fyzika. Molekuly. Usporiadanie molekúl v plynných, kvapalných a pevných vzdialenostiach.
- V plynnom stave molekuly nie sú navzájom spojené a nachádzajú sa vo veľkej vzdialenosti od seba. Brownov pohyb. Plyn sa dá pomerne ľahko stlačiť.
V kvapaline sú molekuly blízko seba a vibrujú spolu. Takmer nemožné stlačiť.
V pevnej látke sú molekuly usporiadané v prísnom poradí (v kryštálových mriežkach) a nedochádza k žiadnemu molekulárnemu pohybu. Nedá sa komprimovať. - Štruktúra hmoty a začiatky chémie:
http://samlib.ru/a/anemow_e_m/aa0.shtml
(bez registrácie a SMS správ, v pohodlnom textovom formáte: môžete použiť Ctrl+C) - Nemožno súhlasiť s tým, že v pevnom stave sa molekuly nepohybujú.
Pohyb molekúl v plynoch
V plynoch je vzdialenosť medzi molekulami a atómami zvyčajne oveľa väčšia ako veľkosť molekúl a príťažlivé sily sú veľmi malé. Preto plyny nemajú svoj vlastný tvar a konštantný objem. Plyny sa ľahko stláčajú, pretože odpudivé sily na veľké vzdialenosti sú tiež malé. Plyny majú vlastnosť neobmedzenej expanzie a vypĺňajú celý objem, ktorý im je poskytnutý. Molekuly plynu sa pohybujú veľmi vysokou rýchlosťou, narážajú do seba a odrážajú sa od seba rôznymi smermi. Početné dopady molekúl na steny nádoby vytvárajú tlak plynu.
Pohyb molekúl v kvapalinách
V kvapalinách molekuly nielen oscilujú okolo rovnovážnej polohy, ale tiež robia skoky z jednej rovnovážnej polohy do ďalšej. Tieto skoky sa vyskytujú pravidelne. Časové obdobie medzi takýmito skokmi sa nazýva priemerný čas sedavého života (alebo priemerný čas relaxácie) a označuje sa písmenom ?. Inými slovami, relaxačný čas je čas oscilácií okolo jednej konkrétnej rovnovážnej polohy. Pri izbovej teplote je tento čas v priemere 10-11 s. Doba jedného kmitu je 10-1210-13 s.
Čas sedavého života klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny je menšia ako veľkosť molekúl, častice sú umiestnené blízko seba a medzimolekulárna príťažlivosť je silná. Usporiadanie molekúl kvapaliny však nie je striktne usporiadané v celom objeme.
Kvapaliny, podobne ako pevné látky, si zachovávajú svoj objem, ale nemajú svoj vlastný tvar. Preto preberajú tvar nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Kvapalina má vlastnosť tekutosti. Vďaka tejto vlastnosti kvapalina nevzdoruje zmene tvaru, je mierne stlačená a jej fyzikálne vlastnosti sú vo vnútri kvapaliny vo všetkých smeroch rovnaké (izotropia kvapalín). Povahu molekulárneho pohybu v kvapalinách ako prvý zistil sovietsky fyzik Jakov Iľjič Frenkel (1894 – 1952).
Pohyb molekúl v pevných látkach
Molekuly a atómy tuhej látky sú usporiadané v určitom poradí a tvoria kryštálovú mriežku. Takéto pevné látky sa nazývajú kryštalické. Atómy vykonávajú vibračné pohyby okolo rovnovážnej polohy a príťažlivosť medzi nimi je veľmi silná. Preto si pevné látky za normálnych podmienok zachovávajú svoj objem a majú svoj vlastný tvar.
- V plynnom - pohybujú sa náhodne, zapínajú sa
V kvapaline - pohybujte sa v súlade so sebou
V pevných látkach sa nepohybujú.
Molekuly sú veľmi malé, bežné molekuly nie je možné vidieť ani tým najvýkonnejším optickým mikroskopom - niektoré parametre molekúl sa však dajú vypočítať celkom presne (hmotnosť), a niektoré len veľmi zhruba odhadnúť (rozmery, rýchlosť) a tiež by je dobré pochopiť, čo sú „veľkosť“ molekúl“ a o akej „rýchlosti molekúl“ hovoríme. Hmotnosť molekuly sa teda nachádza ako „hmotnosť jedného mólu“ / „počet molekúl v móle“. Napríklad pre molekulu vody m = 0,018/6 · 1023 = 3 · 10 - 26 kg (môžete vypočítať presnejšie - Avogadroovo číslo je známe s dobrou presnosťou a molárna hmotnosť akejkoľvek molekuly sa dá ľahko nájsť).
Odhad veľkosti molekuly začína otázkou, čo tvorí jej veľkosť. Len keby bola dokonale vyleštená kocka! Nie je to však ani kocka, ani guľa a vo všeobecnosti nemá jasne stanovené hranice. Čo robiť v takýchto prípadoch? Začnime z diaľky. Odhadnime veľkosť oveľa známejšieho predmetu – školáka. Všetci sme už videli školákov, vezmime si hmotnosť priemerného školáka 60 kg (a potom uvidíme, či bude mať táto voľba výrazný vplyv na výsledok), hustota školáka je približne ako voda (nezabudnite že ak sa zhlboka nadýchnete vzduchu a potom môžete takmer úplne „visieť“ vo vode a ak vydýchnete, okamžite sa začnete topiť). Teraz môžete zistiť objem školáka: V = 60/1000 = 0,06 metrov kubických. metrov. Ak teraz predpokladáme, že žiak má tvar kocky, tak jej veľkosť zistíme ako odmocninu z objemu, t.j. približne 0,4 m Takto sa ukázala veľkosť - menšia ako výška (veľkosť „výška“), väčšia ako hrúbka (veľkosť „hĺbka“). Ak nevieme nič o tvare tela školáka, potom nenájdeme nič lepšie ako túto odpoveď (namiesto kocky by sme mohli vziať guľu, ale odpoveď by bola približne rovnaká a výpočet priemeru gule je náročnejšia ako hrana kocky). Ak však máme ďalšie informácie (napríklad z analýzy fotografií), odpoveď môže byť oveľa rozumnejšia. Nech je známe, že „šírka“ školáka je v priemere štyrikrát menšia ako jeho výška a jeho „hĺbka“ je trikrát menšia. Potom Н*Н/4*Н/12 = V, teda Н = 1,5 m (nemá zmysel robiť presnejší výpočet takejto zle definovanej hodnoty; spoliehať sa na schopnosti kalkulačky pri takomto „výpočte“ je jednoducho negramotný!). Dostali sme úplne rozumný odhad výšky školáka, ak by sme zobrali hmotnosť okolo 100 kg (a takých školákov je!), dostaneme približne 1,7 - 1,8 m - tiež celkom rozumné.
Teraz odhadnime veľkosť molekuly vody. Nájdite objem na molekulu v „tekutej vode“ - v nej sú molekuly najhustejšie zbalené (stlačené bližšie k sebe ako v pevnom, „ľadovom“ stave). Mol vody má hmotnosť 18 g a objem 18 metrov kubických. centimetre. Potom je objem na molekulu V= 18·10-6/6·1023 = 3·10-29 m3. Ak nemáme informácie o tvare molekuly vody (alebo ak nechceme brať do úvahy zložitý tvar molekúl), najjednoduchším spôsobom je považovať ju za kocku a zistiť veľkosť presne takú, akú sme práve našli. veľkosť kubického školáka: d= (V)1/3 = 3·10-10 m. Vplyv tvaru pomerne zložitých molekúl na výsledok výpočtu môžete vyhodnotiť napríklad takto: vypočítajte veľkosť molekúl benzínu, spočítajte molekuly ako kocky - a potom vykonajte experiment pohľadom na oblasť škvrna od kvapky benzínu na hladine vody. Vzhľadom na to, že film je „kvapalný povrch s hrúbkou jednej molekuly“ a poznáme hmotnosť kvapky, môžeme porovnať veľkosti získané týmito dvoma metódami. Výsledok bude veľmi poučný!
