ของแข็ง

1. ของแข็ง 2.1 ลักษณะทั่วไปและชนิดของของแข็ง 2.2 ชนิดของผลึก : ผลึกโลหะ ผลึกไอออนิก ผลึกโมเลกุล และผลึกโคเวเลนต์ 2.3 ระบบผลึกแบบบราแวส์ (Bravais lattices) หน่วยเซลล์ และการคำนวณ 2.4 ความไม่สมบูรณ์ของผลึก

2. ลักษณะทั่วไปและชนิดของของแข็งลักษณะทั่วไปและชนิดของของแข็ง • มีลักษณะแข็งแกร่ง • มีรูปร่างที่แน่นอน ไม่ขึ้นกับภาชนะที่บรรจุ • เมื่อถูกกดดัน ปริมาตรเปลี่ยนแปลงได้น้อยมากหรือไม่เปลี่ยนเลย • การแพร่ของของแข็งเกิดได้ช้ามาก ๆ (เมื่อเทียบกับแก๊สหรือของเหลว) • อาจมีรูปร่างลักษณะเด่นชัดอยู่ในรูปของผลึก (crystal) เช่น NaCl หรือไม่มีรูปทรงทางเลขาคณิตที่แน่นอน เป็นของแข็งอสัณฐาน (amorphous solid) เช่น แก้ว ยาง พลาสติก

3. ผลึกเท่านั้น ชนิดของของแข็ง • ผลึกโมเลกุล • ผลึกไอออนิก • ผลึกโคเวเลนต์ • ผลึกโลหะ

4. ชนิดของผลึกและสมบัติทั่วไปชนิดของผลึกและสมบัติทั่วไป

5. ชนิดของผลึกและสมบัติทั่วไปชนิดของผลึกและสมบัติทั่วไป

6. ผลึกโมเลกุล • จุดแลตทิซ คือ ตำแหน่งของโมเลกุล • แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล คือ แรงแวนเดอร์วาลส์ หรือ พันธะไฮโดรเจน • ผลึกโมเลกุลส่วนใหญ่ หลอมเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100 OC • ผลึกน้ำแข็ง โมเลกุลดึงดูดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่

7. โครงสร้างของ น้ำแข็ง (ผลึกโมเลกุล) พันธะไฮโดรเจน

8. ผลึกไอออนิก • ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ • ไอออนลบและไอออนบวก มักมีขนาดต่างกัน • ไม่เป็นตัวนำไฟฟ้า เพราะไอออนต่างก็ยึดกันแน่นและไม่มีการเคลื่อนที่ (ไม่มีการไหลของอิเล็กตรอน) NaCl KCl

9. ความยาวของหน่วยเซลล์ เท่ากับ 2 เท่า ของผลบวก ของรัศมีของไอออนบวกและลบ NaCl

10. การเคลื่อนที่ของระนาบในผลึกไอออนิกการเคลื่อนที่ของระนาบในผลึกไอออนิก

11. ผลึกโคเวเลนต์ เพชร อะตอมสร้างพันธะโคเวเลนต์ ที่ยึดเหนี่ยวกันเป็นโครงข่าย สามมิติ

12. เปรียบเทียบโครงสร้างของเพชรและแกรไฟต์เปรียบเทียบโครงสร้างของเพชรและแกรไฟต์ เพชร แกรไฟต์

13. คาร์บอนจัดตัวเป็นวงหกเหลี่ยมคาร์บอนจัดตัวเป็นวงหกเหลี่ยม คล้ายเบนซิน แต่ละอะตอมสร้างพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมอื่น ๆ 3 อะตอม ด้วย sp2ไฮบริดออร์บริทัล และใช้ 2p ออร์บิทัลที่เหลืออยู่ในการสร้างพันธะ pแต่ละชั้นจะมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จึงนำไฟฟ้าได้ดีแต่ละระนาบจะดึงดูดกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์จึงสามารถเลื่อนไถลผ่านกันได้ง่าย แกรไฟต์

