Właściwości fizyczne ciał krystalicznych. Ciała stałe
Ciała stałe.
V w przeciwieństwie do cieczy, ciała stałe mają elastyczność Przy każdej próbie zmiany geometrii ciała sztywnego powstają w nim siły sprężyste, uniemożliwiające ten efekt. Na podstawie cech struktury wewnętrznej ciał stałych rozróżnij krystaliczny oraz amorficzny ciała stałe. Kryształy i ciała amorficzne różnią się znacznie wieloma właściwościami fizycznymi.
Ciała amorficzne w swojej strukturze wewnętrznej bardzo przypominają płyny, dlatego często nazywa się je przechłodzone ciecze ... Podobnie jak ciecze, ciała amorficzne są strukturalnie izotropowe. Ich właściwości nie zależą od kierunku, o którym mowa. Wyjaśnia to fakt, że w ciałach amorficznych, a także w cieczach, zamknij zamówienie (numer koordynacyjny), a odległego (długości i kąty wiązań) brak, co zapewnia całkowitą jednorodność wszystkich właściwości makrofizycznych ciała amorficznego. Typowymi przykładami ciał amorficznych są szkła, żywice, bitum i bursztyn.
Ciała krystaliczne, w przeciwieństwie do ciał amorficznych, mają wyraźną uporządkowaną mikrostrukturę, która jest zachowana na poziomie makro i pojawia się na zewnątrz w postaci drobnych ziaren o płaskich powierzchniach i ostrych krawędziach, tzw. kryształy.
Ciała krystaliczne powszechne w przyrodzie (metale i stopy, cukier i sól kuchenna, lód i piasek, kamień i glina, cement i ceramika, półprzewodniki itp.) polikryształy, składający się z chaotycznie zorientowanych, przerośniętych pojedynczych kryształów (krystality), których wielkość wynosi około 1 mikrona (10 -6 m). Czasami jednak występują pojedyncze kryształy o dość dużych rozmiarach. Na przykład monokryształy kryształu górskiego osiągają ludzką wysokość B nowoczesna technologia monokryształy odgrywają ważną rolę, dlatego opracowano technologię ich sztucznego wzrostu.
Wewnątrz pojedynczego kryształu atomy (jony) substancji są rozmieszczone zgodnie z porządkiem dalekiego zasięgu, w węzłach struktury geometrycznej wyraźnie zorientowanej w przestrzeni, co nazywa się sieci krystalicznej Każda substancja w stanie stałym tworzy własną sieć krystaliczną o indywidualnej geometrii. O jego kształcie decyduje struktura cząsteczek substancji. Kratkę zawsze można podświetlić komórka elementarna, zachowując wszystkie cechy geometryczne, ale z minimalną możliwą liczbą węzłów.
Pojedyncze kryształy każdej konkretnej substancji mogą mieć różne rozmiary. Jednak wszystkie zachowują tę samą geometrię, co przejawia się utrzymywaniem stałych kątów między odpowiednimi ścianami kryształów. Jeśli kształt pojedynczego kryształu zostanie zakłócony na siłę, to z konieczności przywróci on swój poprzedni kształt podczas późniejszego wzrostu ze stopu lub po prostu po podgrzaniu. Powodem tego przywrócenia kształtu kryształu jest dobrze znany warunek stabilności termodynamicznej – tendencja do minimum energii potencjalnej. W przypadku kryształów warunek ten został sformułowany niezależnie przez JW Gibbsa, P Curie i GW Wolfe'a w postaci zasady: energia powierzchniowa kryształu powinna być minimalna.
Jeden z najbardziej charakterystyczne cechy pojedyncze kryształy to anizotropia ich wiele właściwości fizycznych i mechanicznych. Na przykład twardość, wytrzymałość, kruchość, rozszerzalność cieplna, prędkość fali sprężystej, przewodność elektryczna i przewodność cieplna wielu kryształów mogą zależeć od kierunków w krysztale. W polikryształach anizotropia praktycznie nie przejawia się jedynie z powodu chaotycznej wzajemnej orientacji tworzących je małych monokryształów. Wiąże się to z tym, że w sieci krystalicznej odległości między miejscami w różnych kierunkach w ogólnym przypadku okazują się znacząco różne.
Kolejną ważną cechą kryształów można uznać to, że topią się i krystalizują w stałej temperaturze, w pełnej zgodności z termodynamiczną teorią przejść fazowych pierwszego rzędu. W amorficznych ciałach stałych nie ma wyraźnego przejścia fazowego. Po podgrzaniu miękną płynnie, w szerokim zakresie zmian temperatury. Oznacza to, że ciała amorficzne nie mają pewnej regularnej struktury i po podgrzaniu rozkładają się etapami, natomiast kryształy po podgrzaniu niszczą jednorodną sieć krystaliczną (z długimi -rząd zakresu) ściśle w ustalonych warunkach energetycznych, a więc w ustalonej temperaturze.
