Twój pierwszy krok do 100% na maturze

2. Substancje w stanie stałym – substancje krystaliczne (kryształy metaliczne, kowalencyjne, molekularne, jonowe), amorficzne, kwazikryształy.

 Prawa autorskie: Waldemar Grzesiak

Na poziomie maturalnym rozważamy trzy stany skupienia:

  • gazowy
  • ciekły
  • stały

Praktycznie, na co dzień, stan skupienia danej substancji rozpoznajemy po jej fizycznym, makroskopowym zachowaniu się. A więc substancja wypełniająca w całości naczynie, w którym się znajduje (przybierająca kształt tego naczynia), do tego bardzo ściśliwa reprezentuje stan gazowy. Substancja, która również przybiera kształt naczynia, w którym się znajduje ale jest praktycznie nieściśliwa to ciecz. Z kolei ciało stało (w formie „jednego” kawałka a nie proszku) nie przyjmuje już kształtu naczynia, w którym się znajdzie i jest nieściśliwe.

Wspomniane wyżej zachowanie się substancji w różnych stanach skupienia związane jest z budową mikroskopową. W stanie stałym indywidua chemiczne tworzące substancję (atomy, cząsteczki, jony), oddziałują ze sobą stosunkowo silnie i znajdują się bardzo blisko siebie. Sprawia to, iż ciała stałe nie przyjmują kształtu naczynia, w którym się znajdują i są praktycznie nieściśliwe. Ktoś powie a sól kuchenna, cukier, proszek do pieczenia? To ciała stałe mocno rozdrobnione, które są tak naprawdę zbiorem cząstek (tutaj małych kryształków) ciała stałego. Gdyby, każdą taką cząstkę proszku, kryształek soli, umieścić w naczyniu o porównywalnych rozmiarach, przedstawione powyżej zasady pozostałyby spełnione. Załóżmy, że mamy pewną makroskopową ilość substancji jednoskładnikowej, której stan skupienia określiliśmy jako ciało stałe. Ciało to stanowi jeden element (nie jest to proszek). Może się tak zdarzyć, że w poszczególnych fragmentach objętości tej substancji wyróżnimy „regiony”, które różnią się między sobą pod względem właściwości fizycznych i/lub chemicznych. Mówimy wtedy, iż mamy do czynienia z różnymi fazami (te „regiony” objętości substancji jednoskładnikowej o różnych właściwościach to fazy, a precyzyjniej fazy termodynamiczne). Przykładem może być odmiana β cyny (tzw. cyna biała), poniżej temperatury 13,2 °C. Poniżej tej temperatury następuje powolna przemiana w cynę α (tzw. cyna szara). Tak więc mamy do czynienia z substancją jednoskładnikową – pierwiastek cyna, która występuje w stanie stałym. Jednak bliższe oględziny po pewnym czasie w tak niskiej temperaturze doprowadzą nas do stwierdzenia, że można wyróżnić dwa „rodzaje” (fazy) tej cyny, w tym stanie skupienia. Jeden „rodzaj” (faza), charakteryzuje się właściwościami fizycznymi typowymi dla metali (kowalność, ciągliwość, połysk metaliczny, dobre przewodnictwo prądu elektrycznego), a drugi "rodzaj" (faza) stanowi kruche ciało stałe, łatwo zamieniające się w proszek, bez połysku, o znacznie mniejszej gęstości niż poprzednie. W przedmiocie wykonanym z cyny, a więc reprezentującym stały stan skupienia, pozostawionym w temperaturze poniżej 13,2 °C występują zatem dwie fazy – cyna α i cyna β.

W dalszych rozważaniach przyjmiemy, że mamy do czynienia z układem jednoskładnikowym i jednofazowym. Warunki ciśnienia i temperatury są takie, że nasza substancja jest ciałem stałym. W zależności od tzw. uporządkowania dalekiego zasięgu, ciało stałe może występować w trzech (głównych) „postaciach”.

Mianowicie jako:

  • ciało stałe krystaliczne
  • ciało stałe amorficzne (tzw. bezpostaciowe, ciało szkliste, szkło - ale nie tylko te z naszego okna w domu)
  • ciało stałe stanowiące kwazikryształ (w zasadzie ta trzecia „forma” ciała stałego wykracza poza poziom maturalny, jednak ze względu na to, iż za odkrycie i badania nad kwazikryształami została przyznana Nagroda Nobla w 2011 r., warto coś na ten temat wiedzieć)

Obiektem naszych głównych zainteresowań będą ciała stałe krystaliczne i ciała stałe amorficzne. Wielu uczniów pod pojęciem kryształ rozumuje, że jest to synonim do ciała stałego, będącego substancją z wiązaniem jonowym co nie jest prawdą. Dodatkowo kryształem jest w stanie określić ładnie oszlifowany kawałek szkła okiennego (ciała amorficznego). Ciałami stałymi krystalicznymi nie są tylko substancje, w których występują wiązania jonowe. Ciał stałych – krystalicznych czy amorficznych nie rozróżniamy wykorzystując do tego oko ludzkie czy nawet mikroskop optyczny. Musimy zajrzeć głębiej w strukturę naszej materii. Określmy zatem, jakie jest kryterium przynależności do ciała krystalicznego a jakie do ciała amorficznego.

