Pevné skupenství. teplo se nešíří prouděním

Transkript

1 Pevné skupenství

2 Pevné skupenství stálé atraktivní interakce mezisousednímimolekulami, skoro žádná translace atomů těsné seskupení částic bez volné pohyblivosti ( /cm 2, vzdálenosti 10-1 nm) atomy kmitají kolem rovnovážných poloh zachovávají tvar a objem (bez působení vnější síly) sklo, asfalt teplo se nešíří prouděním

3 Pevné skupenství Deformace pevných těles průžná (elastická) návrat do původního stavu po odeznění působení sil. Po dosažení kritické hodnoty deformace stála. tvárná (plastická) těleso zůstává v novém tvaru i po odeznění působení sil tah, ohyb, smyk, kroucení Vliv teploty a tlaku

4 Pevné skupenství Teplota tání teplota, kterou je potřeba dodat, aby látka přešla do kapalného skupenství kinetická energie je závislá na teplotě při zvětšení E k částice kmitají rychleji E k je větší než soudržné síly a látka taje kontrola čistoty pevných látek teplota tání zavisí na tlaku

5 Pevné skupenství Krystalizace Různé podmínky (tlak, teplota, složení roztoku) = rozdílné krystaly Kondenzací páry, tuhnutí kapaliny, růst krystalů v pevné fázi (jednokomponentní systém) Odpařováním nebo ochlazováním nasyceného roztoku, chemické srážení,...(vícekomponentní systém)

6 Pevné skupenství Sublimace přechod z pevného do plynného skupenství k sublimaci dochází pokud při zahřívání dosáhne tenze páry atmosférického tlakuaniž by prošla kapalným skupenstvím podmínkou jsou slabé intermolekulární vazby

7 Pevné skupenství Uspořádanost Krystalický stav uspořádané seskupení molekul (částic) pravidelné rozmístění rovnovážných poloh atomů obvykle energeticky výhodnější než amorfní stav Amorfní stav (beztvarý) náhodné, neuspořádané seskupení molekul nepravidelné, neperiodocké rozložení rovnovážných poloh atomů sklo, opál, vosk

8 Krystalický stav základní pojem krystal krystalové plochy přirozené rovinné plochy omezujícíkrystal (historický pohled z vnějšku) tvar krystalu odraz pravidelného uspořádání jeho základních stavebních částic (molekul, atomů, iontů) charakteristika vnitřní struktury (moderní pohled) Krystalografie nauka o krystalech (fyzikální, morfologická, chemická, strukturní)

9 Krystalický stav Krystal pravidelné uspořádání (periodicita 3D struktury) každá pevná látka vykazující nespojitý difrakční obrazec (bodový) homogenní anizotropní diskontinuum se zákonitou a periodicky se opakující vnitřní stavbou ostrý bod tání definované složení a vlastnosti homogennost fyzikální veličiny v každém objemovém elementu krystalujsou konstantní anizotropie závislost některých fyzikálních vlastností na směru (tvrdost, tepelná a elektrická vodivost, ) orientaci krystalu

10 Krystal kovalentní krystal křemen, diamant iontový krystal NaCl, KBr, CsF... molekulový krystal organické látky (nízkomolekulární) kovový krystal kationty jsou uspořádány do krystalové mřížky, elektrony jsou pro celou mřížku společné (elektronový plyn)

11 Krystalický stav Krystalická látka pevná látka charakteristickou vnitřní stavbou není podstatná existence vnějších krystalových ploch (klíčová je vnitřní struktura nikoli vnější vzhled)

12 Krystalický stav Ideální krystal nekonečný (nekonečná mřížka), pravidelný, bez poruch mřížka definovaná třemi translačními vektory Dokonalý krystal konečné rozměry, dokonalá vnitřní stavba krystaly vypěstované ve stavu bez tíže Reálný krystal konečné rozměry poruchy četnost a pohyb poruch

13 Reálný krystal Poruchy bodové (OD bezrozměrné) čarové (1D jednorozměrné) plošné (2D dvourozměrné) objemové (3D - trojrozměrné)

14 Reálný krystal Bodové poruchy vliv na mechanické, optické a elektrické vlastnosti vakance příměsi (cizí atomy) intersticiální polohy částic Vakance uzly mřížky, které nejsou obsazeny atomy množství roste s teplotou deformují své bezprostřední okolí v mřížce (dochází ke zpevnění)

15 Reálný krystal Příměsi (substituční atomy) atomy v mřížce jsou nahrazeny jiným prvkem okolní atomy jsou ovlivněny napěťovým polem