Niektóre ciała stałe mogą trwać stabilnie zarówno w stanie krystalicznym, jak i amorficznym. Typowym przykładem jest szkło. Przy wystarczająco szybkim schłodzeniu stopu szkło staje się bardzo lepkie i zestala się, nie mając czasu na uzyskanie struktury krystalicznej. Jednak po bardzo powolnym chłodzeniu, przy ekspozycji na określony poziom temperatury, to samo szkło krystalizuje i nabiera określonych właściwości (takie szkła są nazywane sitalls ). Inni typowy przykład to kwarc. W naturze zwykle występuje w postaci kryształu, a amorficzny kwarc zawsze powstaje ze stopu (nazywa się to topiona krzemionka ). Doświadczenie pokazuje, że im bardziej złożone są cząsteczki substancji i im silniejsze są ich wiązania międzycząsteczkowe, tym łatwiej jest uzyskać stałą amorficzną modyfikację po ochłodzeniu.
Ciało stałe to stan skupienia substancji, charakteryzujący się niezmiennością kształtu i objętości, a ruchy termiczne cząstek w nich to chaotyczne oscylacje cząstek względem pozycji równowagi.
Substancje stałe dzielą się na krystaliczne i amorficzne.
Ciała krystaliczne to ciała stałe o uporządkowanym, okresowo powtarzającym się ułożeniu cząstek.
Strukturę charakteryzującą się regularnym układem cząstek z okresowym powtarzaniem się w tych wymiarach nazywamy siecią krystaliczną.
Rysunek 53.1
Cechą charakterystyczną kryształów jest ich anizotropia - zależność właściwości fizycznych (sprężystych, mechanicznych, termicznych, elektrycznych, magnetycznych) od kierunku. Anizotropię kryształów tłumaczy się tym, że gęstość ułożenia cząstek w różnych kierunkach nie jest taka sama.
Jeśli ciało krystaliczne składa się z pojedynczego kryształu, nazywa się je pojedynczym kryształem. Jeśli ciało stałe składa się z wielu losowo zorientowanych ziaren kryształu, nazywa się je polikryształem. W polikryształach anizotropię obserwuje się tylko dla pojedynczych małych kryształów.
ciała stałe, właściwości fizyczne które są takie same we wszystkich kierunkach (izotropowe) nazywane są amorficznymi. Dla ciał amorficznych, podobnie jak dla cieczy, charakterystyczne jest uporządkowanie bliskiego zasięgu w układzie cząstek, ale w przeciwieństwie do cieczy ruchliwość cząstek w nich jest raczej niewielka.
Organiczne ciała amorficzne, których cząsteczki składają się z duża liczba identyczne długie łańcuchy molekularne połączone wiązaniami chemicznymi nazywane są polimerami (na przykład guma, polietylen, guma).
W zależności od rodzaju cząstek znajdujących się w węzłach sieci krystalicznej oraz charakteru sił oddziaływania między cząstkami, istnieją 4 fizyczne typy kryształów:
Kryształy jonowe, na przykład, NaCl... Miejsca sieci krystalicznej zawierają jony o różnych znakach. Wiązanie między jonami wynika z sił przyciągania kulombowskiego i jest nazywane wiązaniem heteropolarnym.
Kryształy atomowe, na przykład, Z(diament), Ge, Si... Miejsca sieci zawierają atomy obojętne, które są tam utrzymywane dzięki wiązaniom kowalencyjnym powstającym w wyniku sił wymiany, które mają charakter czysto kwantowy.
Kryształy metalu... W węzłach sieci krystalicznej znajdują się dodatnie jony metali. Elektrony walencyjne w metalach są słabo związane z ich atomami, poruszają się swobodnie w całej objętości kryształu, tworząc tzw. „gaz elektronowy”. Wiąże ze sobą dodatnio naładowane jony.
Kryształy molekularne, na przykład naftalen - w stanie stałym (suchy lód). Składają się z cząsteczek połączonych siłami van der Waalsa, tj. siły oddziaływania indukowanych molekularnych dipoli elektrycznych.
§ 54. Zmiana stanu skupienia
Zarówno w cieczach, jak i ciałach stałych zawsze występuje pewna liczba cząsteczek, których energia jest wystarczająca do pokonania przyciągania do innych cząsteczek i które są w stanie opuścić powierzchnię cieczy lub ciała stałego. Taki proces dla cieczy nazywa się odparowanie(lub waporyzacja), dla ciał stałych - sublimacja(lub sublimacja).
