Fizika. Molekule. Razporeditev molekul v plinastih, tekočih in trdnih razdaljah.
- V plinastem stanju molekule med seboj niso povezane in se nahajajo na veliki razdalji druga od druge. Brownovo gibanje. Plin je mogoče relativno enostavno stisniti.
V tekočini so molekule blizu druga drugi in skupaj vibrirajo. Skoraj nemogoče stisniti.
V trdni snovi so molekule razporejene v strogem vrstnem redu (v kristalnih mrežah) in ni gibanja molekul. Ni mogoče stisniti. - Zgradba snovi in začetki kemije:
http://samlib.ru/a/anemow_e_m/aa0.shtml
(brez registracije in SMS sporočil, v priročni besedilni obliki: lahko uporabite Ctrl+C) - Nemogoče se je strinjati, da se v trdnem stanju molekule ne premikajo.
Gibanje molekul v plinih
V plinih je razdalja med molekulami in atomi običajno veliko večja od velikosti molekul, privlačne sile pa so zelo majhne. Zato plini nimajo svoje oblike in stalne prostornine. Plini se zlahka stisnejo, ker so tudi odbojne sile na velikih razdaljah majhne. Plini imajo lastnost, da se neomejeno širijo in zapolnijo celotno prostornino, ki jim je na voljo. Molekule plina se gibljejo z zelo velikimi hitrostmi, med seboj trčijo in se odbijajo v različne smeri. Številni udarci molekul na stene posode ustvarjajo tlak plina.
Gibanje molekul v tekočinah
V tekočinah molekule ne le nihajo okoli ravnotežnega položaja, ampak tudi skačejo iz enega ravnotežnega položaja v drugega. Ti skoki se pojavljajo občasno. Časovno obdobje med takšnimi skoki se imenuje povprečni čas sedečega življenja (ali povprečni čas sprostitve) in je označen s črko ?. Z drugimi besedami, relaksacijski čas je čas nihanja okoli enega določenega ravnotežnega položaja. Pri sobni temperaturi je ta čas v povprečju 10-11 s. Čas enega nihanja je 10-1210-13 s.
Čas sedečega življenja se s povišanjem temperature zmanjšuje. Razdalja med molekulami tekočine je manjša od velikosti molekul, delci se nahajajo blizu drug drugega in medmolekularna privlačnost je močna. Vendar pa razporeditev molekul tekočine ni strogo urejena po celotnem volumnu.
Tekočine tako kot trdne snovi ohranijo svojo prostornino, vendar nimajo svoje oblike. Zato prevzamejo obliko posode, v kateri se nahajajo. Tekočina ima lastnost pretočnosti. Zahvaljujoč tej lastnosti se tekočina ne upira spreminjanju oblike, je rahlo stisnjena, njene fizikalne lastnosti pa so enake v vseh smereh znotraj tekočine (izotropija tekočin). Naravo molekularnega gibanja v tekočinah je prvi ugotovil sovjetski fizik Jakov Iljič Frenkel (1894 1952).
Gibanje molekul v trdnih snoveh
Molekule in atomi trdne snovi so razporejeni v določenem vrstnem redu in tvorijo kristalno mrežo. Take trdne snovi imenujemo kristalne. Atomi izvajajo vibracijska gibanja okoli ravnotežnega položaja, privlačnost med njimi pa je zelo močna. Zato trdne snovi v normalnih pogojih ohranijo svoj volumen in imajo lastno obliko.
- V plinastem - se gibljejo naključno, se vklopijo
V tekočini - premikajte se v skladu drug z drugim
V trdnih snoveh se ne premikajo.
Molekule so zelo majhne, navadnih molekul ne vidimo niti z najmočnejšim optičnim mikroskopom - a nekatere parametre molekul je mogoče precej natančno izračunati (masa), nekatere pa le zelo okvirno oceniti (dimenzije, hitrost), pa bi tudi dobro je razumeti, kakšna "velikost" so molekule" in o kakšni "hitrosti molekule" govorimo. Torej, maso molekule najdemo kot "maso enega mola" / "število molekul v molu". Na primer, za molekulo vode je m = 0,018/6·1023 = 3·10-26 kg (lahko izračunate natančneje - Avogadrovo število je znano z dobro natančnostjo in molsko maso katere koli molekule je enostavno najti).
Ocena velikosti molekule se začne z vprašanjem, kaj sestavlja njeno velikost. Ko bi le bila popolno zloščena kocka! Ni pa ne kocka ne krogla in na splošno nima jasno določenih meja. Kaj storiti v takih primerih? Začnimo od daleč. Ocenimo velikost veliko bolj znanega predmeta - šolarja. Vsi smo že videli šolarje, vzemimo maso povprečnega šolarja 60 kg (pa bomo videli, ali bo ta izbira pomembno vplivala na rezultat), gostota šolarja je približno takšna kot pri vodi (ne pozabite da če globoko vdihnete zrak in po tem lahko "visite" v vodi, skoraj popolnoma potopljeni, in če izdihnete, se takoj začnete utapljati). Zdaj lahko najdete prostornino šolarja: V = 60/1000 = 0,06 kubičnih metrov. metrov. Če zdaj predpostavimo, da ima učenec obliko kocke, potem njegovo velikost najdemo kot kubni koren prostornine, tj. približno 0,4 m. Tako se je izkazala velikost - manjša od višine (velikost "višine"), večja od debeline (velikost "globine"). Če ne vemo ničesar o obliki telesa šolarja, potem ne bomo našli nič boljšega od tega odgovora (namesto kocke bi lahko vzeli kroglico, vendar bi bil odgovor približno enak, in izračun premera krogle je težje kot rob kocke). Če pa imamo dodatne informacije (na primer iz analize fotografij), potem je odgovor lahko veliko bolj utemeljen. Naj se ve, da je »širina« šolarja v povprečju štirikrat manjša od njegove višine, njegova »globina« pa trikrat manjša. Potem je Н*Н/4*Н/12 = V, torej N = 1,5 m (nima smisla delati natančnejšega izračuna tako slabo definirane vrednosti; zanašati se na zmožnosti kalkulatorja pri takšnem "izračunu" preprosto nepismen!). Dobili smo povsem razumno oceno višine šolarja, če bi vzeli maso okoli 100 kg (in taki šolarji so!), bi dobili približno 1,7 - 1,8 m - tudi precej razumno.
Ocenimo zdaj velikost molekule vode. Poiščimo prostornino na molekulo v "tekoči vodi" - v njej so molekule najgosteje zapakirane (stisnjene druga k drugi kot v trdnem, "ledenem" stanju). En mol vode ima maso 18 g in prostornino 18 kubičnih metrov. centimetrov. Potem je prostornina na molekulo V= 18·10-6/6·1023 = 3·10-29 m3. Če nimamo podatkov o obliki molekule vode (ali če ne želimo upoštevati kompleksne oblike molekul), jo najlažje obravnavamo kot kocko in poiščemo velikost natanko tako, kot smo pravkar našli velikost kubičnega šolarja: d= (V)1/3 = 3·10-10 m. Vpliv oblike precej zapletenih molekul na rezultat izračuna lahko ocenite na primer takole: izračunajte velikost molekul bencina, pri čemer molekule štejete kot kocke - in nato izvedite poskus, tako da pogledate območje madež kapljice bencina na površini vode. Glede na to, da je film »tekoča površina, debela eno molekulo« in poznamo maso kapljice, lahko primerjamo velikosti, dobljene s tema dvema metodama. Rezultat bo zelo poučen!
