Otázka: Struktura a vlastnosti pevných látek
Předmět: Fyzika
Přidal(a): Michaela H
Pevné látky
- krystalické
- monokrystaly
- přírodní – diamant, granát
- umělé – Si, Ge
- polykrystaly – většina krystalických látek
- monokrystaly
- amorfní
- beztvaré
- pryskyřice, asfalt, vosk, polymery
Krystalické látky
- Jsou charakterizovány pravidelným uspořádáním částic, z nichž jsou složeny
- Vyskytují se ve dvou formách:
- monokrystaly
- polykrystaly
Monokrystaly
- Mohou být:
- přírodní (např.: kamenná sůl, vápenec, křemen a jeho barevné odrůdy, diamant, granát, …)
- umělé (např.: křemík, germanium, …)
- Částice jsou uspořádány pravidelně tak, že jejich určité rozložení se periodicky opakuje v celém krystalu – dalekodosahové uspořádání
- některé monokrystaly mají pravidelný geometrický tvar
- Typickým znakem je anizotropie
Polykrystaly
- Většina krystalických látek jsou polykrystaly
- Skládají se z velkého počtu drobných krystalků – zrn (rozměr zrna: 10 μm – mm)
- Uvnitř zrna jsou částice uspořádány pravidelně, vzájemná poloha zrn je nahodilá
- Typickým znakem je izotropie
- Např. všechny kovy, různé zeminy, prach
Izotropie
- Ve všech směrech stejné fyzikální vlastnosti
- Např. kovová tyč se s rostoucí teplotou roztahuje do všech směrů stejně
- Typické pro polykrystaly
Anizotropie
- opak izotropie, ne ve všech směrech má stejné fyzikální vlastnosti
- Tyto látky mají některé vlastnosti závislé na směru vzhledem ke stavbě krystalu
- Např. kousek slídy se lehce štípe na tenké lístečky v určitých rovinách (rozdělit slídu ve směru kolmém k těmto rovinám je obtížné)
- Typické pro monokrystaly
Amorfní (beztvaré) látky
- Látky, v nichž je periodické uspořádání omezeno na velmi malou vzdálenost
- Mají strukturu, která se vyznačuje krátkodosahovým uspořádáním (kolem vybrané částice jsou částice k ní nejbližší rozloženy přibližně pravidelně, ale s rostoucí vzdáleností se tato pravidelnost porušuje)
- Např. pryskyřice, asfalt, vosk, sklo, …
- Zvláštní skupinou amorfních látek jsou polymery (dlouhé makromolekuly polymerů jsou často navzájem propleteny, stočeny do klubek, vytvářejí sítě) – bílkoviny, AMK
Vnitřní stavba krystalu
- Trojrozměrná soustava rovnoběžek tvoří geometrickou mřížku
- Znám-li tvar a rozměry základního rovnoběžnostěnu a rozmístění částic v něm, je tím určena stavba krystalu jako celku
Ideální krystalová mřížka
- Ideální kryst. mřížka vznikne sestavením velkého počtu základních buněk
- Základní krychle obsazená určitým způsobem částicemi se nazývá základní (elementární) buňka krystalu, který patří do krychlové (kubické) soustavy
- Kubická základní buňka může být:
- a) prostá – vyskytuje se jen výjimečně
- b) plošně centrovaná – Al, Ni, Cu, Ag, Au, …
- c) prostorově centrovaná – Li, Na, K, Cr, W, …
- Mřížkový parametr (mřížková konstanta) – a = délka hrany základní buňky
- Příklad: Kolik atomů v krystalové mřížce připadá na jednu základní buňku, která je:
- a) prostá
- x = 8 . 1/8 = 1
- 8 částic na rohu sdílí s 8 dalšími elementárními buňkami
- b) plošně centrovaná
- x = 8 . 1/8 + 6 . 1/2 = 4
- –II–, 6 částic sdílí s dalšími dvěma elementárními buňkami
- c) prostorově centrovaná