Kondensacja nazywa się przejście substancji z powodu jej chłodzenia lub kompresji ze stanu gazowego do cieczy.
Rysunek 54.1
Jeżeli liczba cząsteczek opuszczających ciecz w jednostce czasu przez powierzchnię jednostki jest równa liczbie cząsteczek przechodzących z pary do cieczy, to między procesami parowania i kondensacji zachodzi dynamiczna równowaga. Para w równowadze z cieczą nazywa się nasycony.
Przez topienie nazywa się przejście substancji ze stanu krystalicznego (stałego) do stanu ciekłego. Topienie następuje przy pewnej, wzrastającej wraz ze wzrostem ciśnienia zewnętrznego, temperaturze topnienia T pl.
Rysunek 54.2
W procesie topienia ciepło Q, przekazane substancji, działa na zniszczenie sieci krystalicznej, a zatem (ryc. 54,2, a), aż cały kryształ się topi.
Nazywa się ilość ciepła L potrzebną do stopienia 1 kg substancji ciepło właściwe topnienia.
Jeśli ciecz zostanie schłodzona, proces będzie przebiegał w przeciwnym kierunku (ryc. 54.2, b), - ilość ciepła oddanego przez ciało podczas krystalizacji): najpierw temperatura cieczy spada, a następnie w stałej temperaturze równy T pl, zaczyna się krystalizacja.
Do krystalizacji substancji konieczna jest obecność centrów krystalizacji - zarodków krystalicznych, którymi mogą być zarówno kryształy powstałej substancji, jak i wszelkie obce wtrącenia. Jeśli w czystej cieczy nie ma centrów krystalizacji, można ją schłodzić do temperatury niższej niż temperatura krystalizacji, tworząc w tym przypadku ciecz przechłodzoną (rys. B, - linia przerywana).
Ciała amorficzne to przechłodzone ciecze.
Szczegóły Kategoria: Teoria molekularno-kinetyczna Opublikowano 14 listopada 2014 r. 17:19 Odsłony: 15569W ciałach stałych cząstki (cząsteczki, atomy i jony) znajdują się tak blisko siebie, że siły oddziaływania między nimi nie pozwalają im się rozproszyć. Cząstki te mogą jedynie wykonywać ruchy oscylacyjne wokół pozycji równowagi. Dlatego ciała stałe zachowują swój kształt i objętość.
Zgodnie z ich strukturą molekularną ciała stałe dzielą się na krystaliczny oraz amorficzny .
Struktura ciał krystalicznych
Kryształowa komórka
Krystaliczne ciała stałe nazywane są takimi ciałami stałymi, cząsteczkami, atomami lub jonami, w których znajdują się w ściśle określonym porządku geometrycznym, tworząc w przestrzeni strukturę, która nazywa się sieci krystalicznej ... Ta kolejność jest okresowo powtarzana we wszystkich kierunkach w przestrzeni trójwymiarowej. Jest zapisywany na długie dystanse i nie jest ograniczony w przestrzeni. Nazywa się zamówienie dalekiego zasięgu .
Rodzaje sieci krystalicznych
Sieć krystaliczna to model matematyczny, który można wykorzystać do wyobrażenia sobie, jak cząstki znajdują się w krysztale. Łącząc mentalnie w przestrzeni liniami prostymi punkty, w których znajdują się te cząstki, otrzymujemy sieć krystaliczną.
Nazywa się odległość między atomami znajdującymi się w węzłach tej sieci parametr sieci .
W zależności od tego, które cząstki znajdują się w węzłach, sieci krystaliczne są molekularne, atomowe, jonowe i metaliczne .
Rodzaj sieci krystalicznej determinuje takie właściwości ciał krystalicznych, jak temperatura topnienia, elastyczność, wytrzymałość.
Gdy temperatura wzrasta do wartości, przy której ciało stałe zaczyna się topić, sieć krystaliczna ulega zniszczeniu. Cząsteczki zyskują większą swobodę, a stała substancja krystaliczna przechodzi w fazę płynną. Im silniejsze wiązania między cząsteczkami, tym wyższa temperatura topnienia.
Sieć molekularna
V sieci molekularne wiązania między cząsteczkami nie są silne. Dlatego w normalnych warunkach takie substancje są w stanie ciekłym lub gazowym. Dla nich stan stały jest możliwy tylko w niskich temperaturach. Ich temperatura topnienia (przejście z stan stały do cieczy) jest również niski. A w normalnych warunkach są w stanie gazowym. Przykładami są jod (I 2), „suchy lód” (dwutlenek węgla CO 2).
