Struktura látek Podstata stavebních hmot. doc. Ing. Milena Pavlíková, Ph.D.

Transkript

1 Struktura látek Podstata stavebních hmot doc. Ing. Milena Pavlíková, Ph.D.

2 Obsah Stavba atomu PTP a její zákonitosti Chemická vazba Interakce s vazebnými elektrony Slabší vazebné interakce Skupenství látek Krystalické látky mřížky, poruchy Fázové přechody

3 Stavba atomu hmotnost elektronu = 1/1837 hmotnosti protonu většina hmotnosti atomu je soustředěna do jeho jádra výsledný rozměr celého atomu je až 100 tisíckrát větší než je rozměr jádra velikost atomu lze zaznamenat pomocí maximálního zvětšení na transmisním elektronovém mikroskopu

4 Základní částice mikrosvěta 1 p 1 1 n 0 0 e 1 Proton: Náboj +1, C Hmotnost m p =1, kg m p = 1836 m e Neutron: Náboj 0C Hmotnost m n =1, kg m n = 1839 m e Elektron: Náboj 1, C Hmotnost m e =9, kg protonové číslo Z - základní charakterizace atomu, definuje atomový poloměr neutronové číslo N - počet neutronů v jádře nukleonové (hmotnostní) číslo A. = Z +N Izobary - nuklidy, které mají stejné nukleonové, ale různé protonové číslo, např. 40Ar, 40K a 40Ca. Izotop - soubor atomů se stejným protonovým číslem, avšak liší se v počtu neutronů. Izotopy jednoho prvku mají stejné chemické a velmi podobné fyzikální vlastnosti, např. O 2

5 Jádro Stavební částice jádra jsou směstnány na velmi malém prostoru hustota jádra je asi 1014 kg m -3 mezi kladně nabitými protony působí značné odpudivé síly. Mnohem silnější interakce, které udržují jádra pohromadě jaderné síly - malý dosah - krátká doba interakce - dosah jaderných sil definuje poloměr jádra atomů hmotnostní úbytek - vazebná energie jádra poloměr atomového jádra kulový tvar mají pouze některá jádra s magickým počtem protonů i neutronů, většina jader má tvar protáhlého elipsoidu, některé jádra jsou dokonce zploštělá.

6 Joseph John Thomson (1906) Elektronový obal M. Planck: teoretické vysvětlení vyzařovacího zákona přijímaná nebo odevzdávaná energie je kvantována, protože každé částici lze přiřadit pouze diskrétní hodnoty vlnové délky (násobky vlnové délky) jako stojaté vlnění Max Planck (1900) Elektromagnetické záření o frekvenci f (Hz=s -1 ) vyzařováno či pohlcováno atomy tělesa nespojitě po kvantech s energií E=h*f (h=6,6026*10-34 J.s) Albert Einstein (1905) A. Einstein: experimenty - energie vylétávajícího elektronu nezávisí na intenzitě dopadajícího světla, ale na jeho frekvenci. Vysvětlení: každý foton má přesnou energii danou frekvencí světla. J.J. Thomsona prokázal, že elektron je částice

7 E. Rutherford: experimentální zjištění - veškerá hmotnost atomu je soustředěna v jádře tzv. planetární model - první koncepce uvažující atomové jádro Ernst Rutherford (1911) N. Bohr: zavedl do pohybových zákonů klasické mechaniky Planckovu teorii první kvantově mechanický model atomu (sestavil teoretický kvantový model atomu vodíku). Vypracoval Bohr schéma obsazování energetických hladin atomů elektrony Niels Bohr (1913)

8 L. De Broglie důkaz, že hmota má vlnové vlastnosti tzv. duální charakter částic C. Davisson, L. Germer a G.P. Thomson Nobelova cena za experimentální prověření de Broglieho hypotézy všechny subatomové částice se mohou chovat jako vlny Louis de Broglie (1929) Např. neutronová difrakce pro studium atomové struktury či určení stavby biologického materiálu Relace (princip) neurčitosti = omezení reality Kvantové částice se popisují matematicky pomocí vlnových funkcí, druhá mocnina udává pravděpodobnost, že danou částici v danou chvíli nalezneme v určitém místě. DxDp h/4p Nelze současně změřit polohu a hybnost, současně neexistují. Speciální teorie relativity hmotnost a energie spolu souvisejí roste-li hmotnost, roste i energie E=mc 2

9 Teorie strun 1984 John Schwarz Michael Green Elementární částice (elektrony a kvarky) jsou tvořeny jediným vláknem, které vibruje v určitém modu.

