1

ของแขง (Solid)

สาขาวชาเคม

คณะศลปศาสตรและวทยาศาสตร

มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน

403117-2551

2

หวขอ

1. ลกษณะทวไป

2. ชนดของของแขง

3. ระบบผลกและแลตทซบราแวส

3. เลขอะโวกาโดรและเซลลหนวย

ของผลก

4. การจดเรยงอะตอมแบบชดทสด

5. ชองวางในโครงสรางบรรจ

ชดทสด

6. โครงสรางผลกสามญ

7. ตาหนของผลก

8. แผนผงวฏภาค

3

คาถาม

1. ของแขงมรปรางแนนอนเพราะอะไร

2. ของแขงแบงเปนกชนด อะไรบาง

3. Polymorphism และ isomorphism ตางกนอยางไร

4. ยกตวอยางผลก และอสณฐาน ในชวตประจาวน

5. ความแตกตางของ unit cell ตางชนด

6. ผลก cubic มลกษณะอยางไร

4

ลกษณะทวไป

1. รปรางแนนอน ไมขนกบภาชนะทบรรจ

2. เมอถกกดอด ปรมาตรเปลยนแปลงเลกนอย

3. การแพรชามากเมอเทยบกบของเหลวและแกส

4. ประกอบดวยอะตอมหรอโมเลกลทอยในตาแหนงท

แนนอนและชดกนมาก

5. ขยายตวเมออณหภมเพมและหดตวเมออณหภมลด

(เลกนอย)

6. มทงชนดทนาไฟฟาไดและไมนาไฟฟา

5

ชนดของของแขง

1. ของแขงผลก (Crystalline solid)

2. ของแขงอสณฐาน (Amorphous solid)

6

ของแขงผลก (Crystalline solid)

มอนภาคทจดตวอยางเปนระเบยบ เรยกวา ผลก (crystalline)

ลกษณะของผลก :

- มรปทรงเรขาคณต - ผวหนาเรยบ

- มมระหวางผวแนนอน- มจดหลอมเหลวทเดนชด

- มการนาไฟฟาและดชนการหกเหแสงแตกตางกนในทศทาง

ทตางกน เรยกวาม สมบต anisotropy

ตวอยาง NaCl C12H22O11 S8

7

ตวอยางลกษณะของผลกตางๆ

Sulfur Pyrite Celestite

8

สารทมรปรางผลกหลายแบบ เรยกวา “Polymorphism”

CaCO3 Rhombohedral (ทอณหภมตา)

CaCO3 Orthorhombic (ทอณหภมสง)

สารตางชนดทมผลกเหมอนกน เรยกวา “Isomorphism”

9

Polymorphism ของผลก CaCO3

Orthorhombic crystal

www.western.cc.ok.us/ www.tmm.utexas.edu/

Rhombohedral crystal

10

ชนดของของแขงผลก

ชนด แรงดงดด สมบต ตวอยาง

ผลกไอออนก แรงดงดดทาง

ไฟฟา

แขง เปราะ

จดหลอมเหลวสง นา

ไฟฟาและความรอนไมด

NaCl LiF MgO

CaCO3

ผลกโควาเลนต พนธะโควาเลนต แขง จดหลอมเหลวสง

นาไฟฟาและความรอน

ไมด

C(เพชร) SiO2

ผลกโมเลกล ระหวางขว

พนธะไฮโดรเจน

นม จดหลอมเหลวตา

นาไฟฟาและความรอน

ไมด

Ar CO2 I2 H2O

C11H22O11

ผลกโลหะ พนธะโลหะ นม-แขง จดหลอมเหลว

สง นาไฟฟาและความ

รอนไดด

Na Mg Fe Cu

11

ผลกโควาเลนต

carbonatoms

Diamond

Graphite

12

ของแขงอสณฐาน (Amorphous solid)

อนภาคเรยงตวไมเปนระเบยบ ไมมรปทรงเรขาคณต

จดหลอมเหลวไมเดนชด

ของแขงอสณฐาน มการนาไฟฟาและดชนการหกเห

แสงเหมอนกนทกทศทาง เรยกวาม สมบต isotropy

ตวอยาง แกว พลาสตก ขผง

13

ของแขงอสณฐาน

โครงสรางอสณฐานของ SiO2

- Si 4 bonds

- O 2 bonds

www.research.ibm.com/ amorphous/

SiO

14

ระบบผลกและแลตทซบราแวส

แลตทซ (Lattice) อนภาคในผลกมการเรยงตวแบบซากน

หนวยเซลล (Unit cell) หนวยทเลกทสดทใชบอกรปราง

ของผลก

การเลอกเซลลหนวย ควรเลอกใหมสมมาตรสงสด

หนวยเซลล (Unit cell) จด lattice และ เซลลหนวย

15

ระบบโครงผลก (Bravais Lattices)

16

ระบบผลกรปลกบาศก (Cubic)

ตาแหนงของจดแลตทซไมไดอยเฉพาะทมมของเซลลหนวย

1. Simple cubic (sc)

2. Face-centered cubic

(FCC, fcc)

