Кристалл и стекло: что у них внутри?
Оба тела твёрдые. Оба сохраняют форму и объём. Но частицы внутри них расположены совершенно по-разному — и именно из этого следуют почти все различия в их свойствах.
Загляни внутрьДва образца
Слева кристалл поваренной соли, справа кусок оконного стекла. Нажми кнопку — и вместо предметов появятся модели их частиц.
Образец 1
Образец 2
Пока перед тобой обычный вид. Как думаешь, чем эти тела различаются внутри?
Какое различие ты замечаешь в моделях?
Главный вывод урока. Различие скрыто не во внешнем виде тела, а в расположении его частиц. Дальше мы разберёмся, чем именно один порядок отличается от другого.
Кристалл
Что значит «упорядоченно»?
Начнём с беспорядка. Перед тобой набор частиц, разбросанных как попало. Нажми «Навести порядок» — и посмотри, что изменится.
От беспорядка к решёткеПострой структуру
Сначала расставь частицы случайно, потом наведи порядок. В конце обязательно нажми «Оживить решётку».
Беспорядочное расположение
Даже в кристалле частицы не стоят на месте. Они совершают тепловые колебания около устойчивых положений — именно поэтому кнопка называется «оживить», а не «запустить движение с нуля».
Кристаллическое тело — твёрдое тело, в котором частицы расположены не случайно: их расположение регулярно повторяется в пространстве.
Кристаллическая решётка — удобный способ изобразить этот порядок. Её узлы показывают характерные положения, около которых колеблются частицы.
Кристаллическая решётка — удобный способ изобразить этот порядок. Её узлы показывают характерные положения, около которых колеблются частицы.
Про модель. Линии на схеме решётки — это не «палочки» и не сетка между атомами. Они нарисованы только для того, чтобы было видно закономерность в расположении узлов.
Продолжи структуру
Первая ячейка уже собрана. Нажимай на подсвеченные места — и достраивай узор. Как только соберёшь несколько ячеек подряд, модель продолжит его сама.
Построй кристаллДостраивай узор
Нажимай на пустые узлы — туда встанут частицы. Порядок должен повторяться: каждая новая ячейка такая же, как первая.
Собрано ячеек: 1
Нажимай на светлые узлы, чтобы поставить туда частицу.
Дальний порядок. Если посмотреть на далёкие друг от друга участки кристалла, мы всё равно обнаружим одну и ту же закономерность в расположении частиц. Такой порядок и называют дальним.
Аморфное тело
А если порядка нет?
Возьмём ту же область и то же количество частиц. Расположим их близко друг к другу, дадим им взаимодействовать и колебаться — но не будем выстраивать в повторяющуюся решётку.
Тело всё равно останется твёрдым: оно сохранит форму и объём. Но дальнего порядка в нём не будет.
Аморфное тело — твёрдое тело, частицы которого расположены близко друг к другу и взаимодействуют, но их расположение не образует правильной повторяющейся структуры на больших расстояниях.
Примеры: стекло, многие пластмассы, смолы, некоторые виды воска.
Кристалл и аморфное тело под микроскопомГлавный интерактив
Двигай рамку увеличения по обоим образцам и меняй масштаб наблюдения. Следи, повторяется ли картина при переходе на далёкий участок.
несколько частицсотни частиц
Образец 1
под рамкой
Образец 2
под рамкой
Обрати внимание. На маленьком участке различие почти не заметно: и там, и там частицы просто лежат рядом. Разница проявляется, когда область наблюдения становится большой, — вот почему порядок называют дальним.
Почему одного маленького участка недостаточно, чтобы говорить о дальнем порядке?
Разрушь порядокПолзунок беспорядка
Начни с идеального кристалла и постепенно увеличивай беспорядок. Найди момент, когда дальний порядок исчезает.
идеальный кристалламорфное тело
Идеальный порядок
Зачем это нужно. Кристалл определяется не красивой внешней формой предмета, а внутренним порядком. Модель показывает именно этот порядок — количественно моделировать превращение вещества она не пытается.
