Αρχική Σελίδα > Η ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΛΑΣΣΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ .4. Οι τρεις καταστάσεις της Ύλης: 3ο μέρος. Τα Στερεά: Ηλεκτρικές δυνάμεις κρατούν θέση κι αποστάσεις σωματιδίων σταθερά. Κρυσταλλική και Άμορφη Δομή της Ύλης

Η ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΛΑΣΣΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ .4. Οι τρεις καταστάσεις της Ύλης: 3ο μέρος. Τα Στερεά: Ηλεκτρικές δυνάμεις κρατούν θέση κι αποστάσεις σωματιδίων σταθερά. Κρυσταλλική και Άμορφη Δομή της Ύλης

Δήμητρα Σπανού, χημικός, μόνιμη καθηγήτια Δ/θμιας Εκπ/σης στο 1ο Γυμνάσιο Δάφνης (μετά το 2010)

ΤΑ ΣΤΕΡΕΑ " ΟΤΑΝ Η ΥΛΗ 'ΠΑΓΩΝΕΙ"

Σε χαμηλές θερμοκρασίες (ή και μεγάλες Πιέσεις) τα σωματίδια των υγρών διατηρούν την μέση θέση τους αμετάβλητη για μεγάλο χρονικό διάστημα και ταλαντώνονται μόνο σε ένα μικρό πλάτος γύρω από αυτή.

Οι θέσεις αυτές παρουσιάζουν συνέχεια στον χώρο και καθορίζονται από ηλεκτρικές δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ τους

Όμως, οι αποστάσεις αυτές των μορίων δεν μειώνονται πάρα πολύ, όταν το υγρό μεταπίπτει σε στερεά κατάσταση.

Η απόσταση των μορίων στο υγρό Ήλιον (He ) είναι 3,22A^o ενώ στο στερεό ήλιον είναι 3,13A^o

Στα Υγρά, θέσεις και οι αποστάσεις των μορίων είναι σταθερές (και σχετικά μικρότερες από αυτές των υγρών) και συνέπεια αυτού, τα στερεά διατηρούν το σχήμα και τον όγκο τους

Τα στερεά διακρίνονται σε άμορφα και κρυσταλλικά, όμως στις περισσότερες περιπτώσεις , η κρυσταλλική μορφή δεν γίνεται εύκολα αντιληπτή και ακόμα, πολλά στερεά δεν έχουν σαφή διαχωρισμό της μιας ή της άλλης κατάστασης. Όμως γενικά, το μεγαλύτερο ποσοστό των στερεών σωμάτων είναι κρυσταλλικής κατασκευής ή έχει τις περισσότερες ιδιότητές του κυσταλλικής κατάστασης, η οποία με την κλασσική άποψη είναι και χαμηλότερης ενέργειας

Η ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Κατά την μετατροπή των υλικών σωμάτων από την υγρή σε στερεά κατάσταση, ή

με την καθίζιση διαλυμένων ουσιών σχηματίζονται τα στερεά σώματα.

Αυτά εμφανίζουν δύο μορφές: την κρυσταλλική και την άμορφη

Οι δύο αυτές καταστάσεις περιλαμβάνουν διαφορές όπως

1. Η τάξη μεγέθους των αποστάσεων μεταξύ των δομικών σωματιδίων τους:

Στα άμορφα σώματα είναι η ίδια με αυτήν των ατόμων στα μόριά τους,

στα κρυσταλλικά σώματα η απόσταση μεταξύ των δομικών σωματιδίων τους, είναι πολύ μεγαλύτερης τάξης μεγέθους, από τις αποστάσεις ατόμων στα μόριά τους

2. Η διάταξη των σωματιδίων:

Στη άμορφα σώματα τα στοιχειώδη σωματίδια διατάσσονται σε τυχαία διάταξη

Στα κρυσταλλικά σώματα συμβαίνει η δημιουργία γεωμετρικών σχημάτων στον χώρο

3. Μετάβαση από την Υγρή στην στερεή κατάσταση:

Στα άμορφα σώματα, η μετάβαση από την υγρή σε στερεά κατάσταση γίνεται σταδιακά

Στα κρυσταλλικά σώματα, η μετάβαση από την υγρή σε στερεά κατάσταση γίνεται απότομα (Καθορισένο Σημείο Τήξεως- Πήξεως)

4. Ισοτροπία, Ανισοτροπία

Στα κρυσταλλικά σώματα, σε πολλές από τις Ιδιότητες της Ύλης όπως πυκνότητα , ιξώδες, θερμοχωρητικότητα, αγωγιμότητα, διάθλαση κ..λ.π. η τιμή τους εξαρτώνται από την κατεύθυνση προσμέτρησής τους (ανισοτροπία)

ενώ στα άμορφα είναι ϊδιες (Ισοτροπία)

ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΕΡΕΑ ΣΩΜΑΤΑ

Κατά ψύξη των περισσότερων υγρών προς στερεά, τα δομικά τους σωματίδια, αποκτούν καθορισμένη διάταξη που θα καταλήξει σε κρυσταλλική μορφή (δομή)

Κρυσταλλική δομή εμφανίζουν σχεδόν όλα τα Ανόργανα σώματα και πολλές οργανικές Ουσίες, υπό κατάλληλες συνθήκες στερεοποίησης παράδειγματα το αλάτι, η ζάχαρη, τα μέταλλα, το χιόνι.

Στην Κρυσταλλική κατάσταση, οι δομικές μονάδες των Ύλικών σωμάτων ( ιόντα, άτομα και μόρια) διατάσσονται στον χώρο με μια ιδιαίτερη κανονικότητα και αυτό έχει συνέπεια να έχουν εξωτερικά μια πολυεδρική εμφάνιση.

Οι σχηματισμοί που προκύπτουν από την εσωτερική διάταξη των δομικών μονάδων τους είναι κλειστά γεωμετρικά πολύεδρα. Εάν τα πολύεδρα αυτά δώσουν την εικόνα όχι κλειστών αλλά ανοικτών πολυέδρων, τότε πρόκειται για δύο κρυστάλλους που έχουν εισχωρήσει ο ένας μέσα στον άλλον (συμφυόμενοι)

ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΑ

Είναι η μελέτη της δόμησης των κρυστάλλων και του κρυσταλλικού πλέγματος

Η ανάπτυξη του κρυστάλλου

Τα πολύεδρα που σχηματίζονται κατά την κρυστάλλωση στερεού, είναι κανονικά γεωμετρικά, είναι συνθήκες του περιβάλλοντος της κρυστάλλωσης είναι ομαλές.

Σε περιπτώσεις που στις συνθήκες περιβάλλοντος της κρυστάλλωσης υπάρχει κάποια ανομιομορφία (διαφορές στην πυκνότητα, στην θερμοκρασία σε διάφορες περιοχές τροφοδοσίας του κρυστάλλου, ρεύματα) ο κρύσταλλος μπορεί να αναπτυχθεί ανομοιόμορφα και να δώσει μη κανονικά πολύεδρα ή παραμορφωμένα.

Η ανάπτυξη των κρυστάλλων γίνεται με την απόθεση στρωμάτων παράλληλα με τις αρχικές έδρες.

Στον κρύσταλλο - δενδρίτη του σχήματος, η ανάπτυξη στην αρχή ξεκινά κανονικά. Μετά από λίγο όμως η ίδια η κρυστάλλωση δημιουργεί συνθήκες ανομοιογένειας γιατί η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά την κρυστάλλωση είναι λιγότερη στις ακμές και περισσότερη στις έδρες του πολύεδρου, με συνέπεια, η στερεοποίηση να συνεχίζεται στις περιοχές με χαμηλότερη θερμοκρασία, δηλαδή στις κορυφές κ.ο.κ. !

Τα Κρυσταλλικά Συστήματα

Τα κρυσταλλικά σώματα, κατατάσσονται, σε σχέση με την γεωμετρική κατασκευή τους.