Použitá myšlienka je vhodná aj na úplne iný výpočet. Odhadnime priemernú vzdialenosť medzi susednými molekulami riedeného plynu pre konkrétny prípad - dusík pri tlaku 1 atm a teplote 300 K. Aby sme to dosiahli, nájdime objem na molekulu v tomto plyne a potom bude všetko jednoduché. Zoberme teda mol dusíka za týchto podmienok a nájdime objem časti uvedenej v podmienke a potom tento objem vydeľme počtom molekúl: V= R·T/P·NA= 8,3·300/105· 6·1023 = 4·10 -26 m3. Predpokladajme, že objem je rozdelený na husto zbalené kubické bunky a každá molekula „v priemere“ sedí v strede svojej bunky. Potom sa priemerná vzdialenosť medzi susednými (najbližšími) molekulami rovná okraju kubickej bunky: d = (V)1/3 = 3·10-9 m Je vidieť, že plyn je riedený - s takýmto vzťahom medzi veľkosťou molekuly a vzdialenosťou medzi „susedmi“ samotné molekuly zaberajú pomerne malú - približne 1/1000 časti - objemu nádoby. Aj v tomto prípade sme výpočet vykonali veľmi približne - nemá zmysel presnejšie počítať také nie príliš špecifické hodnoty, ako je „priemerná vzdialenosť medzi susednými molekulami“.
Zákony o plyne a základy IKT.
Ak je plyn dostatočne zriedený (a to je bežná vec; najčastejšie sa musíme zaoberať zriedenými plynmi), potom sa takmer každý výpočet robí pomocou vzorca spájajúceho tlak P, objem V, množstvo plynu ν a teplotu T - toto je známy „stav rovnice ideálneho plynu“ P·V= ν·R·T. Ako nájsť jedno z týchto veličín, ak sú uvedené všetky ostatné, je celkom jednoduché a pochopiteľné. Ale problém sa dá formulovať tak, že otázka sa bude týkať nejakej inej veličiny – napríklad hustoty plynu. Takže úloha: nájdite hustotu dusíka pri teplote 300 K a tlaku 0,2 atm. Poďme to vyriešiť. Súdiac podľa stavu, plyn je dosť riedky (vzduch zložený z 80% dusíka a pri výrazne vyššom tlaku možno považovať za riedky, voľne ho dýchame a ľahko ním prechádzame) a ak by to tak nebolo, nemáme akékoľvek iné vzorce nie - používame tento obľúbený. Podmienka neurčuje objem žiadnej časti plynu; nastavíme si ho sami. Vezmime si 1 kubický meter dusíka a zistíme množstvo plynu v tomto objeme. Keď poznáme molárnu hmotnosť dusíka M = 0,028 kg/mol, nájdeme hmotnosť tejto časti - a problém je vyriešený. Množstvo plynu ν= P·V/R·T, hmotnosť m = ν·М = М·P·V/R·T, teda hustota ρ= m/V = М·P/R·T = 0,028·20000/ ( 8,3·300) ≈ 0,2 kg/m3. Objem, ktorý sme si vybrali, nebol zahrnutý v odpovedi, vybrali sme ho pre konkrétnosť - je to jednoduchšie, pretože si nemusíte okamžite uvedomiť, že objem môže byť akýkoľvek, ale hustota bude rovnaká. Môžete však prísť na to: „Ak vezmeme objem, povedzme päťkrát väčší, zvýšime množstvo plynu presne päťkrát, takže bez ohľadu na to, aký objem vezmeme, hustota bude rovnaká. Môžete jednoducho prepísať svoj obľúbený vzorec a dosadiť do neho výraz pre množstvo plynu cez hmotnosť časti plynu a jeho molárnu hmotnosť: ν = m/M, potom sa okamžite vyjadrí pomer m/V = M P/RT a toto je hustota. Bolo možné vziať mól plynu a nájsť objem, ktorý zaberá, po čom sa okamžite zistí hustota, pretože hmotnosť móla je známa. Vo všeobecnosti platí, že čím jednoduchší problém, tým rovnocennejšie a krajšie spôsoby jeho riešenia...
Tu je ďalší problém, pri ktorom sa otázka môže zdať neočakávaná: nájdite rozdiel v tlaku vzduchu vo výške 20 m a vo výške 50 m nad úrovňou terénu. Teplota 00C, tlak 1 atm. Riešenie: ak za týchto podmienok zistíme hustotu vzduchu ρ, potom tlakový rozdiel ∆P = ρ·g·∆H. Hustotu zistíme rovnakým spôsobom ako v predchádzajúcej úlohe, jedinou ťažkosťou je, že vzduch je zmesou plynov. Za predpokladu, že pozostáva z 80 % dusíka a 20 % kyslíka, zistíme hmotnosť mólu zmesi: m = 0,8 0,028 + 0,2 0,032 ≈ 0,029 kg. Objem zaberaný týmto mólom je V= R·T/P a hustota sa zistí ako pomer týchto dvoch veličín. Potom je všetko jasné, odpoveď bude približne 35 Pa.
Hustotu plynu bude treba vypočítať aj pri zisťovaní napríklad zdvíhacej sily balóna daného objemu, pri výpočte množstva vzduchu v potápačských fľašiach potrebného na dýchanie pod vodou za určitý čas, pri výpočte počtu osly potrebné na prepravu daného množstva ortuťových pár cez púšť av mnohých iných prípadoch.
Úloha je však zložitejšia: rýchlovarná kanvica hlučne vrie na stole, spotreba energie je 1000 W, účinnosť. ohrievač 75% (zvyšok „ide“ do okolitého priestoru). Prúd pary vyletí z výlevky - plocha „výlevky“ je 1 cm2 Odhadnite rýchlosť plynu v tomto prúde. Vezmite všetky potrebné údaje z tabuliek.
Riešenie. Predpokladajme, že nad vodou v kanvici sa tvorí nasýtená para, potom z hubice vyletí prúd nasýtenej vodnej pary pri +1000C. Tlak takejto pary je 1 atm, je ľahké nájsť jej hustotu. Keď poznáme výkon spotrebovaný na odparovanie Р= 0,75·Р0 = 750 W a špecifické teplo vyparovania (vyparovania) r = 2300 kJ/kg, zistíme hmotnosť pary vytvorenej za čas τ: m= 0,75Р0·τ/r . Hustotu poznáme, potom je ľahké zistiť objem tohto množstva pary. Zvyšok je už jasný - predstavte si tento objem vo forme stĺpca s plochou prierezu 1 cm2, dĺžka tohto stĺpca vydelená τ nám dá rýchlosť odchodu (táto dĺžka ubehne za sekundu ). Takže rýchlosť prúdu opúšťajúceho hubicu kanvice je 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.
Uvažujme, ako sa mení priemet výslednej sily vzájomného pôsobenia medzi nimi na priamku spájajúcu stredy molekúl v závislosti od vzdialenosti medzi molekulami. Ak sú molekuly umiestnené vo vzdialenosti niekoľkonásobne väčšej, než je ich veľkosť, potom interakčné sily medzi nimi nemajú prakticky žiadny vplyv. Sily interakcie medzi molekulami sú krátkeho dosahu.
Vo vzdialenostiach presahujúcich 2-3 priemery molekúl je odpudivá sila prakticky nulová. Viditeľná je len sila príťažlivosti. S klesajúcou vzdialenosťou sa zväčšuje sila príťažlivosti a zároveň začína pôsobiť sila odpudzovania. Táto sila sa veľmi rýchlo zvyšuje, keď sa elektrónové obaly molekúl začnú prekrývať.
