostatycznego. Jego cechy: odbicie i absorpcja światła w obszarze podczerwieni. W niskich temperaturach wiązania jonowe mają niską przewodność elektryczną. Przykładem takiej substancji jest sól sodowa kwasu solnego (NaCl).
Kowalencyjny, przenoszony przez parę elektronów należącą do obu atomów. Takie wiązanie dzieli się na: pojedyncze (proste), podwójne i potrójne. Nazwy te wskazują na obecność par elektronów (1, 2, 3). Wiązania podwójne i potrójne nazywane są wielokrotnościami. Istnieje inny podział tej grupy. Zatem w zależności od rozkładu gęstości elektronowej rozróżnia się wiązania polarne i niepolarne. Pierwszy składa się z różnych atomów, a drugi z identycznych. Ten stały stan materii, którego przykładami są diament (C) i krzem (Si), wyróżnia się gęstością. Najtwardsze kryształy należą właśnie do wiązania kowalencyjnego.
Metaliczny, powstały w wyniku połączenia elektronów walencyjnych atomów. W rezultacie pojawia się ogólna chmura elektronów, która przesuwa się pod wpływem napięcia elektrycznego. Wiązanie metaliczne powstaje, gdy łączone atomy są duże. To oni mogą oddawać elektrony. W wielu metalach i związkach złożonych wiązanie to tworzy stan stały. Przykłady: sód, bar, aluminium, miedź, złoto. Można wyróżnić następujące związki niemetaliczne: AlCr 2, Ca 2 Cu, Cu 5 Zn 8. Substancje z wiązaniami metalicznymi (metale) mają zróżnicowane właściwości fizyczne. Mogą być płynne (Hg), miękkie (Na, K), bardzo twarde (W, Nb).
Molekularny, występujący w kryształach utworzonych przez pojedyncze cząsteczki substancji. Charakteryzuje się przerwami między cząsteczkami o zerowej gęstości elektronowej. Siły wiążące atomy w takich kryształach są znaczące. W tym przypadku cząsteczki przyciągają się do siebie jedynie poprzez słabe przyciąganie międzycząsteczkowe. Dlatego wiązania między nimi łatwo ulegają zniszczeniu pod wpływem ciepła. Połączenia między atomami są znacznie trudniejsze do rozbicia. Wiązania molekularne dzielimy na orientacyjne, dyspersyjne i indukcyjne. Przykładem takiej substancji jest stały metan.
Wodór, który występuje pomiędzy dodatnio spolaryzowanymi atomami cząsteczki lub jej części a ujemnie spolaryzowaną najmniejszą cząstką innej cząsteczki lub części. Do takich połączeń zalicza się lód.

Właściwości ciał stałych

Co wiemy dzisiaj? Naukowcy od dawna badają właściwości stanu stałego materii. Pod wpływem temperatury również ulega zmianom. Przejście takiego ciała w ciecz nazywa się topnieniem. Przekształcenie ciała stałego w stan gazowy nazywa się sublimacją. Wraz ze spadkiem temperatury ciało stałe krystalizuje. Niektóre substancje pod wpływem zimna przechodzą w fazę amorficzną. Naukowcy nazywają ten proces przemianą szklistą.

Kiedy zmienia się wewnętrzna struktura ciał stałych. Największy porządek uzyskuje wraz ze spadkiem temperatury. Pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze T > 0 K wszelkie substancje występujące w przyrodzie ulegają zestaleniu. Wyjątkiem od tej reguły jest jedynie hel, który do krystalizacji wymaga ciśnienia 24 atm.

Stan stały substancji nadaje jej różne właściwości fizyczne. Charakteryzują specyficzne zachowanie ciał pod wpływem określonych pól i sił. Właściwości te są podzielone na grupy. Istnieją 3 metody oddziaływania, odpowiadające 3 rodzajom energii (mechaniczna, termiczna, elektromagnetyczna). W związku z tym istnieją 3 grupy właściwości fizycznych ciał stałych:

