17. Struktura a vlastnosti 17. Struktura a vlastnosti pevných látekpevných látek

Amorfní a krystalické látky, izotropie a anizotropie, monokrystal, Amorfní a krystalické látky, izotropie a anizotropie, monokrystal, polykrystal, krátkodosahové a dalekodosahové uspořádání, geometrická polykrystal, krátkodosahové a dalekodosahové uspořádání, geometrická mřížka, ideální krystalová mřížka, (mřížka, ideální krystalová mřížka, (krystalografické soustavykrystalografické soustavy), krychlová ), krychlová soustava, přehled hlavních typů vazeb v pevných látkách, soustava, přehled hlavních typů vazeb v pevných látkách, kmity částic kmity částic

krystalové mřížkykrystalové mřížky, poruchy krystalové mřížky (bodové a čárové)., poruchy krystalové mřížky (bodové a čárové).

Vypracovala Ludmila Střechová, listopad 2007Vypracovala Ludmila Střechová, listopad 2007

1. KRYSTALICKÉ LÁTKY1. KRYSTALICKÉ LÁTKY

Jsou charakterizovány pravidelným Jsou charakterizovány pravidelným uspořádáním částic, z nichž jsou složenyuspořádáním částic, z nichž jsou složeny

Vyskytují se ve dvou formách:Vyskytují se ve dvou formách:

monokrystalymonokrystaly

polykrystalypolykrystaly

MonokrystalyMonokrystaly

Mohou být:Mohou být: přírodnípřírodní (např.: kamenná sůl, vápenec, křemen a jeho (např.: kamenná sůl, vápenec, křemen a jeho

barevné odrůdy, diamant, granát, …) barevné odrůdy, diamant, granát, …)

uměléumělé (např.: křemík, germánium, …)(např.: křemík, germánium, …)

Částice jsou uspořádány pravidelně tak, že jejich Částice jsou uspořádány pravidelně tak, že jejich určité rozložení se periodicky opakuje v celém určité rozložení se periodicky opakuje v celém krystalu - krystalu - dalekodosahové uspořádánídalekodosahové uspořádání(=> některé monokrystaly mají pravidelný geometrický tvar)(=> některé monokrystaly mají pravidelný geometrický tvar)

Typickým znakem je anizotropie Typickým znakem je anizotropie (viz níže)(viz níže)

PolykrystalyPolykrystaly

Většina krystalických látek jsou polykrystalyVětšina krystalických látek jsou polykrystaly Skládají se z velkého počtu drobných Skládají se z velkého počtu drobných

krystalků – krystalků – zrnzrn (rozměr zrna: 10 (rozměr zrna: 10 μμm – mm)m – mm)

uvnitř zrna jsou částice uspořádány uvnitř zrna jsou částice uspořádány pravidelně, vzájemná poloha zrn je nahodilápravidelně, vzájemná poloha zrn je nahodilá

Typickým znakem je izotropie Typickým znakem je izotropie (viz níže)(viz níže)

IzotropieIzotropie (z řeckých slov (z řeckých slov isisisis = stejný, = stejný, tropostropos = směr, způsob) = směr, způsob)

Určitá vlastnost těchto látek je ve všech Určitá vlastnost těchto látek je ve všech směrech uvnitř látky stejnásměrech uvnitř látky stejná

Např.: kovová tyč se s rostoucí teplotou roztahuje do všech Např.: kovová tyč se s rostoucí teplotou roztahuje do všech směrů stejněsměrů stejně

Typické pro polykrystalyTypické pro polykrystaly

AnizotropieAnizotropie Tyto látky mají některé fyz. vlastnosti závislé Tyto látky mají některé fyz. vlastnosti závislé

na směru vzhledem ke stavbě krystaluna směru vzhledem ke stavbě krystalu Např.: kousek slídy se lehce štípe na tenké lístečky v určitých Např.: kousek slídy se lehce štípe na tenké lístečky v určitých

rovinách (rozdělit slídu ve směru kolmém k těmto rovinám je rovinách (rozdělit slídu ve směru kolmém k těmto rovinám je obtížné)obtížné)