Στοιχεία που χρησιμοποιούνται γι αυτο είναι

ο Άξονας Συμετρίας γύρω από τον οποίο εάν το κρυσταλλικό πολύεδρο στραφεί κατά γωνία φ=2π/n (n=2, 3, 4, 6) εμφανίζεται ίδια μορφή κρυστάλλου

οι Κρυσταλλογραφικοί Άξονες (abc) που είναι σύστημα συντεταγμένων στον χώρο

ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ (ΑΤΟΜΩΝ, ΙΟΝΤΩΝ, ΜΟΡΙΩΝ) ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ

Μεταξύ των σωματιδίων των κρυσταλλικών πλεγμάτων, απάρχουν δυνάμεις που εξαρτώνται από τα σωματίδια αυτά.

Οι δυνάμεις αυτές μπορεί να είναι ιοντικής ή ετεροπολικής φύσεως (Ιοντικά πλέγματα) και ομοιοπολικής (ατομικά πλέγματα). Επιπλέον μπορεί να ασκούνται και οι ασθενέστερες δυνάμεις μεταξύ ατόμων ή μορίων που είναι γνωστές σαν Van der Waals, (μοριακά πλέγματα) οι οποίες αποκτούν σημαντικό ρόλο σε χαμηλές θερμοκρασίες όπου περιοριζεται η κινητική ενέργεια.

Η τέταρτη κατηγορία δυνάμεων είναι οι δυνάμεις μεταλλικού δεσμού (μεταλλικά στερεά)

ΑΜΟΡΦΑ ΣΤΕΡΕΑ ΣΩΜΑΤΑ

Κατά ψύξη των ορισμένων υγρών προς στερεά,

όταν αυτά στερεοποιούνται, τα μόριά τους δεν αποκτούν καθορισμένη διάταξη που θα καταλήξει σε κρυσταλλική κατάστασση,

αλλά, παραμένουν στην ίδια κατάσταση όπως ήταν στο υγρό, δηλαδή σε τυχαία διάταξη.

Αυτά είναι τα άμορφα στερεά

Στα άμορφα στερεά, τα σωματίδια (μόρια, άτομα κ.λ.π.) βρίσκονται σε τυχαίες θέσεις και δονούνται γύρω από αυτές . Υπάρχει διάταξη μεταξύ τους γεωμετρική και χημική αλλά σε αποστάσεις μεταξύ των διατάξεων σχετικά μικρές, (0,5 έως 5 nm) ανάλογες με την τάξη των αποστάσεων μεταξύ των ατόμων, (ίδιας τάξης μεγέθους). Δεν υπάρχουν ισχυρές δυνάμεις πεδίων μηχανικές ή ηλεκτρικές που να στηρίζουν τις θέσεις αυτές, όμως τα μόρια των αμόρφων στερεών έχουν χαμηλή κινητικότητα και συνήθως τείνουν να καταλάβουν τις θέσεις της χαμηλότερης ενέργειας ώστε να διατηρείται δομή του.

¨οπως και τα Υγρά, τα άμορφα στερεά σώματα είναι ισότροπα ως προς τις ιδιότητές τους , δηλαδή οι ιδιότητές τους (πυκνότητα, ιξώδες, θερμοχωρητικότητα, κ.α.) δεν εμφανίζουν διαφορές όταν προσμετρώνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις.

Οι άμορφες ουσίες δεν έχουν σταθερό Σημείο Τήξεως. Μαλακώνουν σταδιακά καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία,

Οι Σταθερά Άμορφες Ουσίες- Υαλώδης κατάσταση

Υπάρχουν ουσίες που είναι σταθερά άμορφες στην στερεά τους κατάσταση όπως, οι φυσικές και τεχνητές ρητίνες, το γυαλί, οι κόλλες, οι παραφίνες, το κερί κ.α.

