Stany skupienia materii

Transkrypt

1 14/12/2016 Stany skupienia materii ciało stałe ciecz gaz plazma cząsteczki ciasno upakowane drgają względem stałych pozycji zdefiniowany kształt i objętość cząsteczki ciasno upakowane są wystarczająco odległe od siebie nie zdefiniowany kształt i zdefiniowana objętość e e + e są odległe od siebie poruszają się swobodnie i mają wysoką energię nie zdefiniowany kształt i objętość zależy od: uporządkowania cząsteczek energii cząsteczek odległości między cząsteczkami + - zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, w którym znaczna część cząstek jest naładowana elektrycznie nie zdefiniowany kształt i objętość Stany skupienia materii plazma gaz substancja zyskuje energię to: jej temperatura ulega zmianie lub jej stan ulega zmianie ciało stałe topnienie rozpuszczanie ciecz 1

2 Stany skupienia materii ciśnienie i temperatura p p K p P ciało stałe punkt potrójny ciecz para punkt krytyczny gaz plazma T P T K T Naturalne stany skupienia materii 2

3 Gazy gaz jest zbiorem cząsteczek (lub atomów) znajdujących się w ciągłym chaotycznym ruchu gazy nie mają własnego kształtu, przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują między cząsteczkami nie występują żadne oddziaływania daleko zasięgowe, a jeśli to bardzo słabe cząsteczki gazu zamkniętego w naczyniu, zderzając się ze ściankami naczynia, wywierają na nie określone i stałe ciśnienie energia kinetyczna cząsteczek gazu jest >> energia ich wzajemnego oddziaływania szybkość ruchu cząsteczek jeśli temperatura Gaz doskonały gaz składa się z cząsteczek (atomów) będących w nieustającym, przypadkowym ruchu cząsteczki (atomy) można traktować jako punkty bezwymiarowe, można zaniedbać wymiary cząsteczek cząsteczki gazu nie przyciągają się (brak oddziaływania) zderzenia między cząsteczkami są doskonale sprężyste teorie i zależności termodynamiczne wywiedzione z założeń gazu doskonałego sprawdzają się dość dobrze (na ogół) w przypadku niezbyt dużych ciśnień oraz niezbyt niskich temperatur 3

4 Równanie gazu doskonałego Clausiusa-Clapeyrona p ciśnienie [Pa] V objętość [m 3 ] n liczba moli gazu [mol] R = (N A k) uniwersalna stała gazowa 8,317 [J/mol K] T temperatura bezwzględna [K] M masa cząsteczkowa gazu [g/mol] m masa gazu [g] Parametry stanu ciśnienie temperatura [K] wielkości fizyczne określające stan termodynamiczny układu: temperatura T ciśnienie p gęstość d objętość V masa m liczba moli n parametry intensywne nie zależy od ilości materii w układzie parametry ekstensywne zależą od ilości materii w układzie liczba moli objętość cfbt-us.com 4

5 Ciśnienie ciśnienie jest to stosunek siły do powierzchni, na którą ta siła działa ciśnienie wywierane przez słup Hg na powierzchnię Hg ciśnienie wywierane przez atmosferę na powierzchnię Hg poróżnia Hg h nazwa symbol wartość paskal 1 Pa 1 [Nm -2 ] bar 1 bar 10 5 [Pa] atmosfera 1 atm [Pa] tor 1 Tr 133,322 [Pa] milimetr słupa rtęci 1 mmhg 1 [Tr] langlopress.net Temperatura Kelvin [K] Celsjusz [ 0 C] Fahrenheit [ 0 F] zero absolutne 0-273,15-459,67 zamarzanie wody 273, wrzenie wody 373,