Właściwości mechaniczne związane z naprężeniami i odkształceniami ciał. Według tych kryteriów ciała stałe dzielą się na sprężyste, reologiczne, wytrzymałościowe i technologiczne. W spoczynku takie ciało zachowuje swój kształt, ale może się zmienić pod wpływem siły zewnętrznej. W tym przypadku jego odkształcenie może mieć charakter plastyczny (pierwotna forma nie powraca), sprężysty (powraca do pierwotnego kształtu) lub destrukcyjny (rozpad/pęknięcie następuje po osiągnięciu określonego progu). Odpowiedź na przyłożoną siłę opisuje moduł sprężystości. Ciało stałe jest odporne nie tylko na ściskanie i rozciąganie, ale także na ścinanie, skręcanie i zginanie. Siła ciała stałego to jego odporność na zniszczenie.
Termiczne, objawiające się pod wpływem pól termicznych. Jedną z najważniejszych właściwości jest temperatura topnienia, w której ciało przechodzi w stan ciekły. Obserwuje się to w krystalicznych ciałach stałych. Ciała amorficzne mają utajone ciepło topnienia, ponieważ ich przejście do stanu ciekłego następuje stopniowo wraz ze wzrostem temperatury. Po osiągnięciu określonego ciepła ciało amorficzne traci swoją elastyczność i nabiera plastyczności. Stan ten oznacza, że osiągnął temperaturę zeszklenia. Pod wpływem ogrzewania ciało stałe odkształca się. Co więcej, najczęściej się rozszerza. Ilościowo stan ten charakteryzuje się pewnym współczynnikiem. Temperatura ciała wpływa na właściwości mechaniczne, takie jak płynność, ciągliwość, twardość i wytrzymałość.
Elektromagnetyczne, związane z oddziaływaniem na materię stałą przepływów mikrocząstek i fal elektromagnetycznych o dużej sztywności. Należą do nich również właściwości radiacyjne.

Struktura strefy

Ciała stałe klasyfikuje się także według ich tzw. struktury strefowej. Wśród nich są więc:

Przewodniki charakteryzujące się tym, że ich pasma przewodzenia i walencyjne nakładają się na siebie. W takim przypadku elektrony mogą przemieszczać się między nimi, otrzymując najmniejszą energię. Wszystkie metale są uważane za przewodniki. Po przyłożeniu do takiego ciała różnicy potencjałów powstaje prąd elektryczny (w wyniku swobodnego przepływu elektronów pomiędzy punktami o najniższym i najwyższym potencjale).
Dielektryki, których strefy się nie pokrywają. Odstęp między nimi przekracza 4 eV. Do przewodzenia elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa potrzebne są duże ilości energii. Ze względu na te właściwości dielektryki praktycznie nie przewodzą prądu.
Półprzewodniki charakteryzujące się brakiem pasm przewodnictwa i walencyjnego. Odstęp między nimi jest mniejszy niż 4 eV. Do przeniesienia elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa potrzeba mniej energii niż w przypadku dielektryków. Czyste (niedomieszkowane i wewnętrzne) półprzewodniki nie przepuszczają dobrze prądu.

Ruchy cząsteczek w ciałach stałych determinują ich właściwości elektromagnetyczne.

Inne właściwości

Ciała stałe są również klasyfikowane według ich właściwości magnetycznych. Istnieją trzy grupy:

Diamagnetyki, których właściwości w niewielkim stopniu zależą od temperatury i stanu skupienia.
Paramagnetyki, będące konsekwencją orientacji elektronów przewodnictwa i momentów magnetycznych atomów. Zgodnie z prawem Curie ich podatność maleje proporcjonalnie do temperatury. Zatem przy 300 K wynosi 10 -5.
Ciała o uporządkowanej strukturze magnetycznej, posiadające porządek atomowy dalekiego zasięgu. Cząstki posiadające momenty magnetyczne są okresowo lokalizowane w węzłach swojej sieci. Takie ciała stałe i substancje są często wykorzystywane w różnych dziedzinach działalności człowieka.

Najtwardsze substancje w przyrodzie

Czym oni są? Gęstość ciał stałych w dużej mierze decyduje o ich twardości. W ostatnich latach naukowcy odkryli kilka materiałów uznawanych za „najtrwalsze ciała”. Najtwardszą substancją jest fuleryt (kryształ zawierający cząsteczki fulerenu), który jest około 1,5 razy twardszy od diamentu. Niestety, obecnie jest on dostępny jedynie w bardzo małych ilościach.

Obecnie najtwardszą substancją, która może w przyszłości znaleźć zastosowanie w przemyśle, jest lonsdaleit (diament sześciokątny). Jest o 58% twardszy od diamentu. Lonsdaleit jest alotropową modyfikacją węgla. Jego sieć krystaliczna jest bardzo podobna do diamentu. Komórka lonsdaleitu zawiera 4 atomy, a diament - 8. Spośród powszechnie stosowanych obecnie kryształów diament pozostaje najtwardszy.