37
Struktura wewnętrzna ciał stałych I zmiany stanu skupienia

Struktura wewnętrzna ciał stałych

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Struktura wewnętrzna ciał stałych

I zmiany stanu skupienia

Page 2: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Typy budowy ciał stałych

Można wyróżnić dwa główne typy przebiegu zestalania się ciał, które, ochładzane, przechodzą ze stanu ciekłego do stałego:

Sieć krystaliczna o uporządkowanej strukturze przestrzennej

2. Sieć bezpostaciowa (czyli amorficzne) i szkliwa. 

Page 3: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Sieć krystaliczna

Wiele spośród ciał stałych ma budowę krystaliczną, tzn. że atomy, z których się składają ułożone są w określonym porządku. Porządek ten daje się stosunkowo prosto opisać przez podanie własności symetrii. Symetrię kryształu definiuje się poprzez podanie operacji symetrii przekształcających kryształ sam w siebie. Przekształceniami symetrii są translacje, obroty, inwersja, obroty inwersyjne i płaszczyzny odbicia.

Page 4: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Przykłady

Page 5: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Układ regularny

Układ, w którym wszystkie trzy osie mają jednakową długość i są w stosunku do siebie prostopadłe.

Do układu regularnego należą kryształy o największej liczbie elementów symetrii. Na jednym krysztale mogą

występować równocześnie 3 osie czterokrotnej symetrii, 4 osie trzykrotnej symetrii i 6 osi dwukrotnej symetrii;

ponadto 9 płaszczyzn symetrii i środek symetrii. W tym układzie krystalizuje około 12% minerałów;

miedź rodzima, złoto rodzime, srebro rodzime, diament, galena, halit, fluoryt, uraninit, spinel, 

magnetygranaty, sfaleryt tetraedryt,  sodalit, piryt, haueryt, skutterudyt.

Page 6: Struktura wewnętrzna ciał stałych

komórka elementarna układu regularnego

Page 7: Struktura wewnętrzna ciał stałych

pirop – dwunastościan rombowy

Page 8: Struktura wewnętrzna ciał stałych

fluoryt – oktaedr

Page 9: Struktura wewnętrzna ciał stałych

piryt – sześcian

Page 10: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Układ tetragonalny

Układ w którym trzy osie są w stosunku do siebie prostopadłe, dwie z nich mają taką samą długość i leżą w jednej płaszczyźnie,

a trzecia oś (oś główna) jest od nich dłuższa lub krótsza. W tym układzie

krystalizuje około 10%minerałów np. rutyl, anataz, cyrkon, kasyteryt, 

apofyllit, wezuwian, scheelit, skapolity, chalkopiryt, wulfenit, ksenotym

Page 11: Struktura wewnętrzna ciał stałych

komórka elementarna układu tetragonalnego

Page 12: Struktura wewnętrzna ciał stałych

kryształy anatazu

Page 13: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Układ heksagonalny

układ , w którym trzy z czterech osi leżą w jednej płaszczyźnie, mają jednakową długość,

a kąt między nimi wynosi 120°. Czwarta oś jest osią sześciokrotną, ma inną niż pozostałe

długość i jest do nich prostopadła. W tym układzie krystalizuje około 8% minerałów;

np.: grafit, kowelin, molibdenit, pirotyn, beryl, apatyt, piromorfit, mimetezyt, wanadynit, wu

rcyt, cynkit, kwarc wysoko-temperaturowy, nefelin.

Page 14: Struktura wewnętrzna ciał stałych

komórka elementarna układu heksagonalnego

Page 15: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Kryształ berylu

Page 16: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Układ rombowy

Układ , w którym trzy osie różnej długości są w stosunku do siebie prostopadłe. W tym

układzie krystalizuje około 22% minerałów; np. siarka rodzima, antymonit, aragonit, cerusyt, baryt, celestyn, anglezyt, anhydryt, oliwi

n, topaz, chryzoberyl, hemimorfit, prehnit, zoisyt, epsomit, enstatyt, bronzyt, hipersten, 

antofyllit, gedryt, stefanit.

Page 17: Struktura wewnętrzna ciał stałych

komórka elementarna układu rombowego

Page 18: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Układ trójskośny 

Układ krystalograficzny, w którym wszystkie trzy osie mają różną długość i są

do siebie ukośnie nachylone.Typowymi przedstawicielami tej grupy są

pedionyW tym układzie krystalizuje około 7%

minerałów; np. mikroklin, amazonit, plagioklazy, aksyni

t, turkus, rodonit, dysten, cyjanit, chalkantyt, sassolin, albit.

