Struktura a vlastnosti pevných látek

Tělesa z pevných látek si zachovávají svůj tvar pokud na ně nepůsobí vnější síly.
Krystalické a amorfní látky
Základní rozdělení pevných látek je na krystalické a amorfní
Krystalické látky
Jsou charakterizovány pravidelným uspořádáním částic, z nichž jsou složeny. Buď se vyskytují jako monokrystaly přírodní (kamenná sůl, křemen, diamant…), nebo se vyrábějí úměle (umělý drahokam rubín) a rovněž monokrystaly polovodičové látky (křemík, germanium) se vyrábějí uměle.
Uvnitř monokrystalu jsou částice uspořádány pravidelně a určité rozložení se opakuje v celém krystalu. To nazýváme dalekodosahovým uspořádáním (obr.3-28a). Některé monokrystaly mají díky tomu pravidelný geometrický tvar.
Většina krystalických látek jsou polokrystaly (všechny kovy, různé zeminy, prach…). polokrystaly se skládají z drobných krystalků ? zrn (několik ěm ? mm). Vzájemná poloha zrn je nahodilá.
Různá orientace zrn způsobuje, že polokrystaly jsou izotropní. To jest, že vlastnosti těchto látek jsou ve všech směrech uvnitř látky stejné (např. kovová tyč se s rost. teplotou roztahuje do všech směrů stejně). Naopak typickým znakem monokrystalů je anizotropie ? mají některé fyz. vl. závislé na směru vzhledem ke stavbě krystalu (např. slída se štípe lehce v určitých rovinách a těžce kolmým směrem k těmto rovinám)
Amorfní látky
Jejich struktura se vyznačuje krátkodosahovým uspořádáním (obr.3-28b). Kolem vybrané částice jsou částice jí nejbližší uspořádány přibližně pravidelně, vzdálenější už ne.
Mezi amorfní látky patří např. asfalt, vosk, sklo, četné plasty… jsou to látky zpravidla izomorfní.
Zvláštní skupinou jsou amorfní látky organického původu tzv. polymery. Mají dlouhé makromolekuly často propletené, stočené do klubíčka, vytvářejí sítě. Jsou to např. kaučuk, celulóza, termoplasty (PVC) a polyepoxidové a polyesterové pryskyřice.

Ideální krystalová mřížka
Je-li prostorová pravoúhlá geometrická mřížka(obr.3-29a) osazena pravidelně rozloženými částicemi, vznikne hmotný útvar, který nazýváme ideální krystalová mřížka. Na obr.3-29b je znázorněna jednoduchá situace, kdy v každém vrcholu krychle ABCDEFGH je jedna částice.
Základní krychle osazená určitým způsobem částicemi se nazývá základní, nebo taky elementární buňka krystalu.
kubická základní buňka může být prostá, plošně centrovaná nebo prostorově centrovaná (obr3-30) Délka hrany se nazývá mřížkový parametr a (nebo také mřížková konstanta).
V přírodě se vyskytují krystaly s prostou buňkou výjimečně (např. radioakt. polonium alfa). Plošně centrovanou b. mají Al, Ni, Cu, Ag, železo gama, Au, Pb. Prostorově centrovanou buňku mají např. kovy lithium, Na, Cr, železo alfa.
Příkladem složitější krychlové mřížky jsou např. mřížka NaCl(obr.3-31) a křemíku Si(obr.3-32).

Poruchy krystalové mřížky
V reálném krystalu existuje mnoho odchylek od pravidelného uspořádání. Každý krystal má ve své strukt. poruchy (defekty)
a) Vakance (obr.3-33a) ? neobsazení rovnovážné polohy částice v krystalové mřížce příčiny-tepelný kmitavý pohyb, ozáření krystalu (e-, ionty, n+), kovové slitiny
mají samovolně vakance
b) Intersticiální poloha částice(obr.33-3b)-částice je v místě mimo pravidelnou mřížku mimo krystal. Je v intersticiální poloze. Souvisí s vakancí. Je mezi pravidelnými body.
c) Příměsi (nečistoty) ? cizí částice v krystalu daného chem.slož., buď je v intersticiální poloze nebo součástí mřížky. Příkladem absorpce atomů H, 02 a Na v kovech. Má to vliv na jeho vlastnosti. Např. B, nebo P v krystalu Mg, nebo Ge ? zvýšení elektrické vodivosti (tzv.příměsové polovodiče). Další příklad umělé monokrystaly ? např. 0,5% iontů hliníku v AlOH2 se nahradí Cr a vznikne rubín používaný na konstrukci laserů (viz ot.č.28 – laser)

