|
Реферат: Мир воды (Химия)
Реферат на тему:
Мир воды.
Выполнила: Суббота Яна
11”А” класс.
Харьков
1999 г.
Основная тема: в этом реферате я хочу рассказать о самом необыкновенном в
мире веществе – ВОДЕ.
Содержание
1. Что такое вода?…………………………………………………………3
2. Сколько существует различных водородов?………………………….3
3. Сколько на свете кислородов?…………………………………………3
4. Сколько иожет быть различных вод?………………………………….3
5. Что же такое обыкновенная вода?……………………………………..4
6. Что такое легкая вода?………………………………………………….4
7. Что такое тяжелая вода?………………………………………………..4
8. Бывает ли полутяжелая вода?…………………………………………..5
9. Что такое “нулевая вода”?………………………………………………5
10. А может быть, есть еще какая – нибудь вода?…………………………5
11. А радиоактивная вода существует?…………………………………….5
12. Зачем нужна тяжелая вода теперь?……………………………………..6
13. Зачем ещё нужна тяжелая вода?………………………………………...6
14. Почему вода – вода?……………………………………………………..6
15. Как построена молекула воды?…………………………………………7
16. Как построена молекула льда?………………………………………….8
17. При какой температуре [pic] вода должна кипеть?…..…….……………8
18. При какой температуре [pic] вода замерзает?…………………………….8
19. Сколько существует газообразных состояний воды?…………………..9
20. Сколько существует жидких состояний воды?…………………………9
21. Что должно быть легче – вода или лед?…………………………………9
22. Сколько существует льдов?………………………………………………9
23. Что нужно, чтобы лед растаял?…………………………………………..10
24. Сколько тепла нужно, чтобы нагреть воду?…………………………….10
25. Как вода попадает в облака?……………………………………………..10
26. Почему в море вода соленая?…………………………………………….11
27. Расподаются ли в воде на ионы ее собственные молекулы?…………...11
28. Почему вода “мокрая”?……………………………………………………11
29. Какую форму имеет вода?…………………………………………………12
БЕСЕДА О САМОМ НЕОБЫКНОВЕННОМ В МИРЕ
ВЕЩЕСТВЕ.
Что такое вода?
Такой вопрос может показаться не только странным, но и немного невеж-
ливым. Кто же этого может не знать? Всякий знает, что вода – это соедине-
ние водорода и кислорода. Вот ее всем извесная формула:
[pic]
С водой очень хорошо знаком каждый, кто привык умываться по утрам,
пьёт чай, умеет плавать, любит бегать под дождем, не боясь промокнуть,
кататься на коньках, и ходить на лыжах.
Сколько существует различных водородов?
В природе существует три различных водорода – три его изотопа. Самый
легкий - [pic]. Химики его часто называют протием. Водород в обычной воде
почти нацело состоит из протия. Кроме него, во всякой воде есть тяжелый
водород – дейтерий [pic], его чаще, в химии обозначают симвллом D.
Дейтерия в воде очень мало. Но на каждые 6700 атомов протия в среднем
приходится только один атом дейтерия. Кроме протия и дейтерия, сущест-вует
еще сверхтяжелый водород - [pic].Его обычно называют тритием и обозначают
символом Т. Тритий радиоактивен, период его полураспада немного больше 12
лет. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического
излучения. Кол – во трития на нашей Земле исче-зающе мало – меньше одного
килограмма на всем земном шаре; но, несмотря на это, его можно обнаружить
повсюду, в любой капле воды.
Физики научились получать тритий искусственно в ядерных реакторах.
Так же ученые обнаружили, что возможно существование четвертого изотопа
водорода - [pic]и даже пятого - [pic]. Они тоже должны быть радиоактивными.
Сколько на свете кислородов?
В природе найдены три различных изотопа кислорода. Больше всего легкого
кислорода [pic], значительно меньше тяжелого [pic]и совсем мало кислорода
[pic]. В кислороде воздуха, которым мы дышим, на каждые десять атомов
[pic]приходится 55 атомов [pic]и более 26000 атомов изотопа кисло-рода
[pic].
Физики сумели создать в своих ускорителях и реакторах еще четыре
радиоактивных изотопа кислорода: [pic],[pic],[pic]и [pic]. Все они живут
очень не долго и через несколько минут распадаются.
Сколько может быть различных вод?
Если подсчитать все возможные соединения с общей формулой [pic], то
результат покажется неожиданным: всего могут сушествовать сорок две
различных воды. Из них тридцать три воды будут радиоактивными, но и
стабильных, устойчивых вод будет тоже немало – девять:
[pic]
Если же подтвердится, что существуют еще два сверхтяжелых изотопа
водорода - [pic]и [pic], то будут возможны уже сто пять различных типов
молекул воды.
Подсчитайте сами, сколько различных вод, молекулы которых содержат
тритий, могут образовываться на границе с космосом и постепенно вместе с
дождями выпадать на землю. Попробуйте сосчитать также, сколько различных
радиоактивных вод возникает в воде, охлаждающей атомный реактор.