Οι παραπάνω ουσίες σε θερμοκρασία χαμηλότερη την Θερμοκρασία Υαλώδους μεταπτώσεως, Τg, υαλοποιούνται

Η υαλώδης κατάσταση είναι μια άμορφη μετασταθερή κατάσταση της ϋλης, και η ορολογία οφείλεται στο γυαλί

πρόκειται για μια μετασταθή κατάσταση της ύλης

Είναι μια κατάσταη ισορροπίας που ένα φυσικό σώμα παραμένει για μεγάλο διάστημα, χωρίς αυτή να είναι η κατάσταση της χαμηλότερης ενέγειας, (στην οποία τα σώματα παραμένουν για αόριστο διάστημα)

Ο λόγος που τα σώματα παραμένουν σε μετασταθείς καταστάσεις, είναι ίσως κάποιοι ενεργειακοί φραγμοί

Το Γυαλί

Γυαλί μπορεί να ονομαστεί οποιοδήποτε υλικό σε άμορφη στερεά κατάσταση.

Τα γυαλιά υφίστανται πολυμερισμό, όμως διακρίνονται από τα υπόλοιπα άμορφα οργανικά πολυμερή, λόγω του τεράστιου μήκους των μορίων των τελευταίων, τα οποία λόγω των μεγάλων μορίων τους όταν ψύχονται δεν κρυσταλλοποιούνται, περνούν όμως πάντα από την υαλώδη κατάσταση

Έτσι στη φύση, γυαλιά βρίσκονται σε ηφαιστεικά πετρώματα, όταν το υγρό μάγμα, ψύχεται πολύ γρήγορα σε επαφή με το νερό και τον αέρα. (μη κρυσταλλωμένα παράγωγα ταχέως ψυχρής λάβας).

Το γυαλί και σε τι διαφέρει από τα υπόλοιπα άμορφα σώματα

Σε άλλα υγρά όμως, η υαλώδης μετάπτωση εξαρτάται από τον ρυθμό ψύξης και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες περνούν πάντα σε κρυσταλλική κατάσταση.

όσο γρηγορότερα ψύχεται μια ουσία, τόσες περισσότερες είναι οι πθανότητες να παρακάμψουν την κρυσταλλοποίηση και να πέσυν στην υαλώδη κατάσταση,

στην οποία δεν υπάρχει σταθερό κρυσταλλικό πλέγμα, παρατηρούνται όμως μικρές συστάδες κρυσταλλωμένων περιοχών, που είναι συνήθως μείγματα

Ουσίες που Μερικώς Κρυσταλλοποιούνται-

Ρυθμός Κρυσταλλοποίησης

Αλλά όπως αναφέρθηκε, υπάρχουν ουσίες που δεν έχουν σαφή όρια διαχωρισμού.

Σe πολλές όμως άλλες ουσίες η άμορφη ή η κρυσταλλική τους κατάσταση και τα ποσοστά τους στην συνολική μάζα, εξαρτάται από τον τρόπο στερεοποίησής τους

Όσες από αυτές χρειάζονται μεγάλο χρόνο κρυστάλλωσης, δηλαδή έχουν χαμηλό ρυθμό κρυστάλλωσης, ( εάν ψυχθούν γρήγορα εμφανίζουν μικρή κρυστάλλωση και αντίθετα αν ψυχθούν αργά, οι κρύσταλλοι που θα σχηματιστούν είναι περισσότεροι)

έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να στερεοποιηθούν σαν άμορφη ύλη σε γρήγορη ψύξη, παράδειγμα γι αυτό είναι ο χαλαζίας (SiO₂) που τα προϊόντα από τήγμα χαλαζία έχουν άμορφη δομή.

Τα πλαστικά (πολυμερή) έχουν γενικά χαμηλό ρυθμό κρυστάλλωσης και συνήθως έχουμε την άμορφη δομή τους.

Ορισμένα εξαιρούνται όπως το πολυαιθυλένιο που σε θερμοκρασία δωματίου έχει από δύο έως περισσότερα χρόνια. Έτσι εξηγείται ότι μετά από κάποια χρόνια, το ποσοστό του κρυσταλλικού έναντι του άμορφού πολυαιθυλένιου αυξάνεται και γι αυτό, το προϊόν παρουσιάζει ευθραυστότητα.