Obrázok 2.10 graficky znázorňuje závislosť projekcie F r sily interakcie molekúl na vzdialenosť medzi ich centrami. Na diaľku r 0, približne rovný súčtu molekulárnych polomerov, F r = 0 , pretože príťažlivá sila sa svojou veľkosťou rovná sile odpudzovania. O r > r 0 medzi molekulami je príťažlivá sila. Priemet sily pôsobiacej na pravú molekulu je negatívny. O r < r 0 existuje odpudivá sila s kladnou hodnotou projekcie F r .
Pôvod elastických síl
Závislosť interakčných síl medzi molekulami od vzdialenosti medzi nimi vysvetľuje vznik elastickej sily pri stláčaní a naťahovaní telies. Ak sa pokúsite priblížiť molekuly na vzdialenosť menšiu ako r0, potom začne pôsobiť sila, ktorá bráni priblíženiu. Naopak, keď sa molekuly od seba vzďaľujú, pôsobí príťažlivá sila, ktorá po odznení vonkajšieho vplyvu vracia molekuly do ich pôvodných polôh.
Pri malých posunoch molekúl z rovnovážnych polôh sa sily príťažlivosti alebo odpudzovania zvyšujú lineárne so zvyšujúcim sa posunom. Na malej ploche možno krivku považovať za rovný úsek (zhrubnutý úsek krivky na obr. 2.10). Preto sa pri malých deformáciách ukazuje ako platný Hookov zákon, podľa ktorého je elastická sila úmerná deformácii. Pri veľkých molekulárnych posunoch už Hookov zákon neplatí.
Keďže sa pri deformácii telesa menia vzdialenosti medzi všetkými molekulami, susedné vrstvy molekúl tvoria nepodstatnú časť celkovej deformácie. Preto je Hookov zákon splnený pri deformáciách miliónkrát väčších ako je veľkosť molekúl.
Mikroskop atómovej sily
Zariadenie mikroskopu atómových síl (AFM) je založené na pôsobení odpudivých síl medzi atómami a molekulami na krátke vzdialenosti. Tento mikroskop na rozdiel od tunelového mikroskopu umožňuje získať snímky povrchov, ktoré nevedú elektrický prúd. Namiesto volfrámového hrotu používa AFM malý fragment diamantu, zaostrený na atómovú veľkosť. Tento fragment je upevnený na tenkom kovovom držiaku. Keď sa hrot priblíži k skúmanému povrchu, elektrónové oblaky diamantu a povrchových atómov sa začnú prekrývať a vznikajú odpudivé sily. Tieto sily vychyľujú hrot diamantového hrotu. Odchýlka sa zaznamenáva pomocou laserového lúča odrazeného od zrkadla namontovaného na držiaku. Odrazený lúč poháňa piezoelektrický manipulátor, podobný manipulátoru tunelového mikroskopu. Mechanizmus spätnej väzby zabezpečuje, že výška diamantovej ihly nad povrchom je taká, že ohyb držiaka zostane nezmenený.
Na obrázku 2.11 vidíte obrázok AFM polymérnych reťazcov aminokyseliny alanínu. Každý tuberkul predstavuje jednu molekulu aminokyseliny.
V súčasnosti sú skonštruované atómové mikroskopy, ktorých konštrukcia je založená na pôsobení molekulárnych príťažlivých síl na vzdialenosti niekoľkonásobne väčšie ako je veľkosť atómu. Tieto sily sú približne 1000-krát menšie ako odpudivé sily v AFM. Preto sa na zaznamenávanie síl používa zložitejší snímací systém.
Atómy a molekuly sú tvorené elektricky nabitými časticami. Pôsobením elektrických síl na krátke vzdialenosti sa molekuly priťahujú, no začnú sa odpudzovať, keď sa elektrónové obaly atómov prekrývajú.
kvapaliny, amorfné a kryštalické telesá
plyny a kvapaliny
plyny, kvapaliny a kryštalické pevné látky
približne rovný priemeru molekuly
menší ako priemer molekuly
približne 10-násobok priemeru molekuly
závisí od teploty plynu
kvapaliny
kryštalické telá
amorfné telesá
iba modely štruktúry plynu
len modely stavby amorfných telies
modely štruktúry plynov a kvapalín
modely štruktúry plynov, kvapalín a pevných látok
vzdialenosť medzi molekulami sa zväčšuje
molekuly sa začnú navzájom priťahovať
zvyšuje sa usporiadanosť v usporiadaní molekúl
vzdialenosť medzi molekulami sa zmenšuje
sa nezmenil
zvýšená 5-krát
znížil 5-krát
zvýšená o odmocninu piatich
Vzdialenosti medzi molekulami sú porovnateľné s veľkosťami molekúl (za normálnych podmienok).
V plynoch za normálnych podmienok je priemerná vzdialenosť medzi molekulami
Charakteristický je najmenší poriadok v usporiadaní častíc
Vzdialenosť medzi susednými časticami hmoty je v priemere mnohonásobne väčšia ako veľkosť samotných častíc. Toto tvrdenie zodpovedá vzoru
Pri prechode vody z kvapalného do kryštalického stavu
Pri konštantnom tlaku sa koncentrácia molekúl plynu zvýšila 5-krát, ale jeho hmotnosť sa nezmenila. Priemerná kinetická energia translačného pohybu molekúl plynu
V tabuľke sú uvedené teploty topenia a varu niektorých látok:
látka | Teplota varu | látka | Teplota topenia |
naftalén |
Vyberte správny výrok.
Teplota topenia ortuti je vyššia ako teplota varu éteru
Teplota varu alkoholu je nižšia ako teplota topenia ortuti
Teplota varu alkoholu je vyššia ako teplota topenia naftalénu
Teplota varu éteru je nižšia ako teplota topenia naftalénu
Teplota tuhej látky sa znížila o 17 ºС. Na absolútnej teplotnej škále táto zmena bola
1) 290 K 2) 256 K 3) 17 K 4) 0 K
9. Nádoba konštantného objemu obsahuje ideálny plyn v množstve 2 mol. Ako sa má zmeniť absolútna teplota nádoby s plynom, keď sa z nádoby uvoľní 1 mól plynu, aby sa tlak plynu na stenách nádoby zvýšil 2-krát?
1) zvýšiť o 2 krát 3) zvýšiť o 4 krát
2) znížiť o 2 krát 4) znížiť o 4 krát
10. Pri teplote T a tlaku p zaberá jeden mól ideálneho plynu objem V. Aký je objem toho istého plynu v množstve 2 móly pri tlaku 2p a teplote 2T?
1) 4V 2) 2V 3) V 4) 8V
11. Teplota vodíka odobratého v množstve 3 mol v nádobe sa rovná T. Aká je teplota kyslíka odobratého v množstve 3 mol v nádobe rovnakého objemu a pri rovnakom tlaku?
1) T 2) 8 T 3) 24 T 4) T/8
12. V nádobe uzavretej piestom je ideálny plyn. Na obrázku je znázornený graf závislosti tlaku plynu od teploty so zmenami jeho stavu. Aké skupenstvo plynu zodpovedá najmenšiemu objemu?
1) A 2) B 3) C 4) D
13. Nádoba konštantného objemu obsahuje ideálny plyn, ktorého hmotnosť sa mení. Diagram znázorňuje proces zmeny skupenstva plynu. V ktorom bode diagramu je hmotnosť plynu najväčšia?