W obu przypadkach występuje wysoki stopień tzw. uporządkowania bliskiego zasięgu, czyli uporządkowania dla odległości rzędu kilku odległości międzyatomowych (lub międzyjonowych lub międzycząsteczkowych patrz dalej). Oznacza to, że w przypadku ciał krystalicznych składających się np. ze zbioru atomów oddziałujących tylko siłami van der Waalsa, w obrębie tzw. komórki elementarnej (komórka elementarna jest najmniejszą powtarzalną częścią struktury kryształu, którą jak zaczniemy przemieszczać w dowolnym kierunku, jesteśmy w stanie „odtworzyć” cały makroskopowy monokryształ) odległości od danego atomu do jego sąsiadów są zawsze takie same w obrębie całego kryształu (pomijamy defekty). W przypadku ciała amorficznego odległości te są prawie takie same.

Najistotniejszą cechą odróżniającą struktury ciała krystalicznego od ciała amorficznego jest duże uporządkowanie dalekiego zasięgu. W przypadku ciał amorficznych brak jest uporządkowania dalekiego zasięgu lub to uporządkowanie jest sporadyczne. W przypadku substancji amorficznych bardzo często jest tak, iż w strukturze całego ciała stałego występują co jakiś czas lokalne domeny o uporządkowanym charakterze. Tak więc występuje pewien stopień krystaliczności. Dla nas jest to bez znaczenia. Ciało stałe, które na poziomie mikroskopowym stanowi chaotycznie rozmieszczone indywidua, gdzie tylko momentami pojawiają się jakieś regularności, będziemy i tak określać jako substancje amorficzne. Jednak fizykochemicy lubią wyznaczać tzw. stopień krystaliczności (stosunek masy substancji, która jest krystaliczna do całej, badanej masy) różnych substancji.

W zależności od indywiduów tworzących kryształ oraz rodzaju wiązań i oddziaływań pomiędzy tymi indywiduami w krysztale, możemy wyróżnić:

  • kryształy jonowe – indywiduami tworzącymi węzły sieci krystalicznej są jony, pomiędzy którymi występują silne, niekierunkowe przyciąganie elektrostatyczne (wiązanie jonowe). Wiązanie jonowe odpowiada tutaj za właściwości fizyczne naszej substancji. Przykładem mogą być kryształy popularnej soli kuchennej czyli NaCl:

Rysunek 1. Fragment sieci krystalicznej NaCl. Zielone kule to aniony chlorkowe, żółtawo-szare to kationy sodowe. Kryształ „trzyma się” w kupie dzięki niekierunkowym oddziaływaniom elektrostatycznym – wiązaniom jonowym.

  • kryształy molekularne - indywiduami tworzącymi węzły sieci krystalicznej są cząsteczki lub wolne atomy, niepowiązane ze sobą silnymi wiązaniami chemicznymi, pomiędzy którymi występują tylko słabe, niekierunkowe oddziaływania van der Waalsa. Za właściwości fizyczne odpowiadają tutaj właśnie oddziaływania van der Waalsa. Przykładem kryształu molekularnego, w którym cząsteczki obsadzają węzły sieci może być kryształ fosforu białego:

Rysunek 2. Fragment struktury kryształu fosforu białego. Pomarańczowe kule symbolizują atomy fosforu. Szare „patyczki” to wiązania kowalencyjne. Zwróć uwagę na to, iż cztery atomy fosforu łączą się wiązaniami czysto kowalencyjnymi tworząc cząsteczkę P4. Środek masy takiej cząsteczki stanowi węzeł sieci krystalicznej. Cząsteczki nie „rozpadają” się na poszczególne atomy, ponieważ tworzą je atomy powiązane wiązaniami kowalencyjnymi. Jednak za właściwości fizyczne odpowiadają oddziaływania van der Waalsa (a nie wiązania kowalencyjne) pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami P4. I to dzięki nim kryształ się nie rozpada”.

W tym przypadku możemy nazwać go kryształem cząsteczkowym.

Innym przykładem kryształu molekularnego, w którym to niepowiązane (silnymi wiązaniami) atomy stanowią węzły sieci krystalicznej, może być kryształ zestalonego argonu (lub innego gazu szlachetnego):

Rysunek 3. Fragment sieci krystalicznej zestalonego argonu. Różowe kule to atomy argonu. Zwróć uwagę na to, iż atomy nie są związane ze sobą wiązaniami chemicznymi (gaz szlachetny). W stanie stałym występują pomiędzy nimi bardzo słabe oddziaływania przyciągające, pod postacią sił dyspersyjnych Londona (najsłabszy typ oddziaływań van der Waalsa). To one sprawiają, że w bardzo niskich temperaturach struktura się nie rozpadnie. Dodatkowo dzięki nim jest możliwe wogóle zestalenie argonu. Tutaj atomy są węzłami sieci krystalicznej.