Почему кристаллы бывают такой правильной формы?Вырасти кристалл
Добавляй частицы. Каждая новая пристраивается к структуре в определённых местах — посмотри, что получится с формой.
Частиц: 4
Важная оговорка. Внутренний порядок может проявиться и во внешней форме свободно выросшего кристалла. Но не каждый кусок кристаллического вещества выглядит снаружи как красивый кристалл: обычный кусок металла тоже имеет кристаллическое строение.
Один или много
Монокристалл и поликристалл
Иногда всё тело — это один сплошной упорядоченный кристалл. Такое тело называют монокристаллом. Но гораздо чаще твёрдое тело состоит из множества мелких кристаллов, сросшихся друг с другом, — это поликристалл.
Увеличить металлМакро и микро
Обычный кусок металла выглядит однородным. Увеличивай его — и посмотри, из чего он на самом деле состоит.
Обычный вид
Многие металлы вокруг нас — поликристаллические: они состоят из огромного количества маленьких кристаллов. Внутри каждого зерна порядок есть, но направления решёток у разных зёрен различаются.
Нагревание
Что будет, если нагреть?
Самое заметное различие между кристаллом и аморфным телом обнаруживается при нагревании. Нагреем оба образца одним ползунком и будем следить сразу за двумя моделями.
Как думаешь, оба тела расплавятся одинаково?
Температурная гонкаДва образца, один ползунок
Медленно повышай температуру и следи за обеими моделями и полосами состояния под ними.
холодногорячо
Кристалл
Аморфное тело
Про модель. Речь идёт о чистом кристаллическом веществе при обычных условиях. Шкала температуры условная — важно не число, а характер перехода.
Закончи выводы
1. Для чистого кристаллического вещества характерна ________ температура плавления.
2. Аморфное тело при нагревании обычно ________.
Почему так. В кристалле все частицы связаны одинаково — и порядок разрушается сразу во всём объёме при одной температуре. В аморфном теле окружение у разных частиц разное: одни получают свободу раньше, другие позже, поэтому тело размягчается в интервале температур.
Направление
Имеет ли значение направление?
Возьмём монокристалл и пропустим через него тепло — сначала в одну сторону, потом в другую. Ряды частиц расположены относительно этих направлений по-разному. Посмотрим, скажется ли это на результате.
Проверь направлениеМонокристалл
Выбирай направление и запускай прогрев. Смотри, за какое время тепло доходит до противоположного края.
Направление A
Выбери направление и запусти прогрев.
Ты увидел, что по одному направлению тепло прошло быстрее, чем по другому. Причина в том, что ряды частиц расположены относительно этих направлений по-разному.
Анизотропия — зависимость физических свойств кристалла от направления.
Без преувеличений. Это не значит, что абсолютно все свойства всех кристаллов резко различаются во всех направлениях. Достаточно понимать: у монокристалла некоторые свойства могут зависеть от направления.
Почему у обычного металла это незаметно?
Вернёмся к поликристаллу. Он состоит из множества зёрен, и решётки в них ориентированы случайно — кто куда. Поэтому направленные особенности отдельных кристаллов во многих случаях усредняются, и кусок металла ведёт себя примерно одинаково во всех направлениях.
Кристалл или аморфное?5 случаев
Определяй строение не по внешнему виду предмета, а по модели расположения частиц и поведению при нагревании.
Разобрано случаев: 0 из 5.
Главное правило. Внешняя форма предмета сама по себе не определяет его внутреннее строение. Красивая стеклянная фигурка остаётся аморфной, а невзрачный кусок металла — кристаллическим.
Не путай
Пять частых ошибок
Нажми на карточку, чтобы увидеть, как правильно.
✕Кристалл — это обязательно красивый прозрачный камень с гранями
Как правильно. Кристаллическими являются многие совершенно обычные вещества: поваренная соль, сахар, лёд, большинство металлов. Красивая огранка — не признак, а иногда следствие свободного роста кристалла.
