Κεφάλαιο 4 Φυσικές Ιδιότητες

Transcript

1 Κεφάλαιο 4 Φυσικές Ιδιότητες Σύνοψη Η κρυσταλλική δομή, η μικροδομή, οι αταξίες δομής είναι σημαντικοί παράγοντες για την ερμηνεία των μηχανικών, θερμικών, οπτικών, ηλεκτρικών ιδιοτήτων των υλικών. Προαπαιτούμενη γνώση Ανόργανη χημεία, Κρυσταλλογραφία, Κρυσταλλοχημεία, Θερμοδυναμική. Οι φυσικές διότητες μπορούν να προσδιοριστούν μακροσκοπικά. Εξαρτώνται από τη δομή, το είδος και την ισχύ των χημικών δεσμών που αναπτύσσονται μεταξύ των δομικών μονάδων, επίσης από το μέγεθος των κρυστάλλων, τις ατέλειες δομής και τις προσμίξεις. Οι ιδιότητες των κρυστάλλων είναι: α) αυτές που εξαρτώνται από τη διεύθυνση και χαρακτηρίζονται ως ανυσματικές. Οι ανυσματικές ιδιότητες συνδέονται άμεσα με τα στοιχεία συμμετρίας των κρυσταλλικών δομών. β) σε αυτές που δεν εξαρτώνται από τη διεύθυνση και εκφράζονται με πραγματικούς αριθμούς (π.χ. πυκνότητα, σημείο τήξης κ.λπ.). Οι φυσικές ιδιότητες είναι οι μηχανικές (π.χ. σκληρότητα, αντοχή), οι θερμικές, οι οπτικές (π.χ. χρώμα), οι ηλεκτρικές (π.χ. πιεζοηλεκτρισμός) κ.λπ Μηχανικές ιδιότητες Τα στερεά σώματα μετά από μικρή καταπόνηση παραμορφώνονται αρχικά ελαστικά, δηλαδή επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση (σημειώνεται ότι για την τάση που προκαλεί την παραμόρφωση ισχύει ο νόμος του Hooke). Η δύναμη παραμόρφωσης όταν είναι κάθετη προς την επιφάνεια καλείται θλιπτική, ενώ όταν είναι παράλληλη προς την επιφάνεια καλείται διατμητική. Κάθε τεχνικό υλικό που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί σε καταπονήσεις πρέπει να αναπτύσσει ικανοποιητικές αντοχές κάτω από την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων. Οι μηχανικές ιδιότητες αναφέρονται στην συμπεριφορά του υλικού υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων και για τη μελέτη τους έχουν αναπτυχθεί αντίστοιχες δοκιμασίες ελέγχου. Αναλυτικότερα στις μηχανικές ιδιότητες εξετάζονται τα εξής: Σχισμός: Είναι η τάση ορισμένων κρυστάλλων να σπάνε σε κατευθύνσεις παράλληλες προς τα κρυσταλλικά επίπεδα. Παρατηρείται σε κατευθύνσεις κάθετες προς τους ασθενέστερους δεσμούς ή δεσμούς με μεγαλύτερη διατομική απόσταση (π.χ. δεσμοί Van Der Waals στο γραφίτη). Γραμμή κόνεως ενός ορυκτού είναι το χρώμα της γραμμής που αφήνει ένα ορυκτό, όταν προστρίβεται πάνω σ ένα πλακίδιο πορσελάνης. Κατάτμηση: Παρατηρείται σε κατευθύνσεις που έχουν δομικές αδυναμίες. Εμφανίζεται όταν υπάρχουν αποκλίσεις από την ιδανική κατάσταση (δίδυμοι κρύσταλλοι, εσωτερικές τάσεις) Θραύση: Όταν οι δεσμοί είναι ομοιόμορφοι προς όλες τις κατευθύνσεις, η σχάση τους δεν γίνεται σε συγκεκριμένη θέση. Η θραύση αναφέρεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Στους κρυστάλλους με ιοντικούς δεσμούς, η θραύση γίνεται με τυχαίο προσανατολισμό (π.