10 E. Schrödinger vyšel z Broglieho koncepce "materiálních vln" 1926 Kvantování jako problém vlastních hodnot - tzv. Schrödingerovu rovnici a výpočty, které vedou ke stejným výsledkům jako Bohrova teorie. možné určit vlnovou funkci - význam amplitudy pravděpodobnosti výskytu částice a její kvadrát představuje hustotu pravděpodobnosti. Erwin Schrödinger (1926) Část prostoru, v níž se nejpravděpodobněji elektron vyskytuje, se nazývá orbit. Pomocí kvantových čísel vyjadřujeme stavy, v jakých se vyskytují elektrony obíhající kolem jádra, tj. může mít určitou energii a elektronovou hustotu kolem jádra. Systém kvantových čísel: Elektrony ve stavech se stejným n tvoří elektronovou vrstvu neboli slupku. Jednotlivé vrstvy se označují písmeny K-Q. Elektrony ve stavech se stejným n a l tvoří podslupku a mají stejnou energii. Poslední obsazená vrstva se nazývá valenční a je rozhodující pro vznik vazby.

11 Jednotlivé orbity charakterizují tři kvantová čísla: Idealizovaný tvar atomového orbitalu 1s (vlevo) a 2s (vpravo) podle rozložení elektronové hustoty. Vše podle Kohout, Melník (1997).

12 Jednotlivé orbity charakterizují tři kvantová čísla:

13 Pravidla zaplňování orbitalů: 1.Výstavbový princip obsazování elektronů do jednotlivých atomových orbitalů podle jejich rostoucí energie elektronová konfigurace daného atomu. 2.Pauliho princip nemohou existovat dva elektrony, jejichž kvantová čísla by byla všechna stejná, tzn. v orbitu existují maximálně dva elektrony s opačným spinovým číslem, elektronový pár. Maximální počet elektronů v jednotlivých vrstvách je 2n 2. Na tomto principu je založen periodický systém, který byl potvrzen kvantovou teorií. 3. Hundovo pravidlo stavy (orbitaly) se stejnou energetickou hodnotou se všechny obsazují nejprve jedním elektronem. V rámci slupky s daným hlavním kvantovým číslem vzrůstá energie orbitalů v pořadí s, p, d, f. 4. pravidlo n+1 pomáhá rozhodnout o tom, který ze dvou orbitalů má nižší energii, tzn. bude se obsazovat dříve.

14 Rozdělení prvků podle elektronové konfigurace Johann Wolfgang Döbereiner (1829) D. Mendělejev (1869) navázal na Döbereinera (triády prvků), Newlanda (zákon oktáv) a Meyera (atomový objem a hmotnost) - u prvků seřazených podle vzrůstající atomové hmotnosti se pravidelně (periodicky) opakují podobné vlastnosti periodický zákon a periodická tabulka John Alexander Reina Newlands (1864) - prvky nejsou uspořádány podle relativní atomové hmotnosti, ale podle stoupajícího protonového čísla. Viktor Meyer (1864) Dmitrij Mendělejev (1869) Mendělejevův periodický zákon však byl zpočátku přijat se značným skepticismem a nebyl dlouhou dobu uznáván. Až s objevením prvků gallia (1875), skandia (1879) a germania (1886), které Mendělejev předpověděl již v roce 1871, byl periodický zákon všeobecně přijat.