Uporabljena ideja je primerna tudi za povsem drugačen izračun. Ocenimo povprečno razdaljo med sosednjimi molekulami redčenega plina za poseben primer - dušik pri tlaku 1 atm in temperaturi 300 K. Če želite to narediti, poiščite prostornino na molekulo v tem plinu in potem se bo vse izkazalo za preprosto. Torej, vzemimo mol dušika pod temi pogoji in poiščimo prostornino deleža, navedenega v pogoju, nato pa to prostornino delimo s številom molekul: V= R·T/P·NA= 8,3·300/105· 6·1023 = 4·10 -26 m3. Predpostavimo, da je prostornina razdeljena na gosto zapakirane kubične celice in vsaka molekula "povprečno" sedi v središču svoje celice. Takrat je povprečna razdalja med sosednjimi (najbližjimi) molekulami enaka robu kubične celice: d = (V)1/3 = 3·10-9 m Vidimo, da je plin redčen - s takim razmerjem Med velikostjo molekule in razdaljo med »sosedama« zasedajo same molekule precej majhen - približno 1/1000 del - prostornine posode. Tudi v tem primeru smo izračun izvedli zelo približno - nima smisla natančneje izračunati tako ne zelo določenih količin, kot je "povprečna razdalja med sosednjimi molekulami".
Plinski zakoni in osnove IKT.
Če je plin dovolj redčen (in to je običajna stvar; najpogosteje imamo opravka z redkimi plini), se skoraj vsak izračun izvede s formulo, ki povezuje tlak P, prostornino V, količino plina ν in temperaturo T - to je znana "enačba stanja idealnega plina" P·V= ν·R·T. Kako najti eno od teh količin, če so podane vse ostale, je povsem preprosto in razumljivo. Toda problem je mogoče formulirati tako, da bo vprašanje o neki drugi količini - na primer o gostoti plina. Torej, naloga: poiščite gostoto dušika pri temperaturi 300 K in tlaku 0,2 atm. Rešimo to. Po stanju sodeč je plin precej redčen (zrak, ki vsebuje 80 % dušika in je pri bistveno višjem tlaku, lahko velja za redek, ga prosto dihamo in zlahka prehajamo skozenj), in če temu ne bi bilo tako, nimamo druge formule ne - uporabljamo to najljubšo. Pogoj ne določa prostornine katerega koli dela plina, nastavimo ga sami. Vzemimo 1 kubični meter dušika in poiščimo količino plina v tej prostornini. Če poznamo molsko maso dušika M = 0,028 kg/mol, najdemo maso tega dela - in problem je rešen. Količina plina ν= P·V/R·T, masa m = ν·М = М·P·V/R·T, torej gostota ρ= m/V = М·P/R·T = 0,028·20000/ ( 8,3·300) ≈ 0,2 kg/m3. Glasnost, ki smo jo izbrali, ni bila vključena v odgovor; izbrali smo jo zaradi specifičnosti - tako je lažje sklepati, ker ni nujno, da takoj ugotovite, da je prostornina lahko karkoli, vendar bo gostota enaka. Vendar pa lahko ugotovite, da "če vzamemo prostornino, recimo petkrat večjo, bomo količino plina povečali točno petkrat, zato bo gostota enaka, ne glede na količino, ki jo vzamemo." Lahko preprosto prepišete svojo najljubšo formulo in vanjo nadomestite izraz za količino plina skozi maso deleža plina in njegovo molsko maso: ν = m/M, potem je razmerje m/V = M P/R T takoj izraženo , in to je gostota . Možno je bilo vzeti mol plina in ugotoviti prostornino, ki jo zaseda, po kateri se takoj ugotovi gostota, ker je masa mola znana. Na splošno velja, da enostavnejši ko je problem, bolj enakovredni in lepši načini za njegovo rešitev ...
Tu je še en problem, pri katerem se vprašanje morda zdi nepričakovano: poiščite razliko v zračnem tlaku na višini 20 m in na višini 50 m nad tlemi. Temperatura 00C, tlak 1 atm. Rešitev: če pri teh pogojih najdemo gostoto zraka ρ, potem je razlika tlaka ∆P = ρ·g·∆H. Gostoto ugotovimo na enak način kot v prejšnjem problemu, težava je le v tem, da je zrak mešanica plinov. Ob predpostavki, da je sestavljena iz 80 % dušika in 20 % kisika, dobimo maso mola mešanice: m = 0,8 0,028 + 0,2 0,032 ≈ 0,029 kg. Prostornina, ki jo zaseda ta mol, je V= R·T/P, gostota pa je določena kot razmerje teh dveh količin. Potem je vse jasno, odgovor bo približno 35 Pa.
Gostoto plina bo treba izračunati tudi pri ugotavljanju, na primer, dvižne sile balona določene prostornine, pri izračunu količine zraka v potapljaških jeklenkah, potrebnega za dihanje pod vodo v določenem času, pri izračunu števila osli, potrebni za prevoz določene količine hlapov živega srebra skozi puščavo in v mnogih drugih primerih.
Toda naloga je bolj zapletena: električni kotliček hrupno vre na mizi, poraba energije je 1000 W, učinkovitost. grelec 75% (ostalo gre v okolico). Curek pare leti iz izliva - površina "izliva" je 1 cm2. Ocenite hitrost plina v tem curku. Iz tabel vzemite vse potrebne podatke.
rešitev. Predpostavimo, da se nad vodo v kotličku tvori nasičena para, nato curek nasičene vodne pare leti iz dulca pri +1000C. Tlak takšne pare je 1 atm, njegovo gostoto je enostavno najti. Če poznamo moč, porabljeno za izhlapevanje Р = 0,75·Р0 = 750 W in specifično toploto uparjanja (izhlapevanje) r = 2300 kJ/kg, bomo našli maso pare, ki nastane v času τ: m = 0,75Р0·τ/r . Poznamo gostoto, potem je enostavno najti prostornino te količine pare. Ostalo je že jasno - predstavljajte si to prostornino v obliki stebra s površino preseka 1 cm2, dolžina tega stolpca, deljena s τ, nam bo dala hitrost odhoda (ta dolžina se dvigne v sekundi ). Torej je hitrost curka, ki zapušča dulec kotlička, 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.
Razmislimo, kako se projekcija nastale sile medsebojnega delovanja med njima na premico, ki povezuje središča molekul, spreminja glede na razdaljo med molekulama. Če se molekule nahajajo na razdaljah, ki so večkrat večje od njihove velikosti, potem interakcijske sile med njimi praktično nimajo učinka. Interakcijske sile med molekulami so kratkega dosega.
Na razdaljah, večjih od 2-3 premerov molekul, je odbojna sila praktično enaka nič. Opazna je le sila privlačnosti. Z zmanjševanjem razdalje se povečuje sila privlačnosti in hkrati začne delovati sila odbijanja. Ta sila se zelo hitro poveča, ko se začnejo elektronske lupine molekul prekrivati.
Slika 2.10 grafično prikazuje odvisnost projekcije F r sile interakcije molekul na razdaljo med njihovimi središči. Na daljavo r 0, približno enak vsoti polmerov molekul, F r = 0 , saj je sila privlačnosti enaka sili odboja. pri r > r 0 obstaja privlačna sila med molekulami. Projekcija sile, ki deluje na desno molekulo, je negativna. pri r < r 0 obstaja odbojna sila s pozitivno projekcijsko vrednostjo F r .
