Struktura wewnętrzna ciał stałych

I zmiany stanu skupienia

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. 

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.

Przykłady

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.

komórka elementarna układu regularnego

pirop – dwunastościan rombowy

fluoryt – oktaedr

piryt – sześcian

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

komórka elementarna układu tetragonalnego

kryształy anatazu

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.

komórka elementarna układu heksagonalnego

Kryształ berylu

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.

komórka elementarna układu rombowego

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.

komórka elementarna układu trójskośnego

kryształy chalkantytu

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.

komórka elementarna układu trygonalnego

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.

komórka elementarna układu jednoskośnego

Monokryształ gipsu

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.

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.

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)

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.

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.

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

Pełny podział stanów skupienia

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

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

Faza nadkrytyczna

faza nadkrytyczna – powstająca po przekroczeniu ciśnienia i

temperatury punktu krytycznego; faza ta posiada pośrednie własności między

cieczą a gazem

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

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"