Typické pro monokrystalyTypické pro monokrystaly

2. AMORFNÍ (BEZTVARÉ) LÁTKY2. AMORFNÍ (BEZTVARÉ) LÁTKY

Látky, v nichž je periodické uspořádání omezeno Látky, v nichž je periodické uspořádání omezeno na velmi malou vzdálenostna velmi malou vzdálenost

Mají strukturu, která se vyznačuje Mají strukturu, která se vyznačuje krátkodosahovým uspořádánímkrátkodosahovým uspořádáním (kolem vybrané (kolem vybrané částice jsou částice k ní nejbližší rozloženy přibližně pravidelně, ale s částice jsou částice k ní nejbližší rozloženy přibližně pravidelně, ale s rostoucí vzdáleností se tato pravidelnost porušuje)rostoucí vzdáleností se tato pravidelnost porušuje)

Např.: pryskyřice, asfalt, vosk, sklo, …Např.: pryskyřice, asfalt, vosk, sklo, … Zvláštní skupinou amorfních látek jsou Zvláštní skupinou amorfních látek jsou polymerypolymery

(dlouhé makromolekuly polymerů jsou často navzájem propleteny, (dlouhé makromolekuly polymerů jsou často navzájem propleteny, stočeny do klubek, vytvářejí sítě)stočeny do klubek, vytvářejí sítě)

Trojrozměrná soustava rovnoběžek tvoří Trojrozměrná soustava rovnoběžek tvoří geometrickou mřížkugeometrickou mřížku..

Znám-li tvar a rozměry základního Znám-li tvar a rozměry základního rovnoběžnostěnu a rozmístění částic v něm, rovnoběžnostěnu a rozmístění částic v něm, je tím určena stavba krystalu jako celkuje tím určena stavba krystalu jako celku

Vnitřní stavba krystaluVnitřní stavba krystalu

Ideální krystalová mřížkaIdeální krystalová mřížka

Ideální kryst. mřížka vznikne sestavením velkého Ideální kryst. mřížka vznikne sestavením velkého počtu základních buněkpočtu základních buněk

Základní krychle obsazená určitým způsobem Základní krychle obsazená určitým způsobem částicemi se nazývá zčásticemi se nazývá základní (elementární) buňka ákladní (elementární) buňka krystalu, který patří dokrystalu, který patří do krychlové (kubické) soustavy krychlové (kubické) soustavy

Kubická základní buňka může být: Kubická základní buňka může být: prostáprostá (obr. a)(obr. a) – vyskytuje se jen výjimečně – vyskytuje se jen výjimečněplošně centrovanáplošně centrovaná (obr. b)(obr. b) – Al, Ni, Cu, Ag, Au, … – Al, Ni, Cu, Ag, Au, …prostorově centrovanáprostorově centrovaná (obr. c)(obr. c) – Li, Na, K, Cr, W, … – Li, Na, K, Cr, W, …

Mřížkový parametr (mřížková konstanta) – aMřížkový parametr (mřížková konstanta) – a= délka hrany základní buňky= délka hrany základní buňky

Příklad: Příklad: Kolik atomů v krystalové mřížce připadá na jednu základní buňku, která Kolik atomů v krystalové mřížce připadá na jednu základní buňku, která

je:je:a) plošně centrovanáa) plošně centrovaná

x = 8 . 1/8 + 6 . 1/2 = 4x = 8 . 1/8 + 6 . 1/2 = 4b) prostáb) prostá

x = 8 . 1/8 = 1x = 8 . 1/8 = 1c) prostorově centrovanác) prostorově centrovaná

x = 8 . 1/8 + 1 = 2x = 8 . 1/8 + 1 = 2

a) a = 0, 334 nm b) a = 0, 405 nm c) a = 0, 287 nm

Hlavní typy vazeb v pevných látkáchHlavní typy vazeb v pevných látkách1. Iontová1. Iontová Iontové krystaly jsou značně tvrdé, ale křehké a Iontové krystaly jsou značně tvrdé, ale křehké a

štěpené podél rovin kolmých na hrany elementární štěpené podél rovin kolmých na hrany elementární buňky a mají poměrně vysokou teplotu táníbuňky a mají poměrně vysokou teplotu tání

Elektrický izolant (při běžné teplotě; při vyšších Elektrický izolant (při běžné teplotě; při vyšších teplotách jsou elektricky vodivé)teplotách jsou elektricky vodivé)