Sieć atomowa
W substancjach z atomową siecią krystaliczną wiązania między atomami są silne. Dlatego same substancje są bardzo solidne. Topią się w wysokich temperaturach. Krzem, german, bor, kwarc, tlenki niektórych metali i najtwardsza substancja w przyrodzie, diament, mają krystaliczną sieć atomową.
Sieć jonowa
Substancje z jonową siecią krystaliczną obejmują zasady, większość soli i tlenki typowych metali. Ponieważ siła przyciągania jonów jest bardzo duża, substancje te są w stanie stopić się tylko w bardzo wysokich temperaturach. Nazywa się je ogniotrwałymi. Mają wysoką wytrzymałość i twardość.
Metalowy grill
W węzłach sieci metalowej, którą mają wszystkie metale i ich stopy, znajdują się zarówno atomy, jak i jony. Dzięki tej strukturze metale mają dobrą ciągliwość i ciągliwość, wysoką przewodność cieplną i elektryczną.
Najczęściej kształt kryształu to wielościan foremny... Powierzchnie i krawędzie takich wielościanów zawsze pozostają stałe dla danej substancji.
Pojedynczy kryształ nazywa się pojedynczy kryształ ... Ma prawidłowe kształt geometryczny, ciągła sieć krystaliczna.
Przykładami naturalnych monokryształów są diament, rubin, kryształ górski, sól kamienna, szpat islandzki, kwarc. W sztucznych warunkach monokryształy uzyskuje się w procesie krystalizacji, gdy przez schłodzenie roztworów lub stopienie do określonej temperatury wyodrębnia się z nich substancję stałą w postaci kryształów. Przy małej szybkości krystalizacji fasetowanie takich kryształów ma naturalny kształt... W ten sposób w specjalnych warunkach przemysłowych uzyskuje się np. monokryształy półprzewodników lub dielektryków.
Małe kryształy, losowo akreujące ze sobą, nazywane są polikryształy ... Najwyraźniejszym przykładem polikryształu jest kamień granitowy. Wszystkie metale są również polikryształami.
Anizotropia krystalicznych ciał stałych
W kryształach cząsteczki znajdują się z inna gęstość w różnych kierunkach. Jeśli połączymy atomy w jednym z kierunków sieci krystalicznej linią prostą, to odległość między nimi będzie taka sama we wszystkich tych kierunkach. W każdym innym kierunku odległość między atomami jest również stała, ale jej wartość może już różnić się od odległości w poprzednim przypadku. Oznacza to, że siły oddziaływania o różnej wielkości działają między atomami w różnych kierunkach. W związku z tym właściwości fizyczne substancji w tych obszarach również będą się różnić. Zjawisko to nazywa się anizotropia - zależność właściwości substancji od kierunku.
Przewodność elektryczna, przewodność cieplna, elastyczność, współczynnik załamania i inne właściwości substancji krystalicznej różnią się w zależności od kierunku w krysztale. Inaczej w różnych kierunkach jest realizowany Elektryczność, materia jest ogrzewana w różny sposób, promienie świetlne załamują się w różny sposób.
W polikryształach nie obserwuje się zjawiska anizotropii. Właściwości substancji pozostają takie same we wszystkich kierunkach.
Właściwości płynów
1. Charakterystyka stanu ciekłego. Blisko zamówienia.
2. Napięcie powierzchniowe. Siły powstające na zakrzywionej powierzchni. Wzór Laplace'a. Zjawiska zwilżania i kapilarne.
1... Charakterystyka stanu ciekłego. Stan ciekły, zajmuje pozycja pośrednia między gazami a kryształami, łączy w sobie niektóre cechy obu tych stanów. Do krystaliczny warunki są charakterystyczne uporządkowany układ cząstek(atomy lub cząsteczki), w gazach W tym sensie kompletny chaos. Według badań rentgenowskich, w związku z charakterem ułożenia cząstek, ciecze zajmują pozycję pośrednią.
W układzie cząstek cieczy tzw zamknij zamówienie... To znaczy, że w odniesieniu do dowolnej cząstki uporządkowana jest lokalizacja jej najbliższych sąsiadów... ale w miarę oddalania się od danej cząstki układ innych cząstek w stosunku do niej staje się coraz mniej uporządkowany i dość szybko porządek w układzie cząstek całkowicie zanika.
W kryształach występuje zamówienie dalekiego zasięgu – w znacznej objętości obserwuje się uporządkowany układ cząstek w stosunku do dowolnej cząstki.