Izvor prožnostnih sil
Odvisnost interakcijskih sil med molekulami od razdalje med njimi pojasnjuje pojav elastične sile med stiskanjem in raztezanjem teles. Če poskušate molekule približati na razdaljo manjšo od r0, potem začne delovati sila, ki preprečuje približevanje. Nasprotno, ko se molekule odmikajo druga od druge, deluje privlačna sila, ki po prenehanju zunanjega vpliva vrne molekule v prvotne položaje.
Pri majhnem odmiku molekul iz ravnotežnih položajev sile privlačnosti ali odboja linearno naraščajo z naraščajočim odmikom. Na majhnem območju lahko krivuljo štejemo za ravni segment (odebeljeni del krivulje na sliki 2.10). Zato se pri majhnih deformacijah izkaže, da velja Hookov zakon, po katerem je elastična sila sorazmerna z deformacijo. Pri velikih molekularnih premikih Hookov zakon ne velja več.
Ker se pri deformaciji telesa spreminjajo razdalje med vsemi molekulami, predstavljajo sosednje plasti molekul nepomemben del skupne deformacije. Zato je Hookov zakon izpolnjen pri deformacijah, ki so milijonkrat večje od velikosti molekul.
Mikroskop na atomsko silo
Naprava mikroskopa na atomsko silo (AFM) temelji na delovanju odbojnih sil med atomi in molekulami na kratkih razdaljah. Ta mikroskop za razliko od tunelskega mikroskopa omogoča pridobivanje slik površin, ki ne prevajajo električnega toka. Namesto volframove konice AFM uporablja majhen delček diamanta, nabrušen na atomsko velikost. Ta fragment je pritrjen na tanko kovinsko držalo. Ko se konica približa proučevani površini, se začnejo elektronski oblaki diamanta in površinskih atomov prekrivati in pojavijo se odbojne sile. Te sile upogibajo konico diamantne konice. Odklon se zabeleži z laserskim žarkom, ki se odbije od ogledala, nameščenega na držalu. Odbiti žarek poganja piezoelektrični manipulator, podoben manipulatorju tunelskega mikroskopa. Povratni mehanizem poskrbi, da je višina diamantne igle nad površino tolikšna, da upogib plošče držala ostane nespremenjen.
Na sliki 2.11 vidite AFM sliko polimernih verig aminokisline alanin. Vsak tuberkulus predstavlja eno molekulo aminokisline.
Trenutno so izdelani atomski mikroskopi, katerih zasnova temelji na delovanju molekularnih sil privlačnosti na razdaljah, ki so večkrat večje od velikosti atoma. Te sile so približno 1000-krat manjše od odbojnih sil v AFM. Zato se za beleženje sil uporablja bolj zapleten sistem zaznavanja.
Atomi in molekule so sestavljeni iz električno nabitih delcev. Zaradi delovanja električnih sil na kratkih razdaljah se molekule privlačijo, vendar se začnejo odbijati, ko se elektronske ovojnice atomov prekrivajo.
tekočine, amorfna in kristalna telesa
plini in tekočine
plini, tekočine in kristalne trdne snovi
približno enaka premeru molekule
manjši od premera molekule
približno 10-kratnik premera molekule
odvisno od temperature plina
tekočine
kristalna telesa
amorfna telesa
samo modeli s plinsko strukturo
samo modeli zgradbe amorfnih teles
modeli zgradbe plinov in tekočin
modeli zgradbe plinov, tekočin in trdnih snovi
razdalja med molekulami se poveča
molekule se začnejo privlačiti
poveča se urejenost v razporeditvi molekul
razdalja med molekulami se zmanjša
se ni spremenilo
povečal 5-krat
zmanjšal za 5-krat
povečano za koren iz pet
Razdalje med molekulami so primerljive z velikostmi molekul (pri normalnih pogojih) za
V plinih pri normalnih pogojih je povprečna razdalja med molekulami
Najmanjši red v razporeditvi delcev je značilen za
Razdalja med sosednjimi delci snovi je v povprečju mnogokrat večja od velikosti samih delcev. Ta izjava ustreza modelu
Pri prehodu vode iz tekočega v kristalno stanje
Pri konstantnem tlaku se je koncentracija molekul plina povečala za 5-krat, njegova masa pa se ni spremenila. Povprečna kinetična energija translacijskega gibanja molekul plina
Tabela prikazuje tališča in vrelišča nekaterih snovi:
snov | Temperatura vrelišča | snov | Temperatura taljenja |
naftalin |
Izberite pravilno trditev.
Tališče živega srebra je višje od vrelišča etra
Vrelišče alkohola je nižje od tališča živega srebra
Vrelišče alkohola je višje od tališča naftalena
Vrelišče etra je nižje od tališča naftalena
Temperatura trdne snovi se je znižala za 17 ºС. Na absolutni temperaturni lestvici je bila ta sprememba
1) 290 K 2) 256 K 3) 17 K 4) 0 K
9. Posoda s konstantno prostornino vsebuje idealen plin v količini 2 mol. Kako naj se spremeni absolutna temperatura posode s plinom, ko se iz posode sprosti 1 mol plina, tako da se tlak plina na stene posode poveča za 2-krat?
1) povečaj 2-krat 3) povečaj 4-krat
2) zmanjšati za 2-krat 4) zmanjšati za 4-krat
10. Pri temperaturi T in tlaku p zavzema en mol idealnega plina prostornino V. Kolikšna je prostornina istega plina, vzetega v količini 2 molov, pri tlaku 2p in temperaturi 2T?
1) 4 V 2) 2 V 3) V 4) 8 V
11. Temperatura vodika v količini 3 mol v posodi je enaka T. Kolikšna je temperatura kisika v količini 3 mol v posodi enake prostornine in pri enakem tlaku?
1) T 2) 8T 3) 24 T 4) T/8
12. V posodi, zaprti z batom, je idealen plin. Na sliki je prikazan graf odvisnosti tlaka plina od temperature s spremembami njegovega stanja. Kakšno stanje plina ustreza najmanjši prostornini?
1) A 2) B 3) C 4) D
13. Posoda s konstantno prostornino vsebuje idealen plin, katerega masa se spreminja. Diagram prikazuje proces spreminjanja agregatnega stanja plina. Na kateri točki diagrama je masa plina največja?
1) A 2) B 3) C 4) D
14. Pri enaki temperaturi se nasičena para v zaprti posodi razlikuje od nenasičene pare v isti posodi
1) pritisk
2) hitrost gibanja molekul
3) povprečna energija kaotičnega gibanja molekul
4) odsotnost tujih plinov
15. Katera točka na diagramu ustreza največjemu tlaku plina?
nemogoče je dati natančen odgovor
17. Balon s prostornino 2500 kubičnih metrov z maso lupine 400 kg ima na dnu luknjo, skozi katero se z gorilnikom segreva zrak v balonu. Na kolikšno najnižjo temperaturo mora biti segret zrak v balonu, da lahko balon vzleti skupaj z bremenom (košara in letalo), ki tehta 200 kg? Temperatura zunanjega zraka je 7ºС, njegova gostota je 1,2 kg na kubični meter. Lupina žoge velja za neraztegljivo.