15 PTP a její zákonitosti

16 Chemická vazba Interakce s vazebnými elektrony: Kovalentní (atomová) vazba Polarizovaná kovalentní vazba Iontová vazba Kovová vazba Slabší vazebné interakce: Vazba vodíkovým můstkem Van der Waalsova vazba

17 Kovalentně vázané C ve vrstvě Vrstvy propojeny van der Waalsovými vazbami Kovalentně vázané C ve třech směrech

18 volné atomy výjimečně (např. jednoatomové molekuly vzácných plynů) Chemická vazba = síla, která drží skupinu dvou či více atomů pohromadě a uděluje jim funkci základní jednotky. Podstatou slučování - změny ve valenční sféře atomů vznik společného přetvořeného elektronového systému, který má nižší energii a je tedy stabilnější. Charakterizace chemické vazby: disociační energie - odpovídá práci potřebné k rozštěpení vazby mezi atomy (= množství energie uvolněné při vzniku vazby) délka vazby

19 Vztah mezi elektronegativitou a typem vazby Rozdíl elektronegativit typ vazby kovalentní iontový mezi vazebnými atomy charakter nulový kovalentní klesá stoupá střední polárně kovalentní velký iontová

20

21 Kovalentní vazba Vazba atomů téhož druhu oba rovnocenné atomy si vzájemně doplní vnější elektronové vrstvy na stabilní konfiguraci (oktet). Vazby se účastní sudý počet elektronů 2n (2, 4, 6), nazývají se vazebné, valenční. Nejrozšířenější typ vazby mezi atomy splynutí elektronových hladin dvou a více atomů za vzniku molekuly a nezáleží na tom, ke kterému atomu který elektron původně patřil. Např. Vaznost: počet chemických vazeb, které může atom vytvořit Překrytí dvou orbitů vazba jednoduchá

22 Čistě kovalentní sloučeniny: nepolární tvoří molekulové krystalové mřížky ve vodném roztoku nepodléhají elektrolytické disociaci obvyklé zejména u organických sloučenin V praxi se podle známých stanovených tvarů hybridních orbitalů odvozuje struktura daných molekul (postup by měl být opačný podle experimentálně zjištěné struktury odvozovat tvar orbitalů, ale zmíněné využití teorie je velmi praktické). Kovalentní vazby jsou prostorově orientované. Vazebné úhly jsou určené superpozicí vlnových funkcí obsazených orbitů (hybridizací) a jejich vzájemnou elektrostatickou interakcí. Souměrné molekuly nepolární Nesymetrické molekuly polární Čistě kovalentní vazby výjimečně Chemie uhlíku!!!

23 Polarizovaná kovalentní vazba vazba elektronů s rozdílnou elektronegativitou vazebný elektronový pár posunut směrem k atomu o vyšší elektronegativitě rozdíl větší než 1,7 vazba iontová Nerovnoměrné rozdělení elektronů elektrická nesymetrie atomy získávají náboj Měřítkem polarity chemické vazby: dipólový moment molekul -hodnota a směr, orientace

24 Dipólové momenty víceatomových molekul: vektorový součet dipólových momentů všech vazeb v molekule včetně dipólových momentů způsobených volným elektronovým párem Zákonitosti dipólového momentu: u dvouatomových molekul prvků je nulový (vazby jsou nepolární), viz. vazba kovalentní heterogenní molekuly mají moment větší než nula, vazby jsou polární u iontových sloučenin je vysoký (LiH, KF) víceatomové symetrické sloučeniny jsou nulové (CH 4, CO 2 ) dipólový moment dvouatomové molekuly

25

26 Polární molekula citováno z

27 Nepolární molekula citováno z

28 Iontová vazba značné elektrostatické síly působící mezi opačně nabitými ionty konfigurace vzácného plynu Charles Auguste de Coulomb (1785) F=k(Q 1 *Q 2 )/r 2 atom s nižší ionizační energií (elektronegativitou, energie poutající elektrony v atomu) předává valenční elektrony prvku s vyšší hodnotou ionizační energie za vytvoření plně obsazených vnějších hladin vzniklá částice není elektricky neutrální, nese elektrický náboj = ion Dva takové ionty s opačným nábojem jsou k sobě poutány elektrostatickou silou svých opačných nábojů podle Coulombova zákona. Velikost ionizační energie, elektronegativity, závisí na umístění v periodické tabulce, roste v téže periodě se skupinou a klesá s rostoucí velikostí atomu. Elektronová afinita energie uvolněná při poutání elektronu za vzniku iontu (největší halogeny)