Где бы в мире ни зачерпнуть стакан воду, в нем окажется смесь различ-
ных молекул, неодинаковых по изотопному составу.
Что такое обыкновенная вода?
Такой воды в мире нет. Нигде нет обыкновенной воды. Она всегда необык-
новенная. Даже по изотопному составу вода в природе всегда различная.Она
зависит от истории воды – от того, что с ней происходило в бесконечном
многообразии ее круговорота в природе. При испарении вода обогащается
протием, и вода дождя поэтому отлична от воды озера. Вода реки непохожа на
морскую воду. В закрытык озерах вода содержит больше дейтерия, чем вода,
горных ручьев. В каждом источнике свой изотопный состав воды.
Когда зимой замерзает вода в озере, никто из тех, кто катается на
коньках, и не подозревает, что изотопный состав льда изменился. В нем
уменьшилось содержание тяжелого водорода, но зато повысилось кол – во
тяжелого кислорода. Поэтому вода из растаявшего льда уже другая, и
отличается от той воды, из которой лед был получен.
Если воду разложить химически и сжечь добытый из нее водород, то
получится снова вода, но совсем другая,потому что в воздухе изотопный
состав кислорода отличается от среднего изотопного состава кислорода воды.
Но зато, в отличии от воды, изотопный состав воздуха один и тот же на всем
земном шаре.
Вода в природе не имеет постоянного изотопного состава, она вечно
меняется, и только поэтому нельзя сказать, что где – то есть какая – то
обыкновенная вода.
Что такое легкая вода?
Это та самая вода, формулу которой знают все школьники - [pic]. Но
такой воды в природе нет.Такую воду с огромным трудом приготовили ученые.
Она им понадобилась для точного измерения свойств воды, и в первую очередь
для измерения ее плотности. Пока такая вода существует только в нескольких
крупнейших лабораториях мира, где изучают свойства различных изотопных
соединений.
Что такое тяжелая вода?
И этой воды в природе нет. Строго говоря, нужно было бы называть
тяжелой водой, состоящую только из одних тяжелых изотопов водорода и
кислорода - [pic]; но такой воды нет даже и в лабораториях ученых. Пока она
еще никому ненужна и незачем ее готовить. Конечно, если эта вода
понадобиться науке или технике, ученые сумеют найти способ, как ее
получить: и дейтерия, и тяжелого кислорода в природной воде сколько угодно.
В науке и ядерной технике принято условно называть тяжелой водой
тяжеловодородную воду. Она содержит только дейтерий, в ней совсем нет
обычного легкого изотопа водорода. Изотопный состав по кислороду в этой
воде соответствует обычно составу кислорода воздуха.
Еще совсем недавно никто в мире и не подозревал, что такая вода
существует, а теперь во многих странах мира работают гигантские заводы,
перерабатывающие миллионы тонн воды, что бы извлечь из неё дейтерий и
получить чистую тяжелую воду (1,1 OH).
Бывает ли полутяжелая вода?
Полутяжелой водой можно назвать воду со смешанными молекулами состава
HDO. Она есть во всякой природной воде, но получить ее в чистом виде
невозможно, потому что в воде всегда протекают реакции изотопного обмена.
Атомы изотопов водорода очень подвижны и непрерывно переходят из одной
молекулы воды в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет
соответствовать формуле полутяжелой воды, нетрудно. Но благодаря реакции
обмена
[pic]
она будет представлять собой смесь молекул с разным изотопным составом:
[pic], [pic], [pic].
Что такое “нулевая” вода?
Нулевая вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха.
Эту воду физико – химики выбрали в качестве эталона: у нее постоянный
состав. Ее не так уж трудно получить, и с ней удобно сравнивать воду
неизвестного свойства определив разницу, в плотности, легко найти содер-
жание дейтерия.
А может быть, есть еще какая – нибудь вода?
Кроме всех перечисленных вод, еще существует тяжелокислородная вода -
[pic]. Получать ее из природной воду очень сложно и трудно. До сих пор эту
воду в чистом виде еще, пожалуй, никто не сумел приготовить.
Тяжелокислородная вода очень нужна для исследования многих
биохимических процессов, поэтому довольно концентрированные растворы этой
воды в воде обычно получают теперь на заводах.
А радиоактивная вода существует?
Да. Физики научились получать тритиевую воду искусственным путем в
атомных реакторах. Из – за сильной радиоактивности эта вода очень опасна.
Пока такая вода нужна только ученым.
Зачем нужна тяжелая вода теперь?
В наши дни тяжелая вода успешно применяется в атомной энергетике для
замедления нейтронов в ядерных реакторах.
Самым лучшим заменителем мог бы быть легкий водород, но он заметно
поглощает нейтроны.Тяжелый водород их почти не поглощает. Нейтрону,
попавшему в тяжелую воду, достаточно всего 25 раз столкнуться с тяжелым
водородом, чтобы потерять свою высокую энергию и приобрести способ-ность
взаимодействовать с ураном. Неплохой замедлитель – углерод в форме графита,
но нейтрону в нем приходится испытывать около 140 столкновений, чтобы
утпатить начальную скорость.