MCT in termodinamika
MCT in termodinamika
V tem razdelku je vsaka možnost vključevala pet nalog z izbiro
odgovor, od tega 4 osnovni nivo in 1 nadaljevalni. Na podlagi rezultatov izpita
Naučili so se naslednjih vsebinskih elementov:
Uporaba Mendelejev–Clapeyronove enačbe;
Odvisnost tlaka plina od koncentracije molekul in temperature;
Količina toplote pri ogrevanju in hlajenju (izračun);
Značilnosti prenosa toplote;
Relativna vlažnost zraka (izračun);
Delo iz termodinamike (graf);
Uporaba plinske enačbe stanja.
Med nalogami osnovne ravni so težave povzročala naslednja vprašanja:
1) Sprememba notranje energije v različnih izoprocesih (na primer s
izohorično povečanje tlaka) – 50 % dokončanje.
2) Isoprocess grafi – 56%.
Primer 5.
V prikazanem procesu sodeluje konstantna masa idealnega plina
na sliki. Dosežen je najvišji tlak plina v procesu
1) v točki 1
2) v celotnem segmentu 1–2
3) v točki 3
4) v celotnem segmentu 2–3
Odgovor: 1
3) Določitev zračne vlage – 50 %. Te naloge so vsebovale fotografijo
psihrometer, po katerem je bilo potrebno odčitati suho in mokro
termometrov, nato pa z delom določite zračno vlago
psihrometrična tabela podana v nalogi.
4) Uporaba prvega zakona termodinamike. Teh nalog se je izkazalo za največ
težka med nalogami osnovne ravni za ta del – 45 %. Tukaj
bilo je treba uporabiti graf in določiti vrsto izoprocesa
(uporabljene so bile izoterme ali izohore) in v skladu s tem
določite enega od parametrov na podlagi danega drugega.
Med nalogami višje stopnje so bile predstavljene računske naloge na
uporabo plinske enačbe stanja, ki je bila izpolnjena v povprečju 54 %
učenci, pa tudi predhodno uporabljene naloge za ugotavljanje sprememb
parametri idealnega plina v poljubnem procesu. Z njimi se uspešno spopada
samo skupina močnih diplomantov, povprečna stopnja dokončanja pa je bila 45 %.
Ena od teh nalog je navedena spodaj.
Primer 6
Idealni plin se nahaja v posodi, zaprti z batom. Proces
spremembe agregatnega stanja plina so prikazane na diagramu (glej sliko). kako
ali se je prostornina plina med prehodom iz stanja A v stanje B spremenila?
1) ves čas naraščala
2) se ves čas zmanjšuje
3) najprej povečala, nato zmanjšala
4) najprej zmanjšala, nato povečala
Odgovor: 1
Vrste dejavnosti Količina
naloge %
fotografije2 10-12 25.0-30.0
4. FIZIKA
4.1. Značilnosti kontrolnih merilnih materialov v fiziki
2007
Izpitno delo za enotni državni izpit leta 2007 je imelo
enako strukturo kot v preteklih dveh letih. Sestavljalo ga je 40 nalog,
razlikujejo po obliki predstavitve in stopnji zahtevnosti. V prvem delu dela
Vključenih je bilo 30 nalog izbirnega tipa, pri čemer je vsaka naloga spremljala
štiri možnosti odgovora, od katerih je bil samo eden pravilen. Drugi del je vseboval 4
naloge s kratkimi odgovori. Bile so računske naloge, po reševanju
ki je zahteval odgovor v obliki števila. Tretji del izpita
delo - to je 6 računskih nalog, do katerih je bilo treba prinesti komplet
podrobna rešitev. Skupni čas za dokončanje dela je bil 210 minut.
Kodifikator elementov izobraževalnih vsebin in specifikacija
izpitne pole so bile sestavljene na podlagi obveznega minimuma
1999 št. 56) in upošteval zvezno komponento državnega standarda
srednja (popolna) izobrazba iz fizike, specializirana stopnja (Odredba Moskovske regije z dne 5.
marec 2004 št. 1089). Kodifikator elementa vsebine se ni spremenil glede na
v primerjavi z letom 2006 in je vključeval le tiste elemente, ki so bili hkrati
prisotna tako v zvezni komponenti državnega standarda
(profilna raven, 2004), in v Obvezni minimalni vsebini
izobraževanje 1999
V primerjavi s kontrolnimi merilnimi materiali 2006 v variantah
Na enotnem državnem izpitu 2007 sta bili izvedeni dve spremembi. Prva od teh je bila prerazporeditev
naloge v prvem delu dela na tematski osnovi. Ne glede na težavnost
(osnovna ali višja stopnja), najprej so sledile vse naloge mehanike, nato
v MCT in termodinamiki, elektrodinamiki in končno kvantni fiziki. drugič
Sprememba se nanaša na ciljno uvedbo testiranja nalog
oblikovanje metodoloških veščin. Leta 2007 so A30 naloge preizkusile spretnosti
analizirati rezultate eksperimentalnih študij, izražene v obliki
tabele ali grafike, kot tudi sestavljanje grafov na podlagi rezultatov poskusa. Izbira
naloge za linijo A30 so bile izvedene na podlagi potrebe po preverjanju v tem
vrsta možnosti za eno vrsto dejavnosti in v skladu s tem ne glede na
tematska pripadnost določene naloge.
Izpitna naloga je vsebovala naloge osnovnega, nadaljevalnega
in visoke stopnje težavnosti. Naloge osnovne ravni so najbolj preverjale mojstrstvo
pomembni fizikalni pojmi in zakoni. Naloge višje ravni so bile nadzorovane
sposobnost uporabe teh pojmov in zakonitosti za analizo kompleksnejših procesov oz
sposobnost reševanja problemov, ki vključujejo uporabo enega ali dveh zakonov (formul) v skladu s katerim koli od
teme šolskega tečaja fizike. Izračunane so naloge visoke stopnje zahtevnosti
naloge, ki odražajo raven zahtev za sprejemne izpite na univerze in
zahtevajo uporabo znanja iz dveh ali treh oddelkov fizike hkrati v spremenjenih oz
nova situacija.
KIM 2007 je vključeval naloge na vseh osnovnih vsebinah
oddelki tečaja fizike:
1) "Mehanika" (kinematika, dinamika, statika, ohranitveni zakoni v mehaniki,
mehanske vibracije in valovi);
2) »Molekularna fizika. Termodinamika";
3) “Elektrodinamika” (elektrostatika, enosmerni tok, magnetno polje,
elektromagnetna indukcija, elektromagnetna nihanja in valovanje, optika);
4) »Kvantna fizika« (elementi STR, dualnost delca valovanja, fizika
atom, fizika atomskega jedra).
Tabela 4.1 prikazuje porazdelitev nalog po vsebinskih blokih v vsakem
iz delov izpitne pole.
Tabela 4.1
odvisno od vrste nalog
Vse delo
(z izbiro
(s kratkim
opravil % Količina
opravil % Količina
naloge %
1 Mehanika 11-131 27,5-32,5 9-10 22,5-25,0 1 2,5 1-2 2,5-5,0
2 MCT in termodinamika 8-10 20,0-25,0 6-7 15,0-17,5 1 2,5 1-2 2,5-5,0
3 Elektrodinamika 12-14 30,0-35,5 9-10 22,5-15,0 2 5,0 2-3 5,0-7,5
4 Kvantna fizika in
STO 6-8 15,0-20,0 5-6 12,5-15,0 – – 1-2 2,5-5,0
Tabela 4.2 prikazuje porazdelitev nalog po vsebinskih blokih v
odvisno od težavnostne stopnje.
