Tradycyjny podział stanów skupienia: fazy skondensowane

Transkrypt

1

2

3 Tradycyjny podział stanów skupienia: o o o stały (ciało stałe) zachowuje objętość i kształt ciekły (ciecz) zachowuje objętość, łatwo zmienia kształt gazowy (gaz) łatwo zmienia objętość i kształt lód woda (ciekła) para wodna fazy skondensowane

4 topnienie krzepnięcie parowanie skraplanie sublimacja resublimacja

5 Obecnie fizyka wyróżnia: o o fazy płynne o plazma (zjonizowany gaz ale też np. plazma neutronowa) o faza gazowa o faza nadkrytyczna o faza ciekła o izotropowa (czyli normalna ) o nadciekła o ciekłe kryształy fazy stałe o faza krystaliczna o kryształy plastyczne o kryształy condis o kwazikryształy o faza amorficzna

6

7 Jak zdefiniować kryształ? Kryształ (ciało krystaliczne) to ciało stałe, w którym atomy rozmieszczone są w 3 wymiarach w sposób periodyczny. Występuje w nim uporządkowanie dalekozasięgowe oraz symetria translacyjna co oznacza, że pewien motyw zostaje przestrzennie powielony (nieskończenie) wiele razy. brylant czyli diament (odpowiednio oszlifowany), jedna z odmian (alotropowych) węgla

8 powierzchnia stali elektrotechnicznej widoczne (monokrystaliczne) ziarna monokryształ (formalnie krystalit) krzemu

9 MONOKRYSZTAŁ - pojedynczy kryształ (lub krystalit), tzn. nie występują w nim granice międzyziarnowe, cała objętość ciała posiada identyczne uporządkowanie, choć występują w nim defekty (0, 1 i 2 wymiarowe). POLIKRYSZTAŁ ciało stałe zbudowane z b. wielu (zwykle b. małych, rzędu mikrometrów) monokryształów (zwykle krystalitów). KRYSTALIT (w sensie ZIARNO) monokryształ w skali mikro lub nano, zwykle część polikryształu. KRYSTALIT (ogólnie) monokryształ nie posiadający zewnętrznych płaskich ścian mikrostruktura polikrystalicznego spieku

10 Można wyróżnić: o o o o o kryształy jonowe kryształy kowalencyjne kryształy metaliczne kryształy molekularne kryształy o wiązaniu wodorowym

11 Kryształy jonowe (np. NaCl i inne sole) cechy fizyczne: twarde, wysoka temperatura topnienia, wiele z nich jest przezroczystych dla świata widzialnego, złe przewodniki prądu oraz ciepła wiązania jonowe - silne Na + Cl - oktaedr

12 Kryształy atomowe (kowalencyjne) (diament, tlenki metali) cechy fizyczne: zwykle twarde, wysoka temperatura topnienia, właściwości mogą być silnie anizotropowe, właściwości silnie zależą od struktury kryształu wiązania kowalencyjne - silne

13 Kryształy metaliczne (np. Cu, Fe, stale) cechy fizyczne: nieprzezroczyste, dobrze przewodzą prąd i ciepło, plastyczne wiązanie metaliczne (gaz elektronowy)

14 Kryształy cząsteczkowe (molekularne) (np. zestalone CO 2, zestalone gazy szlachetne) cechy fizyczne: niska wytrzymałość, niska temperatura topnienia słabe wiązania międzycząsteczkowe

15

16 Polimorfizm występowanie związku chemicznego w różnych odmianach (krystalograficznych). Dla pierwiastków to zjawisko określa się mianem alotropii. chłodzenie cyna biała cyna szara

17 a) diament b) grafit (pojedyncza warstwa to grafen) c) diament heksagonalny (lonsdaleit) d) fuleren C 60 e) fuleren C 540 f) fuleren C 70 g) węgiel amorficzny h) nanorurka węglowa

18 diament najtwardszy minerał izolator doskonały przewodnik ciepła przezroczysty grafit jeden z najbardziej miękkich materiałów dobry przewodnik dość słaby przewodnik ciepła nieprzezroczysty

19

20 kwadratami ale też: prostokątami i równoległobokami trójkątami równobocznymi (konieczny obrót) sześciokątami foremnymi

21 Ze względów geometrycznych podstawowymi elementami budującymi kryształy (trójwymiarowe, rzeczywiste) są równoległościany, które określamy jako komórki elementarne. Nieskończony zbiór (translacyjnie poprzesuwanych i wypełniających całą objętość) komórek elementarnych tworzy sieć przestrzenną. Sieć krystaliczna to sieć przestrzenna wypełniona atomami (lub jonami, cząsteczkami, itp.) Rozmieszczenie atomów (jonów, cząsteczek, itp.) w pojedynczej komórce elementarnej to struktura kryształu.

