1

1

ของแขง (Solid)

สาขาวชาเคม

คณะศลปศาสตรและวทยาศาสตร

มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตก าแพงแสน

403117-2551

2

หวขอ

1. ลกษณะทวไป

2. ชนดของของแขง

3. ระบบผลกและแลตทซบราแวส

3. เลขอะโวกาโดรและเซลลหนวยของผลก

4. การจดเรยงอะตอมแบบชดทสด

5. ชองวางในโครงสรางบรรจชดทสด

6. โครงสรางผลกสามญ

7. ต าหนของผลก

8. แผนผงวฏภาค

2

3

ค ำถำม

1. ของแขงมรปรางแนนอนเพราะอะไร

2. ของแขงแบงเปนกชนด อะไรบาง

3. Polymorphism และ isomorphism ตางกนอยางไร

4. ยกตวอยางผลก และอสณฐาน ในชวตประจ าวน

5. ความแตกตางของ unit cell ตางชนด

6. ผลก cubic มลกษณะอยางไร

4

ลกษณะทวไป

1. รปรางแนนอน ไมขนกบภาชนะทบรรจ

2. เมอถกกดอด ปรมาตรเปลยนแปลงเลกนอย

3. การแพรชามากเมอเทยบกบของเหลวและแกส

4. ประกอบดวยอะตอมหรอโมเลกลทอยในต าแหนงท

แนนอนและชดกนมาก

5. ขยายตวเมออณหภมเพมและหดตวเมออณหภมลด (เลกนอย)

6. มทงชนดทน าไฟฟาไดและไมน าไฟฟา

3

5

ชนดของของแขง

1. ของแขงผลก (Crystalline solid)

2. ของแขงอสณฐาน (Amorphous solid)

6

ของแขงผลก (Crystalline solid)

มอนภาคทจดตวอยางเปนระเบยบ เรยกวา ผลก (crystalline)

ลกษณะของผลก :

- มรปทรงเรขาคณต - ผวหนาเรยบ

- มมระหวางผวแนนอน- มจดหลอมเหลวทเดนชด - มการน าไฟฟาและดชนการหกเหแสงแตกตางกนในทศทาง

ทตางกน เรยกวาม สมบต anisotropy

ตวอยาง NaCl C12H22O11 S8

4

7

ตวอยางลกษณะของผลกตางๆ

Sulfur Pyrite Celestite

8

สารทมรปรางผลกหลายแบบ เรยกวา “Polymorphism”

CaCO3 Rhombohedral (ทอณหภมต า)

CaCO3 Orthorhombic (ทอณหภมสง)

สารตางชนดทมผลกเหมอนกน เรยกวา “Isomorphism”

5

9

Polymorphism ของผลก CaCO3

Orthorhombic crystal

www.western.cc.ok.us/ www.tmm.utexas.edu/

Rhombohedral crystal

10

ชนดของของแขงผลก ชนด แรงดงดด สมบต ตวอยาง

ผลกไอออนก แรงดงดดทางไฟฟา

แขง เปราะ จดหลอมเหลวสง น าไฟฟาและความรอนไมด

NaCl LiF MgO CaCO3

ผลกโควาเลนต พนธะโควาเลนต แขง จดหลอมเหลวสง น าไฟฟาและความรอนไมด

C(เพชร) SiO2

ผลกโมเลกล ระหวางขว

พนธะไฮโดรเจน

นม จดหลอมเหลวต า น าไฟฟาและความรอนไมด

Ar CO2 I2 H2O C11H22O11

ผลกโลหะ พนธะโลหะ นม-แขง จดหลอมเหลวสง น าไฟฟาและความรอนไดด

Na Mg Fe Cu

6

11

ผลกโควาเลนต

carbon

atoms Diamond

Graphite

12

ของแขงอสณฐาน (Amorphous solid)

อนภาคเรยงตวไมเปนระเบยบ ไมมรปทรงเรขาคณต

จดหลอมเหลวไมเดนชด

ของแขงอสณฐาน มการน าไฟฟาและดชนการหกเหแสงเหมอนกนทกทศทาง เรยกวาม สมบต isotropy

ตวอยาง แกว พลาสตก ขผง

7

13

ของแขงอสณฐาน

โครงสรางอสณฐานของ SiO2

- Si 4 bonds - O 2 bonds

www.research.ibm.com/ amorphous/

Si O

14

ระบบผลกและแลตทซบราแวส

แลตทซ (Lattice) อนภาคในผลกมการเรยงตวแบบซ ากน

หนวยเซลล (Unit cell) หนวยทเลกทสดทใชบอกรปราง ของผลก การเลอกเซลลหนวย ควรเลอกใหมสมมาตรสงสด

หนวยเซลล (Unit cell) จด lattice และ เซลลหนวย

8

15

ระบบโครงผลก (Bravais Lattices)

16

ระบบผลกรปลกบาศก (Cubic)

ต าแหนงของจดแลตทซไมไดอยเฉพาะทมมของเซลลหนวย 1. Simple cubic (sc) 2. Face-centered cubic (FCC, fcc) 3. Body-centered cubic (BCC, bcc) phycomp.technion.ac.il/ ~sshaharr/cubic.html