6 Rozkład Maxwella rozkład Maxwella podaje jaka część ogólnej liczby cząsteczek gazu doskonałego porusza się w danej temperaturze z określoną prędkością przy założeniu równowagi termicznej danego gazu n liczba cząsteczek O 2 v[ m/s] prędkość cząsteczek wraz ze temperatury więcej cząsteczek poruszają się szybciej średnia szybkość poruszania się cząsteczek w gazie jest zależna wyłącznie od ich masy molowej i temperatury Prawa gazu doskonałego prawo Avogadro: jednakowe objętości różnych gazów znajdujących się pod tym samym ciśnieniem i w tej samej temperaturze zawierają jednakową liczbę cząsteczek: 1 mol każdego gazu w warunkach normalnych: T = 273,15K (0 0 C) i p = 1013,25 hpa (1atm.) zajmuje taką samą objętość V = 22,4 [dm 3 ] + gaz - gaz 6

7 prawo Boyle a Mariotte'a: w stałej temperaturze (warunki izotermiczne, T = const.) iloczyn ciśnienia i objętości jest wartością stałą objętość określonej masy gazu w warunkach izotermicznych (T = const.) jest odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia pod jakim ten gaz się znajduje prawo Gay Lussac a: przy stałym ciśnieniu (warunki izobaryczne, p = const.) objętość danej masy gazu zmienia się proporcjonalnie do temperatury pod stałym ciśnieniem objętość zajęta przez określoną masę gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury bezwzględnej staffweb.psdschools.org 7

8 prawo Charles a: przy stałej objętości (warunki izochoryczne, V = const.) ciśnienie gazu zmienia się proporcjonalnie do zmian temperatury w stałej objętości zajmowanej przez określoną masę gazu, ciśnienie tego gazu jest wprost proporcjonalne do temperatury bezwzględnej Gaz rzeczywisty cząsteczki gazu rzeczywistego posiadają objętość własną występują pomiędzy nimi oddziaływania międzycząsteczkowe zderzenia cząstek nie są doskonale sprężyste siły odpychania siły przyciągania N 2 gazy rzeczywiste w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury nie stosują się do praw gazu doskonałego 8

9 gaz idealny gaz rzeczywisty p V = n R T zawsze przy niskich P i wysokich T objętość 0 małe ale 0 przyciąganie 0 małe odpychanie 0 małe Gaz rzeczywisty i równanie Van Der Waalsa odstępstwa od praw gazu doskonałego ciśnienie (wysokie): oddziaływania między cząsteczkami (siły van der Waalsa) szybko w miarę oddalania się cząsteczek od siebie cząsteczki posiadają własną objętość znikają bardzo 9

10 Równanie stanu gazu rzeczywistego równanie van der Waalsa odstępstwa od praw gazu doskonałego, temperatura (niska): dla wysokich temperatur iloczyn pv jest stały (zgodnie z prawem Boyle a- Mariotte a), ale dla niskich temperatur iloczyn pv nie jest stały prawo Daltona: ciśnienie całkowite mieszaniny gazów jest sumą ciśnień cząstkowych składników p total p 1 p 2... p i p i ciśnienie parcjalne (cząstkowe) jest to ciśnienie składnika mieszaniny gazów, jakie wywierałby na ścianki naczynia, gdyby znajdował się w nim sam 10

11 p n1rt,..., pi V ni xi n 1 i i nrt i V p p i x i ciśnienie parcjalne (cząstkowe) gazu jest równe iloczynowi ciśnienia całkowitego i ułamka molowego tego składnika w mieszaninie gazu Dyfuzja gazów dyfuzja - jest to spontaniczne rozprzestrzenianie się cząsteczek gazu wywołane nieustannym ruchem molekularno-kinetycznym V szybkość dyfuzji T czas przepływu d - gęstośc gazu M masa molowa w tych samych warunkach szybkość dyfuzji jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z ich mas cząsteczkowych 11