1) A 2) B 3) C 4) D
14. Pri rovnakej teplote sa nasýtená para v uzavretej nádobe líši od nenasýtenej pary v tej istej nádobe
1) tlak
2) rýchlosť pohybu molekúl
3) priemerná energia chaotického pohybu molekúl
4) neprítomnosť cudzích plynov
15. Ktorý bod na diagrame zodpovedá maximálnemu tlaku plynu?
nie je možné dať presnú odpoveď
17. Balón s objemom 2500 metrov kubických s hmotnosťou plášťa 400 kg má na dne otvor, cez ktorý sa vzduch v balóne ohrieva pomocou horáka. Na akú minimálnu teplotu sa musí zahriať vzduch v balóne, aby balón vzlietol spolu s nákladom (košíkom a aeronautom) s hmotnosťou 200 kg? Teplota okolitého vzduchu je 7ºС, jeho hustota je 1,2 kg na meter kubický. Škrupina lopty sa považuje za neroztiahnuteľnú.
MCT a termodynamika
MCT a termodynamika
V tejto časti každá možnosť zahŕňala päť úloh s možnosťou výberu
odpoveď, z ktorých 4 sú základnej úrovne a 1 je pokročilá. Na základe výsledkov skúšok
Naučili sa tieto prvky obsahu:
Aplikácia Mendelejevovej-Clapeyronovej rovnice;
Závislosť tlaku plynu od koncentrácie molekúl a teploty;
Množstvo tepla počas vykurovania a chladenia (výpočet);
Vlastnosti prenosu tepla;
Relatívna vlhkosť vzduchu (výpočet);
Práca z termodynamiky (graf);
Aplikácia stavovej rovnice plynu.
Medzi úlohami základnej úrovne spôsobili ťažkosti tieto otázky:
1) Zmena vnútornej energie v rôznych izoprocesoch (napríklad s
izochorické zvýšenie tlaku) – 50 % dokončenie.
2) Izoprocesné grafy – 56 %.
Príklad 5.
V znázornenom procese je zahrnutá konštantná hmotnosť ideálneho plynu
na obrázku. V procese sa dosiahne najvyšší tlak plynu
1) v bode 1
2) v celom segmente 1–2
3) v bode 3
4) v celom segmente 2–3
odpoveď: 1
3) Stanovenie vlhkosti vzduchu – 50 %. Tieto úlohy obsahovali fotografiu
psychrometra, podľa ktorého bolo potrebné vykonať merania sucha a mokra
teplomery, a potom určiť vlhkosť vzduchu pomocou dielu
psychrometrická tabuľka uvedená v zadaní.
4) Aplikácia prvého zákona termodynamiky. Tieto úlohy sa ukázali ako najviac
ťažké medzi úlohami základnej úrovne pre túto sekciu – 45 %. Tu
bolo potrebné použiť graf a určiť typ izoprocesu
(boli použité izotermy alebo izochóry) a v súlade s tým
určiť jeden z parametrov na základe daného druhého.
Medzi úlohami pokročilej úrovne boli prezentované výpočtové problémy
aplikácia stavovej rovnice plynu, ktorá bola dokončená v priemere na 54 %
študentov, ako aj predtým používané úlohy na určenie zmien
parametre ideálneho plynu v ľubovoľnom procese. Vyrovnáva sa s nimi úspešne
len skupina silných absolventov a priemerná miera dokončenia bola 45 %.
Jedna takáto úloha je uvedená nižšie.
Príklad 6
Ideálny plyn je obsiahnutý v nádobe uzavretej piestom. Proces
zmeny skupenstva plynu sú znázornené na diagrame (pozri obrázok). Ako
zmenil sa objem plynu pri jeho prechode zo stavu A do stavu B?
1) sa neustále zvyšuje
2) neustále klesal
3) najprv zvýšená, potom znížená
4) najprv znížená, potom zvýšená
odpoveď: 1
Druhy činností Množstvo
úlohy %
fotky2 10-12 25,0-30,0
4. FYZIKA
4.1. Charakteristika kontrolných meracích materiálov vo fyzike
2007
Skúšobná práca na jednotnú štátnu skúšku v roku 2007 mala
rovnakú štruktúru ako počas predchádzajúcich dvoch rokov. Pozostávala zo 40 úloh,
líšia sa formou prezentácie a úrovňou zložitosti. V prvej časti práce
Zaradených bolo 30 úloh s možnosťou výberu z viacerých odpovedí, pričom každá úloha bola doplnená o
štyri možnosti odpovede, z ktorých iba jedna bola správna. Druhá časť obsahovala 4
úlohy s krátkymi odpoveďami. Po vyriešení to boli výpočtové úlohy
ktorý vyžadoval uvedenie odpovede vo forme čísla. Tretia časť skúšky
práca - to je 6 výpočtových úloh, ku ktorým bolo potrebné doniesť komplet
podrobné riešenie. Celkový čas na dokončenie práce bol 210 minút.
Kodifikátor prvkov vzdelávacieho obsahu a špecifikácia
skúšobné práce boli zostavené na základe povinného minima
1999 č. 56) a zohľadnil federálnu zložku štátnej normy
stredné (úplné) vzdelanie fyziky, špecializačný stupeň (príkaz MO zo dňa 5
marec 2004 č. 1089). Kódovač prvku obsahu sa nezmenil podľa
v porovnaní s rokom 2006 a zahŕňala len tie prvky, ktoré boli súčasne
prítomné ako vo federálnej zložke štátnej normy
(úroveň profilu, 2004) a v Povinnom minimálnom obsahu
vzdelanie 1999
V porovnaní s kontrolnými meracími materiálmi z roku 2006 vo variantoch
V Jednotnej štátnej skúške v roku 2007 boli vykonané dve zmeny. Prvým z nich bolo prerozdelenie
zadania v prvej časti práce na tematickom základe. Bez ohľadu na náročnosť
(základná alebo pokročilá úroveň), potom nasledovali všetky úlohy mechaniky
v MCT a termodynamike, elektrodynamike a napokon aj kvantovej fyzike. Po druhé
Zmena sa týkala cieleného zavedenia testovania úloh
formovanie metodických zručností. V roku 2007 preverili zručnosti úlohy A30
analyzovať výsledky experimentálnych štúdií vyjadrené vo forme
tabuľky alebo grafiku, ako aj zostaviť grafy na základe výsledkov experimentu. Výber
zadania pre linku A30 boli realizované na základe potreby overenia v tomto
rad možností pre jeden typ činnosti, a teda bez ohľadu na
tematická príslušnosť konkrétnej úlohy.
Skúšobná práca obsahovala úlohy základné, pokročilé
a vysoké úrovne obtiažnosti. Úlohy základnej úrovne preverili zvládnutie najviac
dôležité fyzikálne pojmy a zákony. Kontrolovali sa úlohy vyššej úrovne
schopnosť využívať tieto pojmy a zákony na analýzu zložitejších procesov resp
schopnosť riešiť problémy zahŕňajúce aplikáciu jedného alebo dvoch zákonov (vzorcov) podľa ktoréhokoľvek z
témy školského kurzu fyziky. Počítajú sa úlohy s vysokou úrovňou zložitosti
úlohy, ktoré odzrkadľujú úroveň požiadaviek na prijímacie skúšky na vysoké školy a
vyžadujú aplikáciu poznatkov z dvoch alebo troch úsekov fyziky naraz v upravenej resp
nová situácia.
KIM z roku 2007 obsahoval úlohy týkajúce sa celého základného obsahu
časti kurzu fyziky:
1) „Mechanika“ (kinematika, dynamika, statika, zákony zachovania v mechanike,
mechanické vibrácie a vlny);
2) „Molekulárna fyzika. Termodynamika";
3) „Elektrodynamika“ (elektrostatika, jednosmerný prúd, magnetické pole,
elektromagnetická indukcia, elektromagnetické kmitanie a vlny, optika);
4) „Kvantová fyzika“ (prvky SRT, dualita vlny a častíc, fyzika
atóm, fyzika atómového jadra).
Tabuľka 4.1 zobrazuje rozdelenie úloh medzi bloky obsahu v každom z nich
z častí skúšobného listu.