✕В аморфном теле частицы расположены далеко друг от друга
Как правильно. Аморфное тело твёрдое, значит частицы в нём расположены близко — примерно так же плотно, как в кристалле. Отличие в другом: нет дальнего порядка. Модель с большими промежутками описывала бы газ, а не стекло.
✕В кристалле атомы вообще не двигаются
Как правильно. Частицы кристалла совершают тепловые колебания около устойчивых положений. Узлы решётки — это положения, около которых происходят колебания, а не гвозди, которыми частицы прибиты.
✕Стекло — это очень медленно текущая жидкость
Как правильно. Это распространённый миф. Обычное стекло при комнатной температуре рассматривают как аморфное твёрдое тело: оно не течёт как жидкость на человеческих временных масштабах. Утолщения внизу старинных оконных стёкол объясняются тем, как эти стёкла изготавливали и вставляли, а не течением.
✕В аморфном теле нет вообще никакого порядка
Как правильно. На малых расстояниях расположение ближайших соседей не полностью случайно: у каждой частицы есть примерно одинаковое число соседей примерно на одинаковом расстоянии. Главное отличие от кристалла — отсутствие дальнего повторяющегося порядка.
Виртуальная лаборатория
Исследуй неизвестное твёрдое тело
Три образца, названия скрыты. У тебя три инструмента: заглянуть внутрь, нагреть и проверить направление. Проведи исследование, сделай вывод — и обязательно укажи, на чём он основан.
Исследовано образцов: 0 из 3.
Итог
Что мы выяснили
Кристаллические тела
- частицы образуют упорядоченную структуру
- существует дальний порядок
- для чистого вещества характерна определённая температура плавления
- свойства монокристалла могут зависеть от направления
- бывают монокристаллы и поликристаллы
Примеры: поваренная соль, лёд, кварц, большинство металлов.
Аморфные тела
- дальнего повторяющегося порядка нет
- частицы всё равно расположены близко друг к другу
- тело сохраняет форму — оно твёрдое
- при нагревании обычно постепенно размягчается
- одной строго определённой температуры плавления нет
Примеры: стекло, многие пластмассы, смолы, воск.
Финальная проверка
Десять заданий
Проверяем не запоминание определений, а умение читать модель и объяснять поведение вещества. После каждого ответа — разбор.
Задание 1Определи строение
Перед тобой модель расположения частиц. Какое это тело?
Задание 2Дальний порядок
На небольшом участке аморфного тела частицы выглядят почти упорядоченно. Значит ли это, что в нём есть дальний порядок?
Задание 3Продолжи решётку
Слева — фрагмент кристаллической решётки. Какое продолжение правильное?
Задание 4Поведение при нагревании
Два вещества нагревают. Вещество A остаётся твёрдым до 801 °C, а затем начинает плавиться. Вещество B постепенно становится мягче в широком диапазоне температур. Какое из них с большей вероятностью кристаллическое?
Задание 5Найди неправильную модель
Три модели должны изображать аморфное твёрдое тело. Одна нарисована неверно. Какая?
Задание 6Выбери объяснение
Почему у кристаллического вещества есть определённая температура плавления, а у аморфного нет?
Задание 7Сравни
Что общего у кристалла и аморфного тела?
Задание 8Моно или поли
Модель показывает несколько областей, внутри каждой порядок есть, но направления решёток разные. Что это?
Задание 9Анизотропия
Почему у обычного куска металла свойства почти не зависят от направления, хотя металл кристаллический?
Задание 10Разбери заблуждение
«Стекло — это жидкость, просто очень медленная». Что здесь неверно?
Результат
Как ты понял тему
Строение и порядок0/5
Плавление и размягчение0/3
Зёрна и направление0/2
Ответь на задания — здесь появится разбор по направлениям.
Главное различие скрыто внутриФинал
Кристалл соли
Стекло
Снаружи это просто два твёрдых предмета. Убери внешний вид — и останется главное.
Кристалл → дальний порядок есть. Аморфное тело → дальнего порядка нет. Чтобы понять свойства вещества, физик смотрит не только на то, как тело выглядит снаружи, но и на то, как оно устроено внутри.