Использование тяжелой воды в качестве замедлителя позволяет конструк-
торам создавать оченьэффективные, а главное, легкие и компактные атомные
энергетические установки, особенно для их применения на транспорте.
Зачем еще нужна тяжелая вода?
Чтобы исследовать механизм многих химических, физических и биологи-
ческих процессов. Это, конечно, странное, но очень важное применение
тяжелой воды. Наверное, нет ни одного природного процесса, в котором не
принимала бы участие вода или водород. Атомы тяжелого водорода наиболее
важные меченые атомы. Их, как разведчиков в бой, направляют химики в
исследуемые реакции, чтобы проследить за ее ходом. В наши дни уже возникла
и быстро развивается самостоятельная область науки – химия изотопного
обмена. Наиболее важная ее задача – изучить с помощью дейте-рия механизм
химических реакций при получении органических соединений и исследовать их
строение.
Так же установлено, что из воды можно получать энергию.
СВОЙСТВА ВОДЫ.
Почему вода – вода?
Этот вопрос совсем не так неразумен, как это может показаться. В самом
деле, разве вода – это только та бесцветная жидкость, что налита в стакан?
Океан, покрывающий почти всю нашу планету, всю нашу чудесную Землю, в
которой миллионы лет назад зародилась жизнь, - это вода. Тучи, облака,
туманы, несущие влагу всему живому на земной поверхности, - это ведь тоже
вода. Бескрайние ледяные пустыни полярных областей, снеговые покровы,
застилающие почти половину планеты, - и это вода.
Прекрасно, невоспроизводимо бесконечное многообразие красок солнеч-ного
заката, его золотых и багряныхпереливов; торжественны и нежны краски
небосвода при восходе солнца. Эта обычная и всегда необыкновенная симфония
цвета обязана рассеянию и поглощению солнечного спектра водяными парами в
атмосфере. Этот великий художник природу – вода.
Горные цепи сложены гиганскими толщами сотен различных горных пород, и
геологи знают, что большинство из них созданы величайшем строителем природы
– водой. Непрерывно изменяется облик Земли. На месте, где возвышались
высочайшие горы, расстилаются бесконечные равни-ны, их создает великий
преобразователь – вода.
Безгранично многообразие жизни. Она всюду на нашей планете. Но жизнь
есть только там, где есть вода. Нет живого существа, если нет воды.
Почему же одно из бесчисленных химических соединений с простой и ничем
не примечательной формулой, состоящее из двух обычных для мироздания
элементов, молекула которого состоит всего из трех атомов, - простая окись
водорода, самая обычная вода, занимает столь особое место в жизни природы?
Чем объясняется такая исключительная роль воды?
Среди необозримого множества веществ вода с ее физико – химическими
свойствами занимает совершенно особое, исключительное место. И это надо
понимать буквально. Почти все физико – химические свойства воды -
исключения в природе. Она действительно самое удивительное вещество на
свете. Она удивительна не только многообразием изотопных форм молекулы и не
только как неиссякаемый источник энергии. Она удивительна своими самыми
обычными свойствами. Простое химическое соединение с простей-шей формулой
[pic] заняло особое место на нашей чудесной планете благода-ря
изумительному сочетанию необычайных свойств.
Как построена молекула воды?
Как построена одна молекула воды, теперь известно очень точно. Она
построена вот так:
[pic]
Хорошо изучено и измерено расположение ядер атомов водорода и кислоро-да и
расстояние между ними. Оказалось, что молекула воды нелинейна. Вместе с
электронными оболочками атомов молекулу воды, если на нее взглянуть
“сбоку”, можно было бы изобразить вот так:
[pic]
а если взглянуть “сверху” – со стороны атома кислорода, то так:
[pic]
т.е геометрически взаимное расположение зарядов в молекуле воды можно
изобразить в виде простого тетраэдра.
Такое строение ведет к возникновению необычайно сильного взаимного
притяжения молекул воды друг к другу: каждая молекула воды может обра-
зовать четыре одинаковые водородные связи с другими молекулами воды.
Все молекулы воды с любым изотопным составом построены совершенно
одинаково.
Как построена молекула льда?
Никаких особых молекул льда нет. Молекулы воды благодаря своему
замечательному строению соединены в куски льда друг с другом так, что
каждая из них связана и окружена четырьмя другими молекулами. Это приводит
к возникновению очень рыхлой структуре льда, в которой остается очень много
свободного объема. Правильное кристаллическое строение льда выражается в
изумительном изяществе снежинок и в красоте морозных узо-ров на замерзших
оконных стеклах.
При какой температуре вода должна кипеть?
