Курс агульнай фізікі
Цеплыня і малекулярная фізіка: Вучэб. дапам.
Выдавец: Вышэйшая школа
Памер: 232с.
Мінск 1994
Я. Вант-Гоф выявіў, што ў дастаткова развсдзсных растворах малскулы растворанага рэчыва паводзяць сябс
як малскулы ідэальнага газу. будзсм карыстацца раўнаннсм дзялссва—Клапсйрона (2.12)
^PV = ~ RT , м
Таму Мен-
(7.29)
дзс Др = п — асматычны ціск; V — аб’ём, які займас раствор; т — маса растворанага рэчыва; М — малярная маса рэчыва. Вслічыня С = mlV вызначас масу растворанага рэчыва ў адзінцы аб’ёму. У выніку раўнаннс (7.29) можна запісаць у наступным выглядзс:
л = ~ RT. м
(7.30)
Формулу (7.30) называюць законам Вант-Гофа. Згодна з гэтым законам, асматычны ціск слабых раствораў залсжыць толькі ад канцэнтрацыі С і малярнай масы М растворанага рэчыва. Растворы аднолькавых канцэнтрацый пры аднолькавых тэмпсратурах аказваюць аднолькавы
асматычны ціск. Асматычны ціск можа дасягнуць вялікіх значэнняў. Так, пры растварэнні адной чайнай лыжкі цукру ў шклянцы вады стварасцца асматычны ціск ~ 2 • 105 Па.
Асматычны ціск вымярасцца асмометрамі. На рыс. 7.18 паказана адна з прынцыповых схсмаў асмометра. Камсра А з чыстым растваральнікам і камсра Б з растворам падзслсны паўпранікальнай мсмбранай М. Звычайна мембраны вырабляюцца з цэлафану. Узровснь вадкасці ў камсрах вымярасцца з дапамогай злучаных з імі трубак a і б. Пры статычным мстадзс вызначасцца рознасць узроўняў ДА пасля ўстанаўлсння раўнавагі, а пры дынамічным — вонкавы ціск, які нсабходны для падтрымання роўнасці ўзроўня (штрыхавыя лініі).
8. ЦВЁРДЫЯ ЦЕЛЫ
У гэтым раздзслс апісваюцца агульныя ўласцівасці і будова цвёрдых цсл, розныя тыпы сувязяў, якімі абумоўлсна існаваннс гэтых цсл. Разглядаюцца рэальныя крышталі, недасканаласці іх структур, якія аказваюць вялікі ўплыў на фізічныя ўласцівасці цвёрдых цсл, а таксама монакрышталі, хаця болыласць рэальных цвёрдых рэчываў з’яўляюцца полікрышталямі. Акрамя таго, вывучаюцца цеплавыя ўласцівасці цвёрдых цсл.
8. і. Агульныя ўласцівасці і будова цвёрдых цел
Цвёрдас цсла складасцца са шчыльна ўпакаваных часцінак (атамаў, малскул, іонаў). Паміж гэтымі часцінкамі існуюць сувязі. Яны па сваёй прыродзс элсктрастатычныя. Галоўныя адрознснні паміж сувязямі заключаюцца ў розным размсркаванні элсктронаў вакол ядраў.
Цвёрдас цела можа быць як у крышталічным, так і ў аморфным станс. Вонкавай адзнакай крышталя з’яўлясцца яго правільная гсамстрычная форма. Так, крышталікі камсннай солі маюць выгляд кубаў, а крышталікі квасцоў — актаэдраў. Калі крышталік раздрабіць, то ён расколсцца па плоскасцях пэўных напрамкаў — плоскасцях спайнасці.
Правільнасць вонкавай формы крышталіка тлумачыцца правільнасцю яго ўнутранай будовы. Часцінкі ў крышталіках размешчаны так, што ўтвараюць крышталічную рашотку. Яны здзяйсняюць нсвялікія хістанні каля вузлоў крышталічнай рашоткі. Будова крышталікаў характарызусцца строгай паўтаральнасцю ва ўсіх напрамках аднаго і таго ж элемснта атама, Малскулы або іона. У гэтым вырадку прынята гаварыць аб існаванні далёкага парадку ў размяшчэнні часцінак. У аморфных цсл адсутнічас характэрная для крышталікаў строгая паўтаральнасць ва ўсіх напрамках аднаго і таго ж элсмснта структуры. Гэтыя цслы больш правільна лічыць псраахалоджанымі вадкасцямі. Трываласць іх звязана з выключна вялікай вязкасцю. Прыкладамі такіх аморфных ("бясформснных") цвёрдых цсл з’яўляюцца шкло, смала, бітум, вар і многія пластыкі. Аднак для
аморфных цел характэрны бліжні парадак размеркавання часцінак. Бліжні парадак з адлсгласцю памяншаецца і праз (5—10) • 10'10 м знікае. Розніца паміж двума відамі парадку размсркавання часцінак добра праяўлясцца ў выпадку трохвокісу бору В20з, які можа сустракацца як у крышталічным, так і ў аморфным выглядзс. У абодвух выпадках кожны атам бору акружаны трыма атамамі кіслароду, што ўяўляс сабоюблізкі парадак (рыс. 8.1, а). Акрамя таго, у крышталічным В20з ёсць і далёкі парадак (рыс. 8.1, б).
