CIAŁA KRYSTALICZNE I BEZPOSTACIOWE
Można wyróżnić dwa główne typy przebiegu zestalania się ciał, które, ochładzane, przechodzą ze stanu ciekłego do stałego:
1. Ciała krystaliczne o uporządkowanej strukturze przestrzennej
o polikryształy -ciało polikrystaliczne, zbiór mikrokryształów lub mikrokrystalitów zorientowanych w różnych kierunkach. Jeśli mikrokryształy nie są zrośnięte z sobą, to polikryształ jest proszkiem
o monokryształy- pojedynczy kryształ, bez defektów makroskopowych, lecz niekoniecznie ograniczony naturalnymi, płaskimi ścianami
. odpowiedniej dla danego ciała temperaturze w ochładzanej cieczy pojawiają się maleńkie kryształki zwane centrami lub ośrodkami krystalizacji. Dalsze ochładzanie cieczy powoduje rozrastanie się kryształków, które wreszcie obejmują całe ciało.
2. Ciała bezpostaciowe (czyli amorficzne) i szkliwa. Podczas obniżania temperatury następuje zwiększenie gęstości cieczy. Odróżniamy tu dwa dość odmienne przypadki:
a) Istnieją ciała, jak Np. wosk, smoła, gdzie proces krystalizacji w ogóle nie zachodzi. Są to tzw. ciała bezpostaciowe.
b) Szkliwa, Np. szkło, które w zasadzie zachowują zdolność do krystalizowania, lecz podczas ochładzania ich lepkość tak szybko wzrasta, iż utrudnia wzrost i kształtowanie się owych kryształków zarodnikowych. Proces krystalizacji w szkliwach niezwykle powoli.
Większość ciał stałych ma budowę krystaliczną.
Do ciał niekrystalicznych (bezpostaciowych) nalezą na przykład:
o tworzywa sztuczne,
o włókna sztuczne,
o guma.
Najdrobniejsze okruszki soli kamiennej oglądane pod mikroskopem są kryształkami. Metale mają budowę drobnokrystaliczną, tzn. składają się z wielu drobniutkich kryształków ułożonych w sposób nieuporządkowany. Budową krystaliczną metali można zaobserwować na przełomie pręta cynkowego. Charakterystyczne skrzypienie przy zginaniu pręta cynkowego jest spowodowane tarciem między poszczególnymi kryształkami metalu.
Określenie ciała stałego. Mimo, iż ciała bezpostaciowe i szkliwa z wyglądu przypominają ciała stałe, to ciałami stałymi powinniśmy nazywać jedynie ciała krystaliczne. Ciała bezpostaciowe ze względu na swoją budowę mikroskopową oraz niektóre właściwości należy traktować jako ciecze silnie przechłodzone, o dużej lepkości.
Struktura krystaliczna ciał stałych:
W zależności od tego czy w węzłach sieci krystalicznej są osadzone oddzielne atomy, jony czy cząsteczki, rozróżniamy struktury:
o Struktura atomowa przykładem jest kryształ diamentu lub grafitu z osadzonymi w węzłach sieci atomami węgla.
o Struktura jonowa przykładem jest omówiony poprzednio kryształ soli kamiennej z osadzonymi na przemian jonami Na+ i Cl-. Substancje w roztworach wodnych oraz w stanie stopionym rozpadają się na swobodne jony.
o Struktura cząsteczkowa przykładem jej są kryształy lodu, cukru, siarki i jonu z osadzonymi w węzłach sieci cząsteczkami. Cząsteczkami są związane ze sobą siłami przyciągania międzymolekularnego, wskutek tego substancje takie cechuje niska temperatura topnienia i mała twardość.
o Struktura metaliczna. Struktura ta różni się zasadniczo od poprzednio wymienionych struktur. Przykładem jej są metale. Sieć krystaliczna metali zawiera dodatnie jony metalu, między którymi poruszają się swobodnie uwolnione z atomów elektrony.
Ciała stałe, czyli krystaliczne, różnią się od ciał bezpostaciowych pod wieloma względami. Zestawmy najważniejsze różnice:
Ř Topnienie:
Ciała krystaliczne mają wyraźnie określoną temperaturę topnienia (tzw. punkt topnienia), w której substancja znajduje się w dwóch fazach równocześnie - w ciekłej i stałej.
Ciała bezpostaciowe w miarę ogrzewania stopniowo miękną przechodząc w normalną ciecz
Należy podkreślić, iż błędny jest pogląd, że w ciałach podczas stygnięcia, przy przechodzeniu ze stanu ciekłego do stałego, następuje zawsze zbliżenie się cząsteczek i w ten sposób powstaje stan stały. Niektóre ciała Np. woda, bizmut, cyna, przy krystalizowaniu zwiększają swoją objętość, czyli średnie odległości między ich cząsteczkami rosną. Mimo to ich cząsteczki w stanie krystalicznym są, ze sobą związane silniej niż w stanie ciekłym.
Ř Izotropowość, czyli niezależność różnych właściwości fizycznych ciała od kierunku, nie rozstrzyga jeszcze czy dostatecznie duże ciało jest kryształem, czy też cieczą przechłodzoną. Na ogół, krystaliczne są anizotropowe. Istnieją jednak ciała krystaliczne duże w skali makroskopowej, które zachowują się jak ciała izotropowe. Taka izotropowość jest jednak izotropowością przeciętną, upozorowaną bezładnym rozkładem poszczególnych drobniutkich monokryształków. Takie ciała krystaliczne noszą nazwę polikryształów
Wszystkie monokryształy duże i małe charakteryzują się anizotropowością właściwości fizycznych.
W węzłach sieci krystalicznej mogą być osadzone oddzielnie atomy, cząsteczki lub jony. Mają one bardzo ograniczoną swobodę ruchów, a mianowicie mogą wykonywać mogą wykonywać tylko ruchy drgające względem swoich stałych położeń równowagi. W pewnych warunkach mogą one przedostać się do strefy działania innych atomów, cząsteczek lub jonów i dyfundować przez powierzchnię rozgraniczającą dwa ciała.
Potwierdzeniem doświadczalnym zjawiska dyfuzji w ciałach stałych jest przenikanie atomów złota do ołowiu. Jeśli na przykład dobrze wypolerowane płytki - ołowiu i złota - ściśle ze sobą zetkniemy i pozostawimy w tych warunkach na przeciąg kilku miesięcy, to po upływie tego czasu zauważymy, że atomy złota przeniknęły do warstewki powierzchniowej ołowiu.