Budowa wewnętrzna i właściwości cial stałych

Ciała stałe mają swój kształt i objętość. Zmiana kształtu ciała stałego, czyli odkształcenie (trwałe lub nietrwałe), jest możliwa przy działaniu na nie odpowiednią siłą.

Można wyróżnić dwa główne typy przebiegu zestalania się ciał, które, ochładzane, przechodzą ze stanu ciekłego do stałego:

1. Ciała krystaliczne o uporządkowanej strukturze przestrzennej
- polikryształy - ciało polikrystaliczne, zbiór mikrokryształów lub mikrokrystalitów zorientowanych w różnych kierunkach. Jeśli mikrokryształy nie są zrośnięte ze sobą, to polikryształ jest proszkiem
- monokryształy - pojedynczy kryształ, bez defektów makroskopowych, lecz niekoniecznie ograniczony naturalnymi, płaskimi ścianami w odpowiedniej dla danego ciała temperaturze w ochładzanej cieczy pojawiają się maleńkie kryształki zwane centrami lub ośrodkami krystalizacji. Dalsze ochładzanie cieczy powoduje rozrastanie się kryształków, które wreszcie obejmują całe ciało.

2. Ciała bezpostaciowe (czyli amorficzne) i szkliwa. Podczas obniżania temperatury następuje zwiększenie gęstości cieczy.
Odróżniamy tu dwa dość odmienne przypadki:
a) Istnieją ciała, jak np. wosk, smoła, gdzie proces krystalizacji w ogóle nie zachodzi. Są to tzw. ciała bezpostaciowe.
b) Szkliwa, np. szkło, które w zasadzie zachowują zdolność do krystalizowania, lecz podczas ochładzania ich lepkość tak szybko wzrasta, iż utrudnia wzrost i kształtowanie się owych kryształków zarodnikowych. Proces krystalizacji zachodzi w szkliwach niezwykle powoli.

Większość ciał stałych ma budowę krystaliczną.

Do ciał niekrystalicznych (bezpostaciowych) należą na przykład:
- tworzywa sztuczne,
- włókna sztuczne,
- guma.
Najdrobniejsze okruszki soli kamiennej oglądane pod mikroskopem są kryształkami. Metale mają budowę drobnokrystaliczną, tzn. składają się z wielu drobniutkich kryształków ułożonych w sposób nieuporządkowany. Budową krystaliczną metali można zaobserwować na przełomie pręta cynkowego. Charakterystyczne skrzypienie przy zginaniu pręta cynkowego jest spowodowane tarciem między poszczególnymi kryształkami metalu.

Mimo, iż ciała bezpostaciowe i szkliwa z wyglądu przypominają ciała stałe, to ciałami stałymi powinniśmy nazywać jedynie ciała krystaliczne. Ciała bezpostaciowe ze względu na swoją budowę mikroskopową oraz niektóre właściwości należy traktować jako ciecze silnie przechłodzone, o dużej lepkości.

Struktura krystaliczna ciał stałych:
W zależności od tego czy w węzłach sieci krystalicznej są osadzone oddzielne atomy, jony czy cząsteczki, rozróżniamy struktury:
- Struktura atomowa - przykładem jest kryształ diamentu lub grafitu z osadzonymi w węzłach sieci atomami węgla.
- Struktura jonowa - przykładem jest omówiony poprzednio kryształ soli kamiennej z osadzonymi na przemian jonami Na+ i Cl - . Substancje w roztworach wodnych oraz w stanie stopionym rozpadają się na swobodne jony.
- Struktura cząsteczkowa - przykładem jej są kryształy lodu, cukru, siarki i jonu z osadzonymi w węzłach sieci cząsteczkami. Cząsteczkami są związane ze sobą siłami przyciągania międzymolekularnego, wskutek tego substancje takie cechuje niska temperatura topnienia i mała twardość.
- Struktura metaliczna - struktura ta różni się zasadniczo od poprzednio wymienionych struktur. Przykładem jej są metale. Sieć krystaliczna metali zawiera dodatnie jony metalu, między którymi poruszają się swobodnie uwolnione z atomów elektrony.

Ciała stałe, czyli krystaliczne, różnią się od ciał bezpostaciowych pod wieloma względami. Najważniejsze różnice:

Ciała krystaliczne mają wyraźnie określoną temperaturę topnienia (tzw. punkt topnienia), w której substancja znajduje się w dwóch fazach równocześnie - w ciekłej i stałej.
Ciała bezpostaciowe w miarę ogrzewania stopniowo miękną przechodząc w normalną ciecz.

Należy podkreślić, iż błędny jest pogląd, że w ciałach podczas stygnięcia, przy przechodzeniu ze stanu ciekłego do stałego, następuje zawsze zbliżenie się cząsteczek i w ten sposób powstaje stan stały. Niektóre ciała np. woda, bizmut, cyna, przy krystalizowaniu zwiększają swoją objętość, czyli średnie odległości między ich cząsteczkami rosną. Mimo to ich cząsteczki w stanie krystalicznym są ze sobą związane silniej niż w stanie ciekłym.

Izotropowość, czyli niezależność różnych właściwości fizycznych ciała od kierunku, nie rozstrzyga jeszcze czy dostatecznie duże ciało jest kryształem, czy też cieczą przechłodzoną. Na ogół, krystaliczne są anizotropowe. Istnieją jednak ciała krystaliczne duże w skali makroskopowej, które zachowują się jak ciała izotropowe.
Taka izotropowość jest jednak izotropowością przeciętną, upozorowaną bezładnym rozkładem poszczególnych drobniutkich monokryształków. Takie ciała krystaliczne noszą nazwę polikryształów.

Wszystkie monokryształy duże i małe charakteryzują się anizotropowością właściwości fizycznych.

W węzłach sieci krystalicznej mogą być osadzone oddzielnie atomy, cząsteczki lub jony. Mają one bardzo ograniczoną swobodę ruchów, a mianowicie mogą wykonywać tylko ruchy drgające względem swoich stałych położeń równowagi. W pewnych warunkach mogą one przedostać się do strefy działania innych atomów, cząsteczek lub jonów i dyfundować przez powierzchnię rozgraniczającą dwa ciała.

Kryształy jonowe są twarde i mają wysoką temperaturę topnienia. Siły wiążące jony są duże. Kryształy jonowe [większość soli] są przezroczyste dla świata widzialnego i są złymi przewodnikami prądu oraz ciepła.

Kryształy cząsteczkowe - oddziaływania między cząsteczkami są słabe i tę strukturę łatwo zburzyć poprzez np. podgrzewanie. Kryształy cząsteczkowe łatwo się topią i parują.
Kryształy metaliczne (metale alkaliczne). Sieć tworzą dodatnie jony, od których oderwały się słabo związane elektrony walencyjne. Wolne elektrony poruszają się po całym krysztale należąc do wszystkich jonów (nie są związane z żadnym atomem) tworząc tzw. gaz elektronowy. Te kryształy nie są przezroczyste i dobrze przewodzą prąd oraz ciepło.
Kryształy atomowe - wiązania atomów są silne. Tego typu kryształy są zazwyczaj twarde, trudno je stopić i nie są dobrymi przewodnikami. W przypadku diamentu i grafitu różnice w budowie powodują różne właściwości fizyczne np. grafit jest miękki a diament twardy; grafit przewodzi prąd, a diament jest izolatorem , grafit pochłania światło, a diament jest przezroczysty.