16 Reálný krystal Intersticiální atomy atomy umístěny v meziuzlových protorách mřížky v kovových mřížkách jen atomy nekovů (C, N, O, B a H) dochází k deformaci bezprostředního okolí (dochází k většímu zpevnění než u vakance)

17 Reálné krystaly Bodovéporuchy Iontové krystaly Schottkyho defekt chybějící atom se pohybuje směrem k okraji krystalu Frenkelovův defekt chybějící atom se posouvá do prostoru meziatomy (intersticiální pozice) ovlivňují např. rychlost difúze, kdy při vyšších teplotách mohou některé iontové krystaly vykazovat elektrickou vodivost

18 Reálný krystal Čarové poruchy (dislokace) vznikají přesunutím určitého množství atomů při skluzovém pohybu vzhledem k vrtsvě sousední dislokace hranice meziuskutečněným a neuskutečněným skluzem v krystalu vyvolává plastickou deformaci mřížky a zůsobuje napěťové pole okolo dislokace dislokace je schopná se pohybovat krystalovou mřížkou (skluzem ve skluzné rovině pokud dojde k překročení určité mezní hodnoty skluzového napětí v rovině a směru skluzu) definována pomocí Burgersova vektoru (velikost a orientace relativního posunutí dvou částí krystalu)

19 Reálný krystal Čarové poruchy hranové šroubové smíšené

20 Reálné krystaly Hranová dislokace vložení další mřížové roviny (dislokační roviny) vliv na mechanické vlastnosti (skluz rovin)

21 Reálné krystaly Šroubová dislokace mřížka je rozdělena a posunuta o jednu atomovou rovinu Smíšená dislokace

22 Krystalické látky trojrozměrně periodická atomová struktura v celém krystalu nebo v části krystalu o rozměrech větších než 10 µm (dalekodosahové uspořádání) Monokrystaly všechny částice v jedné krystalické struktuře, která není přerušená, rozložení částic se periodicky opakuje v celém krystalu (celém objemu pevné látky) celý monokrystal mápravidelný geometrický tvar

23 Krystalické látky polykrystaly složeny z velkého počtu drobných krystalků (zrna s rozměrem 10 µm až mm). Částice uvnitř zrn opakující se struktura. Zrna uspořádána nahodile, vzájemná poloha je neuspořádaná. Navenek izotropní. nanokrystalické látky (nanodiamant, nanokrystalické polovodiče CdS, CdSe, nanoferroelektronika) kovy

24 Krystalické látky Látky v různých modifikacích různé vnitřní struktuře polymorfismus různé krystalické modifikace jedné látky Uhlík saze (amorfní) diamant (kubická plošně centrovaná mřížka) grafit (hexagonální) ZrO 2 tetragonální - kubická monoklinický

25 Krystalické látky 14 typů Bravaisových mřížek v 3D prostoru Sedm krystalových soustav triklinická monoklinická ortorhombická tetragonální kubická trigonální (romboedrická) hexagonální

26 Krystalové soustavy Triklinická (trojklonná) soustava 3 různocenné osy (různě dlouhé) kosé uhly nejméně souměrná žádná rovina souměrnosti modrá skalice, tyrkys

27 Krystalové soustavy Monoklinická (jednoklonná) soustava dvě ze tří různocenných os svírají libovolný úhel, třetí je k nim kolmá velmi častá sádrovec, ortoklas, biotit, mastek

28 Krystalové soustavy Rhombická (kosočtverečná) soustava kolmo proťaté různocenné osy prizmata, tabulkovité tvary síra, olivín, topaz, aragonit, baryt

29 Krystalová soustava Tetragonální (čtverečná) soustava tvarprotaženější než krychle dvě stejnocenné a jedna odlišná osa na sebe kolmé rutil, chalkopyrit, kasiterit

30 Krystalová soustava Kubická (krychlová) soustava krychlovité krystaly nejvíce rovin souměrnosti zahrnuje i osmistěnné a dvanáctistěnné krystaly meď, diamant, flourit, granát, halit, stříbro, zlato

31 Krystalová soustava Hexagonální (šesterečná) soustava šest stejně dlouhých os leží v jedné rovině, sedmá osa stojí kolmo k této rovině a je nestejně dlouhá kalcit, apatit, grafit, beryl

32 Krystalová soustava Klencová (trigonální) soustava tři stejnocenné osy v rovině a na ně kolmá odlišná osa šesterečná/trojčetná osa někdy řazena do šesterečné soustavy kalcit, korund, křemen, hematit

