Ciała stałe


Atomy (cząsteczki ) tworzące ciało stałe oddziałują ze sobą tak, że tworzą sztywną strukturę. Siły istniejące między nimi mają tę własność, że na dużych odległościach są przyciągające, zaś na małych - odpychające. Wskutek tego odległości między atomami ustalają się tak, że atomy przyjmują położenia równowagowe. Oznacza to, że energia potencjalna V każdego atomu osiąga w tych punktach wartość minimalną. Jej wykres dla układu dwóch atomów przedstawiony jest na rysunku, na którym r oznacza odległość jednego atomu względem drugiego.

Oddziaływania między atomami lub cząsteczkami mogą być różnego pochodzenia, zależnie od rodzaju atomów (cząsteczek), czyli od rodzaju pierwiastka (związku chemicznego). Siły wiązania można podzielić na pięć grup: jonowe, kowalencyjne, metaliczne, wodorowe i van der Waalsa.
 

Wiązanie jonowe powstaje wskutek elektrycznego przyciągania się jonów o różnych znakach. Przykładem ciała o takim wiązaniu jest sól kuchenna: NaCl. Każdy jon chloru Cl- otoczony jest sześcioma jonami sodu Na+  i na odwrót.

Układ taki jest stabilny, gdyż siły przyciągania przeważają nad siłami odpychania. Przykłady innych substancji o wiązaniu jonowym: LiF, KBr, CaO, MgO, SrS itp.

Wiązanie kowalencyjne powstaje w wyniku uwspólnienia elektronów zewnętrznych (walencyjnych) sąsiadujących atomów. Jest to podstawowe wiązanie w chemii, któremu zawdzięczamy istnienie prawie wszystkich cząsteczek organicznych., a także nieorganicznych cząsteczek złożonych z jednakowych atomów lub ich zespołów. Przykładem ciała stałego o tym wiązaniu jest węgiel. Każdy jego atom posiada cztery elektrony walencyjne, które uwspólnia z czterema atomami sąsiednimi (po jednym elektronie z każdym sąsiadem). Pary uwspólnionych elektronów tworzą cztery wiązania kowalencyjne.

W ten sposób powstaje silnie związana struktura, której kształt geometryczny zależy od rodzaju atomów.

Wiązanie metaliczne występuje w substancjach zaliczanych do metali. Ich cechą charakterystyczną jest występowanie swobodnych elektronów, które mogą się przemieszczać wzdłuż całej objętości ciała. Chmura elektronowa stanowi rodzaj ujemnie naładowanego ośrodka ciągłego, w którym umieszczone są jony dodatnie. Jony te stanowią sztywny szkielet kryształu. Oddziaływanie chmury elektronowej ze zlokalizowanymi jonami ma charakter przyciągający; utrzymuje ono cały układ w równowadze trwałej.


Wiązanie van der Waalsa, zwane też molekularnym, występuje w tych substancjach, których cząsteczki posiadają trwałe momenty dipolowe elektryczne. Oznacza to, że środek elektronowego ładunku ujemnego nie pokrywa się w nich ze środkiem ładunku dodatniego jądra - cząsteczka taka nie jest symetryczna, jak to ilustruje rysunek.

Najpospolitszym przykładem substancji złożonej z cząsteczek polarnych jest woda. Po skrzepnięciu tworzy ona strukturę stałą - lód. Cząsteczki H2O oddziałują ze sobą elektrostatycznie tak, że przy odpowiednim ustawieniu przyciągają się.

Cząsteczki wielu związków organicznych (np. metanu CH4), a także atomy gazów szlachetnych nie posiadają trwałego momentu dipolowego, ale po zbliżeniu ulegają deformacji tak, że indukują się w nich chwilowe momenty dipolowe. Oddziaływanie między nimi również ma charakter przyciągający, aczkolwiek siły tego wiązania są słabe. Świadczą o tym niskie temperatury topnienia tych substancji.

Siły van der Waalsa odgrywają istotną rolę w tworzeniu się struktur przestrzennych makrocząsteczek (kwasów nukleinowych, białek), warunkując różne połączenia boczne wzdłuż głównej linii cząsteczki.