12 Plazma plazma - stan typowy dla gazów zjonizowanych, uważany za odrębny stan skupienia z powodu swoich unikalnych właściwości występują w niej neutralne cząsteczki, zjonizowane atomy oraz elektrony, jednak cała objętość zajmowana przez plazmę jest elektrycznie obojętna plazma przewodzi prąd elektryczny, a jej opór elektryczny, inaczej niż w przypadku metali, maleje ze wzrostem jej temperatury Plazma Sir William Crookes, 1879 radiant matter Crooke s Tube Kristian Birkeland plasma emitowana przez słońce Irving Langmuir, 1927 fala Langmuira Hannes Alfven, 1970 Nagroda Nobla 12

13 Ciecz podobnie jak w gazie, cząsteczki mają swobodę przemieszczania się w objętości zajmowanej przez ciecz występują między nimi oddziaływania międzycząsteczkowe, które się jednak w obrębie objętości cieczy znoszą nawzajem oddziaływania międzycząsteczkowe nie znoszą się na granicy cieczy z inną fazą na skutek czego występuje zjawisko zwane napięciem powierzchniowym ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje energia kinetyczna oddziaływań pomiędzy cząsteczkami cieczy jest wyższa niż pomiędzy cząsteczkami gazu E ( oddział. ) k T 13

14 Właściwości cieczy siły wzajemnego oddziaływania cząsteczek we wnętrzu i na powierzchni cieczy F wyp 0 F wyp = 0 napięcie powierzchniowe : zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną cieczą, dzięki któremu powierzchnia ta zachowuje się, jak sprężysta błona; powstaje w wyniku wzajemnego oddziaływania cząsteczek we wnętrzu i na powierzchni cieczy jest to energia przypadająca na jednostkę powierzchni lub praca potrzebna do rozciągnięcia powierzchni o jednostkę Napięcie powierzchniowe i włoskowatość F p siła przylegania (siły działające pomiędzy cząsteczkami innych substancji (np. wody i probówki)) F s siła spójności (siły działające pomiędzy cząsteczkami tej samej substancji (np. wody); wszystkie obiekty posiadające masę oddziałują na siebie wzajemnie przyciągając się Współistnienie sił napięcia powierzchniowego, sił przylegania oraz grawitacji prowadzi do powstania menisku: powierzchnia cieczy w sąsiedztwie ścianki zbiornika ulega zakrzywieniu. W dużych zbiornikach menisk stanowi zaledwie niewielką część powierzchni cieczy, jednak w przypadku cienkich rurek, nazywanych kapilarami, może prowadzić do podniesienia się lub obniżenia słupa cieczy na znaczną (znacznie większą od średnicy kapilary) wysokość (zjawiska kapilarne). Te same siły warunkują kształt wiszącej kropli cieczy, kropli oleju na powierzchni wody, a także kształty cienkich błon cieczy w pianach lub bańkach mydlanych. 14

15 ciecz l = długość odcinka da dx F siła napięcia powierzchniowego działająca równolegle do powierzchni cieczy, dążąca do zmniejszenia powierzchni cieczy, l długość odcinka, na którym działa siła substancja aceton 23,7 benzen 28,8 czterochlorek węgla / (10-3 N/m) 27,0 jodek metylu 50,8 woda 72,8 metanol 22,6 N-heksan 18,4 Równanie Younga kąt zwilżania, θ jest miarą ilościową zwilżania ciała stałego przez ciecz przyrząd z wyboru do pomiaru kąta zwilżania i dynamicznych kątów zwilżania jest tensjometr optycznego sv energia powierzchni c. stałego sl energia powierzchni styku ciecz/c. stałe lv energia powierzchni cieczy kąt zwilżania określany geometrycznie - kąt uformowany przez ciecz, na granicy styku trzech faz: cieczy, gazu i ciała stałego 15