29 Tvar iontů: Iontová vazba: kulový s různým průměrem velmi pevná snadno se rozruší rozpouštědly, např. vodou, dochází k uvolnění iontů, tzv. disociace Co způsobuje iontová vazba? vysoký bod tání - NaCl asi 800 C velmi vysoký bod varu - NaCl 1442 roztoky iontových sloučenin vedou dobře elektrický proud velká mechanická pevnost pravidelnou iontovou krystalovou mřížku Příklady látek s iontovou vazbou: NaCl, CaCl 2, MgBr 2, AlF 3, BaO, MnO 2

30 Kovová vazba typická pro kovy nesměrová Volné elektrony pohyblivé přenáší elektrický proud ve vodičích nejjednodušší model kovové vazby: valenční elektrony se volně pohybují tzv. elektronový plyn. Fyzikální vlastnosti kovů: lesk vodivost kujnost a tažnost vysoký bod tání a varu Elektrická vodivost kovů: tím vyšší, čím dokonalejší je uspořádání jejich mřížky přítomnost nečistot vede k deformaci mřížky a ke snížení vodivosti vodivost klesá také s rostoucí teplotou, protože tepelný pohyb kationů brání průchodu elektronů

31

32 Magnetické vlastnosti: souvisejí s pohybem volných elektronů a se směrem jejich rotace(spinem) Diamagnetické kovy nulový výsledný magnetický moment v důsledku symetrického uspořádání elektronů v atomu, elektrickou indukcí získají malý magnetický moment, směřující proti směru vnějšího pole jsou z něj vypuzovány, nezesilují účinek vnějšího magnetického pole. př. Zn, Bi, Cu, Ag, Paramagnetické kovy mají nesymetrické uspořádání elektronů v atomu, každý atom má určitý magnetický moment, pokud se vloží do magnetického pole, magnetické momenty všech atomů se zorientují po směru vnějšího pole, kovy zesilují účinek vnějšího magnetického pole zcela nepatrně. př. Na, K, Li, Al, Pt,

33 Magnetické vlastnosti: Feromagnetické kovy mají trvalé magnetické momenty prostorově ovlivněné uspořádáním atomů v mřížce. Materiály magneticky měkké se snadno zmagnetizují, ale i snadno odmagnetizuji (nepodrží si své magnetické vlastnosti po zániku vnějšího magnetického pole). Použití: stavba magnetických obvodů u elektrických strojů a přístrojů. Materiály magneticky tvrdé se obtížně magnetizují, ale své vlastnosti si podrží i po zániku vnějšího magnetického pole. Použití: výroba permanentních (stálých) magnetů. př. Fe, Co, Ni,

34 Slabší vazebné interakce Síly elektrostatické povahy. Působí ve všech skupenských stavech. Vznikají díky dočasnému nevyváženému uspořádání elektronů indukovaný dipól. Síly malých vzdáleností. Závisí na míře polarizovatelnosti vliv na fyzikální vlastnosti sloučenin (skupenství, teploty varu a tání). Nejsnedněji se polarizují nepolární molekuly, hůře ionty.

35 Vazba vodíková (vodíkový můstek) atom vodíku vázaný na prvky s vysokou elektronegativitou (kyslík, dusík, fluor atd.) a volným elektronovým párem atom vodíku je zde vázán silně polární kovalentní vazbou a vazbou vodíkovou Vodíkové můstky: intramolekulární - uvnitř téže molekuly, např. DNA intermolekulární mezi dvěma molekulami, např. voda, čpavek Co způsobuje? mění fyzikální vlastnosti látk omezuje volnou pohyblivost molekul, tím zvyšuje bod varu, měrné teplo a viskozitu. Látky s vodíkovou vazbou vytvářejí určité shluky částic. Zvláště důležité jsou pro tvrdnutí maltovin.