3. Body-centered cubic

(BCC, bcc) phycomp.technion.ac.il/ ~sshaharr/cubic.html

17

Simple cubic (sc)

www.seas.upenn.edu/.../ metallicsolids.htmlwww.kings.edu/~chemlab/ vrml/scubic.html

18

Body-centered cubic (bcc)

•www.seas.upenn.edu/.../ metallicsolids.html www2.latech.edu/.../ understanding_crystals.htm

19

Face-centered cubic (fcc)

cst-www.nrl.navy.mil/ lattice/ www2.latech.edu/.../ understanding_crystals.htm

20

เปรยบเทยบระบบผลกทง 3 ชนด

Simple cubic (sc) Body-centered cubic (bcc) Face-centered cubic (fcc)

21

Shared by 8unit cells

Shared by 2 unit cells

การนบจานวนอะตอมในเซลลหนวย (n)

22

1 atom/unit cell(8 x 1/8 = 1)

2 atoms/unit cell(8 x 1/8 + 1 = 2)

4 atoms/unit cell(8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4)

Simple cubic (sc) Body-centered cubic (bcc) Face-centered cubic (fcc)

การนบจานวนอะตอมหรอไอออนของสารประกอบ

23

การนบจานวนอะตอมหรอไอออนของสารประกอบ

n = nint + nf /2 +ne/4 + nc/8

เมอ n คอ จานวนอะตอมหรอไอออนทงหมดในหนวยเซลล

nint คอ จานวนอะตอมหรอไอออนภายในหนวยเซลล

nf คอ จานวนอะตอมหรอไอออนตามผวหนา

ne คอ จานวนอะตอมหรอไอออนตามรมขอบ

nc คอ จานวนอะตอมหรอไอออนตามมม

2411.4

ความสมพนธระหวางรศมอะตอมและ

ความยาวตามขอบของผลก

25

ตวอยางการคานวณ

1. อะตอมของอะลมเนยมมรศมเทากบ 125 pm

ถาอะลมเนยมตกผลกในรป fcc จงหาความยาวตามขอบ (a)

ของผลกน

fcc (4r)2 = a2 + a2

2 a2 = (4r)2

a = 81/2 r

= 81/2 × 125 pm

= 353.6 pm

26

2. โลหะทงสเตนมความหนาแนนเทากบ 19.35 g/cm3 และม

นาหนกอะตอม 183.85 g/mol ถาโลหะนมหนวยเซลลแบบ

bcc จงหาความยาวขอบเซลลของหนวยเซลลน

วธทา bcc มจานวนอะตอมทงสเตน 2 อะตอม

โลหะทงสเตน 6.02 x 1023 อะตอม หนก 183.85 g

” 2 ” ” 183.85 g x 2 อะตอม

6.02 x 1023 อะตอม

= 6.106 x 10-22 g

ตวอยางการคานวณ

27

ความหนาแนน = มวล/ปรมาตร

ปรมาตร(V) = มวล/ ความหนาแนน = a3

a = V1/3

= (มวล/ ความหนาแนน ) 1/3

แทนคา = 6.106 x 10-22 g 1/3

19.35 g/cm3

a = 0.316 nm

ตวอยางการคานวณ

28

3. แคลเซยมมหนวยเซลลเปนแบบ fcc และมความ

ยาวขอบเซลล เทากบ 0.556 nm มความหนาแนน

เทากบ 1.54 g/cm3 นาหนกอะตอม 40.08 จงหาเลข

อาโวกาโดร

การคานวณเลขอาโวกาโดรและเซลลหนวยของผลก

29

4. โลหะนเกลตกผลกแบบ fcc ถารศมของนเกลไอออน

เทากบ 0.124 nm จงคานวณหาความหนาแนนของ

โลหะนเกล

30

การจดเรยงอนภาคในผลกแบบชดทสด

(Closest-packed pattern)

โลหะบรสทธทกอะตอมมขนาดเทากน

จดเรยงทรงกลมใหสมผสกนมากทสดจงเปรยบเทยบการจดเรยงอนภาคของรปตอไปน

รปใดจดเรยงอะตอมแบบชดทสด

31

การจดเรยงอนภาคในผลกแบบชดทสด

1. โครงสรางการบรรจแบบชดทสดรปเฮกซะโกนอล

(hexagonal closest-packed structure, hcp)

มการบรรจแบบ : ABABABAB……….

BA

AB

32

2. โครงสรางการบรรจแบบชดทสดรปลกบาศก

(cubic closest-packed structure, ccp)

การบรรจแบบ : ABCABCABCABC……….

โครงสรางแบบ fcc C

ABB

การจดเรยงอนภาคในผลกแบบชดทสด

33

การจดเรยงอนภาคในผลกแบบชดทสด

34

การจดเรยงอนภาคในผลกแบบชดทสด

35

ชองวางในโครงสรางการบรรจชดทสด

1. ชองเตตระฮดรล (Tetrahedral hole)

www.chem.ubc.ca/

36

2. ชองออกตะฮดรล (Octahedral hole)

www.chem.queensu.ca/.../ Molecular/Solids

•www.facstaff.bucknell.edu/ kastner/univ281/Cry...

