WYKŁAD 6

17.10.2009r

PODSTAWOWE STANY SKUPIENIA MATERII - CIAŁA AMORFICZNE

Ciała amorficzne, stan skupienia materii charakteryzujący się własnościami reologicznymi zbliżonymi do ciała krystalicznego (brak możliwości płynięcia), 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, bardziej zbliżony do spotykanego w cieczy. Z tego powodu ciało takie dość często nazywa się stałą cieczą przechłodzoną.

Przykłady:

• Niektóre metale i stopy metali otrzymywane w specjalnych warunkach są całkowicie lub częściowo amorficzne

• Szkło (poza szkłem kwarcowym)

• Stopy polimerów (tworzywa polisiloksanowe, polietylen)

• Niektóre minerały: opal, bursztyn, szkliwa wulkaniczne

CIECZE SZTYWNE

Warunki powstania:

• Gwałtowne ochłodzenie cieczy - ciecze przechłodzone - szkliwa

• Wytrącanie nieprzekrystalizowanego osadu koloidu, jego koagulacja i sedymentacja - skały osadowe - na ogół bezpostaciowe, z upływem czasu mogą krystalizować

Charakterystyka:

• Przechodzenie w stan ciekły w przedziale temperatury

• Spójność - addytywne wiązania II rodzaju

• Izotropowość

• Termodynamiczna nietrwałość (szkliwa → struktura pseudokrystaliczna → struktura
  w pełni krystaliczna)

• Wysoka lepkość ośrodka (szkło: T = 2500°C → η = 10 Pa*s, T = 20°C → η = 10¹⁹ Pa*s) spowalnia procesy krystalizacji

Skały magmowe - różnice lepkości magmy (stopionej lawy):

LAWY KWAŚNE - duża ilość SiO₂ - duża lepkość - wysoka temperatura krzepnięcia - podatność na zeszkliwienie - czarne szkliwo (obsydian)

LAWY ZASADOWE - mała ilość SiO₂ - mniejsza lepkość - niższa temperatura krzepnięcia - podatność na krystalizację - bazalt

CIEKŁE KRYSZTAŁY

Warunki powstania:

• Stałe związki organiczne o wydłużonych cząsteczkach w czasie podgrzewania przechodzą w mętne ciecze o dużej lepkości

Charakterystyka:

• Optyczna anizotropowość (ciecze są izotropowe) - inna długość fali świetlnej przechodzącej przez kryształ

• Płynność

• Brak określonego kształtu

• Uporządkowana struktura wewnętrzna zbliżona do struktury krystalicznej

STAN STAŁY

WARUNKI WYSTĘPOWANIA (p=const.) : T < T_t ; T < T_w ; T < T_R

STAŁOŚĆ KRYSZTAŁU: występuje

STAŁOŚĆ OBJĘTOŚCI: występuje

BUDOWA WEWNĘTRZNA: krystaliczna

UPORZĄDKOWANIE BUDOWY WEWNĘTRZNEJ: całkowite w całej objetości

DEFEKTY BUDOWY WEWNĘTRZNEJ: nieliczne

ODLEGŁOŚĆ MIĘDZY CZĄSTECZKAMI: mała, równa długości wiązania

WIĄZANIA WEWNĄTRZCZĄSTECZKOWE: jonowe, atomowe, atomowe spolaryzowane,
koordynacyjne, metaliczne

PRZESTRZENNE UKIERUNKOWANIE WŁAŚCIWOŚCI: anizotropowe

ODDZIAŁYWANIE SIŁ MIĘDZY CZĄSTECZKOWYCH: duże

MOŻLIWOŚĆ ZMIANY WZAJEMNEGO POŁOŻENIA CZĄSTEK: niewielka ze względu na moc sił wewnątrzcząsteczkowych. Możliwy obrót względem własnej osi oraz niewielki ruch drgający.