χ. χαλαζίας). Ευκαμπτότητα: Είναι η ιδιότητα των υλικών να αποκτούν μόνιμη παραμόρφωση κάτω από εξωτερική πίεση. Τα υλικά που παρουσιάζουν ευκαμπτότητα οφείλονται στη διολίσθηση της στοιβάδας των υδροξυλιόντων (π.χ. χλωρίτης, τάλκης). Ελαστικότητα: Είναι η ιδιότητα των υλικών να επανακτούν το αρχικό τους σχήμα, όταν η εξωτερική τάση σταματά να επιδρά (π.χ. μοσχοβίτης, βιοτίτης). Ελατότητα: Είναι η τάση μερικών υλικών να μετασχηματίζονται σε σύρματα υπό την επίδραση ελκυστικής δύναμης. Σκληρότητα: Είναι η αντίσταση του υλικού στη χάραξη, οφείλεται στην ένταση των δυνάμεων που συγκρατούνται μεταξύ τους τα ιόντα, τα άτομα, τα μόρια. Είναι ανάλογη του φορτίου και αντιστρόφως ανάλογη του μεγέθους του κατιόντος. Για τη μέτρηση της σκληρότητας υπάρχει η κλίμακα Mohs (1-10) όσο πιο σκληρό είναι το υλικό τόσο μεγαλύτερος ο αριθμός Μohs. Στον Πίνακα 4.1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της σκληρότητας διαφόρων υλικών. Με τη μείωση της ιοντικής ακτίνας του κατιόντος αυξάνει ο ομοιοπολικός δεσμός και αυξάνει η σκληρότητα του υλικού. Με την 56

2 αύξηση της ιοντικής ακτίνας του ανιόντος αλλά και του φορτίου του ανιόντος αυξάνει ο ομοιοπολικός δεσμός και αυξάνει η σκληρότητα. [7] Πίνακας 4.1 Επίδραση της ιοντικής ακτίνας στην σκληρότητα. Από τον Πίνακα 2.4 το MgO έχει 71% ετεροπολικό δεσμό και από τον Πίνακα 4.1 φαίνεται ότι έχει μέτρια σκληρότητα, αυτό οφείλεται στο φορτίο και την ιοντική ακτίνα που καθορίζουν τον χαρακτήρα του χημικού δεσμού. Παράδειγμα σχέσης σκληρότητας με ιοντική ακτίνα στα ορυκτά: Η σκληρότητα ενός ορυκτού είναι ανάλογη με το ειδικό βάρος. Το ειδικό βάρος εξαρτάται από το είδος των ατόμων που συμμετέχουν και τον τρόπο που είναι τοποθετημένα στον χώρο. Όσο μεγαλύτερο είναι το ατομικό βάρος, τόσο μεγαλώνει και το ειδικό βάρος και τέλος η σκληρότητα. Πίνακας 4.2. Η σχέση ένυδρων χημικών ενώσεων και σκληρότητας. Στα πυριτικά ορυκτά, η σκληρότητα είναι συνάρτηση του δεσμού Si-O αλλά και των άλλων δεσμών που υπάρχουν στο πλέγμα. Ο χαλαζίας έχει πυκνό πλέγμα τετραέδρων (SiO 4 ) 4- και έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από τον τάλκη, στον οποίο τα τετράεδρα συνδέονται μεταξύ τους με ασθενείς δυ- 57

3 νάμεις Van Der Waals και δεσμούς υδρογόνου. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 4.3 οι ανθρακικές και θειικές ενώσεις έχουν χαμηλή σκληρότητα και χαράσσονται με χάλκινο νόμισμα. Οι φωσφορικές ε- νώσεις χαράσσονται με σουγιά, οι πυριτικές ενώσεις δύσκολα χαράσσονται με σουγιά και τα υδροξείδια και τα οξείδια είναι πολύ σκληρά. Το διαμάντι είναι πολύ σκληρό έχει διαφορετική κρυσταλλική δομή από τον γραφίτη, έχει ομοιοπολικό δεσμό, ενώ ο γραφίτης έχει ομοιοπολικούς και Van Der Walls δεσμούς αλλά και τα δυό έχουν την ίδια χημική σύσταση. [8] Πίνακας 4.3 Σκληρομετρική κλίμακα του Mohs Θερμικές Ιδιότητες Δύο τύποι θερμικής ενέργειας εμφανίζονται στα περισσότερα στερεά