16 Lepkość lepkość (tarcie wewnętrzne, wiskoza) właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu (występuje podczas ruchu jednych części (warstw) ośrodka względem innych) lepkość dynamiczna wyraża stosunek naprężeń ścinających do szybkości ścinania: Przepływ cieczy warstwy cieczy poruszające się w przepływie laminarnym w rurce R przepływ laminarny jest to przepływ uwarstwiony, w którym płyn przepływa w równoległych warstwach, bez zakłóceń między warstwami; przepływ taki zachodzi przy odpowiednio małej prędkości przepływu w przypadku laminarnego przepływu cieczy w rurce o promieniu R wszystkie jej warstwy poruszają się w kierunkach równoległych, przy czym każda warstwa oddalona o r od osi rurki ma inną prędkość największą prędkość ma warstwa cieczy poruszająca się wzdłuż osi rurki (r=0), a w miarę zbliżania się do ścian rurki prędkość ruchu warstw cieczy maleje, aby na jej brzegu osiągnąć wartość minimalną gradient prędkości dv/dr odpowiada zmianie prędkości cieczy dv pomiędzy warstwami oddalonymi o nieskończenie małą odległość dr przepływ burzliwy (turbulentny) skomplikowany ruch płynów; termin ten oznacza złożone zachowanie dowolnego układu fizycznego, czasem zachowanie chaotyczne; przejawia się w występowaniu wirów i innych struktur koherentnych, zjawisku oderwania strugi, zjawisku mieszania

17 siła potrzebna do nadania gradientu prędkości pomiędzy dwoma warstwami cieczy wyraża się wzorem: F ηa dv dr - lepkość dynamiczna A - powierzchnia v - szybkość r odległość pomiędzy warstwami cieczy lepkość maleje ze wzrostem temperatury zgodnie z równaniem Arheniusa- Guzmana: E A RT η Be B - stała, charakterystyczna dla cieczy E A energia aktywacji lepkości R stała gazowa T temperatura bezwzględna Ciała stałe atomy, bądź cząsteczki ciała stałego są ściśle upakowane w przestrzeni odległości między cząsteczkami są stałe i ściśle określone przy zastosowaniu odpowiedniej siły ułożenie cząstek w sieci krystlicznej może ulec trwałej deformacji cząsteczki ciała stałego drgają wokół położenia równowagi w sieci krystalicznej 17

18 Stały stan skupienia 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, ale tworzące je cząsteczki są ułożone w sposób dość chaotyczny. (obsydian szkliwo wulkaniczne) Ciało krystaliczne ciało stałe, w którym cząsteczki, atomy lub jony są ułożone w uporządkowany schemat powtarzający się we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych; zajmują ściśle określone miejsca, zwane węzłami sieci krystalicznej i mogą jedynie drgać wokół tych położeń. Każdy kryształ zbudowany jest z wielu powtarzających się tzw. komórek elementarnych. W zależności od jej rodzaju kryształy tworzą różne układy krystalograficzne. Ciekłe kryształy nazwa fazy pośredniej między ciekłym i krystalicznym stanem skupienia materii, którą charakteryzuje zdolność do płynięcia, charakterystyczna dla cieczy i jednocześnie daleko zasięgowe uporządkowanie tworzących ją cząsteczek, podobnie jak to ma miejsce w kryształach. Ciała amorficzne ciała bezpostaciowe są ciałami izotropowymi nie wykazują zależności swych właściwości od kierunku ciało: krystaliczne polikrystaliczne amorficzne faza amorficzna rzadko występuje w całej objętości substancji zwykle współistnieje z fazą krystaliczną; pojawiają się wówczas domeny (niewielkie obszary) fazy krystalicznej przemieszane z domenami fazy amorficznej zmieniając warunki schładzania cieczy można zmieniać proporcje jednej fazy do drugiej w dość szerokim zakresie 18

