Строение и свойства твердых тел

На столе соль, кусок стекла и металлическая ложка. Все три сами держат форму. Этого мало, чтобы решить, что они устроены одинаково.

Твёрдое тело сохраняет и форму, и объём. Частицы в нём стоят рядом и только колеблются около своих мест. По куску они не бродят. Жидкость и пар на этом занятии не разбираем: это следующие уроки.

Три твёрдых предмета. Надписей на кадре нет специально. Чисел с рисунка не снимают.

Две группы

Твёрдые тела делят на кристаллические и аморфные.

В кристалле места, около которых колеблются частицы, повторяются по всему объёму. Это дальний порядок. Геометрический образ этих мест называют кристаллической решёткой. Узел решётки — положение равновесия, не фотография атома.

Бусины — модель укладки, не атомы. Кадр ничего не измеряет.

Оценка расстояния между соседними частицами, где они стоят рядом, — порядок $10^{-10}$ м. Перевод единицы модели:

$0{,}1\ \text{нм} = 1 \times 10^{-10}\ \text{м}$

Проверка: $0{,}1 = 10^{-1}$, а $10^{-1} \times 10^{-9} = 10^{-10}$. Это не диаметр бусины и не отсчёт штангенциркуля. Для газа ту же оценку не переносят: между частицами газа большие промежутки. Это уже разбирали раньше.

Один кристалл и много кристалликов

Монокристалл — твёрдое тело с одной решёткой на весь объём. У него бывают плоские грани. Свойства зависят от направления внутри кристалла: вдоль одних плоскостей расколоть легче, чем поперёк. Это анизотропия. Так ведёт себя слюда. Графит пишет, потому что его слои сдвигаются друг относительно друга.

Стопка бумаги показывает ту же идею «легче вдоль». Бумага кристаллом не является.

Бумага — аналогия направления. Это не кристаллическая решётка.

Одна крупинка соли с плоскими гранями — маленький кристалл. У кучи соли целиком одной решётки нет: крупинок много.

Поликристалл состоит из множества маленьких кристаллов, сросшихся вразнобой. Внутри одного зерна анизотропия остаётся. Кусок в целом по направлениям одинаков, если зёрна лежат как попало: это изотропия поликристалла. Металлическая ложка — такой кусок. Отсутствие видимых граней не делает её стеклом.

Аморфное тело

У аморфного тела порядок есть только у ближайших соседей. Дальнего повторения нет. Свойства по направлениям одинаковы. Одной температуры плавления нет: при нагревании вещество размягчается в интервале температур. Так ведут себя оконное стекло, янтарь и многие смолы. Не всякая пластмасса устроена одинаково, поэтому «все пластики — стекло» не говорим.

Кварц — кристалл кремнезёма. Кварцевое стекло — тот же кремнезём без дальнего порядка. Обычное оконное стекло тоже аморфное, хотя в нём есть и другие вещества. Прозрачность и твёрдость решётку не доказывают.

Оба твёрдые. Решётка есть у кварца. У оконного стекла дальнего порядка нет.

Иногда аморфное тело называют переохлаждённой жидкостью. Фраза значит только ближний порядок. Она не значит, что оконное стекло при комнатной температуре течёт. Старые стёкла бывают толще книзу из-за того, как выдували и ставили лист, а не потому что стекло потекло за века.

Плавление кристалла

У кристалла при постоянном давлении есть своя температура плавления. Пока чистый лёд тает при нормальном давлении, температура смеси льда и воды остаётся $0\ ^\circ\text{C}$. Формулу количества теплоты сегодня не пишем.

Калийные соли Старобинского месторождения под Солигорском — тоже кристаллические твёрдые тела. Сколько их добывают, для этого урока не нужно.

Слева модель дальнего порядка, справа его нет. Это по-прежнему бусины, не атомы.

Что делают на уроке

Учитель показывает соль, стекло и ложку. Стекло лежит на поддоне, его берёт учитель. Бусины в кювете после лёгкого встряхивания могут лечь рядами. Ряд — модель, не доказательство формы атома.

Слюду расслаивают вдоль, только если она уже есть в кабинете. Нет слюды — хватает стопки бумаги, и бумагу кристаллом не называют.

Лёд и спиртовой термометр смотрят, только если оба уже есть. Ждут около $0\ ^\circ\text{C}$, пока лёд в воде. Ртутный термометр не берут. Пламени нет. Нет льда — так и пишут: «лёд сегодня не смотрели».

Дома, если задано: щепотка соли на тёмной тарелке и стеклянный стакан. Два эскиза от руки и одна фраза, чем крупинка отличается от стакана. Плиту не включать. Медный купорос не брать. Телефон не нужен.

Частые ошибки

Проверь себя

Сначала запиши ответы. Разбор ниже закрыт, пока сам не попробуешь.

1. Где дальний порядок, а где только ближний: у крупинки соли и у оконного стекла?
2. Почему металлическая ложка в целом изотропна, хотя металл кристаллический?
3. Исправь фразу: «Стекло прозрачное, значит у него одна кристаллическая решётка».
4. Переведи $0{,}1$ нм в метры. Это измерение или оценка модели?
5. Почему толстый низ старого окна не доказывает, что стекло текло?

Показать ответ после выполнения

Коротко

• Твёрдое тело само держит форму и объём. Частицы колеблются около своих мест.
• В кристалле порядок дальний. Решётка — модель этих мест, не фотография.
• Монокристалл анизотропен. Поликристалл вроде ложки в целом изотропен. Крупинка соли — маленький кристалл, не вся куча.
• Стекло аморфное: только ближний порядок и нет одной температуры плавления.
• $0{,}1$ нм — это $1 \times 10^{-10}$ м. Окно при комнатной температуре само вниз не течёт.