σώματα: α) η παλμική ενέργεια των ατόμων που εκτελούν ταλαντώσεις γύρω από τις μέσες σταθερές θέσεις που καταλαμβάνουν στο πλέγμα και β) η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων. Όταν το άτομο απορροφά θερμότητα αυξάνει η εσωτερική του ενέργεια και ανεβαίνει η θερμοκρασία του. Οι θερμικές ιδιότητες εξαρτώνται από τις μεταβολές της ενέργειας των ατόμων και των ελευθέρων ηλεκτρονίων. Η θερμική ενέργεια εμφανίζεται σαν παλμική ενέργεια του πλέγματος, ενώ η μοναδιαία ποσότητα της παλμικής ενέργειας ονομάζεται φωνόνιο. Ο μετασχηματισμός των ορυκτών σε ανόργανα προϊόντα περιλαμβάνει θερμικές διεργασίες. Κατωτέρω εξετάζονται τρεις βασικές θερμικές ιδιότητες: Θερμοχωρητικότητα: Η θερμοχωρητικότητα είναι το ποσό της θερμικής ενέργειας που απαιτείται για να θερμανθεί ένα υλικό κατά ένα βαθμό o C, και δεν εξαρτάται από την μικροδομή,δηλαδή από το μέγεθος κόκκων, τις ατέλειες κ.τλ. Η αύξηση της θερμοχωρητικότητας οφείλεται στην ικανότητα των φωνονίων και ηλεκτρονίων να αυξάνουν την ενέργεια τους. Η θερμοχωρητικότητα είναι ανάλογη με τη μάζα του υλικού. Θερμοχωρητικότητα = C μάζα. Ο συντελεστής αναλογίας C ονομάζεται ειδική θερμότητα και είναι υπό σταθερό όγκο (Cv) ή υπό σταθερή πίεση (Cp). Η θερμοχωρητικότητα ενός στερεού δεν εξαρτάται από τη χημική σύσταση παρά μόνο από τον αριθμό των ατόμων ή μορίων που περιέχονται σε ένα gr-atom ή gr-mol. Θερμική διαστολή: Στα στερεά η αύξηση της θερμοκρασίας είναι ανάλογη της αύξησης του όγκου τους και ε- ξαρτάται από τη μικροδομή. Η Θερμική Διαστολή εκφράζεται με τον ογκομετρικό συντελεστή θερμικής διαστολής ή με το γραμμικό συντελεστή διαστολής (al). Όσο πιο πυκνή η δομή και όσο πιο ι- σχυροί οι χημικοί δεσμοί, η θερμική διαστολή είναι μικρότερη σε ενώσεις με ομοιοπολικό δέσμο και μεγαλύτερη σε ενώσεις με ιοντικό δεσμό. Θερμική αγωγιμότητα: 58

4 Η διαφορά θερμοκρασίας μέσα σε ένα υλικό προκαλεί μεταφορά θερμότητας.ο βαθμός ευκολίας μετάδοσης της θερμότητας εκφράζεται με τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας (Watt/m K) που σημαίνει ότι όσο πιο μικρός είναι τόσο πιο δύσκολα μπορεί να περάσει η θερμότητα δια μέσου του υλικού. Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας εκφράζει τη θερμική ισχύ που διέρχεται μέσα από τις απέναντι πλευρές κύβου από ομοιογενές και ισότροπο υλικό, ακμής ένα μέτρο, όταν η διαφορά θερμοκρασιών μεταξύ των επιφανειών διατηρείται σταθερά και είναι ίση με ένα βαθμό Κέλβιν. Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας εξαρτάται από τη φύση του υλικού, τη δομή του, το πορώδες, την πυκνότητα, τη θερμοκρασία, την υγρασία, την πίεση. Η θερμική αγωγιμότητα. χαρακτηρίζει την ικανότητα μεταφοράς θερμότητας μέσω ενός υλικού και γίνεται με: α) τα φωνόνια (η παλμική ενέργεια των ατόμων που εκτελούν ταλαντώσεις γύρω από τις μέσες σταθερές θέσεις που καταλαμβάνουν στο πλέγμα, παράγει ένα ελαστικό κύμα μέσα στο υλικό το οποίο καλείται φωνόνιο), β) τα ελεύθερα ηλεκτρόνια (με την κινητική ενέργεια αυτών). Στερεά με ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι τα μέταλλα. Στερεά χωρίς ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι τα ιοντικά και ομοιοπολικά υλικά. Στα μέταλλα, που είναι καλύτεροι αγωγοί θερμότητας, τα ηλεκτρόνια συμβάλλουν κατά κύριο λόγο στην αγωγιμότητα. Κακοί αγωγοί θερμότητας είναι τα κεραμικά διότι έχουν μεγάλο ποσοστό πόρων. Θερμική Αγωγιμότητα: MgO>Al 2 O 3 >MgO.Al 2 O 3 >Μουλίτης 3Al 2 O 3.2SiO 2 Ακολουθούν παραδείγματα συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας (Watt/mK) σε διάφορα δομικά υλικά. Πίνακας 4.4 Παραδείγματα συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας (Watt/mK) Οπτικές Ιδιότητες Κάθε φορά που ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία προσκρούει σε ένα υλικό, ελευθερώνεται και ένα διαφορετικό ποσοστό της ενέργειάς του με αποτέλεσμα να παράγονται φωτόνια διαφορετικού μήκους κύματος. Αυτά τα φωτόνια δημιουργούν και τα οπτικά φαινόμενα, λόγω απορρόφησης ή ανάκλασης της ακτινοβολίας. Το χρώμα ενός ορυκτού οφείλεται, γενικά, στην απορρόφηση, εκ μέρους των ατόμων του κρυστάλλου, ορισμένων μηκών κύματος από τα μήκη κύματος του λευκού φωτός. Από τη συμβολή των υπολοίπων μηκών κύματος, τα οποία δεν απορροφώνται από το ορυκτό, προκύπτει το χρώμα του κρυστάλλου, δηλαδή η ακτινοβολία που δεν απορροφάται και περνάει από τον κρύσταλλο, δίνει και το χρώμα του. Το χρώμα μπορεί να οφείλεται σε ατέλειες που υπάρχουν στο υλικό. Μετά από διέγερση με ακτινοβολία ή με ακτίνες Χ, ορισμένα ανιόντα ενός κρυστάλλου είναι δυνατό να χάσουν από ένα η- λεκτρόνιο από την εξωτερική τους στοιβάδα. Αν το κρυσταλλικό πλέγμα είναι τέλειο, τα ηλεκτρόνια αυτά μπορεί να επανέλθουν στην προηγούμενη θέση τους, όταν σταματήσει η ακτινοβόληση. Αν, το κρυσταλλικό πλέγμα του κρυστάλλου έχει ατέλειες, δημιουργούνται συνθήκες μη επιστροφής των ηλεκτρονίων, τα οποία κινούνται, έκτοτε, σε νεοσχηματιζόμενες ενεργειακές στοιβάδες. Τα ηλεκτρόνια αυτά απορροφούν ορισμένα μήκη κύματος από το λευκό φως, με αποτέλεσμα τη δημιουργία χρώματος στον κρύσταλλο. Τα χρωματικά κέντρα σ αυτήν την περίπτωση κινούνται, όπως τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια. Ένα χρωματικό κέντρο, σε έναν κρύσταλλο, είναι μια ατέλεια του κρυσταλλικού πλέγματος, η οποία απορροφά φωτεινή ενέργεια. 59