Tabela4.2
Porazdelitev nalog po oddelkih tečaja fizike
odvisno od težavnostne stopnje
Vse delo
Osnovna raven
(z izbiro
Povišan
(z izbiro odgovora
in kratek
Visoka stopnja
(z razširjenim
razdelek za odgovore)
opravil % Količina
opravil % Količina
opravil % Količina
naloge %
1 Mehanika 11-13 27,5-32,5 7-8 17,5-20,0 3 7,5 1-2 2,5-5,0
2 MCT in termodinamika 8-10 20,0-25,0 5-6 12,5-15,0 2 5,0 1-2 2,5-5,0
3 Elektrodinamika 12-14 30,0-35,5 7-8 17,5-20,0 4 10,0 2-3 5,0-7,5
4 Kvantna fizika in
STO 6-8 15,0-20,0 4-5 10,0-12,5 1 2,5 1-2 2,5-5,0
Pri oblikovanju vsebine izpitne pole smo upoštevali
potreba po preizkusu obvladovanja različnih vrst dejavnosti. pri čemer
naloge za vsako od serij možnosti so bile izbrane ob upoštevanju porazdelitve po vrsti
dejavnosti, predstavljene v tabeli 4.3.
1 Sprememba števila nalog pri posamezni temi je posledica različnih tem kompleksnih nalog C6 in
naloge A30, preverjanje metodološke usposobljenosti na podlagi snovi iz različnih vej fizike, v
različne serije možnosti.
Tabela4.3
Porazdelitev nalog po vrsti dejavnosti
Vrste dejavnosti Količina
naloge %
1 Razumeti fizični pomen modelov, konceptov, količin 4-5 10,0-12,5
2 Razloži fizikalne pojave, loči vpliv razl
dejavniki na nastanek pojavov, manifestacije pojavov v naravi oz
njihova uporaba v tehničnih napravah in vsakdanjem življenju
3 Za analizo procesov uporabite fizikalne zakone (formule).
stopnja kakovosti 6-8 15,0-20,0
4 Za analizo procesov uporabite fizikalne zakone (formule).
izračunana raven 10-12 25,0-30,0
5 Analizirajte rezultate eksperimentalnih raziskav 1-2 2,5-5,0
6 Analizirajte informacije, pridobljene iz grafov, tabel, diagramov,
fotografije2 10-12 25.0-30.0
7 Rešuje naloge različnih stopenj zahtevnosti 13-14 32,5-35,0
Vse naloge prvega in drugega dela izpitnega dela so bile ocenjene z 1
primarni rezultat. Rešitve nalog v tretjem delu (C1-C6) sta preverila dva strokovnjaka v
v skladu s splošnimi kriteriji ocenjevanja ob upoštevanju pravilnosti in
popolnost odgovora. Najvišja ocena za vse naloge s podrobnim odgovorom je bila 3
točke. Naloga je veljala za rešeno, če je učenec zanjo dosegel vsaj 2 točki.
Glede na dosežene točke za opravljene vse izpitne naloge
delo, se je prevedlo v »testne« točke na 100-stopenjski lestvici in v ocene
na petstopenjski lestvici. Tabela 4.4 prikazuje razmerja med primarnimi,
rezultate testov po pettočkovnem sistemu v zadnjih treh letih.
Tabela4.4
Primarno rezultatsko razmerje, testne rezultate in šolske ocene
Leta, točke 2 3 4 5
2007 primarni 0-11 12-22 23-35 36-52
test 0-32 33-51 52-68 69-100
2006 primarni 0-9 10-19 20-33 34-52
test 0-34 35-51 52-69 70-100
2005 primarni 0-10 11-20 21-35 36-52
test 0-33 34-50 51-67 68-100
Primerjava mej primarnih rezultatov kaže, da letos razmere
pridobivanja ustreznih ocen so bile v primerjavi z letom 2006 strožje, vendar
približno ustrezala razmeram iz leta 2005. To je posledica dejstva, da je v preteklih
letu enotnega izpita iz fizike niso opravljali samo tisti, ki so se nameravali vpisati na univerze
v ustreznem profilu, temveč tudi skoraj 20 % študentov (od skupnega števila tistih, ki se bodo preizkusili),
ki so študirali fiziko na osnovni stopnji (za njih je bil ta izpit odločen
obvezna regija).
Za izpit v letu 2007 je bilo skupaj pripravljenih 40 opcij,
ki je bilo pet serij po 8 možnosti, ustvarjenih po različnih načrtih.
Serije možnosti so se razlikovale po nadzorovanih vsebinskih elementih in vrstah
dejavnosti za isto linijo nalog, na splošno pa so vse imele približno
2 V tem primeru mislimo na obliko podajanja informacij v besedilu naloge ali distraktorjev,
zato lahko ista naloga preizkusi dve vrsti dejavnosti.
enako povprečno zahtevnostno stopnjo in je ustrezal načrtu izpita
delo podano v prilogi 4.1.
4.2. Značilnosti udeležencev enotnega državnega izpita iz fizike2007 leta
Število udeležencev Enotnega državnega izpita iz fizike je bilo letos 70.052 ljudi, kar
bistveno nižja kot leto prej in približno v skladu s kazalniki
2005 (glej tabelo 4.5). Število regij, v katerih so diplomanti opravljali enotni državni izpit
fizike, povečalo na 65. Število diplomantov, ki so izbrali fiziko v format
Enotni državni izpit se v različnih regijah bistveno razlikuje: od 5316 ljudi. v Republiki
Tatarstan do 51 ljudi v avtonomnem okrožju Nenec. Kot odstotek od
do skupnega števila diplomantov se število udeležencev Enotnega državnega izpita iz fizike giblje od
0,34% v Moskvi do 19,1% v regiji Samara.
Tabela4.5
Število udeležencev izpita
Letnik Številka Dekleta Fantje
regije
udeležencev Število % Število %
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
Za izpit iz fizike se odločajo predvsem mladi moški, le četrtina
od skupnega števila udeležencev so dekleta, ki so se odločila za nadaljevanje
izobraževalne univerze s fizičnim in tehničnim profilom.
Porazdelitev udeležencev izpita po kategorijah ostaja iz leta v leto skoraj nespremenjena.
vrste naselij (glej tabelo 4.6). Skoraj polovica diplomantov, ki vzeli
Enotni državni izpit iz fizike, živi v velikih mestih in le 20% študentov je končalo
podeželske šole.
Tabela4.6
Porazdelitev udeležencev izpita po vrsti naselja, v katerem
se nahajajo njihove izobraževalne ustanove
Število preiskovancev Odst
Vrsta kraja preiskovancev
Podeželsko naselje (vas,
vas, kmetija ipd.) 13.767 18.107 14.281 20,0 20,0 20,4
Mestno naselje
(delavska vas, mestna vas
vrsta itd.)