Pro viditelné světlo jsou většinou propustnéPro viditelné světlo jsou většinou propustné Např.: alkalické halogenidy (NaCl, KBr) a oxidy Např.: alkalické halogenidy (NaCl, KBr) a oxidy

alkalických zemin (CaO)alkalických zemin (CaO)

2. Vodíková 2. Vodíková (vodíkový můstek)(vodíkový můstek) Spojuje např.: kyslíkové ionty v krystalu ledu vody, ale Spojuje např.: kyslíkové ionty v krystalu ledu vody, ale

je častá i v organických látkáchje častá i v organických látkách

3. Kovová3. Kovová Kovové krystaly mají velmi dobrou tepelnou a elektrickou Kovové krystaly mají velmi dobrou tepelnou a elektrickou

vodivost, povrchový lesk, v tlustších vrstvách jsou vodivost, povrchový lesk, v tlustších vrstvách jsou neprůhledné. Nejsou štěpné a některé z nich se vyznačují neprůhledné. Nejsou štěpné a některé z nich se vyznačují dobrou kujností a tažností.dobrou kujností a tažností.

Např.: Cu, Fe, Al, W, …Např.: Cu, Fe, Al, W, … Mřížka se skládá z 2 kladných iontů – mezi nimiž se Mřížka se skládá z 2 kladných iontů – mezi nimiž se

pohybují neuspořádaným způsobem valenční elektrony – pohybují neuspořádaným způsobem valenční elektrony – tzv. tzv. elektronový plynelektronový plyn

4. Kovalentní4. Kovalentní (atomové) (atomové) Všechny tyto krystaly jsou tvrdé, mají vysokou teplotu tání Všechny tyto krystaly jsou tvrdé, mají vysokou teplotu tání

a jsou nerozpustné v běžných rozpouštědlecha jsou nerozpustné v běžných rozpouštědlech Z elektrického hlediska patří mezi izolanty nebo Z elektrického hlediska patří mezi izolanty nebo

polovodičepolovodiče Např.: diamant, germanium, křemík, karbid křemíku, …Např.: diamant, germanium, křemík, karbid křemíku, …

5. van der Waalsova5. van der Waalsova Nízká teplota tání, jsou měkkéNízká teplota tání, jsou měkké Např.: krystaly inertních plynů, organické sloučeninyNapř.: krystaly inertních plynů, organické sloučeniny

6. Kovová a kovalentní6. Kovová a kovalentní Mimořádně tvrdé, těžko tavitelné, chemicky odolnéMimořádně tvrdé, těžko tavitelné, chemicky odolné Např.: karbidy (např. wolframu a tantalu), nitridy, boridyNapř.: karbidy (např. wolframu a tantalu), nitridy, boridy

Pozn.: v reálných krystalech se nejčastěji uplatňuje více než Pozn.: v reálných krystalech se nejčastěji uplatňuje více než jeden typ vazby (např. grafit – kovalentní + van der jeden typ vazby (např. grafit – kovalentní + van der Waalsova vazba mezi vrstvami)Waalsova vazba mezi vrstvami)

Poruchy krystalové mřížkyPoruchy krystalové mřížky

Každý reálný krystal má ve své struktuře Každý reálný krystal má ve své struktuře poruchy (defekty), které dělíme na bodové poruchy (defekty), které dělíme na bodové

a čárovéa čárové

Bodové poruchyBodové poruchy

a) Vakancea) Vakance Poruchy vzniklé chybějícími částicemi v mřížcePoruchy vzniklé chybějícími částicemi v mřížce Příčiny:Příčiny:

kmitavý pohyb částice, který způsobí, že se částice uvolníkmitavý pohyb částice, který způsobí, že se částice uvolní

ozáření krystalu neutrony v jaderném reaktoruozáření krystalu neutrony v jaderném reaktoru

vakance vznikají také při vzniku některých kovových slitinvakance vznikají také při vzniku některých kovových slitin

b) Intersticiální poloha částiceb) Intersticiální poloha částice Projevuje se tím, že částice je v místě mimo pravidelný Projevuje se tím, že částice je v místě mimo pravidelný

bod mřížkybod mřížky Je-li touto částicí iont, přenáší při svém pohybu náboj a Je-li touto částicí iont, přenáší při svém pohybu náboj a