Аналогія паміж аморфным цвёрдым цслам і вадкасцю заслугоўвас разгляду, паколькі дазваляс лспш зразумсць уласцівасці абодвух станаў рэчыва. У адрознсннс ад вадкасцсй, дзе бліжні парадак мянясцца са змянсннсм тэмпсратуры, у аморфных цслах ён захоўвасцца ў шырокім інтэрвалс тэмпсратур.
Пры малых цісках і высокіх тэмпературах малскулы аморфных цсл всльмі рухомыя. 3 паніжэннсм тэмпсратуры або з ростам ціску і цсплавая рухомасць памяншасцца. Яны становяцца цвёрдымі.
У адрознсннс ад цвёрдага крышталічнага цсла аморфнас цсла знаходзіцца ў нсраўнаважным станс. Яно павінна з цягам часу закрышталізавацца. Аднак у звычайных умовах час пераходу ў раўнаважны стан можа быць всльмі вялікім. Таму аморфнас цсла практычна нсабмсжавана доўга паводзіць сябе як устойлівас цвёрдас цсла.
Крышталічныя цвёрдыя цслы з’яўляюцца анізатропнымі, г. зн. яны маюць у розных напрамках розныя ўласцівасці (за выключэннсм крышталікаў кубічнай сістэмы). Напрыклад, каэфіцыснт цсплавога
пашырэння, мсханічныя, элсктрычныя, аптычныя і іншыя ўласцівасці цвёрдага крышталічнага цсла розныя ў розных напрамках.
Цвёрдыя ж аморфныя цслы, як і вадкасці, ізатропныя, г. зн. іх фізічныя ўласцівасці аднолькавыя па ўсіх напрамках. На падставс вонкава правільнай будовы крышталёў у 1912 г. нямсцкі фізік М.Лауэ зрабіў адкрыццё, што пры дапамозс рэнтгенаўскіх прамянёў можна пацвсрдзіць заканамсрнас размяшчэннс часцінак, з якіх яны складаюцца. Рэнтгснаўскія прамяні даюць таксама магчымасць устанавіць, ці з’яўляюцца гэтыя драбнсйшыя часцінкі атамамі, малскуламі, іонамі.
Цвёрдымі крышталічнымі целамі могуць быць монаабо полікрышталі. Монакрышталямі з’яўляюцца адзінкавыя крышталі, якія маюць адзіную крышталічную рашотку. Яны ўтвараюцца з вадкіх, газападобных і цвёрдых рэчываў пры пэўных тэмпературах, ціску і хімічным складзс. Для ўзнікнсння і росту монакрышталёў нсабходна, каб зыходная фаза была псранасычана ці пераахалоджана ў дачынснні да цвёрдай фазы, якая ўтварылася ў ёй.
Большасць цвёрдых цсл складасцца з мноства дробных і беспарадкава арыснтаваных крышталёў. Такія целы дробнакрышталічнай структуры называюць полікрышталямі. Да іх адносяцца, у прыватнасці, мсталы. Кожны асобны крышталь металу анізатропны, алс бсспарадкавая арыснтацыя крышталёў адзін адносна другога прыводзіць да таго, што мстал у цэлым нс выяўляс анізатрапіі, г. зн. уласцівасці яго ў сярэднім па ўсіх напрамках аднолькавыя.
8.2. Класіфікацыя крышталёў па тыпу сувязяў
Сілы, якія звязваюць паміж сабой атамы, малскулы ці іоны ў цвёрдым целс амаль цалкам элсктрастатычнага паходжання. Роля магнітных узасмадзсянняў всльмі нязначная. Сапраўды, характарыстыкай энсргіі элсктрастатычнага ўзаемадзсяння з’яўлясцца велічыня
2
= іо-19 Дж,
J a
(8.1)
дзс с — зарад элсктрона; a — міжатамная адлсгласць.
Магнітная энсргія, г. зн. энсргія ўзаемадзсяння двух элсмснтарных магнітных дыполяў,
2
UM ~ = 10-23 Дж,
a '
(8.2)
дзе g — элсмснтарны магнітны момант.
3 формул (8.1) і (8.2) відаць, што роля элсктрастатычных узасмадзсянняў всльмі вялікая ў параўнанні з магнітнымі(£/э»і/м ) .
Па тыпах сувязі цвёрдыя цслы дзеляць на 5 класаў: 1) іонныя; 2) атамныя (з кавалснтнай сувяззю); 3) мсталічныя; 4) малекулярныя; 5) з вадароднымі сувязямі (табл. 8.1).