Wiązania wodorowe polegają na tworzeniu się mostków protonowych (wodorowych) między atomami. Występuje głównie w substancjach organicznych.

Miarą siły wiązania jest temperatura topnienia danej substancji. Im wiązanie silniejsze, tym temperatura ta jest wyższa. Wiązania jonowe, kowalencyjne i metaliczne są znacznie silniejsze od molekularnych i wodorowych.

Kryształy


Ciała stałe mają budowę ziarnistą . Składają się z atomów , cząsteczek lub jonów tworzących uporządkowane struktury (kryształy). Niektóre ciała swoją budową wewnętrzną przypominają ciecze (ciała bezpostaciowe) i cząsteczki takich ciał nie tworzą uporządkowanych struktur (np. szkło). Właściwości fizyczne (sprężystość, przewodnictwo elektryczne, zjawiska optyczne itd.). Ciał bezpostaciowych są jednakowe we wszystkich kierunkach (tę cechę nazywamy izotropowością).

 

Kryształy są to ciała , których atomy, cząsteczki lub jony tworzą charakterystyczne , powtarzające się układy stanowiące tzw. komórkę elementarną. Zespół komórek elementarnych tworzy sieć krystaliczną.


Przykłady sieci krystalicznych (modele)
 

Kryształy jonowe np. soli kuchennej NaCl

Kryształy jonowe są twarde i mają wysoką temperaturę topnienia .Siły wiążące jony są duże Kryształy jonowe [większość soli] są przezroczyste dla świata widzialnego i są złymi przewodnikami prądu oraz ciepła.

sól kuchenna

Kryształy cząsteczkowe (np.Br2, CO, J2)

Oddziaływania między cząsteczkami są słabe i tę strukturę łatwo zburzyć poprzez np. podgrzewanie kryształy cząsteczkowe łatwo się topią i parują.

Kryształy metaliczne (metale alkaliczne)

Sieć tworzą dodatnie jony , od których oderwały się słabo związane elektrony walencyjne. Wolne elektrony poruszają się po całym krysztale należąc do wszystkich jonów (nie są związane z żadnym atomem) tworząc tzw. gaz elektronowy. Te kryształy nie są przezroczyste i dobrze przewodzą prąd oraz ciepło.

Kryształy atomowe (np. diament i grafit)    

Wiązania atomów są silne. Tego typu kryształy są zazwyczaj twarde, trudno je stopić i nie sa dobrymi przewodnikami. W przypadku diamentu i grafitu różnice w budowie powodują różne właściwości fizyczne np. grafit jest miękki a diament twardy; grafit przewodzi prąd a diament jest izolatorem , grafit pochłania światło a diament jest przezroczysty.

Większość ciał krystalicznych zbudowana jest z  wielu , chaotycznie rozmieszczonych , maleńkich kryształków tworzących tzw: polikryształy. Właściwości polikryształów są jednakowe we wszystkich kierunkach (izotropowość). Uwięzione w kryształach cząsteczki wykonują drgania wokół położenia równowagi (węzły sieci). W zależności od wzajemnych odległości pomiędzy cząsteczkami, oddziaływania między cząsteczkami są siłami odpychania (przy zmniejszaniu odległości)lub przyciągania (przy zwiększaniu odległości).

Duże, pojedyncze kryształy , występujące bardzo rzadko charakteryzują się anizotropią tzn. różnymi właściwościami fizycznymi w różnych kierunkach np. wytrzymałość na zgniatanie lub rozciąganie, rozszerzalność termiczna, przewodnictwo cieplne i elektryczne, przenoszenie dżwięku  czy światła itp. Te kryształy są nazywane monokryształami.


Odkształcenia - Prawo Hooke'a

Pod  działaniem sił zewnętrznych ciała zmieniają swoją objętość i kształt. Większość ciał odzyskuje swe pierwotne kształty i objętość po usunięciu sił odkształcających . Tę cechę nazywamy sprężystością. O ciałach stałych można więc powiedzieć , że maja sprężystość objętości i postaci (kształtu ).