Page 19: Struktura wewnętrzna ciał stałych

komórka elementarna układu trójskośnego

Page 20: Struktura wewnętrzna ciał stałych

kryształy chalkantytu

Page 21: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Układ trygonalny

W układzie trygonalnym trzy z czterech osi leżą w jednej płaszczyźnie, mają jednakową długość, a kąt między nimi

wynosi 120°. Czwarta oś jest osią trzykrotną i jest prostopadła do pozostałych trzech. Osie i kąty są takie same jak w układzie heksagonalnym, jednak przekrój

podstawowej formy graniastosłupa nie jest sześciokątny lecz trójkątny.

W tym układzie krystalizuje około 9% minerałów; np. kalcyt, magnezyt, syderyt, smithsonit, brucyt, hematyt, korund, bizmut rodzimy, proustyt, pirargyryt, turmalin, mi

lleryt, kwar niskotemperaturowy, cynober, ilmenit, dolomit, willemit, di

optaz, fenakit.

Page 22: Struktura wewnętrzna ciał stałych

komórka elementarna układu trygonalnego

Page 23: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Układ jednoskośny

 Układ krystalograficzny, w którym są trzy osie różnej długości, z czego dwie są w stosunku do siebie prostopadłe, a trzecia

jest ustawiona skośnie. Typowymi przedstawicielami tej grupy są:

pinakoidy (dwuściany podstawowe) o nachylonych ścianach wierzchołkowych

graniastosłupy o nachylonych ścianach wierzchołkowych (słupy z daszkami)

W tym układzie krystalizuje około 32% minerałów; np. ortoklaz, mika, gips, realgar, aurypigment, malachit, azury

t, epidot, natrolit, mezolit, diopsyd, jadeit, egiryn, omfacyt, spodumen, augit, aktynolit, tremolit, glaukofan, crossyt, riebeckit, hornblen

da, olivenit.

Page 24: Struktura wewnętrzna ciał stałych

komórka elementarna układu jednoskośnego

Page 25: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Monokryształ gipsu

Page 26: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Sieć Amorficzna

Ciało amorficzne, ciało bezpostaciowe – stan skupienia materii charakteryzujący się

własnościami reologicznymi zbliżonymi do ciała krystalicznego, w którym nie występuje uporządkowanie dalekiego

zasięgu. Ciało będące w stanie amorficznym jest ciałem stałym (tzn. nie może płynąć), ale tworzące je cząsteczki są

ułożone w sposób dość chaotyczny, bardziej zbliżony do spotykanego w cieczach. Z tego powodu ciało takie często, choć błędnie, nazywa się stałą cieczą przechłodzoną. Jednak ciecz, w

tym także ciecz przechłodzona, może płynąć, a ciało stałe utrzymuje swój kształt. W stanie amorficznym występują zwykle substancje, które są zdolne do krystalizacji, ale ze względu na

duży rozmiar cząsteczek, zanieczyszczenia lub szybkie schłodzenie cieczy, nie mają warunków, aby w pełni

skrystalizować.

Page 27: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Występowanie

Faza amorficzna rzadko występuje w całej objętości substancji spotykanych w

praktyce, lecz zwykle współistnieje z fazą krystaliczną. W ciałach takich pojawiają

wówczas domeny (niewielkie obszary) fazy krystalicznej, przemieszane z domenami fazy amorficznej, przy czym zmieniając

warunki schładzania cieczy, można zmieniać proporcje jednej fazy do drugiej w

dość szerokim zakresie.

Page 28: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Amorfizm (bezpostaciowość) występuje w wielu substancjach spotykanych na co

dzień lub mających niezwykłe zastosowania. Są to na przykład:

SzkłoMieszaniny polimerów

Metale amorficzne(stopy metali)Minerały(opal, bursztyn)

Page 29: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Stan skupienia materii 

Stan skupienia materii – podstawowa forma, w jakiej występuje substancja, określająca jej podstawowe własności

fizyczne. Własności substancji wynikają z układu oraz zachowania

cząsteczek tworzących daną substancję. Bardziej precyzyjnym określeniem form

występowania substancji jest faza materii.

Page 30: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Podział

Stały – trudno zmienić objętość i kształt, Ciekły – trudno zmienić objętość, a kształt łatwo,

Gazowy – łatwo zmienić objętość i kształt, ciało zajmuje całą dostępną mu przestrzeń.

Występowanie większości substancji w danym stanie skupienia zależy od panujących w niej warunków termodynamicznych,

czyli ciśnienia i temperatury, np. woda pod ciśnieniem normalnym w temperaturze poniżej 0°C jest ciałem stałym, w

temperaturach od 0 do 100 °C jest cieczą, a powyżej 100 °C staje się gazem.

Niektóre substancje w identycznych warunkach mogą występować w różnych stanach skupienia w zależności od

wcześniejszych warunków, jakie w nich panowały, lecz zazwyczaj jeden ze stanów jest uprzywilejowany i substancja może

samorzutnie przejść do tego stanu.