5 Τέτοιες ατέλειες μπορεί να είναι οι ακόλουθες: 1) Η ύπαρξη κενών (οπών) στο κρυσταλλικό πλέγμα του κρυστάλλου, από απομάκρυνση κάποιου ιόντος (συνήθως κατιόντος) το οποίο μπορεί να εισχωρήσει σε άλλη θέση του κρυστάλλου. 2) Μια περίσσεια ιόντων (π.χ. ιόντα Na στον κρύσταλλο NaCl). 3) Η είσοδος ξένων στοιχείων στο πλέγμα ενός κρυστάλλου (π.χ. Ti 2+, Cr 3+, Cr 6+, Co 2+, Mn 2+, Fe 2+ Fe 3+ ). 4) Παραμορφώσεις (γραμμικές, επίπεδες, τρισδιάστατες) του κρυσταλλικού πλέγματος. Το χρώμα είναι χαρακτηριστική ιδιότητα ενός υλικού. Σε περίπτωση που δεν απορροφάται κάνενα μέρος του φωτός από ένα υλικό, αυτό χαρακτηρίζεται ως άχρωμο ή αδιαφανές, σε αντίθεση με τα έγχρωμα ή διαφανή. Παραδείγματα διαφανών υλικών: διαμάντι, γυαλί, ρουμπίνι (Al με χρώμιο και με χαρακτηριστικό κόκκινο χρώμα), ζαφείρι (Al 2 O 3 με σίδηρο και τιτάνιο,με χαρακτηριστικό μπλέ χρώμα). Παραδείγματα αδιαφανών υλικών: αμέταλλα, αμέθυστος (SiO 2 με προσμίξεις). Πρέπει να σημειωθεί ότι τα διαφανή μπορεί να γίνουν αδιαφανή κατόπιν κατεργασίας (π.χ. Al 2 O 3 κατόπιν έψησης γίνεται αδιαφανές λόγω ελάττωσης του πορώδους και το γυαλί με την προσθήκη των προσμίξεων γίνεται από διαφανές σε αδιαφανές). Λάμψη είναι ο λόγος της έντασης της ανακλωμένης, από ένα ορυκτό, ακτινοβολίας, προς την ένταση της προσπίπτουσας επί αυτού ακτινοβολίας ονομάζεται ανακλαστικότητα ενός ορυκτού. Ενα ορυκτό θα έχει τόσο εντονότερη λάμψη, όσο έχει μεγαλύτερη ανακλαστικότητα. Οι κρύσταλλοι μπορούν να απορροφούν υπεριώδη ακτινοβολία και να επανεκπέμπουν τμήμα της, υπό μορφή ορατής ακτινοβολίας. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φωταύγεια. Αν η φωταύγεια διαρκεί όσο διαρκεί και η ακτινοβόληση, τότε το φαινόμενο ονομάζεται φθορισμός, από το όνομα του ορυκτού φθορίτης (CaF 2 ). Οταν η φωταύγεια διαρκεί και μετά την παύση της ακτινοβόλησης, τότε το φαινόμενο ονομάζεται φωσφορισμός. [9] 4.4. Ηλεκτρικές Ιδιότητες Ονομάζονται οι ιδιότητες που χαρακτηρίζουν τη συμπεριφορά των υλικών υπό την επίδραση του η- λεκτρικού πεδίου. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες εξαρτώνται από το είδος του δεσμού, μέγεθος των ατελειών ή προσμίξεων που παρουσιάζουν τα πλέγματα (όσον αφορά τους κρυστάλλους). Ανάλογα με το μέγεθος της ηλεκτρικής αντίστασης ταξινομούνται στους αγωγούς (μέταλλα), στους ημιαγωγούς (γραφίτης) και στους μονωτές (πορσελάνη, κεραμικά). Για την ηλεκτρική αγωγιμότητα ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι δύο εξωτερικές ζώνες: η ζώνη σθένους και η ζώνη αγωγιμότητας. Στους καλούς αγωγούς (π.χ. χαλκός) η ζώνη σθένους είναι και ζώνη αγωγιμότητας, στους ημιαγωγούς και μονωτές η ζώνη σθένους χωρίζεται από τη ζώνη αγωγιμότητας. Το ενεργειακό χάσμα είναι μικρό στους ημιαγωγούς και μεγάλο στους μονωτές. Στο διαμάντι, που είναι μονωτής, το ενεργειακό χάσμα είναι 5,6 ev στους ημιαγωγούς Si, Ge είναι από 1,1 έως 0,7 ev και στους αγωγούς Na +, Mg 2+ είναι από 0,08 έως 0eV. Οι ιοντικοί κρύσταλλοι είναι κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού, τα ιόντα έχουν πολύ μικρή κινητικότητα σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια και ως εκ τούτου έχουν μικρή αγωγιμότητα. Επίσης, στα ορυκτά εμφανίζεται το φαινόμενο του πιεζοηλεκτρισμού, δηλαδή τη δημιουργίας αντιθέτων φορτίων στα άκρα ενός κρυστάλλου όταν εφαρμοστεί πίεση ή έλξη σε ορισμένη διεύθυνση του κρυστάλλου (π.