Номер 1, страница 204, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Задания для проектно-исследовательской деятельности. Глава V. Молекулярная физика - номер 1, страница 204.

Условие.

Глава V. Молекулярная физика

1. Сахар в аморфном и кристаллическом состоянии

Цель: изучить на примере сахара условия, влияющие на переход вещества из жидкого в кристаллическое или аморфное состояние.

Найдите в Интернете рекомендации по выращиванию крупных кристаллов сахара и вырастите такие кристаллы. Сфотографируйте их.

Насыпьте сахарный песок в половник и подержите его над слабым огнём. Когда весь сахар расплавится, вылейте его на холодную мелкую тарелку, смазанную тонким слоем сливочного масла. Когда расплав остынет, он превратится в леденец (довольно вкусный). Но прежде чем его съесть, поставьте с ним некоторые опыты.

Расколите выращенный вами кристалл и полученный леденец. Рассмотрите сколы кристалла и леденца с помощью лупы. Если сможете, сфотографируйте или зарисуйте их. Опишите различия, которые вы наблюдали. Объясните эти различия, а также то, почему в первом случае образовался кристалл, а во втором — аморфное тело.

Найдите в Интернете информацию о способах получения металлов в аморфном состоянии. Опишите необычные свойства таких металлов.

Решение 2.

Для изучения условий перехода вещества из жидкого в кристаллическое или аморфное состояние были проведены два опыта с сахаром, как описано в задании. В первом опыте был выращен монокристалл сахара путем медленной кристаллизации из перенасыщенного водного раствора. Во втором опыте был получен сахарный леденец путем плавления сахара и его последующего быстрого охлаждения на холодной поверхности. После этого были проведены наблюдения и сделаны выводы.

Описание различий сколов кристалла и леденца

При раскалывании выращенного кристалла сахара и полученного леденца наблюдаются существенные различия в характере излома.

Скол кристалла: Кристалл сахара раскалывается по строго определенным направлениям, образуя осколки с плоскими, гладкими и блестящими гранями. Часто осколки сохраняют геометрическое подобие исходного кристалла. Это явление называется спайностью и обусловлено наличием в кристалле плоскостей, вдоль которых связь между молекулами слабее, чем в других направлениях.

Скол леденца: Леденец, являясь аморфным телом, при раскалывании образует осколки неправильной формы. Поверхность излома у него неровная, криволинейная, часто имеющая характерный раковистый вид (подобно сколу стекла). В аморфном теле нет упорядоченной структуры и, как следствие, нет выделенных плоскостей, по которым мог бы легко пройти разлом. Прочность вещества во всех направлениях одинакова.

Ответ: Основное различие заключается в том, что кристалл раскалывается по плоским граням (обладает спайностью), а аморфное тело (леденец) имеет неровный, раковистый излом.

Объяснение причин образования кристаллического и аморфного состояний

Разница в структуре полученных тел объясняется условиями их затвердевания.

В первом случае, при выращивании кристалла из раствора, процесс происходит очень медленно. Молекулы сахарозы, находясь в растворе, обладают достаточной подвижностью и временем, чтобы занять наиболее энергетически выгодное положение, выстраиваясь в строго упорядоченную структуру — кристаллическую решетку. Медленное испарение воды способствует постепенному и правильному росту кристалла.

Во втором случае, при получении леденца, расплавленный сахар, в котором молекулы движутся хаотично, подвергается очень быстрому охлаждению. Из-за высокой вязкости расплава и большой скорости затвердевания молекулы не успевают перестроиться и образовать упорядоченную кристаллическую решетку. Они оказываются "замороженными" в беспорядочном положении, характерном для жидкости. В результате образуется твердое, но аморфное тело.

Ответ: Кристалл образуется при медленном охлаждении (или кристаллизации), когда у молекул есть время занять упорядоченное положение в кристаллической решетке. Аморфное тело образуется при быстром охлаждении, когда хаотичное расположение молекул "замораживается" из-за того, что они не успевают перестроиться.

Способы получения и свойства аморфных металлов

Аморфные металлы, или металлические стекла, получают путем сверхбыстрого охлаждения металлических расплавов. Скорость охлаждения должна быть чрезвычайно высокой (порядка $10^5-10^6$ К/с), чтобы атомы не успели сформировать кристаллическую решетку. Основные способы получения:

1. Спинингование расплава: Струя расплавленного металла подается на поверхность быстро вращающегося медного барабана, где она мгновенно застывает в виде тонкой ленты.

2. Закалка в жидкость или газ: Расплав распыляется на мелкие капли, которые быстро охлаждаются в потоке инертного газа или в жидкости.

3. Лазерное или электронно-лучевое оплавление: Поверхностный слой кристаллического металла кратковременно расплавляется мощным излучением, а затем очень быстро остывает за счет отвода тепла в холодную подложку.

Необычные свойства аморфных металлов по сравнению с их кристаллическими аналогами:

• Механические свойства: Они обладают очень высокой прочностью, твердостью и износостойкостью из-за отсутствия дефектов кристаллической решетки (дислокаций, границ зерен), которые являются слабыми местами в обычных металлах. Также они проявляют высокую упругость.

• Коррозионная стойкость: Благодаря своей однородной структуре без границ зерен, которые обычно служат очагами коррозии, аморфные металлы очень устойчивы к ржавчине и воздействию агрессивных химических сред.

• Магнитные свойства: Некоторые сплавы на основе железа, кобальта, никеля в аморфном состоянии являются превосходными магнитомягкими материалами. Они легко перемагничиваются с минимальными потерями энергии, что делает их идеальными для сердечников высокоэффективных трансформаторов и дросселей.

Ответ: Аморфные металлы получают сверхбыстрым охлаждением расплавов. Их необычные свойства — высокая прочность, твердость, упругость, коррозионная стойкость и уникальные магнитные характеристики — обусловлены отсутствием кристаллической решетки.