Этот вопрос, конечно, странен. Ведь вода кипит при ста градусах. Это
знает каждый. Больше того, всем известно, что именно температура кипения
воды при давлении в одну атмосферу и выбрано в качестве опорной точки
температурной шкалы, условно обозначенной [pic]
Однако вопрос поставлен иначе: при какой температуре вода должна
кипеть? Ведь температуры кипения различных веществ не случайны. Они зависят
от положения элементов, входящих в состав их молекул, в переоди-ческой
системе Менделеева.
Чем меньше атомный номер элемента, чем меньше его атомный вес, тем ниже
температура кипения его соединений. Вода по химическому свойству может быть
названа гидридом кислорода. [pic] - химические аналоги воды. Если
проследить за температурами их кипения и сопоставить, как изменяются
температуры кипения гидритов в других группах периоди-ческой системы, то
можно довольно точно определить температуру кипения любого гидрита, так же
как и любого другого соединения.
Если же определить температуру кипения гидрита кислорода по положе-нию
его в периодической таблице, то окажется, что вода должна кипеть при [pic]
ниже нуля. Следовательно, вода кипит приблизительно на сто восемьде-сят
градусов выше, чем должна кипеть. Температура кипения воды – это наиболее
обычное ее свойство – оказывается необычайным и удивительным.
При какой температуре вода замерзает?
Не правда ли, вопрос не менее странен, чем предыдущий? Ну кто не
знает, что вода замерзает при нуле градусов? Это вторая опорная точка
термометра. Это самое обычное свойство воды. Но ведь и в этом случае можно
спросить, при какой температуре вода должна замерзать в соответствии со
своей хими-ческой природой. Оказывается, гидрид кислорода на основании его
положе-ния в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах
ниже нуля.
Вода на самом деле удивительное вещество. Ее, пожалуй, даже можно
назвать непослушным веществом. Она не подчиняется многим физико –
химическим закономерностям, справедливым для других соединений, пото-му что
взаимодействие ее молекул необычайно велико и требует особенно интенсивное
тепловое движение молекул, чтобы преодолеть дополнительное притяжение. Это
и приводит к такому неожиданному и резкому повышению температур ее кипения
и плавления.
Сколько существует газообразных состояний воды?
Только одно – пар.
Сколько существует жидких состояний воды?
На такой вопрос не так просто ответить. Конечно, тоже одно – привычная
нам всем жидкая вода. Но вода в жидком состоянии обладает такими
необыкновенными свойствами, что приходится задуматься: правилен ли такой,
простой, казалось бы не вызывающий никаких сомнений ответ? Вода–
единственное в мире вещество, которое после плавления сначала сжимается, а
затем по мере повышения температуры начинает расширяться. Эту ред-костную
аномалию в свойствах воды объясняют тем, что в действительности жидкая вода
представляет собой сложный раствор совершенно необыкновен-ного состава: это
раствор воды в воде.
При плавлении льда сначала образуются крупные сложные молекулы воды.
Они сохраняют остатки рыхлой кристаллической структуры льда и растворены в
обычной низкомолекулярной воде. Поэтому сначала плотность воды низкая, но с
повышением температуры эти большие молекулы разру-шаются, и поэтому
плотность воды снова падает. Если это верно, то возмож-ны несколько
состояний воды, только их никто не умеет разделить. И пока неизвестно,
удастся ли когда – нибудь это сделать.
Что должно быть легче – вода или лед?
Кто же этого не знает… Ведь лед плавает на воде. В океане плавают
гиганские айсберги. Озера зимой покрываются плавающим сплошным слоем льда.
Конечно, лед легче воды.
Но почему “конечно”?.. Разве это так ясно? Наоборот, объем всех твердых
тел при плавлении увеличивается, и они тонут в своем собственном раство-ре.
А вот лед плавает в воде. Это свойство воды – аномалия в природе,
исключение, и притом совершенно замечательное исключение.
Сколько существует льдов?
В природе, на нашей Земле – один: обычный лед. Это самый прекрасный из
всех минералов. Никакие алмазы не могут сравниться блеском и красотой со
снежинками, искрящимися на солнце. Из этого голубовато – зеленого камня
сложены на Земле не только горы и колоссальные ледники, им покрыты целые
материки. Лед – горная порода с необычайными свлйствами. Он твердый, но
течет, как жидкость, и существуют огромные ледяные реки, медленно стекающие
с высоких гор. Лед – изменчив – он непрерывно исче-зает и образуется вновь.
Лед необычайно прочен и долговечен.
Что нужно, чтобы лед растаял?
Очень много тепла. Гораздо больше, чем для плавления такого же колли-
чества любого другого вещества. Исключительно большое значение скрытой
теплоты плавления – 80 калорий на грамм льда – так же аномальное свойст-во
воды. При замерзании воды такое же колличество тепла снова выделяется.
Когда наступает зима, образуется лед, выпадает снег и вода отдает
обратно тепло, подогревая землю и воздух. Они противостоят холоду и суровой
зиме, и жестоким морозам. Именно благодаря этому замечательному свойству
воды на нашей планете существует осень и весна.
