План уроку
1.Рідкі кристали та їх фізичні властивості
2.Класифікація рідких кристалів
3.Застосування рідких кристалів
4.Полімери та їх особливості
5.Класифікація полімерів
6.Застосування рідких полімерів
1.Рідкі кристали та їх фізичні властивості
Рідкі кристали — особливий стан деяких органічних речовин, у якому вони мають плинність і властивість утворювати просторові структури, подібні до кристалічних.
Рідкі кристали утворюються в речовинах з довгастою формою молекул, взаємна орієнтація яких зумовлює анізотропію їх фізичних властивостей.
Рідкі кристали дуже чутливі до зміни зовнішніх умов.
Володіючи чудовими діелектричними властивостями, рідкі кристали утворюють внутрішньоклітинні гетерогенні поверхні. Вони регулюють взаємодію між клітиною і зовнішнім середовищем, а також між окремими клітинами і тканинами, повідомляють необхідну інертність складовим частинам клітини, захищаючи її від ферментативного впливу. Таким чином, встановлення закономірностей поведінки рідких кристалів відкриває нові перспективи в розвитку молекулярної біології.
Речовини, молекули яких за певних умов здатні утворювати рідкокристалічні фази, називаються мезогенами.
2.Класифікація рідких кристалів
Залежно від способу утворення мезофаз рідкі кристали поділяються на ліотропні та термотропні. Ліотропні рідкі кристали проявляють властивості мезофаз за певних концентрацій мезогену у розчиннику, в той час як термотропні рідкі кристали є мезофазами в певних температурних межах. Останні, у свою чергу, поділяються залежно від способу впорядкування молекул (з огляду на симетрію) на нематичні рідкі кристали (нематики) та смектичні рідкі кристали (смектики). Нематики, молекули яких мають видовжену стрижнеподібну форму, характеризуються дальнім орієнтаційним порядком, проте не мають дальнього трансляційного порядку. Тобто існує певний переважний напрям орієнтації довгих осей молекул нематика, який характеризується одиничним вектором і називається директором. Смектична мезофаза відрізняється від нематичної наявністю дальнього трансляційного порядку. Таким чином, молекули смектиків розміщуються шарами.
Холестеричні рідкі кристали (холестерики) складаються з оптично активних молекул, тобто несиметричних молекул із хіральністю. Холестеричні рідкі кристали характеризуються далеким порядком в одному напрямі, в якому директор є періодичною функцією. Період зміни напряму директора називається кроком спіралі. Оскільки крок спіралі холестеричних рідких кристалів залежить від температури, вони міняють колір при нагріванні чи охолодженні.
3.Застосування рідких кристалів
Найпопулярніше поле для використання рідких кристалів — рідкокристалічні дисплеї. Принцип дії таких пристроїв заснований на ефекті електричного переходу Фредерікса — переорієнтації молекул рідкого кристалу в комірці за наявності прикладеної до цієї комірки напруги.
Крім цього, рідкі кристали застосовують під час виготовлення термодавачів, детекторів НВЧ-випромінювання тощо.
4.Полімери та їх особливості
Полімери — здебільшого аморфні речовини. Довгі ланцюжки та велика молекулярна маса не дозволяють полімерам переходити до рідкого стану (швидше настає хімічний розпад). Проте у разі підвищення температури з полімерами відбуваються зміни — вони розм’якають і стають дуже пластичними. Температура переходу від крихкого стану до пластичного називається температурою склування. Температура склування не є чітко визначеною температурою фазового переходу, а радше вказує на температурний діапазон, у якому відбуваються зміни. За низьких температур полімери є досить крихкими матеріалами.
Структурні елементи полімерів — макромолекули. Структура макромолекули — це складне поняття, яке включає хімічну будову, довжину і розподіл за довжинами та молекулярними масами, просторове розташування ланок, форму макромолекули. Знання основних параметрів структури дає можливість її регулювати і впливати на властивості.