- x = 8 . 1/8 + 1 = 2
- –II–, 1 částice je uprostřed el. buňky, nesdílí s nikým
- a) prostá
Hlavní typy vazeb v pevných látkách
- 1) Iontová
- Iontové krystaly jsou značně tvrdé, ale křehké a štěpné podél rovin kolmých na hrany elementární buňky, mají poměrně vysokou teplotu tání
- Elektrický izolant (při běžné teplotě; při vyšších teplotách jsou elektricky vodivé)
- Pro viditelné světlo jsou většinou propustné
- Např. alkalické halogenidy (NaCl, KBr) a oxidy alkalických zemin (CaO)
- 2) Vodíková (vodíkový můstek)
- Je nejsilnější z nevazebných interakcí, může se uplatnit i v rámci dvou částí jedné molekuly
- Podstatně slabší než iontová nebo kovalentní vazba, ale silnější než většina ostatních mezimolekulárních sil
- Spojuje např. kyslíkové ionty v krystalu ledu vody, ale je častá i v organických látkách
- 3) Kovová
- Kovové krystaly mají velmi dobrou tepelnou a elektrickou vodivost, povrchový lesk, v tlustších vrstvách jsou neprůhledné. Nejsou štěpné a některé z nich se vyznačují dobrou kujností a tažností.
- Např. Cu, Fe, Al, W, …
- Mřížka se skládá z 2 kladných iontů (kationty) – mezi nimiž se pohybují neuspořádaným způsobem valenční elektrony – tzv. elektronový plyn
- 4) Kovalentní (atomová)
- Všechny tyto krystaly jsou tvrdé, mají vysokou teplotu tání a jsou nerozpustné v běžných rozpouštědlech
- Z elektrického hlediska patří mezi izolanty nebo polovodiče
- Např. diamant, germanium, křemík, karbid křemíku, …
- 5) van der Waalsova
- Nízká teplota tání, jsou měkké
- Např. krystaly inertních plynů, organické sloučeniny
- 6) Kovová a kovalentní
- Mimořádně tvrdé, těžko tavitelné, chemicky odolné
- Např. karbidy (např. wolframu a tantalu), nitridy, boridy
Pozn.: V reálných krystalech se nejčastěji uplatňuje více než jeden typ vazby (např. grafit – kovalentní + van der Waalsova vazba mezi vrstvami)
Poruchy krystalové mřížky
- Každý reálný krystal má ve své struktuře poruchy (defekty), které dělíme na bodové a čárové
Bodové poruchy
- a) Vakance
- Poruchy vzniklé chybějícími částicemi v mřížce
- Příčiny:
- kmitavý pohyb částice, který způsobí, že se částice uvolní
- ozáření krystalu neutrony v jaderném reaktoru
- vakance vznikají také při vzniku některých kovových slitin
- b) Intersticiální poloha částice
- Projevuje se tím, že částice je v místě mimo pravidelný bod mřížky
- Je-li touto částicí iont, přenáší při svém pohybu náboj a způsobuje tak elektrickou vodivost iontových krystalů
- c) Příměs (nečistota)
- Cizí částice, které se vyskytují v krystalu daného chemického složení
- Může se vyskytovat:
- v intersticiální poloze (např.: snadná absorpce atomů C, jejichž počet a uspořádání může ovlivnit v mřížce Fe vlastnosti různých druhů oceli)
- nahrazovat vlastní částici mřížky – tzv. substituční atom (např.: atomy různých prvků (B, P), které se zpravují do čistého krystalu křemíku nebo germania, a tím ovlivňují elektrickou vodivost látky)
Čárové poruchy (dislokace)
- Jedná se o přerušení pravidelného uspořádání podél určité čáry (tzv. dislokační čáry)
- Posunutí vrstvy hranovou dislokací:
- Látky s touto poruchou nejsou příliš pevné
- Dislokace se dělí:
- hranové dislokace
- šroubové dislokace