36 Van der Waalsovy síly nejslabší mezimolekulové síly vysvětluje se jimi odlišné chování částic v plynném stavu od stavu teoretického (ideálního) Vysvětlení řady jevů: zvýšení teploty varu vzácných plynů, tvorba roztoků, soudržnost molekul v molekulových krystalech Druhy:

37 1. Disperzní (Londonovy) interakce (indukovaný dipól - indukovaný dipól) přednostně vznik přitažlivých sil mezi dipóly citováno z

38 2. Interakce ( Debyaovy) indukované (permanentní dipól indukovaný dipól) polární molekuly indukuje dipól nepolární citováno z

39 3. Interakce Keesomovy (mezi permanentními dipóly) mezi polárními molekulami, popisujeme Coulombovým zákonem

40 Všechny tři výše uvedené interakce se uplatňují v různé míře, avšak většinou převládají Londonovy disperzní síly nad ostatními, pro nepolární uhlovodíky dokonce dosahují až 100%. Van der Waalsova vazba je sice poměrně dosti slabá, ale má svůj velký význam, neboť se vyskytuje u všech látek (u většiny je však překryta některou ze silnějších vazeb), např. mezi řetězci polymeru. V její čisté podobě se s ní můžeme setkat u inertních plynů v kapalném a pevném stavu.

41 Využití znalosti vazeb: kvalitativní a kvantitativní IČ spektrometrie CO 2 kovalentní CO 2 deformační

42 Typ vazby Energie vazby (kj/mol) Kovalentní, iontová, kovová Vodíkový můstek Mezimolekulární interakce 4-25

43 Kde se odráží typ vazby? Degradační pochody Vývoj materiálové základny ve stavebnictví modifikace hmot ovlivněním jejich vnitřní struktury, návrh nových typů kompozitů, kvalitativně nové hmoty Rozložení a typ vazeb způsobuje značně rozdílné vlastnosti plastů. Vysvětlení některých jevů teploty tání a varu, chování plynů a kapalin, kovové vlastnosti. Způsob vazby atomů rozhoduje o chování molekul a tím i o chování hmoty.

44 Důležité pojmy Vazba Vazebná energie Kovalentní vazba a polárně kovalentní vazba Iontová vazba Kovová vazba Elektronegativita Dipólový moment Nevazebné interakce

45 Krajní stavy látek podle vzájemných vazeb a vztahů mezi atomy, ionty a molekulami: 1. Stav ideálního plynu a krystalu 2. Reálné látky v plynném, kapalném a pevném skupenství

46 Plynné skupenství soubory atomů či molekul s minimální soudržností potenciální energie menší než kinetická energie molekuly se pohybují volně prostorem, dokud nenarazí na jinou molekulu Molekuly se neustále velice rychle pohybují směrem od sebe plyn se roztahuje tlak plynu energie molekul plynu se navenek projeví jako teplota plynu.

47 Plyny: látky s nejmenším zastoupením hmotnosti v objemové jednotce za normálního atmosférického tlaku je jejich hustota tisíckrát nižší než hustota kapalin nebo pevných látek nemají stálý tvar ani objem - dokonale zaujímají tvar nádoby, ve které jsou uzavřeny netvoří volný povrch (hladinu) jsou stlačitelné vedou elektrický proud jen za určitých speciálních podmínek teplo se v nich šíří prouděním koeficient tepelné roztažnosti ideálního plynu je cca K -1.