Tabuľka 4.1
v závislosti od typu úloh
Všetky práce
(s možnosťou výberu
(so skratkou
úlohy % Množstvo
úlohy % Množstvo
úlohy %
1 Mechanika 11-131 27,5-32,5 9-10 22,5-25,0 1 2,5 1-2 2,5-5,0
2 MCT a 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 Kvantová fyzika a
STO 6-8 15,0-20,0 5-6 12,5-15,0 – – 1-2 2,5-5,0
Tabuľka 4.2 zobrazuje rozdelenie úloh medzi bloky obsahu v
v závislosti od úrovne obtiažnosti.
Tabuľka4.2
Rozdelenie úloh podľa častí kurzu fyziky
v závislosti od úrovne obtiažnosti
Všetky práce
Základná úroveň
(s možnosťou výberu
Vyvýšený
(s výberom odpovede
a krátke
Vysoký stupeň
(s rozšíreným
časť odpovede)
úlohy % Množstvo
úlohy % Množstvo
úlohy % Množstvo
úlohy %
1 Mechanika 11-13 27,5-32,5 7-8 17,5-20,0 3 7,5 1-2 2,5-5,0
2 MCT a 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 Kvantová fyzika a
STO 6-8 15,0-20,0 4-5 10,0-12,5 1 2,5 1-2 2,5-5,0
Pri vypracovaní obsahu skúšobnej práce sme brali do úvahy
potreba testovať zvládnutie rôznych druhov činností. V čom
úlohy pre každú zo série možností boli vybrané s ohľadom na rozdelenie podľa typu
činnosti uvedené v tabuľke 4.3.
1 Zmena počtu úloh pri každej téme je spôsobená rôznymi témami komplexných úloh C6 a
úlohy A30, testovanie metodických zručností s využitím materiálu z rôznych odvetví fyziky, in
rôzne série možností.
Tabuľka4.3
Rozdelenie úloh podľa druhu činnosti
Druhy činností Množstvo
úlohy %
1 Pochopiť fyzikálny význam modelov, konceptov, veličín 4-5 10,0-12,5
2 Vysvetliť fyzikálne javy, rozlíšiť vplyv rôznych
faktory na výskyt javov, prejavy javov v prírode resp
ich využitie v technických zariadeniach a každodennom živote
3 Aplikujte fyzikálne zákony (vzorce) na analýzu procesov na
úroveň kvality 6-8 15,0-20,0
4 Aplikujte fyzikálne zákony (vzorce) na analýzu procesov na
vypočítaná hladina 10-12 25,0-30,0
5 Analyzujte výsledky experimentálnych štúdií 1-2 2,5-5,0
6 Analyzujte informácie získané z grafov, tabuliek, diagramov,
fotky2 10-12 25,0-30,0
7 Riešiť úlohy rôznych úrovní zložitosti 13-14 32,5-35,0
Všetky úlohy prvej a druhej časti skúšobnej práce boli hodnotené 1
primárne skóre. Riešenia problémov v tretej časti (C1-C6) preverili dvaja experti v r
v súlade so všeobecnými hodnotiacimi kritériami s prihliadnutím na správnosť a
úplnosť odpovede. Maximálne skóre pre všetky úlohy s podrobnou odpoveďou bolo 3
bodov. Úloha sa považovala za vyriešenú, ak za ňu žiak získal aspoň 2 body.
Na základe bodov udelených za splnenie všetkých úloh skúšky
práce, bol preložený do „testovacích“ bodov na 100-bodovej škále a do známok
na päťbodovej stupnici. Tabuľka 4.4 ukazuje vzťahy medzi primárnymi,
výsledky testov pomocou päťbodového systému za posledné tri roky.
Tabuľka4.4
Primárny pomer skóre, výsledky testov a školské známky
Roky, body 2 3 4 5
2007 primárne 0-11 12-22 23-35 36-52
test 0-32 33-51 52-68 69-100
2006 primárne 0-9 10-19 20-33 34-52
test 0-34 35-51 52-69 70-100
2005 primárne 0-10 11-20 21-35 36-52
test 0-33 34-50 51-67 68-100
Porovnanie hraníc primárnych skóre ukazuje, že tento rok podmienky
získanie zodpovedajúcich známok bolo v porovnaní s rokom 2006 prísnejšie, ale
približne zodpovedalo podmienkam v roku 2005. Bolo to spôsobené tým, že v minulosti
ročníka absolvovali jednotnú skúšku z fyziky nielen tí, ktorí plánovali vstup na vysoké školy
v príslušnom profile, ale aj takmer 20 % študentov (z celkového počtu testujúcich),
ktorí študovali fyziku na základnej úrovni (pre nich bola táto skúška určená
región povinné).
Celkovo bolo na skúšku v roku 2007 pripravených 40 možností,
čo bolo päť sérií po 8 možností, vytvorených podľa rôznych plánov.
Séria možností sa líšila v ovládaných prvkoch obsahu a typoch
činnosti za rovnaký rad úloh, ale vo všeobecnosti mali všetky približne
2 V tomto prípade máme na mysli formu informácie prezentovanú v texte úlohy alebo distraktory,
preto tá istá úloha môže testovať dva typy aktivít.
rovnakú priemernú náročnosť a zodpovedali plánu skúšky
práce uvedené v prílohe 4.1.
4.2. Charakteristika účastníkov jednotnej štátnej skúšky z fyziky2007 roku
Na Jednotnú štátnu skúšku z fyziky sa tento rok prihlásilo 70 052 osôb, čo
výrazne nižšia ako v predchádzajúcom roku a približne v súlade s ukazovateľmi
2005 (pozri tabuľku 4.5). Počet krajov, v ktorých absolventi vykonali jednotnú štátnu skúšku
fyziky, vzrástol na 65. Počet absolventov, ktorí si vybrali fyziku vo formáte
Jednotná štátna skúška sa v rôznych regiónoch výrazne líši: od 5316 osôb. v republike
Tatarstan do 51 osôb v Neneckom autonómnom okruhu. V percentách
do celkového počtu absolventov sa počet účastníkov Jednotnej štátnej skúšky z fyziky pohybuje od
0,34 % v Moskve na 19,1 % v regióne Samara.
Tabuľka4.5
Počet účastníkov skúšky
Číslo roku Dievčatá Chlapci
regiónoch
účastníci Počet % Počet %
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
Skúšku z fyziky si vyberajú prevažne mladí muži, a to len štvrtina
z celkového počtu účastníkov sú dievčatá, ktoré sa rozhodli pokračovať
vzdelávacie univerzity s fyzickým a technickým profilom.
Rozdelenie účastníkov skúšky podľa kategórií zostáva z roka na rok prakticky nezmenené.
typy sídiel (pozri tabuľku 4.6). Takmer polovica absolventov, ktorí vzali
Jednotná štátna skúška z fyziky, žije vo veľkých mestách a iba 20 % tvoria študenti, ktorí ju ukončili
vidiecke školy.
Tabuľka4.6
Rozdelenie účastníkov skúšky podľa typu vysporiadania, v ktorom
sa nachádzajú ich vzdelávacie inštitúcie
Počet skúšaných Percento
Typ lokality skúšaných
Vidiecka osada (dedina,
obec, usadlosť a pod.) 13 767 18 107 14 281 20,0 20,0 20,4
Mestské sídlisko
(pracovná dedina, mestská dedina
typ atď.)
4 780 8 325 4 805 6,9 9,2 6,9
Mesto s počtom obyvateľov menej ako 50 tisíc ľudí 7 427 10 810 7 965 10,8 12,0 11,4
Mesto s počtom obyvateľov 50-100 tisíc ľudí 6 063 8 757 7 088 8,8 9,7 10,1
Mesto s počtom obyvateľov 100-450 tisíc ľudí 16 195 17 673 14 630 23,5 19,5 20,9
Mesto s počtom obyvateľov 450-680 tisíc ľudí 7 679 11 799 7 210 11,1 13,1 10,3
Mesto s počtom obyvateľov viac ako 680 tisíc.
