Struktura pevných látek
Dá se spálit diamant?
Diamant patří k nejtvrdším přírodním materiálům, a proto na první pohled vůbec nepůsobí jako něco, co by mohlo hořet. Při dostatečně vysoké teplotě se však za přístupu kyslíku skutečně spaluje. Z čistého diamantu nezůstane popel: uhlík, z něhož je diamant tvořen, se spojí s kyslíkem a vznikne plynný oxid uhličitý.
Právě spalování pomohlo vědcům zjistit, z čeho je diamant vytvořen. V roce 1772 soustředil Antoine Lavoisier pomocí velkých čoček sluneční záření na diamant umístěný pod skleněným poklopem. Diamant postupně mizel a vznikající plyn zakalil vápennou vodu. To ukazovalo, že jde o oxid uhličitý – stejný plyn, který vzniká při spalování dřevěného uhlí.
Ani složení tuhy tehdy nebylo samozřejmé. Materiál používaný k psaní lidem připomínal olovo, a proto jej označovali jako plumbago neboli „černé olovo“. Carl Wilhelm Scheele v práci zveřejněné v roce 1779 ukázal, že při jeho oxidaci vzniká oxid uhličitý. Tuha tedy nebyla druhem olova, ale formou uhlíku; později dostala název grafit.
Lavoisierovy a Scheeleho výsledky představovaly silné stopy. Přesvědčivější důkaz však přinesl Smithson Tennant v roce 1797. Nechal zcela zreagovat stejné hmotnosti diamantu a dřevěného uhlí a zjistil, že v obou případech vzniklo stejné množství oxidu uhličitého. Z toho vyplynulo, že diamant je stejně jako dřevěné uhlí tvořen uhlíkem.
Jak je tedy možné, že průhledný a tvrdý diamant a tmavý, měkký grafit tvoří stejné atomy? Rozdíl spočívá v jejich uspořádání a vzájemných vazbách. Stejné chemické složení proto ještě neznamená stejné vlastnosti. Nestačí vědět, z čeho je látka složena – potřebujeme znát také její vnitřní strukturu.
Krátké video v angličtině: Burning a Diamond, Royal Institution, 2012 Christmas Lectures. Pokus není určen k provádění ve škole.
Zobrazit odpověď
Hořet mohou různé látky. Rozhodující bylo, že stejné hmotnosti obou vzorků poskytly stejné množství stejného produktu - oxidu uhličitého. To ukázalo, že diamant není jen hořlavý, ale že je tvořen uhlíkem.
Pevné látky
Pevná tělesa si zachovávají vlastní tvar, pokud na ně nepůsobí dostatečně velké vnější síly. Jejich částice jsou navzájem vázány a za běžných podmínek pouze kmitají kolem rovnovážných poloh. Podle vnitřního uspořádání rozlišujeme látky krystalické a amorfní.
| Krystalické látky | Amorfní látky | |
|---|---|---|
| Uspořádání | Částice vytvářejí pravidelnou strukturu s dalekodosahovým uspořádáním. | Nemají dalekodosahové periodické uspořádání; pravidelnost se objevuje jen v blízkém okolí částic. |
| Vlastnosti | U monokrystalů mohou záviset na směru. | V běžném měřítku jsou zpravidla ve všech směrech stejné. |
| Příklady | Kuchyňská sůl, křemen, diamant, kovy. | Sklo, vosk, asfalt, pryž a některé plasty. |
Monokrystal, polykrystal a amorfní látka
Zvolte typ látky. Model ukazuje pouze řezy strukturou; skutečné uspořádání je trojrozměrné.
Monokrystal: pravidelné uspořádání má v celém vzorku stejnou orientaci.
Monokrystal
Vzorek tvoří jediný krystal. Pravidelné uspořádání má v celém objemu stejnou orientaci.
Polykrystal
Skládá se z mnoha drobných krystalických zrn. Každé zrno je pravidelné, ale jednotlivá zrna bývají různě natočena.
Amorfní látka
Nemá krystalická zrna ani dalekodosahově periodickou strukturu.
Většina běžných kovových předmětů je polykrystalická. Jednotlivá zrna mohou mít rozměry od jednotek mikrometrů až po milimetry a jejich hranice výrazně ovlivňují mechanické vlastnosti materiálu.
Anizotropie a izotropie
Jestliže fyzikální vlastnost závisí na směru, mluvíme o anizotropii. Monokrystal se může například v různých směrech lišit pevností, tepelnou vodivostí nebo optickými vlastnostmi. U polykrystalu se rozdíly jednotlivých náhodně orientovaných zrn často zprůměrují, takže se celý vzorek chová přibližně izotropně.
Jednoduchá zkouška s papírem
Zkuste roztrhnout list novin nejprve podél jeho delší strany a potom napříč. Papírová vlákna jsou při výrobě částečně orientována, proto se může trhlina v jednom směru šířit rovněji než v druhém.
Přírodní příklad
Dřevo se snadněji štípe podél vláken než napříč. Jeho vlastnosti závisejí na směru, protože i jeho vnitřní stavba je směrově uspořádaná.
Je každý polykrystal izotropní?
Ne. Přibližná izotropie vzniká tehdy, jsou-li zrna orientována náhodně. Při válcování, tažení nebo jiném zpracování se mohou přednostně natočit a materiál pak zůstává anizotropní.
Krystalová mřížka a elementární buňka
Polohy částic v ideálním krystalu popisujeme pomocí krystalové mřížky. Nejmenší prostorový útvar, jehož opakováním lze vytvořit celou strukturu, nazýváme elementární buňka. Její tvar určují délky hran a úhly mezi nimi. Podle jejich vztahů rozlišujeme sedm krystalových soustav.