ชองวางในโครงสรางการบรรจชดทสด

37

ในโครงสรางการบรรจชดทสด

จานวนชองเตตระฮดรล = สองเทาของจานวนทรงกลม

จานวนชองออกตะฮดรล = จานวนทรงกลม

A ทาใหเกดโครงสรางการบรรจชดทสดและ

ชองเตตระฮดรลทกชองบรรจดวย X สตรโมเลกลคอ AX2

A ทาใหเกดโครงสรางการบรรจชดทสดและ

ชองออกตะฮดรลทกชองบรรจดวย X สตรโมเลกลคอ AX

38

โครงสรางผลกสามญ

1. โครงสรางโซเดยมคลอไรด (rock - salt structure)

- มแอนไอออนเปนโครง แคตไอออนอยตามชอง

octahedral เตม

- มสตรเปน AX

- coordination number = 6 : 6

- สารประกอบ เชน อลคาไลเฮไลด ⇒ KCl , KBr, LiI

- ออกไซด + ซลไฟดของ Mg, Ca

- อนๆ เชน AgCl, NH4I, MnS, NiO

39

โครงสรางโซเดยมคลอไรด

โครงสรางผลกสามญ

40

โครงสรางโซเดยมคลอไรด

41

ตวอยาง คานวณ Na+ และ Cl- ในโครงสรางของ

NaCl 1 หนวยเซลล

42

2. Cesium chloride structure (CsCl)

- ขนาดของ Cs+ และ Cl- ไมแตกตางกนมาก

หนวยเซลลเปนแบบ bcc

- Coordination Number = 8 : 8

- สารประกอบ เชน CsBr, RbCl, NH4Cl

โครงสรางผลกสามญ

43

โครงสราง CsCl

โครงสรางผลกสามญ

44

โครงสราง CsCl

45

ตวอยาง จงคานวณ Cs+ และ Cl- ในโครงสรางของ

CsCl 1 หนวยเซลล

46

3. Fluorite structure

- มแคตไอออนเปนโครง แอนไอออนบรรจอยในชอง

tetrahedral เตม

- สตร AX2

- coordination number = 8 : 4 เชน CaF2

- โครงสรางแบบ ccp

- F - บรรจใน tetrahedral ทง 8 แหงรอบ Ca2+

- Ca2+สมผส F - 8 ไอออน F- สมผส Ca2+ เพยง 4 ไอออน

- ตวอยางสารอนๆ เชน BaF2 , BaCl2 , CdF2, PbF2

โครงสรางผลกสามญ

47

Fluorite structure

โครงสรางผลกสามญ

48

Fluorite structure

49

ขดจากดอตราสวนรศมของโครงสราง

เลขโคออรดเนชน โครงสราง r+ / r-

2 linear ≤ 0.154

3 triangular 0.154 – 0.255

6 NaCl 0.414 – 0.732

8 CsCl > 0.732

50

ตาหนของแลตทซ

แบบจด

1. Frenkel defect

ไอออนเลอนไปอยในชองวาง เกดกบสารประกอบทม

ไอออนลบขนาดใหญ แตไอออนบวกขนาดเลก และม

โครงสรางแบบบรรจไมชด

51

2. Schottky defect

ไอออนบวกและไอออนลบหายไป เกดทวางเปนค เกด

กบโครงผลกแบบท cation อยตามชองวางของ anion

โดยสวนใหญพบในผลก alkaline halide เชน NaCl

ตาหนของแลตทซ

52

แบบเสนหรอตามแนวแลตทซ

1. Edge dislocation

ความยาวแตละชนไมเทากน

ทาใหผลกเบยว

ตาหนของแลตทซ

53

Edge dislocation

jamaica.u.arizona.edu/.../ disclocation.html

ตาหนของแลตทซ

54

2. Screw dislocation

แนวระนาบของอะตอมไมอยในแนวเดยวกน

www.hpcc.ecs.soton.ac.uk/. ../materials/MgO.html www.semiconfareast.com/ crystaldefects.htm

ตาหนของแลตทซ

55

แผนผงวฏภาค (Phase diagram)

แผนผงทแสดงความสมพนธระหวางสถานะของสาร

ทความดนและอณหภมตางๆ

จดรวมสาม (Tripple point)

จดสมดลของทงสามสถานะ

จดวกฤต (Critical point)

จดสนสดของเสนสมดลระหวาง

ของเหลวและแกส

56

Phase diagram of water

57

Phase diagram of Carbon dioxide

58

เสนแบงวฏภาคของแขง-ของเหลว (solid-liquid line)

ของนาเอนไปทางซาย แตของสารอนสวนใหญเอนไป

ทางขวา แสดงวา เมอความดนเพม อณหภมท นาแขงอย

ในสภาวะสมดลกบนาลดลง คอ จดหลอมเหลวของนาแขง

ลดลง เพราะนาแขงมความหนาแนนนอยกวานา ซงเปน

สมบตของนาทแปลกกวาสารอน (สารอนของแขงมความ

หนาแนนมากกวาของเหลว)

ขอสงเกต