ľudí 13 005 14 283 13 807 18,9 15,8 19,7
Petrohrad – 72 7 – 0,1 0,01
Moskva – 224 259 – 0,2 0,3
Žiadne údaje – 339 – – 0,4 –
Celkom 68 916 90 389 70 052 100 % 100 % 100 %
3 V roku 2006 sa v jednom z krajov konali prijímacie skúšky na vysoké školy z fyziky len v r
Formát jednotnej štátnej skúšky. To malo za následok taký výrazný nárast počtu účastníkov jednotnej štátnej skúšky.
Zloženie účastníkov skúšky podľa typu vzdelania zostáva prakticky nezmenené.
inštitúcie (pozri tabuľku 4.7). Rovnako ako minulý rok veľká väčšina
z testovaných absolvovali všeobecné vzdelávacie inštitúcie a len asi 2 %
absolventi prišli na skúšku zo vzdelávacích inštitúcií základných resp
stredné odborné vzdelanie.
Tabuľka4.7
Rozdelenie účastníkov skúšky podľa typu vzdelávacej inštitúcie
číslo
vyšetruje
Percento
Typ vzdelávacej inštitúcie skúšaných
2006 G. 2007 G. 2006 G. 2007 G.
Všeobecné vzdelávacie inštitúcie 86 331 66 849 95,5 95,4
Večerné (zmenné) všeobecné vzdelávanie
inštitúcie 487 369 0,5 0,5
všeobecnovzdelávacia internátna škola,
kadetská škola, internát s
počiatočný letecký výcvik
1 144 1 369 1,3 2,0
Vzdelávacie inštitúcie základných a
stredné odborné vzdelanie 1 469 1 333 1,7 1,9
Žiadne údaje 958 132 1,0 0,2
Celkom: 90 389 70 052 100 % 100 %
4.3. Hlavné výsledky skúškového referátu z fyziky
Vo všeobecnosti výsledky skúšobnej práce v roku 2007 boli
mierne vyššie ako minuloročné výsledky, ale približne na rovnakej úrovni ako
čísla z predminulého roka. V tabuľke 4.8 sú uvedené výsledky Jednotnej štátnej skúšky z fyziky v roku 2007.
na päťbodovej stupnici a v tabuľke 4.9 a obr. 4.1 – na základe skóre testu 100-
bodová stupnica. Pre prehľadnosť porovnania sú výsledky uvedené v porovnaní s
predchádzajúce dva roky.
Tabuľka4.8
Rozdelenie účastníkov skúšky podľa úrovne
príprava(percento z celku)
Roky „2“ Známky „p3o“ 5 bodov „b4n“ na stupnici „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%
Tabuľka4.9
Rozdelenie účastníkov skúšky
na základe výsledkov testov získaných v2005-2007 yy.
Rok Interval stupnice skóre testu
výmena 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
Skóre testu
Percento študentov, ktorí dostali
zodpovedajúce skóre testu
Ryža. 4.1 Rozdelenie účastníkov skúšky podľa získaných výsledkov testov
Tabuľka 4.10 ukazuje porovnanie stupnice v testovacích bodoch zo 100
stupnice s výsledkami plnenia úloh v skúšobnej verzii v primárke
Tabuľka4.10
Porovnanie intervalov primárneho a testovacieho skóre v2007 rok
Interval mierky
testovacie body 0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100
Interval mierky
primárne body 0-3 4-6 7-10 11-15 16-22 23-29 30-37 38-44 45-48 49-52
Účastník testu získa 35 bodov (skóre 3, primárne skóre – 13).
Stačilo správne odpovedať na 13 najjednoduchších otázok prvej časti
práca. Na získanie 65 bodov (skóre 4, počiatočné skóre – 34) musí absolvent
bolo napríklad správne odpovedať na 25 otázok s možnosťou výberu z viacerých odpovedí, vyriešiť tri zo štyroch
problémy s krátkou odpoveďou a tiež vyrovnať sa s dvoma problémami na vysokej úrovni
ťažkosti. Tí, ktorí získali 85 bodov (skóre 5, primárne skóre – 46)
vykonal prvú a druhú časť práce dokonale a vyriešil aspoň štyri problémy
tretia časť.
Najlepší z najlepších (rozsah od 91 do 100 bodov) potrebujú nielen
voľne sa orientovať vo všetkých problémoch školského kurzu fyziky, ale aj prakticky
Vyhnite sa aj technickým chybám. Na získanie 94 bodov (primárne skóre
– 49) bolo možné „nezískať“ iba 3 primárne body, čo umožnilo napr.
aritmetické chyby pri riešení jedného z problémov vysokej úrovne zložitosti
a urobíte chybu pri odpovedi na dve otázky s výberom odpovede.
Žiaľ, tento rok nenarástol počet absolventov, ktorí získali
Podľa výsledkov Jednotnej štátnej skúšky z fyziky najvyššie možné skóre. V tabuľke 4.11
Uvádza sa počet 100 bodov za posledné štyri roky.
Tabuľka4.11
Počet účastníkov testu, ktorí bodovali podľa výsledkov skúšok100 bodov
Rok 2004 2005 2006 2007
Počet žiakov 6 23 33 28
Tohtoročnými lídrami je 27 chlapcov a len jedno dievča (Romanova A.I. z
Novovoronežská stredná škola č. 1). Ako minulý rok medzi absolventmi lýcea č.153
Ufa - dvaja študenti naraz, ktorí dosiahli 100 bodov. Rovnaké výsledky (dva 100-
Gymnázium č.4 pomenované po A.S. Puškin v Yoshkar-Ola.
Pevné látky sú látky, ktoré sú schopné tvoriť telesá a majú objem. Od kvapalín a plynov sa líšia svojim tvarom. Pevné látky si zachovávajú svoj tvar tela, pretože ich častice sa nemôžu voľne pohybovať. Líšia sa svojou hustotou, plasticitou, elektrickou vodivosťou a farbou. Majú aj iné vlastnosti. Napríklad väčšina týchto látok sa počas zahrievania topí a získava kvapalný stav agregácie. Niektoré z nich sa po zahriatí okamžite premenia na plyn (sublimujú). Ale sú aj také, ktoré sa rozkladajú na iné látky.
Druhy pevných látok
Všetky pevné látky sú rozdelené do dvoch skupín.
- Amorfný, v ktorom sú jednotlivé častice usporiadané náhodne. Inými slovami: nemajú jasnú (definovanú) štruktúru. Tieto pevné látky sú schopné topiť sa v určitom teplotnom rozsahu. Medzi najčastejšie z nich patrí sklo a živica.
- Kryštalické, ktoré sú zase rozdelené do 4 typov: atómové, molekulárne, iónové, kovové. V nich sú častice umiestnené iba podľa určitého vzoru, a to v uzloch kryštálovej mriežky. Jeho geometria v rôznych látkach sa môže značne líšiť.
Pevné kryštalické látky v ich počte prevažujú nad amorfnými látkami.
Typy kryštalických pevných látok
V pevnom stave majú takmer všetky látky kryštalickú štruktúru. Vyznačujú sa mriežkami v uzloch obsahujúcich rôzne častice a chemické prvky. V súlade s nimi dostali svoje mená. Každý typ má charakteristické vlastnosti:
- V atómovej kryštálovej mriežke sú častice pevnej látky spojené kovalentnými väzbami. Vyniká svojou odolnosťou. Vďaka tomu majú takéto látky vysoký bod varu. Tento typ zahŕňa kremeň a diamant.