Сколько тепла нужно, чтобы лед растаял?
Очень много. Больше чем для нагревания равного колличества любого
другого вещества. Чтобы нагреть грамм воды на один градус, необходима одна
калория. Это больше чем вдвое превышает теплоемкость любого химического
соединения.
Как вода попадает в облака?
Очень просто. Солнце нагревает воду. Всюду, где она есть, - в луже, в
пруду, в море, в океане. Вода поглощает в своем верхнем слое почти всю
энергию попадающих на нее солнечных лучей и испаряется. Молекулы воды
исключительно просты в своем строении и вместе с этим необычайны, отличны
от всех других молекул. Они сильно притягиваются друг к другу благодаря
силам межмолекулярного притяжения за счет дополнительных водородных связей.
Солнцу приходится затрачивать очень много энергии, чтобы превратить ее в
пар. Нет ни одного вещества, у которого бы скрытая теплота испарения была
бы больше, чем у воды. Вода – лучший теплоно-ситель. Ничто не может
сравниться с ней. Ничто не может лучше работать в паровых турбинах
электростанций, в цилиндрах паровых двигателей.
Вода – гигантский двигатель в природе. Метеорологи подсчитали, что
Солнце испаряет на земле за одну минуту миллиард тонн воды. Каждую минуту
миллиард тонн водяного пара вместе с восходящими потоками нагре-того
воздуха поднимается в верхние слои атмосферы. Каждый грамм водяно-го пара
уносит с собой 537 калорий солнечной энергии.
На большой высоте, где давление мало, воздух расширяется, его темпера-
тура сильно понижается и водяной пар конденсируется, снова превращаясь в
воду,- ее мельчайшие капельки образуют облака.
Энергия Солнца, поднятая с водяным паром вверх, неминуемо должна
выделиться обратно, когда он преврашается в облака. Эта энергия переходит в
тепловую, нагревая воздух. Каждую минуту водяной пар отдает атмосфере Земли
чудовищно огромное колличество энергии: [pic]. Столько энергии за то же
время могли бы выработать сорок миллионов электро-станций, по миллиону
киловатт каждая.
Почему в море вода соленая?
Это, пожалуй, одно из самых важных следствий одного из самых удиви-
тельных свойств воды. В ее молекуле центры положительных и отрица-тельных
зарядов сильно смещены относительно друг друга. Поэтому вода обладает
исключительно высоким, аномальным значением диэлектрической проницаемости.
Для воды Е=80, а для воздуха и вакуума Е=1. Это значит, что два любых
разноименных заряда в воде взаимно притягиваются друг к другу с силой в 80
раз меньше чем в воздухе.
Именно благодаря аномально высокой диэлектрической проницаемости вода –
один из сильнейших растворителей. Она способна растворить любую горную
породу на земной поверхности. Медленно и неотвратимо она разру-шает даже
гранит, выщелачивая из них наиболее легко растворимые состав-ные части. Нет
в природе такой прочной породы, которая могла бы сопро-тивляться
всемогущему разрушителю – воде.
Ручьи, речки и реки сносят растворенные водой примеси в океан. Вода из
океана испаряется и вновь возвращается на землю, чтобы снова и снова про-
должать свою вечную работу. А растворенные соли остаются в морях и океанах.
Не думайте, что вода растворяет и сносит в море только то, что легко
растворимо, и что в морской воде содержиться только обычная соль, которая
стоит на обеденном столе. Нет, морская вода содержит в себе почти все
элементы, существующие в природе. В ней есть и магний, и кальций, и сера, и
бром, и йод, и фтор. В меньшем колличестве в ней найдены железо, медь,
никель, олово, уран, кобальт, даже серебро и золото. Свыше шестидесяти
элементов нашли химики в морской воде. Наверное, будут найдены и все
остальные. Больше всего в морской воде поваренной соли. Поэтому вода в море
соленая.
Распадаются ли в воде на ионы ее собственные молекулы?
Да, распадаются. Молекулы воды очень прочны, но все же очень неболь-шая
часть их диссоциирует на ионы: H2O = H+ + OH-. При этом из каждого
миллиарда молекул воды при обычной температуре диссоциированы всего лишь
две молекулы.
Свободный протон H+ - ядро атома водорода,- конечно, не может сущест-
вовать в одной среде: ион водорода немедленно присоединяется к молекуле
воды и образует ион гидроксония H3O+.
Почему вода “мокрая”?
Вода не очень “мокрая”, если считать, что этот шутливый вопрос относит-
ся к способностям воды смачивать другие тела. Большинство жидкостей гораздо
“мокрее” воды. Вода с прудом смачивает металлы, совершенно не смачивает
жирные роверхности. Водой не намочиш парафин. Капли воды скатываются с
поверхности многих полимерных материалов: тефлона, полиэтилена и др. Спирт
же, например, или керосин очень хорошо смачи-вают почти любые тела. Это
объясняется тем, что вода собирается в капли там, где все другие жидкости
растекаются.