Розглядаючи структури полімеру, потрібно враховувати:
• будову кінцевих груп, які відрізняються від будови основної ланки, яка повторюється (це суттєво для олігомерів);
• неоднорідність хімічного складу (результат побічних реакцій під час утворення);
• неоднорідність за числом складових ланок, обумовлену статистичним характером протікання реакцій утворення;
• різне просторове розміщення ланок у макромолекулі;
• надмолекулярну структуру.
Хімічна будова складової ланки характеризує хімічну будову макромолекули.
5.Класифікація полімерів
В основу класифікації полімерів закладені різні ознаки: походження, склад, методи утворення, структура, галузі використання. Так, за походженням полімери поділяються на:
• природні або натуральні, до яких належить велика група (білки, крохмаль, целюлоза, натуральний каучук, природний графіт та ін.);
• синтетичні — утворені синтезом з низькомолекулярних речовин — мономерів (поліетилен з етилену, полістирол із стиролу). Це провідна група, тому що синтез дозволяє цілеспрямовано регулювати склад і властивості;
• штучні — утворюються з природних полімерів шляхом їх хімічної модифікації (наприклад, під час взаємодії целюлози з азотною кислотою утворюється нітроцелюлоза).
Незалежно від виду та складу вихідних речовин і способів одержання матеріали на основі полімерів можна класифікувати в такий спосіб: пластмаси, волокніти, шаруваті пластики, покриття, клеї.
Залежно від хімічної будови полімери поділяються на:
• органічні — головний ланцюг містить атоми С, О, N, S. У бокові групи можуть входити Н, галогени, які безпосередньо з’єднані з Карбоном, або атоми інших елементів, безпосередньо не з’єднані з Карбоном головного ланцюга;
• неорганічні — складаються з неорганічних атомів і не містять органічних бокових радикалів; елементоорганічні — їх макромолекули поряд з атомами Карбону містять неорганічні фрагменти. За складом головних ланцюгів їх поділяють:
• з’єднання з неорганічними ланцюгами, обрамлені боковими органічними групами;
• з’єднання, в головному ланцюгу яких знаходяться атоми Карбону, а бокові групи містять будь-які інші атоми за винятком азоту, сірки, кисню і галогенів, з’єднаних безпосередньо з атомами Карбону;
• з’єднання з органо-неорганічними ланцюгами.
За структурою молекулярних ланцюгів залежно від густоти сітки розрізняють: рідко-сітчасті (сітчасті) полімери, які мають пружність (м’які гуми); густосітчасті (просторові) полімери — характерні властивості твердість, підвищена теплостійкість, нерозчинність іноді крихкість (смоли). Просторові полімери лежать в основі створення конструкційних неметалевих матеріалів. До сітчастих належать пластинчасті, які мають площинну двомірну будову (наприклад, графіт).
За будовою, тобто формою, макромолекули полімерів поділяються на: лінійні, розгалужені, стрічкові (драбинкові) і просторові (тримірні).
6.Застосування рідких полімерів
Полімерні матеріали мають комплекс характеристик, які в разі умілого їх використання забезпечують ефективні експлуатаційні властивості виробів та рентабельність їх виробництва. До основних переваг полімерів відносять:
• високу технологічність, завдяки якій з виробничого циклу можна вилучити трудомісткі та коштовні операції механічної обробки виробів;
• мінімальну енергомісткість, обумовлену тим, що температура переробки цих матеріалів складає, як правило, 150-250 °С, що значно нижче ніж у металів та кераміки;
• можливість отримання за один цикл формування відразу декілька виробів, у тому числі складної конфігурації, а під час виробництва погонажних виробів вести процес на великих швидкостях;
• автоматизацію практично всіх процесів переробки.
Домашнє завдання
1. Кінці сталевого стрижня перетином S = 2,0 см2 міцно закріплені при температурі t1= 15°С. З якою силою F стержень буде діяти на опори, якщо його нагріти до t2 = 150°C?
2. Залізобетонна колона стискається силою F. Яка частина навантаження припадає на залізо, якщо площа поперечного перерізу заліза S становить 1/20 площі поперечного перерізу бетону Sб, а модуль пружності бетону Еб складає 1/10 модуля пружності заліза Ез.
Тема 6: Основи термодинаміки
Тема уроку: Внутрішня енергія тіл. Два способи зміни внутрішньої енергії