Ocena struktury substancji pozwala: funkcja rozkładu promieniowego(w niektórych podręcznikach nazywa się to funkcją dystrybucji par). Wybierzmy jakąś cząsteczkę jako ciało odniesienia. Średnia liczba cząsteczek w kulistej warstwie objętości znajdującej się w pewnej odległości r z wybranej cząsteczki (ryc. 10.1) oznaczamy DN (r). Prawdopodobieństwo wykrycia cząsteczki w tej kulistej warstwie
Obudowa gaz doskonałyżadne elementy objętości nie mają przewagi, a prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w danej objętości jest proporcjonalne do objętości i g (r) = 1.
W idealnym krysztale struktura jest sztywna a wszystkie wzajemne odległości są stałe (rysunek 10.2).
Piki odpowiadają węzłom sieci, a końcowa szerokość linii g (r) jest konsekwencją wibracji atomów względem miejsca w prawdziwym krysztale.
są gładsze niż kryształ). Na dużych odległościach krzywa ma tendencję do 1 jak dla gazu doskonałego.
zamawiana jest tylko orientacja, układ wzajemny, jak w zwykłych płynach, zamówienie dalekiego zasięgu nie wykrywa.
2. Napięcie powierzchniowe .
Cząsteczki cieczy znajdują się tak blisko siebie, że siły przyciągania między nimi są znaczne. Interakcja szybko maleje wraz z odległością, zaczynając od pewnej odległości r(promień działania molekularnego). Dla każdej cząsteczki w warstwie powierzchniowej o grubości r, siła skierowana do cieczy (ryc. 10.5).
w celu zwiększenia energii potencjalnej cząsteczki... To jest cząsteczki w warstwie powierzchniowej mają dodatkową energię potencjalną - powierzchnię .
Ze względu na obecność sił działających na cząsteczki w warstwie powierzchniowej, skierowanych do wnętrza cieczy, ciecz ma tendencję zmniejszyć jego powierzchnię jakby był zamknięty w elastycznie rozciągniętej folii, która ma tendencję do kurczenia się (w rzeczywistości w ogóle nie ma folii).
Wyobraź sobie folię płynu (na przykład folię mydlaną) rozciągniętą na drucianej ramie, której jedna ze stron (most) może się poruszać (ryc. 10.6). Ze względu na tendencję powierzchni do zmniejszania się, na drut działa siła. Jest skierowany stycznie do powierzchni cieczy, prostopadle do przekroju konturu (długość mostka), na który działa ().
równa sile naciągu folii, tj. ... Współczynnik 2 pojawia się ze względu na fakt, że folia ma dwie warstwy powierzchniowe.
Płyn poza polem sił zewnętrznych przyjmie kształt o minimalnej powierzchni, tj. kształt kuli.
Ciśnienie pod zakrzywioną powierzchnią.
W przypadku zakrzywionej powierzchni siły napięcia powierzchniowego mają tendencję do kurczenia się powierzchni. (Rysunek 10.7).
nacisk w przypadku powierzchni niezakrzywionej, ponadto >0 w przypadku powierzchni wypukłej, oraz<0, если поверхность вогнутая (в этом случае поверхностный слой, стремится сократиться, растягивает жидкость и давление уменьшается).
Policzmy dodatkowe ciśnienie dla kulistej powierzchni cieczy. Przeanalizujmy w myślach kulistą kroplę cieczy z płaszczyzną średnicy na dwie półkule. Ze względu na napięcie powierzchniowe
Laplace uogólnił tę formułę na powierzchnie o dowolnym kształcie.
Wzór Laplace'a na to wygląda:
Zwilżanie i zjawiska kapilarne.
Zwilżanie to zjawisko, które występuje, gdy ciecz wchodzi w kontakt z powierzchnią ciała stałego lub innej cieczy... Wyrażone, w szczególności w rozprowadzaniu cieczy na powierzchni stałej... Zwilżanie powoduje powstanie menisku w kapilarze, określa kształt kropli na powierzchni stałej itp. (Należy pamiętać, że zwilżanie jest zwykle uważane za wynik oddziaływania międzycząsteczkowego, ale zwilżanie może być wynikiem reakcji chemicznej, procesy dyfuzji).
Środek zwilżający zwykle służy kąt kontaktu między stycznymi do powierzchni płynu... (Rys.10.10). Jeśli, to mówią, że
gdzie współczynniki napięcia powierzchniowego cieczy na granicach: ciało stałe - gaz, ciało stałe - ciecz, ciecz - gaz. Zmniejszając przez, otrzymujemy dla stosunku kąta zwilżania:
(Na przykład całkowite zwilżenie nastąpi o godzinie).
Zwilżanie jest niezbędne w przemyśle... Dobre zwilżanie jest niezbędne do barwienia, prania, obróbki materiałów fotograficznych i lutowania. Zanieczyszczenia mają silny wpływ na wielkość napięcia powierzchniowego. Na przykład rozpuszczenie mydła w wodzie zmniejsza jego współczynnik napięcia powierzchniowego prawie 1,5 raza (co w szczególności powoduje użycie mydła jako detergentu). Brak zwilżania może doprowadzić do tego, że woda nie wyleje się z sitka, którego nitki pokryte są parafiną (przy niskim poziomie wody), obalając znane powiedzenie.