4 780 8 325 4 805 6,9 9,2 6,9
Mesto z manj kot 50 tisoč prebivalci 7.427 10.810 7.965 10,8 12,0 11,4
Mesto s 50-100 tisoč prebivalci 6.063 8.757 7.088 8,8 9,7 10,1
Mesto s 100-450 tisoč prebivalci 16.195 17.673 14.630 23,5 19,5 20,9
Mesto s 450-680 tisoč prebivalci 7.679 11.799 7.210 11,1 13,1 10,3
Mesto z več kot 680 tisoč prebivalci.
ljudi 13.005 14.283 13.807 18,9 15,8 19,7
Sankt Peterburg – 72 7 – 0,1 0,01
Moskva – 224 259 – 0,2 0,3
Ni podatkov – 339 – – 0,4 –
Skupaj 68.916 90.389 70.052 100 % 100 % 100 %
3 Leta 2006 so v eni od regij sprejemni izpiti na univerzah iz fizike potekali le v
Oblika enotnega državnega izpita. To je povzročilo tako znatno povečanje števila udeležencev enotnega državnega izpita.
Sestava izpitnikov po vrstah izobrazbe ostaja skoraj nespremenjena.
institucije (glej tabelo 4.7). Tako kot lani velika večina
testiranih je diplomiralo na splošno izobraževalnih ustanovah, le približno 2 %
maturanti so prišli na izpit iz izobraževalnih ustanov osnovne oz
srednje poklicno izobraževanje.
Tabela4.7
Razporeditev udeležencev izpita po vrsti izobraževalne ustanove
številka
izpraševanci
Odstotek
Vrsta izobraževalne ustanove preiskovancev
2006 G. 2007 G. 2006 G. 2007 G.
Splošni izobraževalni zavodi 86.331 66.849 95,5 95,4
Večer (izmensko) splošno izobraževanje
zavodi 487 369 0,5 0,5
Splošno izobraževalni internat,
kadetnica, internat z
začetno usposabljanje za letenje
1 144 1 369 1,3 2,0
Izobraževalne ustanove osnovne in
srednja poklicna izobrazba 1.469 1.333 1,7 1,9
Ni podatka 958 132 1,0 0,2
Skupaj: 90.389 70.052 100 % 100 %
4.3. Glavni rezultati izpitne naloge iz fizike
V splošnem so bili rezultati izpitnega dela v letu 2007
nekoliko višji od lanskih rezultatov, a približno na enaki ravni kot
številke iz predlanskega leta. Tabela 4.8 prikazuje rezultate Enotnega državnega izpita iz fizike v letu 2007.
na petstopenjski lestvici, v tabeli 4.9 in sl. 4.1 – na podlagi rezultatov testa 100-
točkovna lestvica. Zaradi jasnosti primerjave so rezultati predstavljeni v primerjavi z
prejšnji dve leti.
Tabela4.8
Razporeditev udeležencev izpita po stopnjah
priprava(odstotek celotnega zneska)
Leta “2” Oznake “p3o” 5 točk “b4n” na lestvici “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
Razporeditev udeležencev izpita
na podlagi rezultatov testov, pridobljenih v2005-2007 yy.
Leto Razdelka testne ocene
menjava 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
Rezultat testa
Odstotek študentov, ki so prejeli
ustrezen rezultat testa
riž. 4.1 Porazdelitev udeležencev izpita glede na prejete ocene
Tabela 4.10 prikazuje primerjavo lestvice v testnih točkah od 100
lestvico z rezultati reševanja nalog v izpitni različici v prim
Tabela4.10
Primerjava intervalov primarnih in testnih rezultatov v2007 leto
Razdelna lestvica
testne točke 0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100
Razdelna lestvica
primarne točke 0-3 4-6 7-10 11-15 16-22 23-29 30-37 38-44 45-48 49-52
Prejeti 35 točk (ocena 3, primarna ocena – 13) testiranec
Dovolj je bilo pravilno odgovoriti na 13 najpreprostejših vprašanj prvega dela
delo. Za dosego 65 točk (ocena 4, začetna ocena – 34) mora diplomant
je na primer pravilno odgovoril na 25 izbirnih vprašanj, rešil tri od štirih
težave s kratkim odgovorom in se spopasti tudi z dvema težavama na visoki ravni
težave. Tisti, ki so prejeli 85 točk (ocena 5, primarna ocena – 46)
odlično opravil prvi in drugi del naloge ter rešil vsaj štiri naloge
tretji del.
Najboljši od najboljših (razpon od 91 do 100 točk) ne potrebuje samo
prosto krmariti po vseh vprašanjih šolskega tečaja fizike, pa tudi praktično
Izogibajte se tudi tehničnim napakam. Torej, da bi dobili 94 točk (primarni rezultat
– 49) je bilo mogoče "ne dobiti" samo 3 primarne točke, kar je omogočilo npr.
aritmetične napake pri reševanju enega od problemov visoke stopnje kompleksnosti
in narediti napako pri odgovoru na kateri koli dve vprašanji z več možnimi odgovori.
Letos žal ni bilo povečanja števila diplomantov, ki so pridobili
Glede na rezultate Enotnega državnega izpita iz fizike najvišja možna ocena. V tabeli 4.11
Podano je število 100 točk v zadnjih štirih letih.
Tabela4.11
Število testirancev, ki so dosegli točkovanje glede na rezultate izpita100 točke
Leto 2004 2005 2006 2007
Število študentov 6 23 33 28
Letošnji voditelji so 27 fantov in samo ena deklica (Romanova A.I. iz
Novovoroneška srednja šola št. 1). Kot lani, med diplomanti liceja št. 153
Ufa - dva študenta naenkrat, ki sta dosegla 100 točk. Enaki rezultati (dva 100-
Gimnazija št. 4 poimenovana po A.S. Puškina v Yoshkar-Oli.
Trdne snovi so tiste snovi, ki so sposobne oblikovati telesa in imajo prostornino. Od tekočin in plinov se razlikujejo po obliki. Trdne snovi ohranijo svojo telesno obliko zaradi dejstva, da se njihovi delci ne morejo prosto gibati. Razlikujejo se po gostoti, plastičnosti, električni prevodnosti in barvi. Imajo tudi druge lastnosti. Na primer, večina teh snovi se med segrevanjem stopi in pridobi tekoče agregatno stanje. Nekateri od njih se pri segrevanju takoj spremenijo v plin (sublimirajo). Obstajajo pa tudi takšni, ki se razgradijo na druge snovi.
Vrste trdnih snovi
Vse trdne snovi so razdeljene v dve skupini.
- Amorfna, v kateri so posamezni delci razporejeni naključno. Z drugimi besedami: nimajo jasne (definirane) strukture. Te trdne snovi se lahko talijo v določenem temperaturnem območju. Najpogostejši med njimi sta steklo in smola.
- Kristalni, ki so razdeljeni na 4 vrste: atomski, molekularni, ionski, kovinski. V njih se delci nahajajo le po določenem vzorcu, in sicer na vozliščih kristalne mreže. Njegova geometrija v različnih snoveh se lahko zelo razlikuje.
Trdne kristalne snovi po številu prevladujejo nad amorfnimi snovmi.
Vrste kristalnih trdnih snovi
V trdnem stanju imajo skoraj vse snovi kristalno strukturo. Odlikujejo jih rešetke na svojih vozliščih, ki vsebujejo različne delce in kemične elemente. V skladu z njimi so prejeli svoja imena. Vsaka vrsta ima značilne lastnosti:
- V atomski kristalni mreži so delci trdne snovi povezani s kovalentnimi vezmi. Odlikuje ga vzdržljivost. Zaradi tega imajo takšne snovi visoko vrelišče. Ta vrsta vključuje kremen in diamant.