BUDOWA KRYSTALICZNA

Metody krystalizacji:

• Stopniowe obniżenie temperatury roztworu

• Odparowanie rozpuszczalnika

• Gwałtowne ochłodzenie

Etapy krystalizacji:

• Zarodki krystalizacji (celowo wprowadzane lub zanieczyszczenia)

• Powstanie dendrytów (rozgałęzione struktury krystaliczne)

• Łączenie dendrytów w większe struktury

Struktura wewnętrzna:

• Struktura kryształu jonowego (NaCl, KBr)

• Struktura kryształu atomowego (diament, Si)

• Struktura kryształu molekularnego (S_s , zestalone H₂O, zestalone CO₂ - suchy lód)

• Struktura metaliczna (Cu, Al, Ni, Ag, Au, Pb, Fe, Mo, V, Cr)

Cechy ciał krystalicznych:

• Uporządkowany statystycznie układ atomów, cząsteczek lub jonów posiadający środek, oś lub płaszczyznę symetrii

• Położenie a/cz odwzorowuje model geometryczny → sieć przestrzenna

• Położenie a/cz wyznaczane jest metodami rentgenowskimi

• Anizotropia właściwości (mechaniczne, elektryczne, optyczne)

• Stała temperatura przemian fazowych

• Stabilność właściwości od temperatury przemian fazowych

Układ krystalograficzny - system klasyfikacji kryształów uwzględniający wewnętrzny układ
cząstek w sieci krystalicznej.

System wyróżnia 7 układów, a w nich 32 klasy krystalograficzne, każda o innym rodzaju symetrii cząstek. Układ cząstek wynika ze struktury chemicznej cząsteczki. Większość kryształów przyjmuje formę regularnego wielościanu.

Elementy symetrii budowy kryształu:

• Płaszczyzna symetrii

• Oś symetrii

• Środek symetrii

Typy sieci:

• Prymitywna

• Ściennie centrowana

• Przestrzennie centrowana

Komórka elementarna

PODTSAWOWE UKŁADY KRYSTALOGRAFICZNE:

• regularny a = b = c α = β = γ = 90°

• tetragonalny a = b ≠ c α = β = γ = 90°

• heksagonalny a = b ≠ c α = β = 90°, γ = 120°

• trygonalny a = b = c α = β = γ ≠ 90°

• rombowy a ≠ b ≠ c ≠ a α = β = γ = 90°

• jednoskośny a ≠ b ≠ c ≠ a α = γ = 90°, β ≠ 90°

• trójskośny a ≠ b ≠ c ≠ a α ≠ β ≠ γ ≠ α ≠ 90°

POLIMORFIZM - zjawisko występowania różnych odmian krystalograficznych tej samej
substancji. Występuje ono wtedy, gdy ta sama substancja może
występować w 2 lub nawet kilku formach krystalicznych.

CaCO₃ - kalcyt CaCO₃ - aragonit

Układ regularny układ rombowy

Co T < 450°C heksagonalna zwarta

T > 450°C regularna ściennie centrowana

Fe T < 912°C heksagonalna zwarta

T = (912 - 1394)°C regularna przestrzennie centrowana

T > 1394°C regularna ściennie centrowana

ALOTROPIA - zjawisko występowania różnych odmian krystalograficznych tego samego
pierwiastka. Inaczej, polimorfizm w odniesieniu do pierwiastków.

C - diament C - grafit

Układ regularny układ heksagonalny

IZOMORFIZM - zdolność do przyjmowania takich samych form krystalograficznych przez
substancje o odmiennym, bądź tylko częściowo podobnym, składzie
chemicznym, przy jednoczesnej zdolności tych substancji do tworzenia
roztworów stałych. (wynik identycznego ugrupowania atomów (jonów) o tej
samej wartościowości i zbliżonej objętości Δ V_at < 15%)

miedź (Cu) ↔ zestalone gazy szlachetne

Defekty struktury wewnętrznej kryształu:

• punktowe

• liniowe

• płaskie

• trójwymiarowe

REALNE MATERIAŁY

Rzeczywiste materiały stałe różnią się od ciał idealnych wskutek:

• utworzenia się struktury mozaikowej, w której tylko najmniejsze (10^-7m) obszary zbudowane są z monokryształów

• utworzenia się konglomeratów (polikryształów) składających się z małych (~10^-2 ÷ 10^-5m) kryształów, stanowiących nieregularne ziarna oraz wtrąceń (inkluzji) i porów

• defektów struktury sieciowej

UKŁADY FIZYCZNIE NIEJEDNORODNE

UKŁADY WIELOFAZOWE (NIEJEDNORODNE, HETEROGENICZNE) -
FAZA TERMODYNAMICZNA

FAZA TERMODYNAMICZNA - jednolita część układu fizycznego oddzielona od innych
powierzchniami międzyfazowymi, zwanymi granicami faz, na
których zachodzi skokowa zmiana właściwości:

I faza II faza

Zwarta rozproszona

Ciągła nieciągła

Zewnętrzna wewnętrzna

(matryca) (inkluzja)

III granica faz

powierzchnia międzyfazowa = powierzchnia graniczna

Materiały niejednorodne tworzą dwa rodzaje układów:

układ „zwarty” układ „rozproszony” (kompozyt, koloid)

- fazy zwarte - fazy rozproszone

Faza I

Granica

faz

Faza II

KOMPOZYTY BUDOWLANE

Cechy kompozytu budowlanego:

• układ ciało stałe - ciało stałe

• rozproszenie makroskopowe (φ_f.wew > 10^-6 m)

• udział fazy rozproszonej (inkluzji) 70 - 80%

• fazy tak drobne, aby właściwości wynikowe kompozytu były sumą oddziaływań addytywnych i synergistycznych na granicy fazy wewnętrznej i zewnętrznej

Właściwości kompozytów:

• oddziaływanie addytywne - rodzaj i procentowy udział faz ( w betonie: rodzaj i ilość spoiwa oraz rodzaj i ilość kruszywa)

• oddziaływanie synergistyczne - adhezja wynikająca z oddziaływania międzyfazowego

Rodzaj wypełniacza:

• włóknisty - kilka do 70% objętości - spełnia rolę zbrojenia zwiększając odporność kompozytu na naprężenia rozciągające, pozwala na zachowanie integralności nawet przy utracie nośności w warunkach zniszczenia

• ziarnisty - zwiększenie nośności mechanicznej (np. wytrzymałości na ściskanie) przez efekt synergistyczny na styku faz

• mieszany - włóknisty + ziarnisty - suma powyższych właściwości

ZNISZCZENIE ELEMENTU KOMPOZYTOWEGO

ZNISZCZENIE KOHEZYJNE

Wewnątrz materiału na ogół z przeciążenia

ZNISZCZENIE ADHEZYJNE

Wykonawca

ZNISZCZENIE ELEMENTU ZESPOLONEGO

ZNISZCZENIE KOHEZYJNE

P/2 P/2

A SPOINA B

1. 2) 3)

1. k_A < a_A/S ; k_S ; a_S/B ; k_B

2. k_A < k_A ; a_A/S ; a_S/B ; k_B

3. k_B < k_A ; a_A/S ; k_S ; a_S/B

ZNISZCZENIE ADHEZYJNE

P/2 P/2

A SPOINA B

4) 5)

4. a_A/S < k_A ; k_S ; a_S/B ; k_B

5. a_S/B < k_A ; a_A/S ; k_S ; k_B

ROZTWORY, ZAWIESINY

Roztwór:

• układ pomiędzy wszystkimi stanami skupienia

• rozproszenie cząsteczkowe (φ_f.wew < 10^-9 m)

• chemiczna niejednorodność

• fizyczna jednorodność (nie można zobaczyć gołym okiem cząsteczek)

Zawiesina:

• układ pomiędzy cieczą lub gazem a ciałem stałym

• rozproszenie makroskopowe (φ_f.wew > 10^-6 m)

• chemiczna niejednorodność

• fizyczna niejednorodność (cząsteczki widoczne gołym okiem)

KOLOIDY

Cechy:

• układ pomiędzy wszystkimi stanami skupienia (wyjątek: gaz - gaz = roztwór rzeczywisty)

• rozproszenie nadcząsteczkowe (φ_f.wew = 10^-9 ÷ 10^-6 m)

• chemiczna niejednorodność

• pozorna fizyczna jednorodność

WIELKOŚCI CZĄSTEK

NAZWA	Φ * 10^-6 [m]	NAZWA	Φ * 10^-6 [m]
Sadza	0,01 - 0,3	Pyłki roślin	10 - 100
Dym tytoniowy	0,01 - 1	Pył cementowy	30 - 100
Wirusy	0,03 - 0,5	Mgła, chmury	1 - 70
Dym NH4Cl	0,1 - 3	Mżawka	200 - 500
Ziarna pigmentu	0,1 - 5	Deszcz	>500
Talk	0,5 - 50	Glina	<2
Mąka	1 - 50	Piasek	20 - 2000
Pył węglowy	1 - 100	Żwir	>2000

T

U

st. płynny

st. lepko - płynny

st. szklisty

st. wysokoenergetyczny

Materiał łączony A

Spoina

Materiał łączony B

---