48 Pro konstantní množství plynu a konstantní teplotu měření platí Boylův zákon: pv konst. n, T Gay-Lussac proměřoval závislost objemu určitého množství plynu na teplotě za konstantního tlaku: 1 t n p V V, 0 Clapeyron roku 1845 formuloval stavovou rovnici ideálního plynu: 0, / 273,15 1/ T Odtud byla zavedena nová teplotní stupnice s absolutní teplotou T (K), přičemž teplotní rozdíl 1K je zcela shodný s 1 C. pv m M RT nebo li pv 0 nrt

49 chování reálných plynů lépe vystihuje např. van der Waalsova rovnice: nepopisujeme čisté látky, ale směsi - Daltonův zákon: p 2 an p )( V nb) V ( 2... p ( ideá ln í plyn ) nrt Amagatův zákon: objem směsi V určen součtem objemů V i čistých složek směsi při dané teplotě a tlaku: směs, která se jím řídí v širokém rozsahu teplot, tlaků a koncentrací, je p i p 1 px i p 2 k definována jako ideální směs V V V V k

50 Kapalné skupenství jednotlivé molekuly jsou oproti plynům značně stěsnány (vnitřní tlak kapaliny má např. u vody hodnotu asi 1200 MPa) - je zachována jejich pohyblivost a mohou se tudíž vzájemně posouvat (viskozita a hustota kapaliny) mezi molekulami působí přitažlivé síly čím jsou soudržné síly menší a čím je pohyb s růstem teploty větší snazší je i pohyb a přesun molekul látka je kapalnější kinetická energie částic kapaliny malá ve srovnání s vazebnou potenciální energií určité rovnovážné polohy, kolem kterých kmitají

51 rovnovážné polohy se mohou přemisťovat, tzn. dochází k přemísťování částic v celém objemu látky kapalina teče existuje vazba objem se nemění hustota kapalin je asi 1000krát vyšší než hustota plynů, avšak neliší se příliš od hustoty pevných látek hustota kapalin se zmenšuje se vzrůstající teplotou Mendělejevův vztah: t 0 1 t

52 Kapaliny: koeficient tepelné roztažnosti řádově jako u plynů, 100x větší než u pevných látek Ideální kapalina nestlačitelná, nemá vnitřní tření Reálná kapalina viskozita roste s klesající teplotou kapaliny polární (dipólový moment nebo vodíkové můstky) a nepolární (voda X olej)

53 snaha zmenšit svůj povrch povrch kapalin rovný kapky povrchové napětí síla, která brání zvětšování povrchu kapalin za konstantního objemu povrchová energie rovna práci vynaložené na zvětšení povrchu (musíme vynaložit určitou práci, abychom povrch zvětšili) úměrná energii, se kterou jsou molekuly povrchu poutány v kapalině

54 mezipovrchová napětí soustavy plyn (vzduch)-kapalina-pevná látka: molekuly přitahovány více k pevné látce - úhel menší než 90 kapalina smáčí tuhou látku (voda-sklo) molekuly přitahovány více ke vzduchu - úhel větší než 90 kapalina povrch nesmáčí (voda-parafin) Adhese - přitažlivost mezi kapalinou a tuhou látkou Koheze - přitažlivost mezi molekulami kapaliny Kapalina smáčí tuhou látku tehdy, převažují li adhezní síly nad kohezními. Kapilární elevace (kapalina smáčí stěny nádoby) deprese (kapalina nesmáčí stěny nádoby)

55 Pevné skupenství stavební jednotky uspořádány kinetická energie menší než potenciální rovnovážné polohy - kolem nich atomy či molekuly kmitají polohy se nemění zachování objemu a tvaru působení vnějších sil změna tvaru pružné (elastické) látky plastické látky Mikrostruktura - způsob uspořádání heterogenních látek, dána: Velikostí Tvarem Orientací Rozložením zrn a pórů

56 Amorfní látky Beztvaré částice během tuhnutí nezaujmou patřičné vzájemné uspořádání Stavba přechlazených kapalin Interval tání a tuhnutí Obecně skelný stav Odskelnění volná krystalizace, velmi pomalá urychlíme změnou teploty, vlhkosti, mechanickými nárazy Přechodný (metastabilní stav) samovolně přechází na krystalický (obráceně nelze) Krátkodosahové uspořádání např. sklo, pryskyřice, vosk, asfalt, saze, plasty jsou zpravidla izotropní