- V molekularni kristalni mreži je za vezi med delci značilna njihova šibkost. Za te vrste snovi je značilna enostavnost vrenja in taljenja. Zanje je značilna hlapnost, zaradi katere imajo določen vonj. Take trdne snovi vključujejo led in sladkor. Gibanje molekul v trdnih snoveh te vrste se odlikuje po njihovi aktivnosti.
- V vozliščih se izmenjujejo ustrezni delci, nabiti pozitivno in negativno. Drži jih skupaj elektrostatična privlačnost. Ta vrsta mreže obstaja v alkalijah, soleh. Mnoge snovi te vrste so zlahka topne v vodi. Zaradi dokaj močne vezi med ioni so ognjevzdržni. Skoraj vsi so brez vonja, saj je zanje značilna nehlapnost. Snovi z ionsko mrežo ne morejo prevajati električnega toka, ker ne vsebujejo prostih elektronov. Tipičen primer ionske trdne snovi je kuhinjska sol. Ta kristalna mreža mu daje krhkost. To je posledica dejstva, da lahko vsak njegov premik povzroči nastanek ionskih odbojnih sil.
- V kovinski kristalni mreži so na vozliščih prisotni samo pozitivno nabiti kemični ioni. Med njimi so prosti elektroni, skozi katere odlično prehaja toplotna in električna energija. Zato se vse kovine odlikujejo po takšni lastnosti, kot je prevodnost.
Splošni pojmi o trdnih snoveh
Trdne snovi in snovi so praktično enake stvari. Ti izrazi se nanašajo na eno od 4 agregatnih stanj. Trdne snovi imajo stabilno obliko in vzorec toplotnega gibanja atomov. Poleg tega slednji izvajajo majhna nihanja v bližini ravnotežnih položajev. Veja znanosti, ki preučuje sestavo in notranjo zgradbo, se imenuje fizika trdne snovi. Obstajajo tudi druga pomembna področja znanja, ki se ukvarjajo s takimi snovmi. Spreminjanje oblike pod zunanjimi vplivi in gibanjem imenujemo mehanika deformabilnega telesa.
Zaradi različnih lastnosti trdnih snovi so našli uporabo v različnih tehničnih napravah, ki jih je ustvaril človek. Najpogosteje je njihova uporaba temeljila na lastnostih, kot so trdota, prostornina, masa, elastičnost, plastičnost in krhkost. Sodobna znanost omogoča uporabo drugih lastnosti trdnih snovi, ki jih je mogoče zaznati le v laboratorijskih pogojih.
Kaj so kristali
Kristali so trdne snovi z delci, razporejenimi v določenem vrstnem redu. Vsak ima svojo strukturo. Njegovi atomi tvorijo tridimenzionalno periodično razporeditev, imenovano kristalna mreža. Trdne snovi imajo različne strukturne simetrije. Kristalno stanje trdne snovi velja za stabilno, ker ima minimalno količino potencialne energije.
Velika večina trdnih snovi je sestavljena iz ogromnega števila naključno usmerjenih posameznih zrn (kristalitov). Takšne snovi imenujemo polikristalne. Sem spadajo tehnične zlitine in kovine ter številne kamnine. Posamezne naravne ali sintetične kristale imenujemo monokristalni.
Najpogosteje se takšne trdne snovi tvorijo iz stanja tekoče faze, ki jo predstavlja talina ali raztopina. Včasih so pridobljeni iz plinastega stanja. Ta proces se imenuje kristalizacija. Zahvaljujoč znanstvenemu in tehnološkemu napredku je postopek gojenja (sintetiziranja) različnih snovi dosegel industrijski obseg. Večina kristalov ima naravno obliko. Njihove velikosti se zelo razlikujejo. Tako lahko naravni kremen (rock kristal) tehta do več sto kilogramov, diamanti pa do nekaj gramov.
V amorfnih trdnih snoveh atomi nenehno vibrirajo okoli naključno nameščenih točk. Ohranjajo določen vrstni red kratkega dosega, nimajo pa reda dolgega dosega. To je posledica dejstva, da se njihove molekule nahajajo na razdalji, ki jo je mogoče primerjati z njihovo velikostjo. Najpogostejši primer takšne trdne snovi v našem življenju je steklasto stanje. pogosto obravnavana kot tekočina z neskončno visoko viskoznostjo. Čas njihove kristalizacije je včasih tako dolg, da se sploh ne pojavi.
Zgornje lastnosti teh snovi naredijo edinstvene. Amorfne trdne snovi veljajo za nestabilne, ker lahko sčasoma postanejo kristalne.
Molekule in atomi, ki sestavljajo trdno snov, so pakirani z visoko gostoto. Praktično ohranijo svoj relativni položaj glede na druge delce in se držijo skupaj zaradi medmolekulske interakcije. Razdalja med molekulami trdne snovi v različnih smereh se imenuje parameter kristalne mreže. Struktura snovi in njena simetrija določata številne lastnosti, kot so elektronski pas, cepitev in optika. Ko je trdna snov izpostavljena dovolj veliki sili, se lahko te lastnosti v eni ali drugi meri poslabšajo. V tem primeru je trdno telo podvrženo preostalim deformacijam.
Atomi trdnih snovi so podvrženi vibracijskim gibanjem, ki določajo njihovo posedovanje toplotne energije. Ker so zanemarljive, jih lahko opazujemo le v laboratorijskih pogojih. trdne snovi močno vpliva na njene lastnosti.
Študija trdnih snovi
Značilnosti, lastnosti teh snovi, njihove lastnosti in gibanje delcev preučujejo različna podpodročja fizike trdne snovi.
Za raziskave se uporabljajo naslednje metode: radijska spektroskopija, strukturna analiza z uporabo rentgenskih žarkov in druge metode. Tako preučujemo mehanske, fizikalne in toplotne lastnosti trdnih snovi. Trdota, odpornost na obremenitev, natezna trdnost, fazne transformacije preučuje znanost o materialih. Ima veliko skupnega s fiziko trdne snovi. Obstaja še ena pomembna sodobna znanost. Preučevanje obstoječih snovi in sintezo novih izvaja kemija trdne snovi.
Lastnosti trdnih snovi
Narava gibanja zunanjih elektronov atomov trdne snovi določa številne njene lastnosti, na primer električne. Obstaja 5 razredov takih teles. Nastavljeni so glede na vrsto vezi med atomi:
- Ionska, katere glavna značilnost je sila elektrostatične privlačnosti. Njegove lastnosti: odboj in absorpcija svetlobe v infrardečem območju. Pri nizkih temperaturah imajo ionske vezi nizko električno prevodnost. Primer take snovi je natrijeva sol klorovodikove kisline (NaCl).
- Kovalentno, ki ga izvaja elektronski par, ki pripada obema atomoma. Tako vez delimo na: enojno (enostavno), dvojno in trojno. Ta imena kažejo na prisotnost parov elektronov (1, 2, 3). Dvojne in trojne vezi se imenujejo večkratniki. Obstaja še ena delitev te skupine. Tako glede na porazdelitev elektronske gostote ločimo polarne in nepolarne vezi. Prvo tvorijo različni atomi, drugo pa enaki. To trdno agregatno stanje, katerega primera sta diamant (C) in silicij (Si), se odlikuje po svoji gostoti. Najtrši kristali pripadajo ravno kovalentni vezi.