χ. χαλαζίας). Σε έναν πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο, όπως ο χαλαζίας, η συμπίεση του κρυστάλλου κατά ορισμένη κατεύθυνση προκαλεί την ανάπτυξη μίας ηλεκτρικής τάσης κατ αυτήν την κατεύθυνση. Τέτοιοι κρύσταλλοι χρησιμοποιούνται σε φωνογραφικά πικάπ και μικρόφωνα για τη μετατροπή ηχητικών ταλαντώσεων σε εναλλασσόμενα ηλεκτρικά ρεύματα. Το αντίθετο φαινόμενο είναι επίσης εφικτό: ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα που εφαρμόζεται σε πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο μπορεί να τον κάνει να ταλαντώνεται. Όταν ο κρύσταλλος είναι κομμένος σε απόλυτα ακριβείς διαστάσεις, τότε αποκρίνεται με τη μέγιστη ένταση σε μία ορισμένη συχνότητα ταλάντωσης. Τέτοιοι κρύσταλλοι χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της συχνότητας εναλλασσόμενων ηλεκτρικών ρευμάτων. Όταν η συχνότητα ενός εναλλασσομένου ηλεκτρικού ρεύματος αποκλείνει από τη φυσική συχνότητα του κρυστάλλου τότε ένας μηχανισμός ανάδρασης ρυθμίζει τη συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος. Κρύσταλλοι χαλαζία χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση συχνοτήτων σε ραδιόφωνα, τηλεοράσεις και ρολόγια. 60

6 Ένα άλλο φαινόμενο είναι ο πυροηλεκτρισμός, δηλαδή η δημιουργία αντιθέτων φορτίων στα άκρα ενός κρυστάλλου όταν θερμανθεί ή ψυχθεί ομοιόμορφα. Παράδειγμα είναι οι κρύσταλλοι χαλαζία που μετά τους C παρουσιάζουν θετικά και αρνητικά φορτία κατά την ψύξη Μαγνητικές ιδιότητες Κάποια ορυκτά παρουσιάζουν έντονες μαγνητικές ιδιότητες που οφείλονται στην ιδιοπεριστροφή των ηλεκτρονίων (spin) και στην τροχιακή τους κίνηση γύρω από τον πυρήνα. Λόγω της διαφορετικής συμπεριφοράς των ορυκτών ο μαγνητικός διαχωρισμός είναι μια πολύ γνωστή εργαστηριακή μέθοδος, όπως επίσης λόγω των μαγνητικών ιδιοτήτων, ανιχνεύονται με τηλε-ανίχνευση τα κοιτάσματα και γίνεται, με τη χρήση μαγνητικών ουσιών, η εύρεση κοιτασμάτων πετρελαίου. Κλασσικό παράδειγμα μαγνητικού υλικού είναι ο μαγνητίτης (Fe 3 O 4 ) που αποτελείται από δισθενή και τρισθενή σίδηρο με διαφορετικές διευθύνσεις προσανατολισμού των μαγνητικών ροπών με αποτέλεσμα να παραμένει μια αθροιστική ροπή. Ο μαγνητίτης και οι σπινέλιοι είναι μαγνητικά υλικά που δεν έχουν ηλεκτρική αγωγιμότητα και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πηνίων υψηλής συχνότητας Πολυμορφία - Αλλοτροπία Είναι η ικανότητα μιας συγκεκριμένης χημικής ένωσης να κρυσταλλώνεται σε περισσότερους από έναν τύπους δομής, είτε λόγω μεταβολής της θερμοκρασίας, είτε λόγω μεταβολής της πίεσης, είτε λόγω μεταβολής και των δύο, είτε ακόμη λόγω περιβάλλοντος. Τα πολύμορφα ορυκτά έχουν τον ίδιο μοριακό τύπο, αλλά ανήκουν σε διαφορετική κρυσταλλική τάξη (π.