57 krystalický oxid boritý dalekodosahové uspořádání částic amorfní oxid boritý krátkodosahové uspořádání částic tetraedrická struktura křemičitého sodnovápenatého skla

58 důležité z hlediska tvorby struktury technických skel, ale i nových kompozitních materiálů jsou látky, které se mohou v procesu tuhnutí taveniny spoluúčastnit na tvorbě krystalové mříže modifikace struktury použití taviva, která snižují teplotu tavení skla a přímo reagují za vzniku křemičitanů mechanické vlastnosti skla jsou přímo závislé na pevnosti kovalentních a iontových vazeb v jeho struktuře pevnost v tlaku technického skla se pohybuje v mezích MPa (povrchové vady skla jeho pevnost podstatně snižují)

59 Krystalické určujeme složení a strukturu ve všech směrech stejné izotropní látky (amorfní látky) závislost specifické veličiny na směru anizotropní látky (krystalické látky) zvláštním případem jsou látky ortotropní, u kterých lze stanovit vzájemný úhel mezi směry, ve kterých látka nabývá minimální nebo maximální zkoumané vlastnosti (minerální vlna, laminát) Dělení krystalických látek podle chemického složení: Monokrystaly tvar krystalu dle příslušné krystalografické soustavy dalekodosahové uspořádání (NaCl, SiO 2 ) Polykrystaly zrna pravidelně uspořádána (kovy) Směsné látky u isomorfních látek (NaCl a MgCl 2 )

60 Monokrystal NaCl kubická (krychlová) krystalová mřížka Monokrystaly ametystu tetraedrické spořádání

61 Krystalické látky: Elementární buňka fiktivní celek seskupených atomů Periodické opakování elementární buňky krystal - strukturu krystalů lze rozložit na nejmenší útvary, tzv. elementární buňky Čisté látky jeden druh atomu (nejjednodušší)!!! Je třeba dodat, že krystalová mřížka je pouhou abstrakcí, která nám pomáhá popsat strukturu krystalů. Ve skutečnosti žádnou takovou mřížku v krystalu nenajdeme.

62 V r popsal 14 typů geometrických obrazců tvořených body pravidelně uspořádanými v prostoru a dokázal, že body (částice) mohou být uspořádány v maximálně 14 typech prostorových mřížek. Mřížky jsou přiřazeny 7 krystalovým soustavám, které byly stanoveny z makroskopické symetrie krystalů. Auguste Bravais

63 Elementární buňky Čtverečná prostorově centrované plošně centrovanou kubickou mřížku mají např. kovy Al, Ni, Cu, Ag, Au, Pb mřížku s prostorově (tělesně) centrovanou základní buňkou mají např. kovy Li, Na, K, Cr, W, Fe a

64 krystaly s prostou buňkou se v přírodě vyskytují pouze zřídka (např. radioaktivní polonium alfa) délka hrany základní buňky se nazývá mřížkový parametr, případně mřížková konstanta jednoduchá ideální krystalová mřížka krychlové soustavy

65 Korund Spinel Diamant Kalcit

66 složitějším příkladem kubické krystalové mřížky je krystalová mřížka NaCl skládá se ze dvou stejných, plošně centrovaných kubických buněk, z nichž jedna je složena z iontů Na + a druhá z iontů Cl - obě buňky se vzájemně prostupují posouváním ve směru hrany krychle o polovinu mřížkového parametru

67 u v w (h k l) Mřížkový směr Mřížkové roviny Rovina (1 2 3) protíná vektor a ve vzdálenosti 1a od počátku (h=1) b v ½ b od počátku (k=2) c v 1/3 c od počátku (l=3) Využití teorie krystalových struktur - při studiu a identifikaci krystalických pevných látek pomocí difrakční rentgenové strukturní analýzy