19 Ciała amorficzne grupy materiałów występujące w postaci amorficznej: szkła, metale i ich stopy Metal w stanie ciekłym jest zamrażany w bardzo szybkim tempie (1000K/s). W trakcie tak nagłego schładzania cząsteczki nie zdążą utworzyć sieci krystalicznej i pozostają we wcześniejszej pozycji. Charakterystyczną cechą tego typu materiałów jest zdolność do ciągłego i odwracalnego przejścia ze stanu stałego w stan ciekły pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia. Otrzymywane w ten sposób materiały amorficzne noszą nazwę tzw. szkła metalicznego, które posiada budowę jak zwykłe szkło okienne. Szkło metaliczne jest trzy razy bardziej wytrzymałe od najlepszych stali i dziesięć razy bardziej sprężyste. stopy polimerów zachowanie polimerów amorficznych jest w dużym stopniu uzależnione od ich temperatury zeszklenia Tg. Poniżej tej temperatury cząsteczki są w zasadzie zablokowane w stanie stałym. Tworzywo charakteryzuje się sztywnością i dużą odpornością na pełzanie, ale jednocześnie wykazuje tendencje do kruchości i wrażliwości na zmęczenie. woski, ciecze przechłodzone Kryształy (ciała stałe) Kryształ ciało stałe, w którym atomy są ułożone w sposób regularny, polegający na okresowym powtarzaniu się w przestrzeni pewnych konfiguracji atomowych. Sieć przestrzenna przedstawia sposób uporządkowania atomów. Kryształy są ograniczone płaszczyznami, przecinającymi się pod pewnym kątem. ciała anizotropowe ich właściwości (np. rozszerzalność cieplna, łupliwość, właściwości optyczne, magnetyczne, elektryczne itp.) zależą od kierunku w krysztale Monokryształ materiał będący w całości jednym kryształem (np. kryształ cukru, soli, półprzewodnika). Monokryształ może zawierać w całej swej objętości niewielką ilość defektów tejże struktury, a jego zewnętrzna forma nie musi odzwierciedlać struktury krystalicznej. Polikryształ - ciało stałe, będące zlepkiem wielu monokryształów, zwanych w tym przypadku domenami krystalicznymi lub ziarnami. Domeny w polikrysztale mają zwykle orientację statystyczną, choć w pewnych, szczególnych warunkach można także uzyskać polikryształy o bardzo regularnym układzie domen. Określony układ domen tworzy tzw. mikrostrukturę polikryształu. 19

20 Struktura kryształu Sieć przestrzenna składa się z punktów zwanych węzłami sieci posiadających położenie środków ciężkości atomów. Komórka elementarna (sieciowa) najmniejsza, powtarzalna część struktury kryształu, zawierająca wszystkie rodzaje cząsteczek, jonów i atomów, które tworzą określoną sieć krystaliczną. Komórka elementarna powtarza się we wszystkich trzech kierunkach i odwzorowuje strukturę całego kryształu. Komórka elementarna jest charakteryzowana przez parametry sieci: odległości międzycząsteczkowe i kąty pomiędzy nimi. struktura trójskośny jednoskośny ortorombowa romboedryczna tetragonalna regularna układ krystalograficzny prosty prosty prosty prosty przestrzennie centrowany przestrzennie centrowany przestrzennie centrowany przestrzennie centrowany ściennie centrowany ściennie centrowany Układ regularny prosty przestrzennie centrowany ściennie centrowany układ regularny (sześcienny) układ krystalograficzny, 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 i 9 płaszczyzn symetrii i środek symetrii 20

21 CsCl pirop - Mg 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 ZnS W piryt - FeS Cu NaCl CaF 2 Układ krystaliczne prosty układ tetragonalny przestrzennie centrowany układ romboedryczny 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 wulfenit [PbMoO 4 ] rubin [Al 2 O 3 :Cr +3 ] chalkopiryt [CuFeS 2 ] uwarowit [Ca 3 Cr 2 [SiO 4 ] 3 ] 21