22 Klasyfikacja kryształów wyróżnia siedem tzw. układów krystalograficznych: regularny heksagonalny tetragonalny

23 trygonalny rombowy jednoskośny trójskośny

24 na płaszczyźnie: w przestrzeni: ABAB ABCABC

25 ABAB to struktura heksagonalna wypełnienie objętości 74,05% 12 najbliższych sąsiadów hexagonal close-packing (hcp) ABCABC to struktura regularna ściennie centrowana wypełnienie objętości też 74,05% 12 najbliższych sąsiadów cubic close-packing (ccp) face-centered cubic (fcc)

26 luka oktaedryczna luka tetraedryczna

27 prymitywna regularna regularna przestrzennie centrowana fcc body-centered cubic (bcc) liczba koordynacyjna 6 wypełnienie: 52% liczba koordynacyjna 8 wypełnienie: 68,01% liczba koordynacyjna 12

28 struktura blendy cynkowej struktura chlorku cezu struktura chlorku sodu struktura wurcytu

29 struktura fluorytu struktura rutylu struktura chlorku kadmu

30 struktura perowskitu ABX 3 struktura spinelu AB 2 X 4

31

32 Kwazikryształ to ciało stałe, w którym atomy układają się w sposób uporządkowany, jednak nie pozwalający na określenie komórki elementarnej - brak symetrii translacyjnej - występują niedozwolone dla kryształów 5-cio i wyżej niż sześciokrotne osie symetrii - posiadają zwykle niskie przewodnictwo cieplne i elektryczne kwazikryształ Ho-Mg-Zn o kształcie dwunastościanu foremnego - odkryte dość niedawno (1984)

33 obraz na podstawie badań TEM kwazikryształu stopu Al-Cu-Fe aperiodyczna mozaika Penrose a na małym zdjęciu obraz dyfrakcji elektronowej ukazujący pięciokrotną oś symetrii

34 Wyróżnia się dwie podstawowe grupy kwazikryształów: 1. w których strukturze występuje zwykłe uporządkowanie krystaliczne (periodyczne) wzdłuż jednej osi, w prostopadłych do tej osi warstwach występuje uporządkowanie quasi-periodyczne (kwazikryształy z 8, 10 i dwunastokrotną lokalną osią symetrii), 2. w których we wszystkich kierunkach uporządkowanie jest typu quasiperiodycznego (kwazikryształy ikosaedryczne). ikosaedr dwudziestościan foremny

35 Lokalna struktura kwazikryształu typu ikosaedrycznego Mg 27 Al 11 Zn 47 - zielony ikosaedr Zn 12 - czerwony dodekaedr Mg 20 - niebiesko-zielona piłka Zn 46,1 Al 12,5 - wielościan Mg 32

36

37 Ciekły kryształ (mezofaza) stan materii posiadający cechy wspólne ciał stałych (uporządkowanie dalekozasięgowe) i cieczy (płynność) przykładowy mezogen prętopodobny Otrzymywanie ciekłych kryształów: 1. metodą ogrzewania - mezofaza termotropowa 2. poprzez rozpuszczanie mezofaza liotropowa

38 Podstawowe typy ciekłych kryształów: Faza nematyczna brak uporządkowania pozycyjnego, występuje uporządkowanie kierunkowe. Faza smektyczna występuje pewien stopień uporządkowania pozycyjnego: warstwy prostopadłe do direktora, uporządkowanie kierunkowe. Faza nematyczna chiralna (cholesterolowa) skręt direktora nematycznego pomiędzy warstwami smektyczna A smektyczna C Faza smektyczna chiralna C* - łączy cechy fazy smektycznej C i fazy chiralnej

39 Faza dyskotyczna nematyczna Faza dyskotyczna kolumnowa przykładowy mezogen dyskopodobny

40

41 Ciało amorficzne (bezpostaciowe) ciało stałe, w którym nie występuje uporządkowanie dalekiego zasięgu, a układ atomów (cząsteczek, itp.) jest podobny do ich układu w cieczy. SiO 2 krystaliczne amorficzne Szkło ciało amorficzne, które można stopić przekraczając tzw. temperaturę witryfikacji Funkcja rozkładu radialnego (szansa znalezienia atomu (cząsteczki, itp.) w funkcji odległości) widok 3D kryształ faza amorficzna gaz / ciecz

42 obsydian 70 75% SiO 2, MgO, Fe 3 O 4 typowe szkło okienne 12,9% Na 2 O, 11,6% CaO, 75,5% SiO 2 faza amorficzna pomiędzy trzema ziarnami krystalicznymi

43 objętość szkło przemiana w fazę szklistą kryształ gaz τ czas relaksacji strukturalnej potrzebny na przegrupowanie cząstek do nowej struktury dla T < T g T 0 temperatura charakterystyczna materiału 1/2T m T m T g temperatura zeszklenia (witryfikacji) 2/3T m temperatura T m temperatura topnienia Przejście od fazy gazowej przez ciekłą do ciała stałego: T b temperatura wrzenia 1) z utworzeniem kryształu 2) z utworzeniem fazy amorficznej szkła przy wystarczająco szybkim procesie schładzania

44 piec stopiony materiał kropla ciekłego metalu lub stopu przełącznik np. laserowy zimne podłoże stopiony materiał np. schłodzona woda kowadło tłok źródło par materiału a) wolne chłodzenie b) szybkie chłodzenie c) szybkie chłodzenie z prasowaniem d) osadzanie z fazy gazowej ciekły stop tuba kwarcowa gaz element grzewczy zimny rotujący wałek wstążka szkła np. metalicznego bardzo szybkie chłodzenie ciekłego stopu

45 amorficzny lód otrzymany z tempem chłodzenia ok Ks -1