68 Popílek Opatovice

69 Poruchy krystalové mřížky reálné krystaly však vykazují určité odchylky od pravidelného uspořádání jejich krystalové struktury Z hlediska geometrie dělíme na: bodové čárové plošné prostorové Existence těchto poruch byla prokázána experimentálně, např. měřením elektrické vodivosti, absorpcí záření či optickými metodami. Výskyt poruch vliv na technicky důležité vlastnosti (mechanické, optické, elektrické)

70 Bodové poruchy: nejjednodušší poruchy mřížky - Vakance (Schottkyho poruchy) - Intersticiál (Frenkelovy poruchy) - Cizí atomy jako substituční či intersticiální Elastická napětí v mřížce Difúze v pevném stavu

71 Čárové poruchy krystalové mřížky Podélné myšlené čáry v krystalu Dislokace vznikají vždy při tuhnutí pevné látky Hranová (Tailor Orowanova) polovrstva atomů vložená do krystalu) Šroubová (Burgetova)

72 Plošné poruchy krystalové mřížky Hranice zrn Mezifázová hranice Povrch krystalu Polykrystaly vznik v důsledku nedostatku prostoru Mozaiková struktura

73 Heterogenní látky skládají se z krystalické a amorfní složky a s výjimkou některých slitin kovů obsahují i póry rozdílnost vlastností strukturně homogenních fází je zcela evidentní základní spojitá fáze, ve které jsou ostatní složky rozprostřeny, se nazývá matricí heterogenní oblasti mohou být tvořeny složkami odlišného skupenství běžně se vyskytují stavební hmoty, ve kterých je fáze plynná a/i kapalná většina stavebních hmot jsou heterogenní kompozitní materiály, které jsou složeny ze dvou nebo více fází, přičemž alespoň jedna musí být pevná díky synergickému působení obsažených složek má kompozit jiné vlastnosti, než lze získat pouhým součtem odpovídajících vlastností těchto složek

74 Fázové složení Látky se snaží dosáhnout rovnováhy a nejnižší vnitřní energie samovolně vznikají typické krystalové struktury, z roztoků se sráží sraženiny dodáním energie změna stavu Systém (soustava) zvolená část prostoru obsahující definované množství hmoty Homogenní heterogenní Okolí systému Vztahy: izolovaná, uzavřená a otevřená soustava Výměna energie teplo, práce Fáze: oblast systému s konstantními vlastnostmi nebo se spojitě mění

75 Veličiny: vlastnosti systému určují stav systému Stav rovnováhy neprobíhají makroskopické změny, časově stálé hodnoty Děj: Vratný (rovnovážný) vypařování vody v nádobě Nevratný (nerovnovážný) chemické reakce Jedna veličina zůstává konstantní izo-děj Izotermický [T] Izobarický [p] Izochorický [V] Změna energie: Za konstantní teploty a objemu = Helmholtzova (elektrická práce) Za konstantní teploty a tlaku = Gibbsova (fázové přeměny)

76 Gibbsův fázový zákon: studium fázových rovnováh f fází k složek známe teplotu a tlak (k-1) molárních zlomků Kritérium rovnováhy: dg 0 T, p, rovnováha Rovnovážné stavové (fázové) diagramy při přechodu látky z jedné fáze do druhé - změna vnitřní energie systému skokem Počet volných proměnných (stupňů volnosti) kritérium, tzv. Gibbsovo fázové pravidlo v = celkový počet údajů potřebných pro určení stavu systému počet vazných podmínek plynoucích z rovnováhy v k f 2

77 Jednosložkové fázové systémy Plochy: jedna fáze (plynné, kapalné, nebo tuhé) dva stupně volnosti měníme v určitém rozsahu teplotu a tlak nezávisle. Křivka: koexistují fáze dvě (plynná a kapalná, kapalná a tuhá, nebo tuhá a plynná) systém - jen jeden stupeň volnosti Trojný bod: současně v rovnováze tři fáze a soustava nemá žádný stupeň volnosti

78 Dvousložkové fázové systémy Podle složení: roztoky, slitiny, směsi Rozpouštědlo + látka rozpouštěná homogenní soustava nasycený roztok Dvousložkový třífázový systém

79 Třísložkové fázové systémy