- Kovinski, nastane z združevanjem valenčnih elektronov atomov. Posledično nastane splošni elektronski oblak, ki se pod vplivom električne napetosti premika. Kovinska vez nastane, ko so atomi, ki se vežejo, veliki. Oni so tisti, ki lahko darujejo elektrone. V mnogih kovinah in kompleksnih spojinah ta vez tvori trdno agregatno stanje. Primeri: natrij, barij, aluminij, baker, zlato. Opazimo lahko naslednje nekovinske spojine: AlCr 2, Ca 2 Cu, Cu 5 Zn 8. Snovi s kovinskimi vezmi (kovine) imajo različne fizikalne lastnosti. Lahko so tekoči (Hg), mehki (Na, K), zelo trdi (W, Nb).
- Molekularna, ki se pojavlja v kristalih, ki jih tvorijo posamezne molekule snovi. Zanj so značilne vrzeli med molekulami z ničelno elektronsko gostoto. Sile, ki povezujejo atome v takšne kristale, so pomembne. V tem primeru se molekule medsebojno privlačijo le s šibko medmolekularno privlačnostjo. Zato se vezi med njimi pri segrevanju zlahka uničijo. Povezave med atomi je veliko težje prekiniti. Molekularne vezi delimo na orientacijske, disperzijske in induktivne. Primer take snovi je trdni metan.
- Vodik, ki se pojavi med pozitivno polariziranimi atomi molekule ali njenim delom in negativno polariziranim najmanjšim delcem druge molekule ali dela. Take povezave vključujejo led.
Lastnosti trdnih snovi
Kaj vemo danes? Znanstveniki že dolgo preučujejo lastnosti trdnega stanja snovi. Ko je izpostavljena temperaturam, se tudi spremeni. Prehod takega telesa v tekočino imenujemo taljenje. Pretvorbo trdnega v plinasto stanje imenujemo sublimacija. Ko se temperatura zniža, trdna snov kristalizira. Nekatere snovi pod vplivom mraza preidejo v amorfno fazo. Znanstveniki ta proces imenujejo stekleni prehod.
Ko se notranja zgradba trdnih snovi spremeni. Največjo urejenost pridobi, ko se temperatura zniža. Pri atmosferskem tlaku in temperaturi T > 0 K se vse v naravi obstoječe snovi strdijo. Izjema od tega pravila je samo helij, ki za kristalizacijo potrebuje tlak 24 atm.
Trdno stanje snovi daje različne fizikalne lastnosti. Označujejo specifično obnašanje teles pod vplivom določenih polj in sil. Te lastnosti so razdeljene v skupine. Obstajajo 3 metode vpliva, ki ustrezajo 3 vrstam energije (mehanska, toplotna, elektromagnetna). V skladu s tem obstajajo 3 skupine fizikalnih lastnosti trdnih snovi:
- Mehanske lastnosti, povezane z napetostjo in deformacijo teles. Po teh kriterijih delimo trdne snovi na elastične, reološke, trdnostne in tehnološke. V mirovanju tako telo ohrani svojo obliko, lahko pa se spremeni pod vplivom zunanje sile. V tem primeru je njegova deformacija lahko plastična (prvotna oblika se ne povrne), elastična (vrne se v prvotno obliko) ali destruktivna (razpad/zlom se pojavi, ko je dosežen določen prag). Odziv na uporabljeno silo opisujejo elastični moduli. Trdno telo se upira ne samo stiskanju in napetosti, ampak tudi strigu, zvijanju in upogibanju. Moč trdne snovi je njena sposobnost, da se upre uničenju.
- Toplotna, ki se manifestira, ko je izpostavljena toplotnim poljem. Ena najpomembnejših lastnosti je tališče, pri katerem telo preide v tekoče stanje. Opazimo ga v kristalnih trdnih snoveh. Amorfna telesa imajo latentno talilno toploto, saj njihov prehod v tekoče stanje poteka postopoma z naraščajočo temperaturo. Ko doseže določeno temperaturo, amorfno telo izgubi elastičnost in pridobi plastičnost. To stanje pomeni, da je dosegel temperaturo posteklenitve. Pri segrevanju se trdno telo deformira. Poleg tega se najpogosteje širi. Kvantitativno je to stanje označeno z določenim koeficientom. Temperatura telesa vpliva na mehanske lastnosti, kot so fluidnost, duktilnost, trdota in moč.
- Elektromagnetno, povezano z vplivom na trdno snov tokov mikrodelcev in elektromagnetnih valov visoke togosti. Sem spadajo tudi lastnosti sevanja.
Conska struktura
Trdne snovi so razvrščene tudi glede na njihovo tako imenovano consko strukturo. Torej, med njimi so:
- Prevodniki, za katere je značilno, da se njihov prevodni in valenčni pas prekrivata. V tem primeru se elektroni lahko premikajo med njimi in prejmejo najmanjšo energijo. Vse kovine veljajo za prevodnike. Ko na takšno telo pripeljemo potencialno razliko, nastane električni tok (zaradi prostega gibanja elektronov med točkami z najnižjim in najvišjim potencialom).
- Dielektriki, katerih cone se ne prekrivajo. Interval med njima presega 4 eV. Za prevajanje elektronov iz valenčnega pasu v prevodni pas so potrebne velike količine energije. Zaradi teh lastnosti dielektriki praktično ne prevajajo toka.
- Za polprevodnike je značilna odsotnost prevodnih in valenčnih pasov. Interval med njima je manjši od 4 eV. Za prenos elektronov iz valenčnega v prevodni pas je potrebna manjša energija kot pri dielektrikih. Čisti (nedopirani in intrinzični) polprevodniki slabo prepuščajo tok.
Gibanje molekul v trdnih snoveh določa njihove elektromagnetne lastnosti.
Druge lastnosti
Trdne snovi so razvrščene tudi glede na njihove magnetne lastnosti. Obstajajo tri skupine:
- Diamagneti, katerih lastnosti so malo odvisne od temperature ali agregatnega stanja.
- Paramagneti, ki so posledica orientacije prevodnih elektronov in magnetnih momentov atomov. Po Curiejevem zakonu se njihova občutljivost zmanjšuje sorazmerno s temperaturo. Torej, pri 300 K je 10 -5.
- Telesa z urejeno magnetno strukturo, ki imajo atomski red velikega dosega. Delci z magnetnimi momenti se občasno nahajajo na vozliščih njihove mreže. Takšne trdne snovi in snovi se pogosto uporabljajo na različnih področjih človeške dejavnosti.
Najtrše snovi v naravi
Kaj so oni? Gostota trdnih snovi v veliki meri določa njihovo trdoto. V zadnjih letih so znanstveniki odkrili več materialov, ki trdijo, da so "najmočnejše telo". Najtrša snov je fulerit (kristal z molekulami fulerena), ki je približno 1,5-krat trši od diamanta. Žal je trenutno na voljo le v izjemno majhnih količinah.
Danes je najtrša snov, ki se lahko v prihodnosti uporablja v industriji, lonsdaleit (šesterokotni diamant). Je 58 % trši od diamanta. Lonsdaleit je alotropna modifikacija ogljika. Njegova kristalna mreža je zelo podobna diamantni. Celica lonsdaleita vsebuje 4 atome, diamant pa 8. Od danes široko uporabljenih kristalov je diamant najtrši.