- V molekulárnej kryštálovej mriežke sú väzby medzi časticami charakterizované ich slabosťou. Látky tohto typu sa vyznačujú ľahkosťou varu a topenia. Vyznačujú sa prchavosťou, vďaka ktorej majú určitý zápach. Medzi takéto pevné látky patrí ľad a cukor. Pohyby molekúl v pevných látkach tohto typu sa vyznačujú svojou aktivitou.
- V uzloch sa striedajú zodpovedajúce častice, nabité kladne a záporne. Drží ich pohromade elektrostatická príťažlivosť. Tento typ mriežky existuje v alkáliách, soliach Mnohé látky tohto typu sú ľahko rozpustné vo vode. Vďaka pomerne silnej väzbe medzi iónmi sú žiaruvzdorné. Takmer všetky sú bez zápachu, pretože sa vyznačujú neprchavosťou. Látky s iónovou mriežkou nie sú schopné viesť elektrický prúd, pretože neobsahujú voľné elektróny. Typickým príkladom iónovej pevnej látky je kuchynská soľ. Táto krištáľová mriežka mu dodáva krehkosť. Je to spôsobené tým, že akýkoľvek jeho posun môže viesť k vzniku síl odpudzujúcich ióny.
- V kovovej kryštálovej mriežke sú v uzloch prítomné iba kladne nabité chemické ióny. Medzi nimi sú voľné elektróny, ktorými dokonale prechádza tepelná a elektrická energia. Preto sa akékoľvek kovy vyznačujú takou vlastnosťou, ako je vodivosť.
Všeobecné pojmy o pevných látkach
Pevné látky a látky sú prakticky to isté. Tieto výrazy označujú jeden zo 4 stavov agregácie. Pevné látky majú stabilný tvar a vzor tepelného pohybu atómov. Okrem toho tieto vykonávajú malé oscilácie v blízkosti rovnovážnych polôh. Vedecký odbor, ktorý študuje zloženie a vnútornú štruktúru, sa nazýva fyzika pevných látok. Existujú ďalšie dôležité oblasti vedomostí, ktoré sa zaoberajú takýmito látkami. Zmena tvaru pod vonkajšími vplyvmi a pohybom sa nazýva mechanika deformovateľného telesa.
Pre rozdielne vlastnosti pevných látok našli uplatnenie v rôznych technických zariadeniach vytvorených človekom. Najčastejšie sa ich použitie zakladalo na vlastnostiach ako tvrdosť, objem, hmotnosť, elasticita, plasticita, krehkosť. Moderná veda umožňuje využiť aj iné kvality pevných látok, ktoré možno zistiť len v laboratórnych podmienkach.
Čo sú kryštály
Kryštály sú pevné látky s časticami usporiadanými v určitom poradí. Každý má svoju vlastnú štruktúru. Jeho atómy tvoria trojrozmerné periodické usporiadanie nazývané kryštálová mriežka. Pevné látky majú rôznu štruktúrnu symetriu. Kryštalický stav tuhej látky sa považuje za stabilný, pretože má minimálne množstvo potenciálnej energie.
Prevažná väčšina pevných látok pozostáva z obrovského množstva náhodne orientovaných jednotlivých zŕn (kryštalitov). Takéto látky sa nazývajú polykryštalické. Patria sem technické zliatiny a kovy, ako aj mnohé horniny. Jednotlivé prírodné alebo syntetické kryštály sa nazývajú monokryštalické.
Najčastejšie takéto tuhé látky vznikajú zo stavu kvapalnej fázy, ktorú predstavuje tavenina alebo roztok. Niekedy sa získavajú z plynného skupenstva. Tento proces sa nazýva kryštalizácia. Vďaka vedeckému a technologickému pokroku sa postup pestovania (syntetizácie) rôznych látok dostal do priemyselného rozsahu. Väčšina kryštálov má prirodzený tvar ako Ich veľkosti sa veľmi líšia. Prírodný kremeň (horský krištáľ) teda môže vážiť až stovky kilogramov a diamanty až niekoľko gramov.
V amorfných pevných látkach sú atómy v konštantnej vibrácii okolo náhodne umiestnených bodov. Zachovávajú si určité poradie na krátke vzdialenosti, ale chýba im poradie na veľké vzdialenosti. Je to spôsobené tým, že ich molekuly sú umiestnené vo vzdialenosti, ktorú možno porovnať s ich veľkosťou. Najčastejším príkladom takejto pevnej látky v našom živote je sklovitý stav. často považovaná za kvapalinu s nekonečne vysokou viskozitou. Čas ich kryštalizácie je niekedy taký dlhý, že sa vôbec neprejaví.
Práve vyššie uvedené vlastnosti týchto látok ich robia jedinečnými. Amorfné pevné látky sa považujú za nestabilné, pretože sa môžu časom stať kryštalickými.
Molekuly a atómy, ktoré tvoria pevnú látku, sú balené vo vysokej hustote. Prakticky si zachovávajú svoju relatívnu polohu voči iným časticiam a sú držané pohromade vďaka medzimolekulárnej interakcii. Vzdialenosť medzi molekulami tuhej látky v rôznych smeroch sa nazýva parameter kryštálovej mriežky. Štruktúra látky a jej symetria určujú mnohé vlastnosti, ako je elektronické pásmo, štiepenie a optika. Keď je pevná látka vystavená dostatočne veľkej sile, tieto vlastnosti sa môžu do tej či onej miery zhoršiť. V tomto prípade je pevné teleso vystavené zvyškovej deformácii.
Atómy pevných látok podliehajú vibračným pohybom, ktoré určujú ich vlastníctvo tepelnej energie. Keďže sú zanedbateľné, možno ich pozorovať iba v laboratórnych podmienkach. tuhej látky výrazne ovplyvňuje jej vlastnosti.
Štúdium pevných látok
Vlastnosti, vlastnosti týchto látok, ich vlastnosti a pohyb častíc sa študujú v rôznych podoblastiach fyziky pevných látok.
Na výskum sa používajú tieto metódy: rádiová spektroskopia, štruktúrna analýza pomocou röntgenového žiarenia a iné metódy. Takto sa študujú mechanické, fyzikálne a tepelné vlastnosti pevných látok. Tvrdosť, odolnosť voči zaťaženiu, pevnosť v ťahu, fázové premeny študuje materiálová veda. Má veľa spoločného s fyzikou pevných látok. Existuje aj iná dôležitá moderná veda. Štúdium existujúcich látok a syntéza nových sa uskutočňuje chémiou v tuhom stave.
Vlastnosti pevných látok
Povaha pohybu vonkajších elektrónov atómov tuhej látky určuje mnohé z jej vlastností, napríklad elektrických. Existuje 5 tried takýchto orgánov. Sú stanovené v závislosti od typu väzby medzi atómami:
- Iónové, ktorých hlavnou charakteristikou je sila elektrostatickej príťažlivosti. Jeho vlastnosti: odraz a absorpcia svetla v infračervenej oblasti. Pri nízkych teplotách majú iónové väzby nízku elektrickú vodivosť. Príkladom takejto látky je sodná soľ kyseliny chlorovodíkovej (NaCl).
- Kovalentný, uskutočňovaný elektrónovým párom, ktorý patrí obom atómom. Takáto väzba sa delí na: jednoduchú (jednoduchú), dvojitú a trojitú. Tieto názvy označujú prítomnosť párov elektrónov (1, 2, 3). Dvojité a trojité väzby sa nazývajú násobky. Existuje ďalšie rozdelenie tejto skupiny. V závislosti od rozloženia hustoty elektrónov sa teda rozlišujú polárne a nepolárne väzby. Prvý je tvorený rôznymi atómami a druhý rovnakými. Tento pevný stav hmoty, ktorého príkladmi sú diamant (C) a kremík (Si), sa vyznačuje svojou hustotou. Najtvrdšie kryštály patria práve do kovalentnej väzby.