Таб.ііца 8.1
Тып крышталя
Хімічная формула крышталя
Энергія сувязі, кДж/моль
Характэрныя ўласцівасці крыппалікаў
ІОІІНЫ
NaCl
CsCI
750—920
Моцнас інфрачырвонае паглынаннс, малая элсктраправоднасць пры нізкіх тэмпературах
Атамны (з кавалептнай сувяззю)
Алмаз
710—1190
Высокая цвсрдасць, слабая электраправоднасць пры нізкіх тэмпературах у чыстых узорах
Металічны
Cu. Al, Na
110—400
Высокія цсплаправоднасць і элсктраправоднасць
Малскулярны
C02, °2’ N2
7,54
Нізкія тэмпсратуры плаўлення і кіііення, моцная сціскальнасць
3 вадароднымі сувязямі
П2О (лёд) HF
20
Тэндэнцыя да палімсрызацыі (утварлння груп з многіх малекул); энергія сувязі паміж малскуламі болыйая, чым паміж аналагічнымі малскуламі бсз вадародных сувязяў
Іонныя сувязі ўзнікаюць, калі атамы валодаюць всльмі малымі энсргіямі іанізацыі. Такія атамы лёгка губляюць элсктроны пры ўзасмадзсянні з іншымі атамамі, якія маюць зроднасць да элсктронаў. Пры гзтым утвараюцца дадатныя і адмоўныя іоны. У іонных крышталях яны злучаюцца, утвараючы крышталічную рашотку. Сілы прыцягнсння паміж дадатнымі і адмоўнымі іонамі псраважаюць сілы адштурхоўвання, якія дзеіінічаюць паміж аднайменна зараджанымі іонамі.
Рыс. 8.2.
Іонныя крышталі маюць два тыпа будовы. Псршы тып — крышталічная рашотка (а) і маштабная мадэль крышталя хларыду натрыю NaCI (б) паказаны на рыс. 8.2. Іоны Na+ і C1размяшчаюцца па вуглах і цэнтрах граняў кубоў, прычым падрашоткі іонаў узасмна праслойваюцца. Кожны іон мас шэсць бліжэйшых суссдзяў другога іона. Такая крышталічная рашотка называсцца кубічнай грансцэнтраванай. У крышталях NaCI адлсгласць паміж такімі іонамі складас 5,62 • 10‘10 м.
Другі тып будовы — крышталічная рашотка крышталіка хларыду цэзію CsCl («) — і яго маштабная мадэль (б) прывсдзсны на рыс. 8.3. Кожны іон гэтага крышталя змешчаны ў цэнтры куба, па вуглах якога знаходзіцца воссм суссдзяў супрацьлсглага знака. Такая рашотка называсцца кубічнай aff ёмнацэнтраванай. У крышталях CsCl адлсгласць паміж аднолькавымі іонамі роўная 4, 11 ■ 10’10 м.
Рыс. 8.3.
Іонныя крышталі валодаюць моцным інфрачырвоным паглынаннсм, малой элсктраправоднасцю пры нізкіх тэмпсратурах і добрай іоннай элсктраправоднасцю пры высокіх тэмпсратурах. Гэта абумоўлсна сілай сувязі паміж іонамі, а таксама высокімі тэмпсратурамі плаўлсння іонных крышталёў. Такія рэчывы звычайна крохкія, паколькі слізганню адных атамаў па другіх псрашкаджас чаргаваннс дадатных і адмоўных іонаў.
Атамныя крышталі складаюцца з атамаў, звязаных адзін з другім кавалентнай сувяззю. Яна ажыццяўлясцца дзякуючы таму, што ў прамсжках паміж суссднімі атамамі знаходзяцца агульныя элсктроны. Кожны атам, які ўдзсльнічас ў кавалснтнай сувязі, уносіць ва ўтварэннс сувязі ўклад у выглядзс элсктрона. Гэтыя элсктроны аказваюцца хутчэй агульнымі для абодвух атамаў, чым нсад’емнай часткай аднаго з іх, як у выпадку іоннай сувязі. Да атамных крышталёў адносяцца, напраклад, крышталі алмазу. На рыс. 8.4 паказаны крышталічная структура (а) і маштабная мадэль крышталя алмазу (б). Тэтраэдрычная будова — гэта вынік здольнасці кожнага атама вугляроду С утвараць кавалснтныя сувязі з чатырма іншымі атамамі. Гэтыя сувязі рэалізуюцца ў чатырох напрамках, якія ўтвараюць вугал 109° 30'. Даўжыня кожнай сувязі ў алмазс 1,54 • 1О~10 м. Акрамя алмазу, такімі крышталямі з’яўляюцца крэмній, германій і карбід крэмнію. Усе атамныя крышталі маюць высокую цвёрдасць (алмаз — самас цвёрдас з вядомых рэчываў) і вялікую тэмпсратуру плаўлсння. Гэтыя ўласцівасці адлюстроўваюць трываласць кавалснтных сувязяў. Атамныя крышталікі дрэнна праводзяць элсктрычны ток нават у расплаўлсным стане.
КНІГІ ОНЛАЙН
