Struktura a vlastnosti pevných látek

Pevné látky

• krystalické

  • monokrystaly
    • přírodní – diamant, granát
    • umělé – Si, Ge
  • polykrystaly – většina krystalických látek

• 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 fyz. 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

a) a = 0, 334 nm b) a = 0, 405 nm c) a = 0, 287 nm

• 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

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