Zjawiska kapilarne.
Istnienie zwilżania i kąta zwilżania prowadzi do tego, że w pobliżu ścianek naczynia obserwuje się krzywiznę powierzchni cieczy. Jeśli ciecz zwilża ściany, powierzchnia ma kształt wklęsły, jeśli nie zwilża, jest wypukła. Ten rodzaj zakrzywionej powierzchni płynu nazywa się łąkotką. (rys.10.11)
| Zwilżanie | Niezwilżający |
| Ryż. 10.11 |
Pod zakrzywioną powierzchnią w kapilarze ciśnienie będzie się różnić od ciśnienia pod płaską powierzchnią o pewną wartość. Różnica poziomów jest ustalana między cieczą w kapilarze i w szerokim naczyniu tak, że ciśnienie hydrostatyczne równoważy ciśnienie kapilarne. W przypadku łąkotki sferycznej
Promień krzywizny menisku wyraża się poprzez kąt zwilżania i promień kapilary r, następnie ,
W przypadku zamoczenia i wysokość wznoszenia się cieczy w kapilarze jest tym większa, im mniejszy promień kapilary r .
Zjawisko kapilarne zajmuje wyjątkowa rola w życiu człowieka... Doprowadzanie wilgoci do roślin i drzew odbywa się właśnie za pomocą naczyń włosowatych znajdujących się w każdej roślinie. Negatywną rolę mogą również odgrywać zjawiska kapilarne. Na przykład w budownictwie. Konieczność uszczelniania fundamentów budynków jest spowodowana zjawiskami kapilarnymi.
Pytania do samokontroli
1. Opisz stan ciekły w porównaniu z kryształami i gazami.
2.Co to jest zamówienie dalekiego i krótkiego zasięgu?
3. Co może zrobić funkcja rozkładu promieniowego? Narysuj go dla kryształów, cieczy i gazów.
4. Jaki jest współczynnik napięcia powierzchniowego?
6. Co to jest zwilżanie? Jaka jest miara zwilżania? Podaj przykłady procesów wymagających dobrego zwilżania.
7. Od czego zależy wysokość podniesienia się cieczy w kapilarze?
Wykład nr 5 (11)
Właściwości ciał stałych
1. Ciała amorficzne i krystaliczne. Budowa i rodzaje kryształów. De
wady kryształów.
2. Właściwości mechaniczne kryształów. Mechanizm deformacji plastycznej
cji. Odkształcenie sprężyste przy rozciąganiu. Prawo Hooke'a.
Ciała amorficzne i krystaliczne.
W ciałach amorficznych istnieje zamknij zamówienie układ atomów. Kryształy posiadać zamówienie dalekiego zasięgu układ atomów. Amorficzny ciało izotropowy, krystaliczny – anizotropowy.
Po schłodzeniu i ogrzewaniu krzywe temperatury w funkcji czasu są różne dla ciał amorficznych i krystalicznych. W przypadku ciał amorficznych przejście ze stanu ciekłego do stanu stałego może wynosić dziesiątki stopni. W przypadku kryształów temperatura topnienia jest stała. Możliwe są przypadki, gdy ta sama substancja, w zależności od warunków chłodzenia, może być otrzymana zarówno w stanie krystalicznym, jak i amorficznym stanie stałym. Na przykład szkło w bardzo powolne chłodzenie stopić puszkę krystalizować... W takim przypadku na granicach utworzonych małych kryształów nastąpi odbicie i rozproszenie światła, a skrystalizowane szkło straci przezroczystość.
Kryształowa komórka... Główną właściwością kryształów jest regularność rozmieszczenia w nich atomów. O zbiorze punktów, w których znajdują się atomy (dokładniej o jądrach atomowych) mówimy jako sieci krystalicznej, a same punkty nazywają się węzły kratowe.
Główną cechą sieci krystalicznej jest okresowość przestrzenna jego struktura: kryształ niejako składa się z powtarzające się części(komórki).
Możemy rozbić sieć krystaliczną na dokładnie te same równoległościany zawierające tę samą liczbę równo rozmieszczonych atomów. Kryształ jest zestaw równoległościanów równolegle przesunięte względem siebie. Jeśli sieć krystaliczna zostanie przesunięta równolegle do siebie o odległość długości krawędzi, wówczas sieć zostanie wyrównana ze sobą. Te przesunięcia są nazywane transmisje, a symetrie sieci w odniesieniu do tych przemieszczeń określa się jako symetria translacyjna(przesunięcie równoległe, obrót wokół osi, odbicie lustrzane itp.).