Какую форму имеет вода?
Хотя этот вопрос может показаться странным, но он задан совершенно
правильно. Вода обладает собственной формой, как и любая другая жид-кость.
Ee форма – шар. Утверждение учебников, что вода принимает форму сосуда, а
собственной не имеет, неверно. Ее собственная форма на Земле обычно
искажена силой тяжести.
Но что воде свойственна форма шара, в этом очень легко убедиться –
достаточно слетать на на космическом корабле в космос и вытряхнуть там воду
из бутылки. Можно увидеть это и на Земле: посмотрите на падающую каплю или
выдуйте хороший мыльный пузырь. Во всех этих случаях действие силы тяжести
исключено и вода принимает свою собственную форму.
Итак, это всего лишь несколько перечисленных свойств воды. Но с каждым
исследованием этого свойства открываются новые его способности, которые
надо доказывать. До сих пор ученые не могут еще понять и объяс-нить очень
многие ее свойства. Но будем надеяться, что будет открыто еще немало новых,
более удивительных загадочных свойств воды – самого необыкновенного
вещества в мире.
Литература.
Детская Энциклопедия. Академия педагогических наук. РСФСР. Том 3 , второе
издание. Москва, “Просвещение”, 1965г. стр 511 – 515.
Авторы статьи: И. В. Петрянов.
Е. А. Яковлев.
Реферат на тему: Мир кристаллов
Содержание.
Введение.
Стр.
1. Мир кристаллов.
1. Кристаллы льда и снега.
2. Кристаллы в облаках.
2. Признаки жизни кристалла.
1. Нулевые колебания.
3. Физические свойства кристаллов.
1. Что такое изотропия и анизотропия?
4. Заселение кристалла дефектами.
5. Жидкие кристаллы и ультразвук.
6. Заключение.
7. Библиографический список.
8. Библиографический список.
Бемеловский В.Д. «Эти удивительные жидкие кристаллы».
Волькенштейн Ф.Ф. «Атомы, блуждающие по кристаллу».
Гегузан Я.Е. «Живой кристалл».
Пикин С.А. «Жидкие кристаллы»
3. Физические свойства кристаллов.
Для кристалла данного класса можно указать симметрию его свойств.
Так кубические кристаллы изотропны в отношении прохождения света, электро и
теплопроводности, теплового расширения, но они анизотропные в отношении
упругих, электрооптических свойств. Наиболее анизотропные кристаллы низких
сингоний.
Все свойства кристаллов связаны между собой и обусловлены атомно -
кристаллической структурой, силами связи между атомами и энергетическим
спектром электронов. Некоторые свойства, например: электрические, магнитные
и оптические существенно зависят от распределения электронов по уровням
энергии. Многие свойства кристаллов решающим образом зависят не только от
симметрии, но и от количества дефектов (прочность, пластичность, окраска и
другие свойства).
3.1. Что такое изотропия и анизотропия?
Изотропия (от греческого isos – равный, одинаковый и tropos –
поворот, направление) независимость свойств среды от направления.
Анизотропия (от греческого anisos – неравный и tropos –
направление) зависимость свойств вещества от направления.
Введение.
Люди, посвящающие свою жизнь кристаллу, часто воспринимают его
живым. Во всяком случае, они говорят о нём как о живом существе.
Металловеды говорят об усталости металлического кристалла, о его
старении, способности отдыхать, издавать звуки.
Геологи говорят о памяти минерала, о его способности разумно
приспосабливаться к внешним условиям.
Учёные не заблуждаются по поводу умения кристалла толково
рассказывать свою биографию или обнаруживать эмоции, но атмосфера личного
отношения с природой придаёт поиску необходимую для них романтическую
окраску.
Жидким кристаллам не повезло. Хотя их открытие совпало с моментом,
когда закладывался фундамент здания современной физики, но только сейчас,
приподнимая это здание за угол, пытаются поставить жидкие кристаллы на своё
законное место. А их место именно в фундаменте! Ведь за всю историю, с
глубокой древности до наших дней, человеку не удавалось выйти за пределы
трёх понятий, описывающих, казалось бы, все состояния материи: газ, жидкое
и твёрдое тело.
Заслуга великого немецкого учёного заключалась в том, что он
усмотрел главный принцип развития: в единстве и борьбе противоположных
начал. Спустя столетия человек с большим трудом признал, что электрон – это
частица и волна одновременно, что масса и энергия едины, что свойства
кристалла и жидкости могут совместиться в одном веществе – жидком
кристалле.
Вместе с появлением электронных приборов с жидко кристаллическим
табло и циферблатными (часы, калькуляторы, электронные словари и т.д.),
наступил реносанс в физике и химии жидких кристаллов. Активно исследуется
их строение, во всех аспектах изучается тягучесть, создаются новые
вещества, в которых открывается множество необычных явлений, вызванных
действием внешних сил (электрического поля и т.д.)