Page 31: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Zmiany stanu skupienia

Strzałki przedstawiają przemiany fazowe:

S – sublimacja – przejście od fazy krystalicznej do gazowej

R – resublimacja – przejście od fazy gazowej do krystalicznej

T – topnienie – przejście z fazy krystalicznej (lub amorficznej) do fazy ciekłej

K – krzepnięcie – przejście od fazy ciekłej do fazy krystalicznej lub amorficznej

P – parowanie, wrzenie – przejście od fazy ciekłej do gazowej

Sk – skraplanie – przejście od fazy gazowej do ciekłej

Page 32: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Pełny podział stanów skupienia

Page 33: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Fazy płynne

Fazy płynne – czyli takie, które płyną, gdy poddaje się je siłom ścinającym:

◦ plazma kwarkowa – hipotetyczny stan występujący, gdy ciśnienie jest na tyle duże, że w plazmie neutronowej przestają istnieć neutrony jako

oddzielne cząstki, a zlewają się w jedno; stan ten występuje w gwiazdach dziwnych, są to gwiazdy o gęstości większej od

gęstości gwiazdy neutronowej◦ plazma neutronowa – jest to w zasadzie gaz, jednak składający się

głównie z neutronów; z plazmy tej zbudowane są gwiazdy neutronowe◦ plazma – jest to w zasadzie gaz, ale tworzony przez

silnie zjonizowane atomy/cząsteczki oraz elektrony ; plazmę można wytwarzać w specjalnych urządzeniach, występuje ona także w jądrach większości gwiazd; w plazmie cząsteczki mają na tyle dużą energię, że

zderzenia między cząsteczkami nie są sprężyste, dochodzi do wzbudzenia lub jonizacji cząsteczek; plazma przewodzi prąd

elektryczny

Page 34: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Faza gazowa

Faza gazowa – całkowity brak organizacji – cząsteczki (lub atomy) mają pełną swobodę ruchu i

nie występują między nimi żadne oddziaływania oprócz odpychania w momencie zderzeń i

przyciągania grawitacyjnego (które jest istotne dla zachowania się dużych obszarów gazu w

przestrzeniach międzygwiezdnych); energia cząsteczek nie jest zbyt duża i dlatego ich

zderzenia są sprężyste; w gazie mogą występować przyciągania między cząsteczkami, lecz energia

tych oddziaływań jest mniejsza od energii kinetycznej cząsteczek

Page 35: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Faza nadkrytyczna

faza nadkrytyczna – powstająca po przekroczeniu ciśnienia i

temperatury punktu krytycznego; faza ta posiada pośrednie własności między

cieczą a gazem

Page 36: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Fazy ciekłe

Faza ciekła – istnieje przyciąganie międzycząsteczkowe powodujące, że cząsteczki pozostają blisko siebie, ale zachowują swobodę ruchu;

oddziaływania te tworzą bliskozasięgowe i średniozasięgowe uporządkowanie w cieczy lub w roztworach.

Faza ciekła izotropowa – w fazie tej nie występuje żadne daleko zasięgowe uporządkowanie cząsteczek (podobnie jak w gazach),

choć mogą występować elementy uporządkowania krótko zasięgowego (w obrębie kilku – kilkunastu cząsteczek)

Faza nadciekła – różni się od zwykłej cieczy tym, że jej lepkość jest równa 0. Fazę nadciekłą tworzą substancje, które są w stanie

utworzyć kondensat Bosego-Einsteina lub kondensat fermionów Ciekłe kryształy – są to wbrew nazwie ciecze, w których jednak

istnieje częściowe dalekozasięgowe uporządkowanie cząsteczek; obecnie znanych jest kilkadziesiąt różnych faz ciekłokrystalicznych,

które różnią rodzajem tego daleko zasięgowego uporządkowania

Page 37: Struktura wewnętrzna ciał stałych

Fazy stałe

Fazy stałe – czyli takie, które nie płyną, tzn. pod wpływem sił ścinających ulegają naprężeniom, a przy większych pękają lub płyną (plastyczne):faza krystaliczna – w fazie tej cząsteczki są "zablokowane" i tworzą trwałe sieci

Kryształy plastyczne – w fazie tej cząsteczki są również zablokowane, ale mogą rotować (obracać się) wokół własnych osi

Kryształy condis – w fazie tej cząsteczki nie mogą się przemieszczać, ale mogą zmieniać w dość szerokim zakresie swoją konformację Faza amorficzna – w fazie tej cząsteczki nie tworzą sieci krystalicznej, ale oddziaływania między nimi są na tyle silne, że nie mogą się one swobodnie przemieszczać względem siebie;

czasami fazę amorficzną nazywa się też "superlepką" cieczą lub cieczą "zamrożoną"