χ. SiO 2 ). Ο όρος πολυμορφισμός αναφέρεται σε χημικές ενώσεις, ενώ για τα χημικά στοιχεία χρησιμοποιείται ο όρος αλλοτροπία (π.χ. διαμάντι, γραφίτης). Παράδειγμα: Η μορφή α-fe έχει πλέγμα κυβικό χωροκεντρωμένο (bcc) με διάσταση κυψελίδας α=2,836å στη συνήθη θερμοκρασία. Στη θερμοκρασία των 768 ο C χάνει ο σίδηρος τις μαγνητικές του ιδιότητες και μετατρέπεται στη μορφή β-fe. Η μεταβολή αυτή οφείλεται στην αλλαγή των ηλεκτρονικών τροχιών. Ο τύπος του πλέγματος εξακολουθεί να παραμένει ο ίδιος, ενώ παρατηρούμε μια συνεχή αύξηση της παραμέτρου, λόγω της θερμικής διαστολής. Στη θερμοκρασία των 912 ο C γίνεται μετατροπή του σιδήρου στη μορφή γ-fe με πλέγμα κυβικό ενδοκεντρωμένο και με διάσταση κυψελίδας α=3,591å. Στη θερμοκρασία των 1401 ο C έχουμε μετατροπή του σιδήρου στη μορφή δ-fe με πλέγμα κυβικό χωροκεντρωμένο. Στη θερμοκρασία των 1528 ο C ο σίδηρος τήκεται. Στον Πίνακα 4.5 δίδονται παραδείγματα ορυκτών με τα αποτελέσματα της πολυμορφίας ως προς την σκληρότητα και το ειδικό βάρος. Πίνακας 4.5 Παραδείγματα πολυμόρφων ορυκτών. 61

7 Αντίθετο φαινόμενο της πολυμορφίας είναι ο ισομορφισμός όπου ουσίες έχουν διαφορετική σύσταση αλλά ίδιο κρυσταλλικό πλέγμα, π.χ. NaCl και KCl Μέθοδοι έρευνας των υλικών Για τις τεχνολογικές χρήσεις των υλικών απαιτούνται πειραματικές μετρήσεις με ειδικές συσκευές και όργανα και αναπτύχθηκαν μέθοδοι καταστροφικές και μη-καταστροφικές. Για τη διαγνωστική μελέτη ενός υλικού, αρχικά πραγματοποιούνται χημικές αναλύσεις με τις κλασσικές και ενόργανες μεθόδους. Ακολουθούν οι ορυκτολογικές αναλύσεις με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) για να διαπιστωθεί αν το υλικό είναι άμορφο ή κρυσταλλικό, και ακολουθεί η έρευνα της μικροδομής με θερμική ανάλυση, με χρήση Μικροσκοπίας Ηλεκτρονικής Σάρωσης -SEM- (Εικόνες ), με ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης -TEM-, με χρήση υπερήχων.κ.τλ. Για τη διεξαγωγή συμπερασμάτων γίνεται ταυτοποίηση των αποτελεσμάτων με όσο το δυνατόν περισσότερες τεχνικές και εκτενής μελέτη της βιβλιογραφίας για ανάλογες περιπτώσεις. Εικόνα 4.1 Κρύσταλλοι PbSe.Εικόνα SEM. Παραχώρηση Δρ Μάριου Σ. Κατσιώτη. 62

8 Εικόνα 4.2 Κρύσταλλοι SrTe.Εικόνα SEM. Παραχώρηση Δρ Μάριου Σ. Κατσιώτη. Εικόνα 4.3 Κρύσταλλοι Ετρινγκίτη (σε πρώιμες ηλικίες). Εικόνα SEM. Παραχώρηση Δρ Μάριου Σ. Κατσιώτη. 63

9 Εικόνα 4.4 Κρύσταλλοι CuO. Εικόνα SEM. Παραχώρηση Δρ Μάριου Σ. Κατσιώτη. Βιβλιογραφικές Αναφορές 7. Δαβή, Ε. Πετρολογία. Αθήνα: Αν. Γεωπονική Σχολή, Betekhtin, A. A Course Of Mineralogy. Moscow: Peace, Ορφανουδάκη-Μανουσάκη, Α. Ορυκτολογία. Αθήνα: ΕΜΠ, Ερωτήσεις κατανόησης Ερώτηση 1 Από ποιούς παράγοντες εξαρτάται η σκληρότητα ενός υλικού; Απάντηση Μέγεθος και φορτίο κατιόντων και ανιόντων και από το χημικό δεσμό. Ερώτηση 2 Πού οφείλονται οι θερμικές ιδιότητες των υλικών; Απάντηση Κίνηση από Φωνόνια, ηλεκτρόνια. 64