9

17

Simple cubic (sc)

www.seas.upenn.edu/.../ metallicsolids.html www.kings.edu/~chemlab/ vrml/scubic.html

18

Body-centered cubic (bcc)

•www.seas.upenn.edu/.../ metallicsolids.html www2.latech.edu/.../ understanding_crystals.htm

10

19

Face-centered cubic (fcc)

cst-www.nrl.navy.mil/ lattice/ www2.latech.edu/.../ understanding_crystals.htm

20

เปรยบเทยบระบบผลกทง 3 ชนด

Simple cubic (sc) Body-centered cubic (bcc) Face-centered cubic (fcc)

11

21

Shared by 8

unit cells

Shared by 2

unit cells

การนบจ านวนอะตอมในเซลลหนวย (n)

22

1 atom/unit cell

(8 x 1/8 = 1)

2 atoms/unit cell

(8 x 1/8 + 1 = 2)

4 atoms/unit cell

(8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4)

Simple cubic (sc) Body-centered cubic (bcc) Face-centered cubic (fcc)

การนบจ านวนอะตอมหรอไอออนของสารประกอบ

12

23

การนบจ านวนอะตอมหรอไอออนของสารประกอบ

n = nint + nf /2 +ne/4 + nc/8 เมอ n คอ จ านวนอะตอมหรอไอออนทงหมดในหนวยเซลล

nint คอ จ านวนอะตอมหรอไอออนภายในหนวยเซลล

nf คอ จ านวนอะตอมหรอไอออนตามผวหนา

ne คอ จ านวนอะตอมหรอไอออนตามรมขอบ

nc คอ จ านวนอะตอมหรอไอออนตามมม

24 11.4

ความสมพนธระหวางรศมอะตอมและ ความยาวตามขอบของผลก

13

25

ตวอยางการค านวณ

1. อะตอมของอะลมเนยมมรศมเทากบ 125 pm ถาอะลมเนยมตกผลกในรป fcc จงหาความยาวตามขอบ (a) ของผลกน fcc (4r)2 = a2 + a2

2 a2 = (4r)2

a = 81/2 r

= 81/2 125 pm

= 353.6 pm

26

2. โลหะทงสเตนมความหนาแนนเทากบ 19.35 g/cm3 และมน าหนกอะตอม 183.85 g/mol ถาโลหะนมหนวยเซลลแบบ bcc จงหาความยาวขอบเซลลของหนวยเซลลน

วธท า bcc มจ านวนอะตอมทงสเตน 2 อะตอม

โลหะทงสเตน 6.02 x 1023 อะตอม หนก 183.85 g

” 2 ” ” 183.85 g x 2 อะตอม

6.02 x 1023 อะตอม

= 6.106 x 10-22 g

ตวอยางการค านวณ

14

27

ความหนาแนน = มวล/ปรมาตร ปรมาตร(V) = มวล/ ความหนาแนน = a3

a = V1/3

= (มวล/ ความหนาแนน ) 1/3

แทนคา = 6.106 x 10-22 g 1/3

19.35 g/cm3

a = 0.316 nm

ตวอยางการค านวณ

28

3. แคลเซยมมหนวยเซลลเปนแบบ fcc และมความยาวขอบเซลล เทากบ 0.556 nm มความหนาแนนเทากบ 1.54 g/cm3 น าหนกอะตอม 40.08 จงหาเลขอาโวกาโดร

การค านวณเลขอาโวกาโดรและเซลลหนวยของผลก

15

29

4. โลหะนเกลตกผลกแบบ fcc ถารศมของนเกลไอออนเทากบ 0.124 nm จงค านวณหาความหนาแนนของโลหะนเกล

30

การจดเรยงอนภาคในผลกแบบชดทสด (Closest-packed pattern) โลหะบรสทธทกอะตอมมขนาดเทากน

จดเรยงทรงกลมใหสมผสกนมากทสด จงเปรยบเทยบการจดเรยงอนภาคของรปตอไปน

รปใดจดเรยงอะตอมแบบชดทสด

16

31

การจดเรยงอนภาคในผลกแบบชดทสด

1. โครงสรางการบรรจแบบชดทสดรปเฮกซะโกนอล

(hexagonal closest-packed structure, hcp)

มการบรรจแบบ : ABABABAB……….

B A

A B

32

2. โครงสรางการบรรจแบบชดทสดรปลกบาศก

(cubic closest-packed structure, ccp)

การบรรจแบบ : ABCABCABCABC……….

โครงสรางแบบ fcc C

A B B

การจดเรยงอนภาคในผลกแบบชดทสด

17

33

การจดเรยงอนภาคในผลกแบบชดทสด

34

การจดเรยงอนภาคในผลกแบบชดทสด

18

35

ชองวางในโครงสรางการบรรจชดทสด

www.chem.ubc.ca/

36

2. ชองออกตะฮดรล (Octahedral hole)

www.chem.queensu.ca/.../ Molecular/Solids

•www.facstaff.bucknell.edu/ kastner/univ281/Cry...