14. ผลึกโลหะ • มีโครงสร้างที่ง่ายที่สุด เพราะประกอบด้วยอะตอมเพียงชนิดเดียว • พันธะในผลึกโลหะจะแตกต่างจากพันธะในผลึกชนิดอื่น ๆ โดยประกอบด้วยไอออนบวกของโลหะเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบในทะเลของเวเลนซ์อิเล็กตรอนซึ่งอยู่ไม่ประจำที่ • อิเล็กตรอนดึงดูดไอออนบวกอย่างแข็งแรงมากทำให้โลหะมีความแข็งแรง • เนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้ โลหะจึงนำความร้อนและนำไฟฟ้าได้ดี

15. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + แบบจำลองของทะเลอิเล็กตรอน ไอออนบวกของโลหะเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ อยู่ในทะเลของเวเลนซ์อิเล็กตรอนซึ่งอยู่ไม่ประจำที่

16. + + + + + + + + + + การเคลื่อนที่ของระนาบในผลึกโลหะ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

17. ตั้งแกน 3 มิติ: แกนคริสแทลโลกราฟิก (crystallographic axes) ระบบของผลึก Y มุมระหว่าง X และ Y คือ g X และ Z คือ b Y และ Z คือ a X g b แกน X: a แกน Y: b แกน Z: c a Z

18. หน่วยเซลล์ (unit cell)

19. ชั้น A A ชั้น B C ชั้น A ชั้น B ชั้น C เลข โคออดิเนชัน เลขโคออดิเนชัน

20. A B A Hexagonal close-packed (hcp)

21. Cubic close-packed (ccp) หรือ Face-centered cubic (fcc) C B A

22. ระบบลูกบาศก์ (cubic system) มีหน่วยเซลล์ 3 แบบ คือ 1. Simple หรือ Primitive cubic (scc) • Face Centered cubic (fcc) หรือ • Cubic Close-Packed (ccp) 3. Body Centered cubic (bcc)

23. Simple Cubic

24. Body Cubic

25. FAced Centered Cubic

26. ระบบผลึกแบบบราแวส์ (Bravais lattices) มีทั้งหมด 14 แบบ

27. 1 2 3 Body cubic Face centered cubic Simple cubic a = b = c a = b = g = 90o

28. 4 5 Tetragonal Body-centered Tetragonal a = b = c a = b = g = 90o

29. a = b = c a = b = g = 90o 8 9 6 7 Face-centered Orthorhombic Orthorhombic End-centered Orthorhombic Body-centered Orthorhombic

30. a = b = c a = b = g = 90o • a = b = c • = b = 90o g = 120o 11 10 Rhombohedral Hexagonal

31. 12 13 14 Monoclinic Triclinic End –centered Monoclinic • a = b = c • = g= b = 90o • a = b = c • = g= 90o b = 120o

32. การคำนวณจำนวนอะตอมในหน่วยเซลล์แบบลูกบาศก์การคำนวณจำนวนอะตอมในหน่วยเซลล์แบบลูกบาศก์ 1/8 1/8 มีอะตอมอยู่ที่มุม 8 อะตอม 1/8 1/8 1/8 จำนวนอะตอมในหน่วยเซลล์ เท่ากับ 1/8 1/8 1/8 8 x 1/8 = 1 อะตอม Simple cubic (scc)

33. การคำนวณจำนวนอะตอมในหน่วยเซลล์แบบลูกบาศก์การคำนวณจำนวนอะตอมในหน่วยเซลล์แบบลูกบาศก์ มีอะตอมอยู่ที่มุม 8 อะตอม ภายในลูกบาศก์อีก 1 อะตอม จำนวนอะตอมในหน่วยเซลล์ เท่ากับ (8 x 1/8)+ 1 = 2 อะตอม Body-centered cubic (bcc)

34. จำนวนอะตอมในหน่วยเซลล์ เท่ากับ (8 x 1/8)+(6 x 1/2)= 4อะตอม การคำนวณจำนวนอะตอมในหน่วยเซลล์แบบลูกบาศก์ 1/2 มีอะตอมอยู่ที่มุม 8 อะตอม ที่หน้าลูกบาศก์อีก 6 อะตอม 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 Face-centered cubic (fcc) หรือ Cubic closed-packed (ccp)

