CO TO JEST „CIAŁO STAŁE”?

Jest to substancja, która nie jest płynem ani gazem. Do ciał stałych zaliczamy lód, węgiel, drewno, sól i cukier. Kawałek ciała stałego można zginać lub rozciągać, jednak nie może ono zbytnio zmienić swej postaci. Ciała stałe mają swój określony kształt.
Ciała stałe wyróżniają się uporządkowanym układem atomów (cząsteczek), które tworzą trwałą strukturę, zwaną siecią krystaliczną; uporządkowanie polega na periodycznym powtarzaniu się w trzech kierunkach układu współrzędnych podstawowego modelu przestrzennego zwaną komórką elementarną kryształu.
W Ciałach stałych cząsteczki (atomy lub jony) dzięki siłom wzajemnego przyciągania i niewielkiej energii kinetycznej mogą wykonywać tylko drgania wokół stałych położeń i dzięki temu tworzą stosunkowo sztywny układ (trudno zmieniają kształt i objętość). Jeżeli natomiast oddziaływania między atomami lub cząsteczkami są słabe, to ciało jest miękkie i kruche. Pod wpływem wywieranej siły zmienia kształt, ale po przestaniu wywierania siły wraca do pierwotnego kształtu. Ta cecha to sprężystość postaci. Można także odkształcić trwale jak na przykład plastelina, co jest plastycznością ciał stałych. Jednak po przekroczeniu pewnej granicy działając siłą na ciało zniszczymy jego kształt, co wskazuje na kruchość.
Do początków XX w. za ciała stałe uważano wszystkie substancje wykazujące sprężystość postaci (tzn. zdolność powracania do pierwotnych wymiarów i kształtu po przerwaniu działania sił odkształcających); właściwość tę mają także takie ciała, jak szkliwa i polimery, zaliczane dawniej do ciał stałych, chociaż w strukturze ich brak uporządkowania przestrzennego; obecnie ciała te uważane są za przechłodzone ciecze ( bezpostaciowe ciała).
Ciało stałe składa się z atomów lub cząsteczek, które są rozmieszczone regularnie:

Regularne rozmieszczenie cząsteczek
W ciele stałym swoboda ruchu molekuł jest jeszcze bardziej ograniczona niż w cieczy. Molekuły ciała bez działania sił zewnętrznych nie mogą przesuwać się w jednej względem drugich, a tylko wykonują w swym ruchu cieplnym drgania koło położeń równowagi. Wiemy, jak trudno jest przełamać czy rozciągnąć pręt metalowy lub rozłupać drewno. Każdorazowej bowiem zmianie objętości lub kształtu ciała stałego przeciwstawiają się znaczne siły międzymolekularne. Przy zbliżaniu molekuł działają (podobnie jak w cieczach) siły odpychania, przy oddalaniu molekuł - na większych odległościach przejawia się działanie sił przyciągania.
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 zsobą, 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:

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.

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.

SIEĆ KRYSTALICZNA CIAŁ STAŁYCH

Ciało stałe - cechuje się stabilnością kształtu.

W zależności od stopnia uporządkowania struktury wewnętrznej dzielimy je na:

• krystaliczne i

• amorficzne (bezpostaciowe).

Monokryształ a polikryształ

• ciało krystaliczne (kryształ) - okresowe przestrzenne uporządkowanie dalekiego zasięgu,

• monokryształ - uporządkowanie w całej objętości kryształu,

• polikryształ - uporządkowanie tylko wewnątrz pewnych obszarów (ziaren).

Kryształ cechuje się anizotropią właściwości fizycznych

• ciecze i ciała amorficzne (np. szkło) - brak struktury krystalicznej, nie wykazują anizotropii

właściwości; występuje tylko tzw. uporządkowanie bliskiego zasięgu,

• ciała krystaliczne - skokowa zmiana właściwości przy przejściach fazowych,

• ciała amorficzne - nie istnieje granica między fazami (ciekłą i stałą); traktowane są jako

przechłodzone ciecze,

• ciekłe kryształy - uporządkowane ułożenie cząsteczek, anizotropią właściwości fizycznych.

Przykłady komórek elementarnych

komórka elementarna układu regularnego

komórka elementarna układu tetragonalnego

komórka elementarna układu heksagonalnego

komórka elementarna układu trójskośnego

komórka elementarna układu rombowego

komórka elementarna układu jednoskośnego

komórka elementarna układu trygonalnego

Sieć Bravais'go

Układ krystalograficzny opisuje się często za pomocą sieci Bravais'go. Jest to sposób wypełnienia przestrzeni przez wielokrotne powtarzanie operacji translacji komórki elementarnej. Sieci Bravais'go uzyskiwane są przez złożenie 7 systemów krystalograficznych i 4 sposobów centrowania (P - prymitywne; C - centrowanie na podstawach; F - centrowanie na wszystkich ścianach; I - centrowanie przestrzenne). Spośród teoretycznie możliwych 28 (7 · 4) sposobów występuje tylko 14.

dla systemu:

• trójskośnego (1) - prosta (prymitywna), gdzie:
  oraz
  

• jednoskośnego (2) - prosta, centrowana w podstawie, gdzie:
  oraz
  

• romboedrycznego (trygonalnego) (1) - prosta, gdzie:
  

• rombowego (ortorombowego) (4) - prosta, centrowana przestrzennie, centrowana ściennie, centrowana w podstawie,
  gdzie:
  

• tetragonalnego (2) - prosta, centrowana przestrzennie, gdzie:
  

• heksagonalnego (1) - prosta, gdzie:
  

• regularnego (3) - prosta (sc), centrowana przestrzennie (bcc), centrowana ściennie (fcc), gdzie
  

Wskaźniki Millera dla płaszczyzn

Przykładowe wskaźniki Millera dla płaszczyzn

Płaszczyzna przecina osie kryształu w pewnych punktach, odcinając odcinki o pewnej długości. Stosunki stałej sieciowej do długości tych odcinków, pomnożone przez stałą dają wskaźniki Millera tej płaszczyzny. Stała musi być tak dobrana, aby wskaźniki były jak najmniejszymi liczbami naturalnymi. W przypadku, gdy płaszczyzna jest równoległa do którejś z osi, to punkt przecięcia znajduje się w nieskończoności, co daje wskaźnik Millera równy 0.

Wskaźniki Millera dla płaszczyzn umieszcza się w nawiasach okrągłych (). Umieszczenie ich w nawiasach klamrowych {} wskazuje, że opisywana płaszczyzna jest ścianą kryształu. Również w tym przypadku ewentualny minus zapisywany jest nad liczbą.

Podobnie jak w przypadku prostych, płaszczyzny równoległe do siebie mają takie same wskaźniki Millera. Natomiast takie same wskaźniki jak dana płaszczyzna ma prosta prostopadła do niej. W przypadku układu regularnego wskaźniki Millera dla płaszczyzny są równoznaczne z oznaczeniem kierunku normalnej tej płaszczyzny w układzie kartezjańskim.

---