ชองวางในโครงสรางการบรรจชดทสด

19

37

ในโครงสรางการบรรจชดทสด (ตอ unit cell)

จ านวนชองเตตระฮดรล = สองเทาของจ านวนทรงกลม

จ านวนชองออกตะฮดรล = จ านวนทรงกลม

A ท าใหเกดโครงสรางการบรรจชดทสดและ

ชองเตตระฮดรลทกชองบรรจดวย X สตรโมเลกลคอ AX2

A ท าใหเกดโครงสรางการบรรจชดทสดและ

ชองออกตะฮดรลทกชองบรรจดวย X สตรโมเลกลคอ AX

38

โครงสรางผลกสามญ

1. โครงสรางโซเดยมคลอไรด (rock - salt structure) - มแอนไอออนเปนโครง แคตไอออนอยตามชอง octahedral เตม - มสตรเปน AX - coordination number = 6 : 6

- สารประกอบ เชน อลคาไลเฮไลด KCl , KBr, LiI - ออกไซด + ซลไฟดของ Mg, Ca - อนๆ เชน AgCl, NH4I, MnS, NiO

20

39

โครงสรางโซเดยมคลอไรด

โครงสรางผลกสามญ

40

โครงสรางโซเดยมคลอไรด

21

41

ตวอยาง ค านวณ Na+ และ Cl- ในโครงสรางของ

NaCl 1 หนวยเซลล

42

2. Cesium chloride structure (CsCl)

- ขนาดของ Cs+ และ Cl- ไมแตกตางกนมาก

หนวยเซลลเปนแบบ bcc

- Coordination Number = 8 : 8

- สารประกอบ เชน CsBr, RbCl, NH4Cl

โครงสรางผลกสามญ

22

43

โครงสราง CsCl

โครงสรางผลกสามญ

44

โครงสราง CsCl

23

45

ตวอยาง จงค านวณ Cs+ และ Cl- ในโครงสรางของ

CsCl 1 หนวยเซลล

46

3. Fluorite structure - มแคตไอออนเปนโครง แอนไอออนบรรจอยในชอง

tetrahedral เตม - สตร AX2

- coordination number = 8 : 4 เชน CaF2 - โครงสรางแบบ ccp - F - บรรจใน tetrahedral ทง 8 แหงรอบ Ca2+

- Ca2+สมผส F - 8 ไอออน F- สมผส Ca2+ เพยง 4 ไอออน - ตวอยางสารอนๆ เชน BaF2 , BaCl2 , CdF2, PbF2

โครงสรางผลกสามญ

24

47

Fluorite structure

โครงสรางผลกสามญ

48

Fluorite structure

25

49

ขดจ ากดอตราสวนรศมของโครงสราง

เลขโคออรดเนชน โครงสราง r+ / r-

2 linear 0.154

3 triangular 0.154 – 0.255

6 NaCl 0.414 – 0.732

8 CsCl > 0.732

50

ต าหนของแลตทซ

แบบจด 1. Frenkel defect ไอออนเลอนไปอยในชองวาง เกดกบสารประกอบทมไอออนลบขนาดใหญ แตไอออนบวกขนาดเลก และมโครงสรางแบบบรรจไมชด

26

51

2. Schottky defect

ไอออนบวกและไอออนลบหายไป เกดทวางเปนค เกดกบโครงผลกแบบท cation อยตามชองวางของ anion โดยสวนใหญพบในผลก alkaline halide เชน NaCl

ต าหนของแลตทซ

52

แบบเสนหรอตามแนวแลตทซ

1. Edge dislocation ความยาวแตละชนไมเทากนท าใหผลกเบยว

ต าหนของแลตทซ

27

53

Edge dislocation

jamaica.u.arizona.edu/.../ disclocation.html

ต าหนของแลตทซ

54

2. Screw dislocation

แนวระนาบของอะตอมไมอยในแนวเดยวกน

www.hpcc.ecs.soton.ac.uk/. ../materials/MgO.html www.semiconfareast.com/ crystaldefects.htm

ต าหนของแลตทซ

28

55

แผนผงวฏภาค (Phase diagram) แผนผงทแสดงความสมพนธระหวางสถานะของสารทความดนและอณหภมตางๆ

จดรวมสาม (Tripple point) จดสมดลของทงสามสถานะ จดวกฤต (Critical point) จดสนสดของเสนสมดลระหวางของเหลวและแกส

56

Phase diagram of water

29

57

Phase diagram of Carbon dioxide

58

เสนแบงวฏภาคของแขง-ของเหลว (solid-liquid line) ของน าเอนไปทางซาย แตของสารอนสวนใหญเอนไปทางขวา แสดงวา เมอความดนเพม อณหภมทน าแขงอยในสภาวะสมดลกบน าลดลง คอ จดหลอมเหลวของน าแขงลดลง เพราะน าแขงมความหนาแนนนอยกวาน า ซงเปนสมบตของน าทแปลกกวาสารอน (สารอนของแขงมความหนาแนนมากกวาของเหลว)

ขอสงเกต