Właściwości sprężyste ciał zależą od ich struktury wewnętrznej . Ze względu na te właściwości można podzielić ciała na : sprężyste (ulegające odkształceniom nietrwałym) i niesprężyste(ulegające odkształceniom trwałym).

Przykłady odkształceń:

Wydłużenie ciała

Ugięcie ciała

Skręcenie ciała


Badaniem właściwości sprężystych zajmował się Robert Hooke (1635-1703).

Doświadczenia wskazywały , że wydłużenie ciała (np. pręta , linki , sprężyny) jest wprost proporcjonalne do siły powodującej wydłużenie i długości początkowej ciała , a odwrotnie proporcjonalne do pola przekroju poprzecznego oraz  zależy od rodzaju materiału , z którego wykonano ciało.

Można to zapisać równaniem:

[Dl - wydłużenie ciała

F - siła powodująca wydłużenie

S - pole  przekroju poprzecznego

E - tzw. Moduł Younga różny dla różnych materiałów ]

Wyrażenie nazywamy naprężeniem wewnętrznym lub napięciem (jednostką jest) Przekształcając równanie na Dl otrzymujemy:

 



i ten wzór stanowi zapis prawa Hooke'a , którego treść brzmi :


"Naprężenie wewnętrzne ciała jest wprost proporcjonalne do względnego przyrostu jego długości."

Względny przyrost długości to wyrażenie 

Zależność naprężenia od wydłużenia względnegoModuły Younga (E) wyznaczone zostały dla wielu ciał doświadczalnie. Stanowią one wartości naprężenia (p) powodującego podwojenie długości ciał [Dl = l]. Dla ciał sprężystych moduły Younga są większe od wytrzymałości tych ciał na rozerwanie co oznacza że nie jest możliwe podwojenie długości ciała (wcześniej ulegnie ono rozerwaniu)

Zależność naprężenia od wydłużenia względnego przedstawia wykres:

Odcinek OA wyznacza granicę stosowalności Prawa Hooke'a (jeśli naprężenie nie przekroczy wartości pA to odkształcenia są sprężyste).

Punkt B odpowiada kresowi właściwości sprężystych . Po przekroczeniu naprężenia pBodkształcenia  stają się plastyczne (można uformować dowolnie kształt ciała ) a przekroczenie naprężenia pD rozpocznie proces rozrywania ciała (pD- granica wytrzymałości na rozerwanie - ciało ulegnie rozerwaniu) 

Rozszerzalność termiczna Ogrzewane lub oziębiane ciała stałe zmieniają swoje rozmiary (długość , wysokość , szerokość).Zamiast zmian wszystkich rozmiarów można rozpatrzyć tylko jeden z nich np. długość. Zmiany długości ciała (Dl ) ogrzewanego (lub oziębianego ) są wprost proporcjonalne do zmian temperatury (DT) i długości początkowej (lo) oraz zależą od struktury wewnętrznej ciała (czyli od rodzaju materiału ) . Można to zapisać wzorem : gdzie l jest współczynnikiem rozszerzalności liniowej [wyrażonym w ] Długość ciała ogrzewanego lub oziębianego rośnie (lub maleje ) o Dl,  więcDługość (l) ciała po ogrzaniu (lub oziębieniu ) o DT wynosi więc: 

Zmianę objętości DV ciała ogrzewanego lub oziębianego można obliczyć np. biorąc pod uwagę dowolny sześcian o długości krawędzi lo     Ponieważ współczynniki  rozszerzalności liniowej są bardzo małe  , to w przybliżeniu objętość ciała po zmianie temperatury o DT wynosi : Podstawiając  i nazywając  współczynnikiem rozszerzalności objętościowej otrzymamy wzór : Zjawisko rozszerzalności cieplnej ciał stałych ma znaczenie praktyczne np. układanie torów ; zakładanie przewodów elektrycznych; nakładanie obręczy na beczki , koła , termostaty (bimetale - dwa paski różnych metali) itp.


Dodaj do swoich materiałów
Morze możliwości
na edukator.pl
Narzędzia, zasoby, komunikacja, współpraca. Zarejestruj się. Twórz, gromadź zasoby i dziel się nimi.
Morze możliwości na edukator.pl