22 Układ krystaliczne układ heksagonalny układ jednoskośny układ trójskośny 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 typowymi postaciami krystalograficznymi tej grupy są: sześciokątne graniastosłupy sześciokątne piramidy (ostrosłupy) dwunastokątne piramidy podwójne piramidy prosty ściennie centrowany układ, w którym są trzy osie różnej długości, z czego dwie są w stosunku do siebie prostopadłe, a trzecia jest ustawiona skośnie układ, w którym wszystkie trzy osie mają różną długość i są do siebie ukośnie nachylone gips [CaSO 4 4H 2 O] chalkantyt [CuSO 4 5H 2 O] vanadyt [Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl] azuryt [Cu 3 (CO 3 ) 2 (OH) 2 ] Układ rombowy układ, w którym trzy osie różnej długości są w stosunku do siebie prostopadłe prosty dwuściennie centrowany przestrzennie centrowany ściennie centrowany antymonit [Sb 2 S 3 ] prehnit [Ca 2 Al[(OH) 2 AlSi 3 O 10 ]] hemimorfit [Zn 4 [(OH) 2 /Si 2 O 7 ]xh 2 O] 22

23 14/12/2016 Rodzaje kryształów Na Na+ Cl Cl- jony (kationy i aniony) oddziałują na siebie siłami elektrostatycznymi kryształy jonowe węzły sieci są obsadzone przez jony liczba jonów przeciwnego znaku otaczających jon danego znaku to liczba koordynacyjna wysokie temp. topnienia duża twardość duża wytrzymałość mechaniczna w stanie stopionym i w roztworze wodnym przewodzą prąd rozpuszczają się na ogół dobrze w rozpuszczalnikach polarnych, np. w wodzie np. tlenki, chlorki litowców i berylowców muhammadfibonacci.blogspot.com kryształy kowalencyjne (atomowe) węzły sieci są zajęte przez obojętne atomy; atomy połączone są wiązaniami kowalencyjnymi (mocne wiązania) atomy połączone wiązaniami atomowymi wysokie temp. topnienia bardzo twarde duża wytrzymałość mechaniczna nie przewodzą prądu elektrycznego (izolatory) w stanie czystym domieszki nadają im cechy półprzewodników nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach polarnych i niepolarnych np. diament, krzem, german, węglik krzemu [SiC] 23

24 Struktura diamentu i grafitu struktura pośrednia między strukturą kowalencyjną a molekularną w warstwie atomy połączone są wiązaniami kowalencyjnymi wiązania między warstwami słabe (siły międzycząsteczkowe), co powoduje, że kryształy grafitu są bardzo miękkie kryształy molekularne (cząsteczkowe) węzły sieci są obsadzone przez cząsteczki; swoją spójność zawdzięczają działaniu sił międzycząsteczkowych cząsteczki oddziałują na siebie słabymi siłami van der Waalsa niskie temp. topnienia niewielka twardość niewielka wytrzymałość mechaniczna nie przewodzą prądu elektrycznego (izolatory) rozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych mostki wodorowe np. tlen, azot, tlenek węgla(iv), zestalony metan i gazy szlachetne, tetrachlorek węgla, SiH 4, większość związków organicznych 24

25 kryształy metaliczne węzły sieci są obsadzone dodatnio naładowanymi zrębami atomowymi, pomiędzy którymi poruszają się wolne elektrony, tzw. gaz elektronowy ; po przyłożeniu ładunku zewnętrznego ruch elektronów staje się uporządkowany i mamy do czynienia z przepływem prądu elektrycznego kationy metali oddziałują siłami elektrostatycznymi ze swobodnie poruszającymi się elektronami (gaz elektronowy) połysk metaliczny, ciągliwe, kowalne przewodnictwo cieplne przewodnictwo elektryczne temp. topnienia zróżnicowane wytrzymałość zróżnicowana np. metale bloku s, d i f oraz glin Właściwości fizyczne kryształów kryształy molekularne kryształy kowalencyjne kryształy jonowe kryształy metaliczne właściwości mechaniczne mała wytrzymałość, miękkie duża wytrzymałość, twarde duża wytrzymałość, twarde wytrzymałość różna dla różnych metali, zazwyczaj dobra ciągliwość właściwości termiczne niskie temp. topnienia, duży współczynnik rozszerzalności cieplnej wysokie temp. topnienia, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej wysokie temp. topnienia, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej temp. topnienia zmieniają się w szerokich granicach, duży współ. rozszerzalności cieplnej właściwości elektryczne izolatory w stanie czystym nie przewodzą prądu elektrycznego w stanie stałym źle przewodzą prąd, stopione i w roztworze wykazują przewodnictwo jonowe 25