33 Krystalické látky Alotropie schopnost látek krystalizovat (za různých podmínek) v různých krystalografických soustavách uhlík Polymorfie schopnost sloučenin krystalizovat v různých krystalografických soustavách CaCO 3 - aragonit (rhombická) a kalcit (trigonální) Izomorfie vzájemná zastupitelnost atomů, iontů a jejich skupin v krystalových mřížkách minerálů MgSO 4.7H 2 O, ZnSO 4.7H 2 O, NiSO 4.7H 2 O

34 Tvrdost Odpor minerálu vůči vniknutí cizího tělesa bez vzniku lomu Závisí na pevnosti vazeb v krystalické struktuře Výrazně ovlivněna poruchami v krystalové mřížce Mohsova stupnice Mastek sůl kamenná kalcit fluorit apatit ortoklas/živec křemen topas korund diamant Stupnice je poměrná (nerostem ze stupnice rýpeme do zkoumaného nerostu)

35 Uhlík Diamant vs. Tuha opačné póly stupnice tvrdosti Grafit (tuha) Nejčastější modifikace uhlíku Struktura se skládá z vrstev grafenu (rozsáhlý systém delokalizovaných elektronů) Drží pohromadě pomocí van der Waalsovy síly Fulleren Molekula tvořená z jedné prostorově uzavřené vrstvy grafenu Odolné vůči vnějším fyzikálním vlivům Zatím nejstabilnější C60 Krystalová struktura tvořena fullereny C60 - fullerit

36 Uhlík Q-uhlík Vzniká z amorfního uhlíku, kterým je potažen substrát ze safírového plátku. Ten se pak vystaví laserovému pulsu Různé vlastnosti dle přípravy může světélkovat, být ferromagnetický... Uhlíkové nanotrubice Válcovitě svinuté vrstvy grafenu (půměr nm) Kompozitní materiály, tranzistory, uchování vodíku pro palivové články

37 Kvazikrystaly Vykazujípěti resp. desetičetnou symetrii Dvojné či trojné slitiny hliníku, manganu, železa a titanu (přírodní chatyrkit) Tvrdé, křehké, vynikající tepelně izolační vlastnosti (izolace spalovacích motorů) Konstrukce zvláštních LED zdrojů světla, pánví na pečení, solárních panelech fyzika/struktura-latek/pevnelatky/kvazikrystaly

38 Krystalické látky Pravidelná struktura uvnitř krystalu se projevuje jeho tvarem. Krystal má určitou symetrii, vnější plochy odrážejí vnitřní uspořádání. Vyznačují se anizotropií, tj. rozdílnými fyzikálními vlastnostmi v závislosti na směru (index lomu, tepelná a elektrická vodivost). Při přijetí energie se částice rozkmitají, uvolní se z krystalické mřížky a látka taje. Teplota tání je pro čisté látky důležitou fyzikální konstantou Podle symetrie osních křížů se krystaly rozdělují do sedmi krystalografických soustav

39 Amorfní stav periodické uspořádání je omezeno na vzdálenost menší než 10 nm pro větší vzdálenosti je struktura porušena krátkodosahové uspořádání charakterizován teplotou skelného přechodu (skelný stav) podchlazené kapaliny s velkou viskozitou polymerní látky (za určitých podmínek) některé minerály (metamiktníminerály) mohouvlivem nárazů a-částic přecházat na amorfní látky (amorfní pseudomorfóza krystalického minerálu) rozbití struktury sklo, pryskyřice, vosk, asfalt, některé makromulekulární látky, kovová skla (amorfní kovy)

40 Amorfní látky Ani v čistém stavu nemají přesně definovaný bod tání, jen interval teplot. Křivky tuhnutí: teplota a b a) skla b) krystalické látky čas

41 Reakce v pevné fázi cementy, keramika, výroba kyseliny sulfanilové, ftalocyaninu, modifikace zeolitů reativita systémů povrch pevných látek rozhraní s plynem či kapalinou (adsorpce, chemisorpce, fyzisorpce) koroze (atmosférická, voda, plyny, ) heterogenní katalýza elektrodové děje fotochemické povrchové děje Aluminotermie hliník jako redukční činidlo a oxid kovu výroba kovů _011054_strojirenstvi_jza&foto=JZA333611_P jpg

42 Plazma Čtvrté a nejrozšířenější skupenství ve vesmíru Ionizovaný plyn složený z iontů, elektronů vznikající odtržením elektronů z el. obalu atomů plynu či molekul Vykazuje kolektivní chování a kvazineutralitu Silně reaguje na elektrické a magnetické pole Silové vazby mezi částicemi jsou coulombovské (velmi intenzivní) Elektricky vodivá s velkou tepelnou kapacitou a velkou tepelnou vodivostí Teplota částečně ionizovaného plazmatu ( K), úplně ionizovaného plazmatu ( K) Oheň, blesk, polární záře, komety, slunce