Jeśli w wierzchołku dowolnej komórki elementarnej znajduje się atom, to te same atomy muszą oczywiście znajdować się we wszystkich innych wierzchołkach tej i innych komórek. Zbiór identycznych i identycznie zlokalizowanych atomów nazywa się krata Bravais ten kryształ. Reprezentuje jak gdyby szkielet sieci krystalicznej, ucieleśniając całą jej symetrię translacyjną, tj. całą swoją częstotliwość.
Klasyfikacja różnych typów symetrii kryształu opiera się przede wszystkim na klasyfikacji różne rodzaje krat Bravais.
Najbardziej symetryczną siecią Bravais jest ta z symetrią Kuba(układ sześcienny). Są trzy różne
| Kraty Bravais związane z systemem sześciennym: prosty | , | ||
| skoncentrowany na ciele(w środku sześcianu - atom), wyśrodkowany twarzą (z wyjątkiem atomów na wierzchołkach - nawet wzdłuż atomu w | |||
centra wszystkich twarzy). Oprócz sześciennych istnieją tetragonalne, rombowe, jednoskośne i inne (nie rozważymy).
Ogólnie rzecz biorąc, sieć Bravais nie zawiera wszystkich atomów w krysztale. Prawdziwa sieć krystaliczna można przedstawić jako zestaw kilku krat Bravais wciśniętych jedna w drugą.
Fizyczne typy kryształów.
Ze względu na rodzaj cząstek, z których zbudowana jest sieć krystaliczna, ze względu na charakter sił oddziaływania między nimi rozróżnia się kryształy jonowe, atomowe, metaliczne i molekularne.
1. Kryształy jonowe... W węzłach sieci krystalicznej znajdują się naprzemiennie jony dodatnie i ujemne. Jony te są przyciągane do siebie przez siły elektrostatyczne (kulombowskie). Przykład: ruszt soli kamiennej (rys. 11.1).
| Ryż. 11.1 |
2. Kryształy atomowe... Typowymi przedstawicielami są grafit i diament. Połączenie między atomami - kowalencyjny... W tym przypadku każdy z elektronów walencyjnych jest zawarty w parze elektronów, która łączy ten atom z jednym z jego sąsiadów.
3. Kryształy metalu... Kratki składają się z dodatnio naładowane jony pomiędzy którymi są „Wolne” elektrony... Elektrony te są „skolektywizowane” i można je uznać za rodzaj „gazu elektronowego”. Elektrony pełnią rolę „cementu”, trzymając jony „+”, w przeciwnym razie sieć rozpadłaby się. Z drugiej strony jony utrzymują elektrony w sieci.
4. Kryształy molekularne... Przykładem jest lód. W węzłach - cząsteczki które są spokrewnione siły van der Waalsa, tj. siły interakcje molekularny dipole elektryczne.
Jednocześnie może występować kilka rodzajów wiązań (na przykład w graficie - wiązania kowalencyjne, metaliczne i van der Waalsa).
Wady kryształów.
W prawdziwych sieciach krystalicznych istnieje odchylenia od idealnego ułożenia atomów w kratach, którym do tej pory się przyglądaliśmy. Wszystkie takie odchylenia są nazywane wady sieci krystalicznej.
Wady punktowe- takie, że Zamknięcie zamówienia jest zepsute:
Inny rodzaj defektów - rozlokowanie- defekty liniowe sieci krystalicznej, naruszenie prawidłowej przemiany płaszczyzn atomowych... Oni naruszać porządek dalekiego zasięgu, zniekształcając całą jego strukturę. Odgrywają ważną rolę we właściwościach mechanicznych ciał stałych. Najprostsze typy dyslokacji to krawędziowe i śrubowe. W przypadku dyslokacji krawędziowej między sąsiednie warstwy atomów wstawiana jest dodatkowa płaszczyzna kryształu (rys. 11.5).
W przypadku dyslokacji śrubowej część sieci krystalicznej jest przesunięta względem drugiej (rys.11.6)
W zależności od właściwości fizycznych i struktury molekularnej wyróżnia się dwie główne klasy ciał stałych - krystaliczne i amorficzne.
Definicja 1
Ciała amorficzne mają taką cechę jak izotropia. Koncepcja ta oznacza, że są one względnie niezależne od właściwości optycznych, mechanicznych i innych właściwości fizycznych oraz kierunku, w którym działają na nie siły zewnętrzne.
Główną cechą ciał amorowych jest chaotyczny układ atomów i cząsteczek, które gromadzą się tylko w małych lokalnych grupach, nie więcej niż po kilka cząstek w każdej.