26 Właściwości fizyczne kryształów właściwości optyczne przykłady kryształy molekularne widmo absorpcji takie jak w stanie gazowym i ciekłym zestalone gazy szlachetne, zestalony metan kryształy kowalencyjne duży współczynnik załamania światła, widmo absorpcji w stanie stałym inne niż w stanie ciekłym lub gazowym kryształy jonowe silnie pochłaniają światło w dalekiej poczerwieni kryształy metaliczne nieprzezroczyste w stanie stałym i ciekłym, charakterystyczny połysk metaliczny diament, SiC NaCl, CsF miedź, glin Defekty kryształów defekty punktowe defekty sieci krystalicznej takie, jak: luki elektronowe, położenia międzywęzłowe, zanieczyszczenia struktury luki obcy atom międzywęzłowy mały atom domieszki duży atom domieszki defekt Frenkela defekt Schottky ego (dziura kationowa i anionowa) (dwie pary: dziura i atom międzywęzłowy) wynik przeniesienia atomów lub jonów z węzłów sieci na powierzchnię kryształu; występuje w kryształach jonowych zwykle jako dwuwakans (biwakans) dwie sprzężone luki (kationowa i anionowa), które zbliżają się do siebie dzięki oddziaływaniom elektrostatycznym tworząc przestrzeń zdefektowaną o zerowym ładunku elektrycznym 26

27 pasma dozwolone, tj. zakresy energii jakie elektrony znajdujące się na poszczególnych orbitalach mogą przyjmować rozszczepienie poziomów energetycznych wolnych atomów na pasma energetyczne pasma wzbronione, tj. zakres stanów energetycznych, których elektrony nie mogą przyjmować pasmo walencyjne (pasmo podstawowe) zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne związane z jądrem atomu energia elektronów walencyjnych pasmo przewodnictwa - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne uwolnione z atomu, będące wówczas nośnikami swobodnymi w ciele stałym przerwa energetyczna pomiędzy pasmem podstawowym a pasmem przewodnictwa jest nazywana pasmem wzbronionym lub przerwą zabronioną Struktura pasm elektronowych pasmo przewodzenia 1 atom 4 atomy wiele atomów poziom Fermiego przerwa energetyczna w przewodnikach (metalach) pasmo przewodnictwa i walencyjne zachodzą na siebie półprzewodniki, przerwa energetyczna jest mniejsza niż 2eV, toteż swobodne elektrony mogą pojawić się przy dostarczeniu względnie niskiego napięcia zewnętrznego lub pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego pasmo walencyjne w izolatorach przerwa energetyczna jest bardzo duża (rzędu 5-10eV) 27

28 Struktura pasm elektronowych Rodzaje półprzewodników półprzewodniki samoistne stężenie elektronów = stężeniu dziur elektronowych półprzewodniki domieszkowane półprzewodnik typu p (półprzewodnik dziurowy) liczba dziur większa niż liczba swobodnych elektronów półprzewodnik typu n (półprzewodnik elektronowy) liczba swobodnych elektronów większa od liczby dziur 28