35. การคำนวณหาความหนาแน่นของโลหะจากโครงสร้างการคำนวณหาความหนาแน่นของโลหะจากโครงสร้าง • ความหนาแน่นของโลหะ เท่ากับมวลของโลหะ หารด้วยปริมาตรของโลหะ • มวลของโลหะ คำนวณจากมวลของ 1 หน่วยเซลล์ ซึ่งจะเท่ากับมวลของอะตอมที่บรรจุอยู่ใน 1 หน่วยเซลล์ • มวลของแต่ละอะตอม จะเท่ากับ molar mass หารด้วย เลขอาโวกาโดร (6.02 x 1023) • ปริมาตรของโลหะ หาจากปริมาตรของ 1 หน่วยเซลล์

36. การหาปริมาตรของ 1 หน่วยเซลล์ • simple cubic จะคำนวณปริมาตรได้โดยตรงจาก ด้าน3 โดยที่แต่ละด้านยาว 2r Simple cubic รัศมี =r ด้าน = a = 2r ปริมาตร = a3 = 8r3

37. f = 4r a a f2 = a2 + a2 การหาปริมาตรของ 1 หน่วยเซลล์ • Face-centered cubic จะต้องหาความยาวของด้านก่อน โดยที่ทราบว่าเส้นทแยงมุมยาวเท่ากับ 4r แล้วอาศัย Pythagorean theorem • a2 + a2 = (4r)2 = 16r2 • a2 = 8r2 • a = 81/2r

38. Face-centered cubic รัศมี =r ด้าน = a = 81/2 . r ปริมาตร = a3 = 83/2. r3

39. ถ้าทองแดงมีโครงสร้างผลึกแบบ fcc จะมีความหนาแน่นเท่าใด fcc มีอะตอมในหน่วยเซลล์เท่ากับ 4 อะตอม M คือ molar mass ของทองแดง = 63.55 g mol-1 NAคือ เลขอาโวกาโดร = 6.02 x 1023 mol-1 r คือรัศมีของอะตอม = 128 pm = 1.28 x 10-8 cm

40. จาก ตอบ ความหนาแน่นของทองแดง = 8.90 g cm-3 ค่าความหนาแน่นของทองแดงที่มีรายงานผลการทดลองไว้ มีค่าเท่ากับ 8.93 g cm-3

41. Crystal Structure of Metals Hexagonal close packed Body-centered cubic Face -centered cubic Other structures Li Be Na Mg Al K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Nb Rb Sr Y Zr Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Hexagonal close packed: Be, Mg, Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Ru, Os, Co, Zn, Cd, Tl Face -centered cubic: Ca, Sr, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Al, Pb Body-centered cubic: Li, Na, K, Rb, Cs, Ba, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Other structures: Mn, Hg, Ga, In, Sn

42. ความไม่สมบูรณ์ของผลึกความไม่สมบูรณ์ของผลึก (defect of crystal) การจัดเรียงตัวที่ไม่เป็นระเบียบ แบบจุด (point defect) แบบเส้น (line defect)

43. ความไม่สมบูรณ์ของผลึกแบบจุด (Point defect)พบ 4 แบบ • อะตอมตำแหน่งนั้น ๆ หายไป เกิดเป็นช่องว่าง (vacancy) • อะตอม เลื่อนไปอยู่ในที่ว่างที่ไม่ใช่ตำแหน่งของตัวเอง (self interstitial defect) • อะตอมอื่นที่ไม่ใช่อะตอมที่ประกอบกันเป็นผลึก เข้าไปอยู่ในช่องว่างแทน (substitutional impurity) • มีอะตอมขนาดเล็กเข้าไปอยู่ในช่องว่างที่มีเป็นธรรมชาติของผลึก (interstitial impurity)

44. self interstitial vacancy interstitial impurity (ในช่องว่างธรรมชาติ) substitutional impurity

45. ความไม่สมบูรณ์แบบแบบเฟรนเกล (Frenkel defect) ในผลึก AgCl, AgBr ไอออนลบมีขนาดใหญ่ และ ไอออนบวกมีขนาดเล็ก การเข้าสู่ช่องว่างจากอะตอมภายใน การเข้าสู่ช่องว่างจากอะตอมผิวหน้า

46. ความไม่สมบูรณ์แบบแบบชอตกี (Schottky defect) ในผลึก ที่มีไอออนลบและไอออนบวกมีขนาดเท่า ๆ กัน การเกิดที่ว่างในตำแหน่งของ ไอออนบวกและไอออนลบ ผลึกสมบูรณ์

47. ความไม่สมบูรณ์ของผลึกแบบเส้น (Line defect) Edge dislocation Screw dislocation