Pro zájemce: Jak skvrny odhalily neviditelnou stavbu krystalu
V roce 1912 poslali Walter Friedrich a Paul Knipping úzký svazek rentgenového záření skrz krystal. Za něj umístili fotografickou desku. Po jejím vyvolání spatřili kolem středu pravidelně rozmístěné skvrny.
Skvrny nebyly obrázky jednotlivých atomů, ale otiskem jejich uspořádání. Max von Laue pochopil, že pravidelný obrazec může vzniknout proto, že se určitá struktura uvnitř krystalu stále opakuje. Tento jev nazýváme rentgenová difrakce.
Co prozradí skvrny?
Vlevo je zjednodušený pohled na částice uvnitř látky. Vpravo je stopa, kterou by jejich uspořádání mohlo zanechat.
Krystal: pravidelné uspořádání částic zanechá pravidelnou soustavu skvrn.
“for his discovery of the diffraction of X-rays by crystals”Za objev difrakce rentgenového záření na krystalech získal Max von Laue Nobelovu cenu za fyziku za rok 1914.
The Nobel Prize in Physics 1914Tři kubické buňky
Prostá kubická buňka
Mřížové body leží pouze ve vrcholech krychle. Takto krystalizuje například polonium.
Koule jsou schematické. Nezobrazují skutečný poměr velikosti částic a buňky.
Kolik elementárních buněk je v jednom krystalu?
Obrovské množství. Má-li hrana buňky řádově několik desetin nanometru, ve vzorku o délce jediného milimetru se jich podél jedné hrany vejdou miliony.
Poruchy krystalové struktury
Skutečný krystal není dokonale pravidelný. Obsahuje poruchy, tedy odchylky od ideálního uspořádání. Nejsou jen nedostatkem: často právě ony rozhodují o pevnosti, elektrické vodivosti nebo barvě materiálu.
Vakance
V některém uzlu mřížky částice chybí.
Intersticiální částice
Částice se nachází v prostoru mezi obvyklými polohami.
Příměs
Částici původní látky nahradí částice jiného prvku.
Řízené přidávání příměsí je základem polovodičové techniky. Přidáním malého množství boru nebo fosforu do křemíku lze výrazně změnit jeho elektrické vlastnosti. Poruchy také umožňují plastickou deformaci kovů; vrstvy částic se díky pohybu čárových poruch mohou posouvat snáze, než kdyby se musela naráz přerušit celá rovina vazeb.
Znamená méně poruch vždy lepší materiál?
Ne. Záleží na požadované vlastnosti. Pro některé optické nebo elektronické součástky potřebujeme velmi čisté monokrystaly. U kovů však vhodné množství poruch a hranic zrn může zvyšovat pevnost. Příměsi v polovodičích jsou dokonce záměrně vytvářené poruchy.
Otázky a úlohy
1. Proč je sklo pevná látka, i když není krystalické?
Pevné skupenství nevyžaduje pravidelnou krystalovou mřížku. Částice skla jsou navzájem vázány a kolem svých poloh se nepřesouvají volně jako v kapalině, ale jejich uspořádání není periodické na velké vzdálenosti.
2. Jaký je rozdíl mezi polykrystalem a amorfní látkou?
Polykrystal se skládá z mnoha krystalických zrn. Uvnitř každého zrna je pravidelné uspořádání. Amorfní látka taková zrna ani dalekodosahovou periodicitu nemá.
3. Proč může být monokrystal anizotropní?
V různých směrech procházejí strukturou jiné řady a roviny částic a mohou se lišit také směry vazeb. Některé vlastnosti proto závisí na orientaci vůči krystalové mřížce.
4. Co je elementární buňka?
Nejmenší prostorový útvar, jehož pravidelným opakováním lze popsat celou krystalovou strukturu.
5. Uveďte příklad užitečné poruchy krystalu.
Například atomy boru nebo fosforu záměrně přidané do křemíku. Umožňují řídit jeho elektrickou vodivost a vyrábět polovodičové součástky.
Časté omyly
- „Každá pevná látka je krystal.“ Sklo, vosk nebo mnohé plasty jsou amorfní pevné látky.
- „Amorfní látka nemá žádné uspořádání.“ Nemá dalekodosahovou periodicitu, ale krátkodosahové uspořádání existuje.
- „Polykrystal je neuspořádaný.“ Každé jeho zrno je krystalické; různá je především orientace jednotlivých zrn.
- „Poruchy jsou vždy škodlivé.“ Řada důležitých vlastností materiálů je na poruchách přímo založena.
- „Mřížové body musí vždy představovat jednotlivé atomy.“ Mohou odpovídat také iontům, molekulám nebo složitějším skupinám částic.
Metodická poznámka pro učitele
Oba interaktivní obrazy jsou kvalitativní modely. Difrakční obrazec není numerickým výpočtem konkrétního materiálu; má ukázat vztah mezi periodicitou a vznikem ostrých maxim. Dvourozměrné nákresy struktur je vhodné výslovně označovat jako řezy trojrozměrnou látkou. U amorfních látek doporučujeme vyhnout se formulaci „částice jsou zcela náhodně“ a zdůraznit krátkodosahové uspořádání.
Česko-anglický slovníček
- pevná látka
- solid
- krystal
- crystal
- krystalická látka
- crystalline solid
- amorfní látka
- amorphous solid
- monokrystal
- single crystal
- polykrystal
- polycrystal
- krystalové zrno
- crystal grain
- krystalová mřížka
- crystal lattice
- elementární buňka
- unit cell
- anizotropie
- anisotropy
- izotropie
- isotropy
- porucha mřížky
- lattice defect
- vakance
- vacancy
- příměs
- impurity
- difrakce
- diffraction