Pevné skupenství. Vliv teploty a tlaku

Transkript

1 Pevné skupenství

2 Pevné skupenství stálé atraktivní interakce mezi sousedními molekulami, 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 tvárná (plastická) těleso zůstává v novém tvaru i po odeznění působení sil tah, ohyb, smyk, kroucení Vliv teploty a tlaku

4 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

5 Krystalický stav základní pojem krystal krystalové plochy přirozené rovinné plochy omezující krystal (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)

6 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 krystalu jsou konstantní anizotropie závislost některých fyzikálních vlastností na směru (tvrdost, tepelná a elektrická vodivost, ) orientaci krystalu

7 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)

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

9 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

10 Reálný krystal Poruchy bodové (OD) čarové (1D) plošné (2D) objemové (3D)

11 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)

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

13 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)

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

15 Reálný krystal Čarové poruchy (dislokace) vznikají přesunutím určitého množství atomů při skluzovém pohybu vzhledem k vrtsvě sousední dislokace hranice mezi uskutečněným 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)

16 Reálný krystal Čarové poruchy hranové šroubové smíšené

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

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

19 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 má pravidelný geometrický tvar

20 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 neupořádaná. Navenek izotropní nanokrystalické látky (nanodiamant, nanokrystalické polovodiče CdS, CdSe, nanoferroelektronika) kovy

21 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) ZrO2 tetragonální - kubická monoklinický

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

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

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

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

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

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

28 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

29 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

30 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

31 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

32 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 polymerní látky (za určitých podmínek) některé minerály (metamiktní minerály) mohou vlivem nárazů a-částic přecházat na amorfní látky (amorfní pseudomorfóza krystalického minerálu) rozbití struktury sklo, pryskyřice, vosk, asfalt, některé makromulekulární látky, kovová skla (amorfní kovy)

33 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

34 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 fotochemiské povrchové děje Aluminotermie hliník jako redukční činidlo a oxid kovu