Рідкі кристали. Полімери

2-й семестр

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА Й ТЕРМОДИНАМІКА

1. Властивості газів, рідин, твердих тіл

Урок 16/87

Тема. Рідкі кристали. Полімери

Мета уроку: познайомити учнів з властивостями рідких кристалів і полімерів, розповісти про їх застосуваннях

Тип уроку: вивчення нового матеріалу

План уроку

Контроль знань	4 хв.	1. Будова і властивість твердих тіл. 2. Кристалічні тіла. 3. Аморфні тіла.
Демонстрації	8 хв.	1. Відео-фрагменти “Рідкі кристали та їх застосування”. 2. Відео-фрагменти “Полімери”.
Вивчення нового матеріалу	25 хв.	1. Рідкі кристали. 2. Полімери. 3. Молекулярну будову живих організмів.
Закріплення вивченого матеріалу	8 хв.	Контрольні запитання.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Рідкі кристали

Рідкокристалічним станом речовини називається такий стан, властивості якого є проміжними між властивостями твердого кристалу й рідини. Агрегатні стани речовин поділяються на три види: тверде, рідке й газоподібне,

проте такий розподіл не відображає внутрішню будову речовини, ступінь упорядкованості її частинок. Деякі речовини (скло, смоли) мають властивості характерні і для твердих, і для дуже в’язких переохолоджених рідин. Зокрема, деякі органічні матеріали переходять з твердого стану в рідкий, випробовуючи ряд переходів, включаючи виникнення нової фази, яку називають рідкокристалічним станом (рідким кристалом).

Уперше утворення нової незвичайної фази було помічено австрійським ботаніком Рейнітцером у 1888 році, коли він визначав властивості отриманої ним нової органічної речовини – холестерілбензоата. Однак холестерілбензоат не унікальна речовина. Було знайдено ще багато схожих речовин, після чого було запропоновано дати їм назву “рідкі кристали (РК)”.

O 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. Наприклад, навіть під час незначної зміни температури, тиску, електричного або магнітного полів вони можуть змінювати колір.

Ця властивість рідких кристалів використовується в різних приладах, наприклад, у рідкокристалічних медичних термометрах. Особливо широко застосовуються рідкі кристали у виготовленні дисплеїв – від годинника і мобільних телефонів до комп’ютерів і телевізорів.

Всі форми життя, так чи інакше, пов’язані з діяльністю живої клітини, багато структурних ланок яких схожі на структуру рідких кристалів. 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.

2. Полімери

Полімери (від грец. polymeres – що складається з багатьох частин) – хімічні сполуки з високою молекулярною масою (від декількох тисяч до багатьох мільйонів), молекули яких складаються з великого числа повторюваних груп (моно-мірних ланок). За походженням полімери діляться на природні (біополімери), наприклад білки, нуклеїнові кислоти, смоли природні, і синтетичні, наприклад поліетилен, поліпропілен, феноло-формальдегідні смоли.

Природні (біополімери) утворюються в результаті життєдіяльності рослин і тварин й утримуються в деревині, вовні, шкірі. Це протеїн, целюлоза, крохмаль, лігнін, латекс. Вони можуть бути виділені з рослинної і тваринної сировини.

Зазвичай природні полімери піддаються операціям виділення, очищення, модифікації, коли структура основних ланцюгів залишається незмінною. Продуктом такої переробки є штучні полімери. Прикладами є латекс, що виготовляється з натурального каучуку; целулоїд, що представляє собою нітроцелюлозу, пластифіковану камфорою для підвищення еластичності.

Особливі механічні властивості полімерів:

– еластичність – здатність до високих зворотних деформацій при відносно невеликому навантаженні (каучук);

– слабка крихкість склоподібного й кристалічних полімерів (пластмаса, органічне скло);

– здатність макромолекул до орієнтації під дією спрямованого механічного поля (використовується у виготовленні волокон і плівок).

Особливості розчинів полімерів:

– висока в’язкість розчину при малій концентрації полімеру;

– розчинення полімеру відбувається через стадію набухання.

Особливі хімічні властивості:

– здатність різко змінювати свої фізико-механічні властивості під дією малих кількостей реагенту (вулканізація каучуку і т. п.). Особливі властивості полімерів пояснюються не тільки великою молекулярною масою, а й тим, що макромолекули мають ланцюгову будову і володіють унікальною для неживої природи властивістю – гнучкістю.

Природні і штучні полімери відіграли велику роль в сучасній техніці, а в деяких областях залишаються незамінними і дотепер, наприклад, в целюлозно-паперовій промисловості. На основі полімерів виготовляють гуму, волокно, пластмасу, плівку та лакофарбові покриття. Всесвітньо відомим науковим центром дослідження та розробки полімерних матеріалів для багатьох галузей промисловості є Інститут хімії високомолекулярних сполук Національної Академії наук України (Київ).

3. Молекулярна будова живих організмів

Всі живі організми мають клітинну будову, за винятком вірусів. Це одиниця будови всіх живих організмів. На клітинному рівні здійснюється перетворення речовин і енергії та передача інформації.

До складу всіх біосистем, що знаходяться вище молекулярного рівня, входять певні органічні речовини, деякі неорганічні сполуки, а також велика кількість води. Упорядкованість клітини проявляється в тому, що для неї характерний певний набір клітинних компонентів.

Наприклад, молекули нуклеїнових кислот, які несуть спадкову інформацію, містять мільйони атомів, розташованих у певному порядку. Ці молекули утворюють подвійні спіралі у вигляді дуже довгих ланцюгів. Так, загальна довжина всіх молекул нуклеїнових кислот, які містяться в організмі однієї людини, більше, ніж у 100 разів перевищує відстань від Землі до Сонця.

Злагоджене функціонування біологічних молекул не може пояснюватися в тій системі, у якій пояснюються речовини неживої матерії. Однак фізика і біологія були покладені в основу появи нової науки – біофізики. Ця наука вивчає будову живих організмів, використовуючи методи досліджень, як фізики, так і біології (а також інших наук, наприклад, хімії та інформатики).

Питання до учнів під час викладення нового матеріалу

1. Який стан речовини називають рідкокристалічним?

2. Які головні особливості рідких кристалів?

3. Наведіть приклади застосування рідких кристалів у техніці.

4. Яка головна особливість будови полімерів?

5. Що таке пластмаси? Які їх властивості?

ЗАКРІПЛЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Контрольні запитання

1. Яку роль відіграють рідкі кристали в організмі людини?

2. Які особливості молекулярної будови живих організмів?

3. У чому полягають основні властивості полімерів?

4. Чим відрізняються природні полімери від синтетичних?

5. Як використовуються полімери в медицині?

Що ми дізнались на уроці

– Речовини, що поєднують властивості рідин і кристалів, називаються рідкими кристалами.

– Речовини, що складаються з дуже великої кількості однакових або різних за будовою атомних груп, а також чергуються, складовими ланками, з’єднаними між собою хімічним зв’язком в довгі лінійні, розгалужені і навіть просторові тривимірні структури, називають полімерами.

Домашнє завдання

1. Конспект.

2. Дайте відповідь на питання.

– Як можна змінювати властивості рідких кристалів?

– Які основні переваги рідкокристалічних екранів?

– Які, відомі вам, речовини є полімерами?

– Як використовуються полімери в науці й техніці?