- Kovové, vznikajúce spojením valenčných elektrónov atómov. V dôsledku toho sa objavuje všeobecný elektrónový oblak, ktorý sa posúva pod vplyvom elektrického napätia. Kovová väzba vzniká, keď sú viazané atómy veľké. Sú to tí, ktorí môžu darovať elektróny. V mnohých kovoch a komplexných zlúčeninách tvorí táto väzba pevné skupenstvo hmoty. Príklady: sodík, bárium, hliník, meď, zlato. Je možné zaznamenať nasledujúce nekovové zlúčeniny: AlCr 2, Ca 2 Cu, Cu 5 Zn 8. Látky s kovovými väzbami (kovy) majú rôzne fyzikálne vlastnosti. Môžu byť tekuté (Hg), mäkké (Na, K), veľmi tvrdé (W, Nb).
- Molekulárne, vyskytujúce sa v kryštáloch, ktoré sú tvorené jednotlivými molekulami látky. Vyznačuje sa medzerami medzi molekulami s nulovou elektrónovou hustotou. Sily, ktoré spájajú atómy v takýchto kryštáloch, sú významné. V tomto prípade sa molekuly k sebe priťahujú iba slabou medzimolekulovou príťažlivosťou. Preto sa pri zahrievaní ľahko zničia väzby medzi nimi. Spojenia medzi atómami sa lámu oveľa ťažšie. Molekulové väzby sa delia na orientačné, disperzné a indukčné. Príkladom takejto látky je tuhý metán.
- Vodík, ktorý sa vyskytuje medzi pozitívne polarizovanými atómami molekuly alebo jej časti a negatívne polarizovanou najmenšou časticou inej molekuly alebo časti. Medzi takéto spojenia patrí ľad.
Vlastnosti pevných látok
Čo vieme dnes? Vedci už dlho skúmali vlastnosti pevného skupenstva hmoty. Pri vystavení teplotám sa tiež mení. Prechod takéhoto telesa na kvapalinu sa nazýva topenie. Premena tuhej látky na plynné skupenstvo sa nazýva sublimácia. Keď teplota klesá, pevná látka kryštalizuje. Niektoré látky vplyvom chladu prechádzajú do amorfnej fázy. Vedci tento proces nazývajú sklený prechod.
Keď sa zmení vnútorná štruktúra pevných látok. Najväčšie poradie nadobúda pri znižovaní teploty. Pri atmosférickom tlaku a teplote T > 0 K tuhnú všetky látky existujúce v prírode. Výnimkou z tohto pravidla je iba hélium, ktoré na kryštalizáciu vyžaduje tlak 24 atm.
Pevné skupenstvo látky jej dáva rôzne fyzikálne vlastnosti. Charakterizujú špecifické správanie telies pod vplyvom určitých polí a síl. Tieto vlastnosti sú rozdelené do skupín. Existujú 3 spôsoby ovplyvnenia, ktoré zodpovedajú 3 druhom energie (mechanická, tepelná, elektromagnetická). Podľa toho existujú 3 skupiny fyzikálnych vlastností pevných látok:
- Mechanické vlastnosti spojené s napätím a deformáciou telies. Podľa týchto kritérií sa pevné látky delia na elastické, reologické, pevnostné a technologické. V pokoji si takéto teleso zachováva svoj tvar, ale vplyvom vonkajšej sily sa môže meniť. V tomto prípade môže byť jeho deformácia plastická (pôvodná forma sa nevracia), elastická (vracia sa do pôvodného tvaru) alebo deštruktívna (pri dosiahnutí určitého prahu dochádza k rozpadu/zlomeniu). Odozva na aplikovanú silu je opísaná modulmi pružnosti. Pevné telo odoláva nielen tlaku a ťahu, ale aj šmyku, krúteniu a ohýbaniu. Sila pevnej látky je jej schopnosť odolávať zničeniu.
- Tepelné, prejavujúce sa pri vystavení tepelným poliam. Jednou z najdôležitejších vlastností je teplota topenia, pri ktorej sa teleso mení na tekuté skupenstvo. Pozoruje sa v kryštalických tuhých látkach. Amorfné telesá majú latentné teplo topenia, pretože ich prechod do kvapalného stavu nastáva postupne so zvyšujúcou sa teplotou. Pri dosiahnutí určitého tepla stráca amorfné teleso svoju elasticitu a nadobúda plasticitu. Tento stav znamená, že dosiahol teplotu skleného prechodu. Pri zahrievaní sa pevné teleso deformuje. Navyše sa najčastejšie rozširuje. Kvantitatívne je tento stav charakterizovaný určitým koeficientom. Telesná teplota ovplyvňuje mechanické vlastnosti, ako je tekutosť, ťažnosť, tvrdosť a pevnosť.
- Elektromagnetické, spojené s dopadom tokov mikročastíc a elektromagnetických vĺn s vysokou tuhosťou na pevnú látku. Patria sem aj radiačné vlastnosti.
Štruktúra zóny
Pevné látky sú tiež klasifikované podľa ich takzvanej zónovej štruktúry. Takže medzi nimi sú:
- Vodiče vyznačujúce sa tým, že ich vodivé a valenčné pásy sa prekrývajú. V tomto prípade sa medzi nimi môžu pohybovať elektróny a prijímať najmenšiu energiu. Všetky kovy sa považujú za vodiče. Keď sa na takéto teleso aplikuje potenciálny rozdiel, vzniká elektrický prúd (v dôsledku voľného pohybu elektrónov medzi bodmi s najnižším a najvyšším potenciálom).
- Dielektrika, ktorých zóny sa neprekrývajú. Interval medzi nimi presahuje 4 eV. Na vedenie elektrónov z valenčného pásma do vodivého pásma je potrebné veľké množstvo energie. Vďaka týmto vlastnostiam dielektrika prakticky nevedú prúd.
- Polovodiče charakterizované absenciou vodivých a valenčných pásiem. Interval medzi nimi je menší ako 4 eV. Na prenos elektrónov z valenčného pásma do vodivého pásma je potrebné menej energie ako na dielektrikum. Čisté (nedopované a vlastné) polovodiče neprechádzajú dobre prúdom.
Pohyby molekúl v pevných látkach určujú ich elektromagnetické vlastnosti.
Iné vlastnosti
Pevné látky sú tiež klasifikované podľa ich magnetických vlastností. Existujú tri skupiny:
- Diamagnety, ktorých vlastnosti málo závisia od teploty alebo stavu agregácie.
- Paramagnety, ktoré sú dôsledkom orientácie vodivých elektrónov a magnetických momentov atómov. Podľa Curieho zákona ich náchylnosť klesá úmerne s teplotou. Takže pri 300 K je to 10 -5.
- Telesá s usporiadanou magnetickou štruktúrou, ktoré majú atómový poriadok s dlhým dosahom. Častice s magnetickými momentmi sa periodicky nachádzajú v uzloch ich mriežky. Takéto pevné látky a látky sa často používajú v rôznych oblastiach ľudskej činnosti.
Najtvrdšie látky v prírode
Čo sú zač? Hustota pevných látok do značnej miery určuje ich tvrdosť. V posledných rokoch vedci objavili niekoľko materiálov, ktoré tvrdia, že sú „najsilnejším telom“. Najtvrdšou látkou je fullerit (kryštál s molekulami fullerénu), ktorý je približne 1,5-krát tvrdší ako diamant. Žiaľ, momentálne je dostupný len v extrémne malom množstve.
Dnes je najtvrdšou látkou, ktorá sa môže v budúcnosti v priemysle použiť, lonsdaleit (šesťhranný diamant). Je o 58% tvrdší ako diamant. Lonsdaleit je alotropická modifikácia uhlíka. Jeho kryštálová mriežka je veľmi podobná mriežke diamantu. Bunka lonsdaleitu obsahuje 4 atómy a diamant - 8. Z dnes široko používaných kryštálov zostáva diamant najtvrdším.