  • kryształy kowalencyjne indywiduami tworzącymi węzły sieci krystalicznej są atomy, pomiędzy którymi występują silne, kierunkowe wiązania kowalencyjne (lub kowalencyjne spolaryzowane). Wiązanie kowalencyjne (lub kowalencyjne spolaryzowane) odpowiada tutaj za właściwości fizyczne naszej substancji. Przykładem mogą być kryształy diamentu:

Rysunek 4. Fragment sieci krystalicznej diamentu (jednej z odmian alotropowych węgla). Czarne kule to atomy węgla. Zwróć uwagę, że tutaj atomy węgla są węzłami sieci krystalicznej, ale dodatkowo są połączone ze sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Każdy atom węgla łączy się z czterema innymi (aby nie zaciemniać rysunku pominięto niektóre wiązania pomiędzy atomami węgla). Całość „trzyma” się w „kupie” dzięki silnym wiązaniom kowalencyjnym. To one są odpowiedzialne za właściwości fizyczne i chemiczne diamentu (mała reaktywność, duża twardość itd.).

  • kryształy metaliczne - indywiduami tworzącymi węzły sieci krystalicznej są rdzenie atomowe (kationy metali), które są utrzymywane w sieci dzięki istnieniu wiązania metalicznego. Wiązanie metaliczne odpowiada tutaj za właściwości fizyczne naszej substancji. Przykładem mogą być kryształy metali, np. żelaza:

Rysunek 5. Fragment sieci krystalicznej żelaza α (lub δ). Szare kule symbolizują atomy żelaza. Żółte, rozmyte małe kropki wokół atomów żelaza, to „chmura elektronowa” wolnych elektronów z powłoki walencyjnej. Chmura ta odpowiada między innymi za charakterystyczne dla metali właściwości – połysk metaliczny, wysokie przewodnictwo prądu elektrycznego. Elektrony w tej chmurze mogą się poruszać w obrębie całej objętości sztabki metalu. Całość „trzyma” się w kupie dzięki wiązaniu metalicznemu.

Aby pokazać jak wygląda sprawa ułożenia indywiduów dla substancji amorficznej, spójrz na poniższy Rysunek 6. Jest to pewien „wycinek” przedstawiający „nieład” pomiędzy indywiduami tworzącymi strukturę:

Rysunek 6. Fragment struktury amorficznej. Niebieskie kule symbolizują atomy. Szare patyczki przedstawiają wiązania kowalencyjne. Zwróć uwagę na nieporządek w przedstawionym fragmencie struktury. Atomy są chaotycznie ze sobą powiązane – nie da się wyróżnić żadnej komórki elementarnej.

W życiu codziennym spotykamy się bardzo często z ciałami stałymi amorficznymi (z przewagą fazy amorficznej). Są to przede wszystkim przedmioty wykonane ze standardowego „szkła” (ok. 40 % domen krystalicznych), elementy wykonane z polimerów, bursztyny lub opale w biżuterii. Na poziomie maturalnym jednak w większości przypadków będziesz mieć do czynienia z ciałami stałymi krystalicznymi.

W przypadku omawiania ciał krystalicznych warto jeszcze powiedzieć sobie co to jest monokryształ a co to jest polikryształ. Zapewne „hodowałeś” już w swoim życiu kryształki soli kuchennej (NaCl). Jeśli uzyskałeś, piękny, pojedynczy, sześcienny kryształ, który wręcz przypominał wyidealizowany sześcian - miałeś do czynienia z monokryształem. Jeśli jednak pomimo wielu trudów otrzymałeś „zlepek” kilku mniejszych sześcianów, które dość mocno się ze sobą trzymały - otrzymałeś ciało polikrystaliczne, stanowiące „zlepek” wielu monokryształów (zwanych domenami krystalicznymi lub ziarnami krystalicznymi). Nie zawsze jest tak prosto określić, czy krystaliczny materiał, z którym mamy do czynienia jest monokryształem czy też jest materiałem polikrystalicznym.

Bardzo szybkim, praktycznym „testem” czy mamy do czynienia z ciałem stałym krystalicznym czy amorficznym jest próba wyznaczenia temperatury topnienia. Ciała krystaliczne wykazują „ostre”, łatwe do określenia temperatury topnienia lub wąski przedział temperatury topnienia rzędu 1 - 2 °C. Ciała stałe amorficzne nie charakteryzują się ściśle określoną temperaturą topnienia, ale pewnym szerokim przedziałem, w którym „miękną” zamiast się topić.

Licznik odwiedzin

0567455
Dziś
Wczoraj
W tym tygodniu
W zeszłym tygodniu
W tym miesiącu
W zeszłym miesiącu
Całość
863
1184
4033
4853
9929
19461
567455

5.53%
44.82%
15.08%
2.88%
1.36%
30.34%