Vazby v pevných l.
-stejné vazebné síly jako v atomech. Dělí se na:

To je třetí typ interakce mezi částicemi o síle asi 1 eV – viz ot č. ? ? elementární částice

Deformace pevného tělesa
-změna jeho rozměrů a objemu, zpravidla doprovázena změnou tvaru. Účinkem vnějších sil. je třeba vykonat práci na změnu vazeb mezi částicemi
Pružná (elastická) deformace- jakmile přestanou působit síly (jeho teplota dosáhne pův.teploty) těleso získá původní tvar. Např. prodloužení pružiny. Deformace trvající i po odstranění vnějších sil je trvalá (tvárná, plastická) Např. kování a válcování kovů.
Podle způsobu síly ? deformace : tlakem, tahem, ohybem, smykem a kroucením (orb.3-34) V praxi často několik současně.
při deformaci vznikají síly pružnosti ? brání deformaci rovnovážných poloh
V deformovaném pevném tělese vznikají síly pružnosti Fp . Je-li těleso pružně deformováno tahem, nebo tlakem, je v rovnovážném stavu velikost síly pružnosti Fp rovna velikosti deformující síly F.

Normálové napětí
V libovolném příčném řezu deformovaného tělesa vzniká stav napjatosti, charakterizovaný veličinou normálové napětí ón definovanou , kde Fp je velikost síly pružnosti působící kolmo na plochu příčného řezu o obsahu S. Hlavní jednotkou normálového napětí je pascal(Pa) V praxi násobné Mpa nebo GPa
Pomocí ón můžeme určit, kdy je ještě deformace pružná. Měříme veličinou mez pružosti óE což je experimentálně určená největší hodnota ón , při kterém je ještě deformace pružná. Při vyšším ón těleso trvale deformováno. Překročí-li ón mez pevnosti óp , poruší se soudržnost materiálu (drát se přetrhne, cihla se rozpadne…) V praxi se předpisy zavádí tzv.dovolené napětí-max. v praxi přípustné hodnoty ón . Volí se značně menší než mez pevnosti. podíl meze pevnosti a dovoleného napětí je součinitel bezpečnosti

Hookův zákon pro pružnou deformaci tahem
při deformaci se těleso prodlouží z původní délky l1 na délku l (obr.3-35) Veličina Dl=l-l1 je prodloužení. Je závislé na původní délce a vhodnější vel. je tedy relativní prodloužení

Při pružné deformaci tahem je normálové napětí přímo úměrné relativnímu prodloužení.
Tento poznatek nazýváme Hookův zákon. Matem. zapisujeme
kde konstanta úměrnosti E je Youngův modul pružnosti v tahu, což
je látková konst. jejíž hlavní jednotkou je Pa
Na základě Hookova zákona můžeme při pružné deformaci napsat vztah

a pro délku l prodlouženého tělesa (tyče apod.)
l = l1 + D l = l1 (1 + ĺ) = l1 ( 1 + ón / E )
Je-li i při relativně dosti velkém relativním prodloužení vyvolané normálové napětí menší než mez pružnosti óE je materiál pružný. Jestliže má mez pružnosti blízko meze pružnosti, je to látka křehká (sklo, porcelán, mramor)

Teplotní roztažnost pevných látek
Při změně teploty pevných těles dochází ke změně jejich rozměrů (dráty el. napětí)
Fyzikální jev spočívající ve změně rozměrů tělesa při změně jeho teploty nazýváme teplotní roztažnost
Zkoumáme-li změnu jednoho rozměru úměrnou ke změně teploty, např. délku tyče, mluvíme o teplotní délkové roztažnosti. Zkoumáme-li objem tělesa jde o teplotní objemovou roztažnost.
má-li tyč při počáteční teplotě t1 délku l1 a zvýší-li se teplota na t, pak se zvětší délka tyče na l, pak přírůstku teploty Dt = t – t1 odpovídá prodloužení tyče Dl = l ? l1 tedy
Prodloužení tyče je přímo úměrné počáteční délce tyče a přírůstku její teploty.
Matematicky označujeme Dl = á l1 D t
Konst. úměrnosti á se nazývá součinitel teplotní délkové roztažnosti a má jednotku K ? 1
Ze vztahu pro prodloužení Dl lze vyjádřit délku l pevného tělesa při teplotě t
l = l1 [ 1 + á ( t ? t1 )]
Pro objemovou teplotní roztažnost vyplývá: V = V1 [ 1 + â ( t ? t1 )]
kde â se nazývá součinitel teplotní objemové roztažnosti. Jednotkou je K ? 1 a u izotropních těles z pevných látek platí â = 3 á