Ta właściwość zbliża ciała amorficzne do cieczy. Do takich ciał stałych należą bursztyn i inne twarde żywice, różne rodzaje tworzyw sztucznych oraz szkło. Pod wpływem wysokich temperatur ciała amorficzne miękną, jednak do przekształcenia ich w ciecz potrzebne jest silne działanie ciepła.
Wszystkie ciała krystaliczne mają wyraźną strukturę wewnętrzną. Grupy cząstek w tej samej kolejności powtarzają się okresowo w całej objętości takiego ciała. Do wizualizacji takiej struktury zwykle stosuje się przestrzenne sieci krystaliczne. Składają się z pewnej liczby węzłów, które tworzą centra cząsteczek lub atomów określonej substancji. Zazwyczaj taka sieć jest zbudowana z jonów, które tworzą pożądane cząsteczki. Tak więc w soli kuchennej struktura wewnętrzna składa się z jonów sodu i chloru, połączonych parami w cząsteczki. Takie ciała krystaliczne nazywane są jonowymi.
Rysunek 3. 6. 1 . Krata krystaliczna soli kuchennej.
Definicja 2
W strukturze każdej substancji można wyróżnić jeden minimalny składnik - komórka elementarna.
Cała sieć, z której składa się ciało krystaliczne, może być skomponowana poprzez translację (przeniesienie równoległe) takiej komórki w określonych kierunkach.
Liczba rodzajów sieci krystalicznych nie jest nieskończona. W sumie istnieje 230 gatunków, z których większość jest sztucznie wytworzona lub znaleziona w naturalnych materiałach. Siatki strukturalne mogą przybierać formę kostek skupionych na ciele (na przykład w żelazie), kostek skoncentrowanych na twarzy (w złocie, miedzi), pryzmatach o sześciu ścianach (magnez, cynk).
Z kolei ciała krystaliczne dzielą się na polikryształy i monokryształy. Większość substancji to polikryształy, ponieważ składają się z tzw. krystalitów. Są to małe kryształy, połączone ze sobą i chaotycznie zorientowane. Substancje monokrystaliczne są stosunkowo rzadkie, nawet wśród materiałów sztucznych.
Definicja 3
Polikryształy mają właściwość izotropii, czyli te same właściwości we wszystkich kierunkach.
Polikrystaliczna struktura ciała jest wyraźnie widoczna pod mikroskopem, a w niektórych materiałach, np. żeliwie, oraz gołym okiem.
Definicja 4
Wielopostaciowość- jest to zdolność substancji do istnienia w kilku fazach, tj. krystaliczne modyfikacje, które różnią się od siebie właściwościami fizycznymi.
Proces przejścia na inną modyfikację nazywa się przejście polimorficzne.
Przykładem takiego zjawiska jest przemiana grafitu w diament, która w warunkach przemysłowych zachodzi przy wysokich ciśnieniach (do 100 000 atmosfer) i wysokich temperaturach.
(do 2000 tys.).
Dyfrakcja rentgenowska służy do badania struktury sieci krystalicznej pojedynczego kryształu lub próbki polikrystalicznej.
Na poniższym rysunku pokazano proste sieci krystaliczne. Należy pamiętać, że odległość między cząsteczkami jest na tyle mała, że jest porównywalna z wielkością samych tych cząsteczek. Dla jasności na diagramach pokazano tylko pozycje środków.
Rysunek 3. 6. 2. Proste sieci krystaliczne: 1 - prosta sieć sześcienna; 2 - sześcienna krata skoncentrowana na twarzy; 3 - sześcienna krata skoncentrowana na ciele; 4 - siatka sześciokątna.
Najprostsza to sieć sześcienna: ta struktura składa się z sześcianów z cząstkami na wierzchołkach. Krata skoncentrowana na twarzy ma cząsteczki nie tylko na wierzchołkach, ale także na krawędziach. Na przykład sieć krystaliczna soli kuchennej składa się z dwóch siatek skupionych na twarzy, zagnieżdżonych w sobie. Krata skoncentrowana na ciele ma dodatkowe cząsteczki w środku każdego sześcianu.
Kraty metalowe mają jedną ważną cechę. Jony substancji są utrzymywane na swoich miejscach dzięki interakcji z gazem wolnych elektronów. Tak zwany gaz elektronowy składa się z jednego lub więcej elektronów oddanych przez atomy. Takie swobodne elektrony mogą poruszać się po całej objętości kryształu.
Rysunek 3. 6. 3. Struktura kryształu metalu.
Jeśli zauważysz błąd w tekście, zaznacz go i naciśnij Ctrl + Enter
Ładowanie...