Наше глубокое убеждение состоит в том, что как в науке о жидких
кристаллах, так и в технических аспектах, связанных с их применением, мы
стоим лишь в начале пути. И камень, случайно выкатившийся из фундамента
физики, будет поставлен на своё место.
2. Признаки жизни кристалла.
Жизнь кристаллов многокрасочна и не всеми красками каждый кристалл
обязан отсвечивать. Иные признаки жизни, вообще говоря, могут и не
обнаруживаться в кристалле по причине простой и очень уважительной: эти
признаки ему не свойственны. Существуют, однако, непременные признаки,
которых не быть в кристалле не может. Во-первых, если кристаллы находятся
при некоторой конечной температуре, составляющие его атомы или молекулы
обязаны совершать тепловые колебания. Лучше скажем так: они обязаны
участвовать в комбинированном колебательном движении всего ансамбля атомом,
образующих кристалл. Интенсивность этого движения растёт с температурой. Во-
вторых, атомы обязаны принимать участие ещё в иных колебания,
интенсивность которых от температуры не зависит. В- третьих, атомы в
кристалле, подчиняясь законам термодинамики, обязаны блуждать по решётке,
иногда меняя временные позиции осёдлости.
Попросту говоря, они обязаны диффундировать. И, в-четвёртых, все электроны,
имеющиеся в кристалле, обязаны непрерывно двигаться.
Люди разгадали те законы природы, которым подчиняются кристаллы,
обнаруживая различные «признаки жизни».
Мы должны восхищаться мудростью и проницательностью людей,
разгадавших эти законы.
2.1. Нулевые колебания.
В начале о термине «нулевые колебания». Речь идет о тех колебаниях
атомов кристаллической решетки, которые происходят тогда, когда температура
кристалла становится равной нулю. Они происходят и при иной, более высокой
температуре, одновременно с обычными, классическими колебаниями, которые
при нулевой температуре замереть. Классические – замирающие, а нулевые или
квантовые, остаются в чистом виде. Они не чувствительны к температуре! Они
неуничтожимы! Они – непременный признак жизни кристалла.
И так, один из неприятных признаков жизни кристалла – нулевые
колебания составляющих его атомов. Нам живущим в мире «нормальных условий»
и «классических» проявлений законов природы, легко воспринять факт
существования тепловых колебаний: более высокая температура колебания
активнее, при определённой температуре колебания могут стать настолько
активными, что кристалл расплавится.
Нулевые колебания себя обнаруживают во многих физических явлениях,
главным образом в так называемых «квантовых кристаллах», у которых
амплитуда нулевых колебаний велика.
Это – кристаллы, для которых характерна малая энергия связи, и
существуют они в области низких температур. Благодаря активным нулевым
колебаниям, эти кристаллы обладают аномальными механическими свойствами. А
недавно физики обнаружили, что в кристаллах изотопов Гелия вблизи,
происходит так называемая «квантовая диффузия», при которой коэффициент
диффузии растёт с понижением температуры. Удивительно? Удивительно, но
факт!
1. Мир кристаллов.
Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим
из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, создам приборы и изделия
из кристаллов; проникаем в тайны строения кристаллов.
Что же такое кристалл?
Кристаллом называется тело, обладающее периодической атомной
молекулярной или ионной структурой.
1.1. Кристаллы льда и снега.
Кристаллы замерзающей воды, то есть лёд и снег, известны всем. Эти
кристаллы почти полгода покрывают необозримые пространства Земли, лежат на
вершинах гор и сползают с них ледниками, плавают айсбергами в океанах.
Ледяной покров реки, массив ледника или айсберга – это, конечно, не один
большой кристалл. Плотная масса льда обычно поликристаллическая, то есть
состоит из множества отдельных кристаллов; их не всегда различишь, потому
что они мелкие и все срослись вместе. Иногда эти кристаллы можно различить
в тающем льду.
Каждый отдельный кристаллик льда, каждая снежинка, хрупка и мала.
Часто говорят, что снег падает, как пух. Но даже это сравнение, можно
сказать, слишком «тяжёлое»: снежинка гораздо легче, чем пушинка. Десяток
тысяч снежинок составляют вес одной копейки. Но, соединяясь в огромных
количествах вместе, снежные кристаллы могут остановить поезд, образовав
снежные завалы.
1.2. Кристаллы в облаках.
Кристаллики льда могут в несколько минут погубить самолёт.
Обледенение – страшный враг самолётов – тоже результат роста кристаллов.
Здесь мы имеем дело с ростом кристаллов из переохлаждённых паров. В
верхних слоях атмосферы , водяные пары или капли воды, могут долго
сохранятся в переохлаждённом состоянии. Переохлаждение в облаках доходит до
- 30 єс.
Но как только в эти переохлаждённые облака врывается летящий
самолет, тотчас же начинается бурная кристаллизация. Мгновенно самолет
оказывается облепленным грудой, быстро растущих кристаллов льда.
4. Заселение кристалла дефектами.