Tání pevné látky
Rozumíme jím její přechod do skupenství kapalného. U krystalických látek nastává při teplotě tání
Většina pevných těles při tání (tavení) zvyšuje svůj objem. Pouze některá ho zmenšují (led, bismut, některé slitiny).
Teplota tání závisí na tlaku okolního prostředí. U látek zvětšujících při tání svůj objem roste při zvýšení tlaku i teplota tání. U látek zmenšujících svůj objem se teplota tání, je-li tlak vyšší, zmenšuje. Jelikož teploty tání jsou za rozdílných tlaků jiné, uvádí se normální teploty tání za norm. tlaku.
Se změnou objemu při tání souvisí i změna hustoty. Látky zvětšující (zmenšující) při tání svůj objem mají v pevném skupenství větší (menší) hustotu, než ve skupenství kapalném. Např. led má v pevném skupenství menší hustotu a proto plave na vodě a malou tep. vodivostí zabraňuje zamrzání do větší hloubky.
Během tání je u tělesa v rovnovážném stavu pevné a kapalné skupenství. Teplota soustavy se nemění a je rovna teplotě tání. Veškeré dodávané teplo je využito na rozrušení kryst. mřížky. při teplotě tání je vnitřní energie roztavené látky větší než vnitřní energie krystalické látky.
Teplo, které přijme pevné těleso již zahřáté na teplotu tání, aby se změnilo na kapalinu téže teploty, se nazývá skupenské teplo tání Lt
pro tělesa z různých látek je Lt jiné a proto zavádíme měrné skupenské teplo tání lt
kde m je hmotnost tělesa. Hlavní jednotkou lt je joule na kilogram (J . Kg ? 1 )
Měrné skupenské teplo tání je důležitá tep. konst. látek a pro různé látky je jiná.
Pevné amorfní látky při zahřívání postupně měknou až se přemění na kapalinu.
Proto nemají určitou teplotu tání.

Tuhnutí, krystalizace
Přechod z kapalného skupenství na skupenství pevné. Vzniká-li krystalická látka, jev nazýváme krystalizace. Ta nastává při konstantní teplotě krystalizace, která je rovna teplotě tání. I měrné skupenské teplo krystalizace je rovno lt .
Při krystalizaci nevzniká pevné skupenství okamžitě, ale při dosažení teploty krystalizace se začnou vytvářet krystalizační jádra (3-36a), na které se pak nabalují další částice (3-36b-e) a vznikají tak volné krystaly. V okamžiku, kdy vše ztuhne, se krystaly vzájemně dotýkají a vytvářejí zrna (3-36f). tímto způsobem se vytváří polokrystalická látka. Vznikne-li v tavenině pouze jedno jádro, které se pak obaluje, vznikne monokrystal.

Sublimace
Přeměna látky z pevného skupenství přímo ve skupenství plynné. Za běžného atmosf. tlaku sublimuje např. jod, kafr, pevný oxid uhličitý, led, sníh. Rovněž všechny vonící a páchnoucí látky.
Měrné skupenské teplo sublimace lS je definováno , kde LS je skupenské teplo přijaté pevným tělesem o hmotn. m. při jeho subliminaci.

Je-li sublimující látka dostatečné hmotnosti v uzavřené nádobě, sublimuje tak dlouho, až se vytvoří rovnovážný stav mezi pevným sk. a vzniklou párou. Objemy, tlak ani teploty se pak už nemění.
Přeměna látky ze skupenství plynného ve skupenství pevné se nazývá desublimace. Např. vytvoření jinovatky z vodní páry.