29 Ciekłe kryształy Freidrich Reinitzer, 1888 odkrył ciekłe kryształy, dwa punkty topnienia: kryształ o C mętna ciecz i o C przeźroczysta ciecz Dr. Glenn Brown, 1958 pierwszy artykuł nt. ciekłych kryształów Richard Williams and George Heilmeier, 1963 proponują wykorzystanie ciekłych kryształów w wyświetlaczach James Fergason, 1967 wynalazł i wyprodukował pierwszy "twisted nematic" (TN) LCD RCA group, 1968 wyświetlacz oparty na dynamic scattering mode (DSM) LCD Izomorfizm i polimorfizm substancje izomorficzne: substancje o tym samym typie wzoru związku chemicznego tworzą ten sam typ sieci przestrzennej zdolność do tworzenia roztworów stałych, czyli kryształów mieszanych (z roztworu lub stopu zawierającego dwie substancje ze sobą izomorficzne wydzielają się w czasie krystalizacji kryształy homogeniczne składające się z obydwu substancji) mają takie same lub zbliżone rozmiary komórki elementarnej (jednakowe stosunki ilościowe między różnymi cząsteczkami tworzącymi kryształ; zbliżone stosunki wymiarów cząsteczek; także same kąty między analogicznymi ścianami; zbliżoną polaryzację i jednakowy typ wiązania) KCl i KBr (Cl - (1.80Å) i Br - (1.92Å)), KClO 4 i KMnO 4 polimorfizm: ta sama substancja, zależnie od warunków występuje w dwóch (lub więcej) odmianach różniących się postacią krystaliczną i strukturą sieci przestrzennej odmiany polimorficzne różnią się właściwościami fizycznymi i niekiedy mają inne właściwości chemiczne ZnS 29

30 Ciekłe kryształy nazwa fazy pośredniej między ciekłym i krystalicznym stanem skupienia materii, którą charakteryzuje zdolność do płynięcia, charakterystyczna dla cieczy i jednocześnie daleko zasięgowe uporządkowanie tworzących ją cząsteczek, podobnie jak to ma miejsce w kryształach własności anizotropowe temperatura ciało stałe ciekły kryształ ciecz izotropowa temperatura topnienia temperatura klarowności en.wikipedia.org Rodzaje ciekłych kryształów fazę ciekłokrystaliczną - mogą generować długie, sztywne cząsteczki podobne do prętów lub sztywne i płaskie cząsteczki podobne do dysków (anizotropia kształtu) C H 3 O pręt CH 3 dysk termotropowe prętopodobne zgiętordzeniowe dyskotyczne ogrzewanie stałych kryształów ciekły kryształ liotropowe rozpuszczanie cząsteczek mających tendencję do tworzenia mezofazy w odpowiednim rozpuszczalniku 30

31 Fazy termotropowe faza nematyczna - cząsteczki są równoległe względem siebie lecz nie są zorganizowane w płaszczyzny faza smektyczna cząsteczki w poszczególnych warstwach są ułożone równolegle faza chiralna - (cholesteryczna) cząsteczki w poszczególnych płaszczyznach są obrócone wokół osi prostopadłych do ich środków i tworzą spiralę. archive.cnx.org Fazy liotropowe fazy liotropowe - są specyficznym rodzajem emulsji, w której cząsteczki rozpuszczalnika koordynują się względem uporządkowanych cząsteczek mezogenu, albo na odwrót, siłą napędową tworzenia się fazy ciekłokrystalicznej jest wymuszanie przez rozpuszczalnik określonego uporządkowania rozpuszczonych w nim mezogenów 31

32 Zastosowanie ciekłych kryształów w wyświetlaczach, termometry bezrtęciowe, indykatory temperatury (zmieniające kolor przy ściśle określonej temperaturze), dodatki do farb i emulsji, zmieniających kolor pod wpływem temperatury są one stosowane jako przyciemniacze szyb samochodowych, farby, którymi pokrywa się zabawki zmieniające barwę w trakcie kąpieli oraz do tworzenia termogramów ciał osób chorych 32