způsobuje tak elektrickou vodivost iontových krystalůzpůsobuje tak elektrickou vodivost iontových krystalů

c) Příměs (nečistota)c) Příměs (nečistota) Cizí částice, které se vyskytujíCizí částice, které se vyskytují

v krystalu daného chemického složenív krystalu daného chemického složení Může se vyskytovat:Může se vyskytovat:

v intersticiální polozev intersticiální poloze (např.: snadná absorpce (např.: snadná absorpce atomů C, jejichž počet a uspořádání může ovlivnit atomů C, jejichž počet a uspořádání může ovlivnit

v v mřížce Fe vlastnosti různých druhů oceli)mřížce Fe vlastnosti různých druhů oceli)

nahrazovat vlastní částici mřížkynahrazovat vlastní částici mřížky – tzv. – tzv. substituční substituční atom (např.: atomy různých prvků (B, P), atom (např.: atomy různých prvků (B, P), které se které se zpravují do čistého krystalu křemíku nebo zpravují do čistého krystalu křemíku nebo germánia, germánia, a tím ovlivňují elektrickou vodivost látky)a tím ovlivňují elektrickou vodivost látky)

Čárové poruchy (dislokace)Čárové poruchy (dislokace) Jedná se o přerušení pravidelného uspořádání Jedná se o přerušení pravidelného uspořádání

podél určité čáry (tzv. dislokační čáry)podél určité čáry (tzv. dislokační čáry)Posunutí vrstvy hranovou dislokací:Posunutí vrstvy hranovou dislokací:

Látky s touto poruchou nejsou příliš pevnéLátky s touto poruchou nejsou příliš pevné Dislokace se dělí:Dislokace se dělí:

→ → hranové dislokacehranové dislokace

→ → šroubové dislokacešroubové dislokace

Hranová x šroubová dislokaceHranová x šroubová dislokaceDislokace se dělí na Dislokace se dělí na hranovéhranové a a šroubovéšroubové. Jsou to speciální případy smíšené . Jsou to speciální případy smíšené dislokace. Obr. 4.6. znázorňuje smyčku z translačních vektorů vedenou dislokace. Obr. 4.6. znázorňuje smyčku z translačních vektorů vedenou neporušenou oblastí krystalu tak, že ve dvou směrech je vytvořena stejným neporušenou oblastí krystalu tak, že ve dvou směrech je vytvořena stejným počtem kroků v kladném a záporném smyslu (Burgersova smyčka). Je zřejmé, počtem kroků v kladném a záporném smyslu (Burgersova smyčka). Je zřejmé, že pro oblast krystalu bez dislokace se smyčka uzavře. Pro oblast krystalu s že pro oblast krystalu bez dislokace se smyčka uzavře. Pro oblast krystalu s hranovou dislokací (obr.4.6b) bude třeba smyčku uzavřít vektorem hranovou dislokací (obr.4.6b) bude třeba smyčku uzavřít vektorem bb, který se , který se nazývá Burgersův vektor a který udává charakter dislokace. Pro hranovou nazývá Burgersův vektor a který udává charakter dislokace. Pro hranovou dislokaci je Burgersův vektor kolmý na dislokační čáru (dislokační čára dislokaci je Burgersův vektor kolmý na dislokační čáru (dislokační čára označená označená ┴ je kolmá k nákresně; přebývá-li polorovina v horní části krystalu ┴ je kolmá k nákresně; přebývá-li polorovina v horní části krystalu nad skluzovou rovinou, označujeme dislokaci jako kladnou, přebývá-li nad skluzovou rovinou, označujeme dislokaci jako kladnou, přebývá-li polorovina pod skluzovou rovinou, je dislokace záporná). Burgersův vektor polorovina pod skluzovou rovinou, je dislokace záporná). Burgersův vektor šroubové dislokace (obr. 4.6c) je s dislokační čárou rovnoběžný. V případě, že šroubové dislokace (obr. 4.6c) je s dislokační čárou rovnoběžný. V případě, že Burgersův vektor svírá s dislokační čárou úhel ležící mezi 0° a 90°, jedná se o Burgersův vektor svírá s dislokační čárou úhel ležící mezi 0° a 90°, jedná se o dislokaci smíšenou.dislokaci smíšenou.