Кристаллы заселён множеством различных дефектов. Дефекты как бы
оживляют кристалл. Благодаря наличию дефектов, кристалл обнаруживает
«память» о событиях, участником которых он стал или когда был, дефекты
помогают кристаллу «приспосабливаться» к окружающей среде.
Дефекты качественно меняют свойства кристаллов. Даже в очень малых
количествах, дефекты сильно влияют на те физические свойства, которые
совсем или почти отсутствуют в идеальном кристалле, являясь, как правило,
«энергетически выгодными», дефекты создают вокруг себя области повышенной
физико-химической активности.
1. Решеточные дефекты:
Решеточные дефекты подразделяются на вакансии, атомы внедрения и
примесные атомы.
Вакансией называется незанятый частицей узел кристаллической
структуры. Если пустой узел образуется в результате удаления частицы из
объёма кристалла на его поверхность, то вакансия называется - дефектом по
Шоттки.
Дефекты по Шоттки снижают плотность вещества в кристалле.
Они чаще встречаются в кристаллах с достаточно плотной упаковкой
частиц близких размеров. В этих случаях в междоузлиях кристаллической
структуры нет места для лишних частиц.
Если частица перемещается из узла в междоузлие, то такое нарушение
правильности решётки называется дефектом по Френкелю.
Дефекты по Френкелю на величину плотности практически не влияют.
Дефекты по Френкелю, наоборот, свойственны кристаллам с неплотными
упаковками и частицами по своим размерам.
2. Одномерные дефекты:
Одномерные дефекты кристаллической решетки называются дислокациями.
Дислокации нарушают правильное чередование кристаллических плоскостей.
Во многих кристаллах, особенно металлических, дислокации
сравнительно легко перемещаются и размножаются.
3. Двумерные дефекты:
Двумерные дефекты образуются границами кристалла. Границы нарушают
периодичность строения кристалла. Одним из важных дефектов кристаллической
структуры, является внешняя поверхность твердых тел. Во-первых, именно
через поверхность кристалл взаимодействует со своим окружением.
Во-вторых, частицы на поверхности связаны с решеткой значительно
слабее, чем частицы, находящиеся в объёме.
5. Жидкие кристаллы и ультразвук.
До сих пор мы рассматривали не свойства жидких кристаллов, которые
сегодня нашли воплощение в технических устройствах. Однако, как не
эффективны сегодняшние применения холестеринов, нематиков, смектиков,
перспективы их использования ещё более удивительны. Многообразие
мезоморфного состояния вещества позволяет предположить, что жидкие
кристаллы завтра вторгнутся в самые различные области деятельности
человека. Сейчас мы кратко рассмотрим, как взаимодействуют между собой
ультразвук и жидкие кристаллы.
Попадающая на жидкий кристалл звуковая волна, приводит к изменению
направления де ректора, что в свою очередь изменяет оптические свойства.
Это означает, что жидкие кристаллы способны делать видимые звуковые
колебания. Эти колебания создают периодические сдвиговые деформации слоя
жидкого тематического кристалла, меняя интенсивность проходящего
паиризованного света.
Жидкий кристалл отделяет ещё одно интересное применение. Медики и
физики уже давно изыскивают возможности наблюдения внутренних органов
человека, не подвергая его действию рентгеновского излучения.
Идея замены рентгеновского излучения ультразвуком возникла довольно
давно. Идея заманчива, ведь ультразвук для человеческого организма
совершенно безвреден. Однако, всё упиралось в трудности с регистрацией
ультразвукового потока, прошедшего тела пациента. И вот тут жидкие
кристаллы робко предложили свою помощь. Жидкие смектические кристаллы
оказались чувствительными к ультразвуку. При этом как уже отмечали,
нарушается молекулярная упаковка смектика, и оптическая картина этих
нарушений позволяет судить о состоянии внутренних органов человека.
Исследования, которые позволят увеличить чувствительность смектиков
к ультразвуку, только начинаются.
6. Заключение.
Повествование о живом и не умирающем не может быть завершено, его
можно лишь оборвать. Именно это я и вынуждена сделать, рассказав о «живом
жидком кристалле» лишь малую толику из того, что о нём известно.
Я попыталась рассказать о том, что такое кристаллы, каковы их
свойства, возможные применения.
Жидкие кристаллы, ещё далеко, далеко не распознаны. Нет пока
теории, которая бы смогла учить и объяснять все макроскопические свойства.
Ещё не все аналоги твердых кристаллических эфектов в жидких кристаллах
обнаружены.
Биологи только нащупывают подходы к изучению
жидкокристаллического состояния биологических объектов. Словом «белых
пятен» на кристаллической копии пока больше, чем исследованных. Эти «белые
пятна» ждут своих первооткрывателей.
В развитии каждой отрасли науки, если периоды открытий, забвений,
взлета не является исключением наука о кристаллах. И если период забвения
закончился, то взлёта кристаллы, видимо, не достигли. Если вначале взлёта
присутствовали элементы восторга, бума, то теперь пришло время оглянуться и
поразмыслить.
| |
