1.Wiązania między atomami, czyli wiązania chemiczne.
Atomy wszystkich pierwiastków poza atomami gazów
szlachetnych mogą łączyć się ze sobą tworząc molekuły. ē
walencyjne (wartościowości) decydują o łączeniach
podpowłok S i P. Pierwiastki, których atomy mają mniej niż
4 ē walencyjne nazywamy elektrododatnimi – łatwo tracą ē
walencyjne, stając się jonami dodatnimi (głównie metale).
Pierwiastki, których atomy mają powyżej 4 ē walencyjne
nazywamy elektroujemnymi – łatwo przyłączają ē
walencyjne, stając się jonami ujemnymi (głównie
dielektryki). Gazy szlachetne mają całkowicie zapełnione
podpowłoki zewn. S i P – mają 8 ē (2 + 6) – oktet
elektronowy.
Typy wiązań chem.: jonowe, kowalencyjne,
niezlokalizowane, metaliczne. Siły międzycząsteczkowe:
Van der Waalsa, wodorowe.
Wiązania
jonowe
–
elektrowalencyjne,
heteropolarne(dwubiegunowe, różnobiegunowe) – jest
wynikiem działania sił Coulomba między jonami: np. sole
metali alkaicznych, tlenki metali (sód, potas – mają
najniższy potencjał jonizacyjny – najłatwiej jest je
zjonizować, oderwać ē – elektrododatnie); chlorowce (chlor,
jod, brom (halogeny)) mają największe powinowactwo
elektronowe – łatwo wychwytują i przyłączają ē.
Energia wiązania jonowego KCl wynika z: e(4,34V –
3,82V) = 0,52eV, gdzie: e – ładunek elektronu; 4,34 –
potencjał jonizacyjny potasu K; 3,82 – powinowactwo
elektronowe chloru Cl.
Powinowactwo elektronowe – en. uwalniająca się przy
powstawaniu jonu ujemnego (anionu) Atomy, które mają
więcej niż 18 ē walencyjnych mogą łatwo utracić więcej niż
1 ē.
Wiązanie kowalencyjne – w. atomowe, w. homeopolarne –
powstaje na skutek oddziaływania ē-ów walencyjnych tzw.
niesprzężonych o przeciwnych spinowych liczbach
kwantowych + ½ lub – ½.
Sprzężone ē-y – w jednym atomie występują dwa ē o + ½ i
– ½; niesprzężone np. + ½ – ½ – ½.
Jeżeli spiny są różne – ē-y przyciągają się i odwrotnie.
Istnienie cząsteczek jak H
2
, O
2
, Cl
2
, N
2
nie można wyjaśnić
za pomocą modelu jonowego – wprowadzono model
wspólnych
ē-ów;
następuje
wiązanie
pomiędzy
jednakowymi atomami o podobnych własnościach. To
wiązanie powstaje za pomocą 1, 2 lub 3 par ē-ów
należących jednocześnie do każdego zakątku, warunkiem są
jednakowe spiny.
Gdy
łączą
się
dwa
jednakowe ē-y to orbita
wspólna jest symetryczna
Gdy łączą się atomy
różnych
pierw.
to
chmura elektronowa jest
przesunięta w kierunku
jednego z tych jąder
atomowych.
Wiązania kowalencyjne
występują
w
wielu
związkach węgla, krzemu, germanu, cyny i ołowiu.
Powstaje wówczas konfiguracja oktetowa, czyli 8 ē-ów
wspólnych (jak w gazie szlachetnym). Dzięki temu wiązania
kowalencyjne są bardzo trwałe. Takie związki nie ulegają
dysocjacji elektrolitycznej (jak np. sól kuchenna), nie
przewodzą prądu elektrycznego i ciepła. Związki te
rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych, np.
benzdenie, toluenie.
Wiązanie niezlokalizowane – ē-y w cząsteczce nie są
związane z poszczególnymi atomami sąsiednimi, lecz
należą do wielu atomów
benzen C
6
H
6
Wiązanie metaliczne – występuje wówczas, gdy odległości
międzyatomowe są mniejsze od wymiarów zewnętrznych
powłok elektronowych. Ma to miejsce w metalach, gdzie
atomy są tak ściśnięte, że dane jądro atomowe danego
atomu znajduje się wewnątrz obszaru, gdzie występuje
chmura elektronowa. ē-y wewnętrzne każdego atomu
rozprzestrzeniają się na cały kryształ (są wspólne) i stają się
„swobodne” wewnątrz metalu. Każdy atom w metalu
dostarcza przynajmniej jednego ē swobodnego.
Taki stan ē walencyjnych w metalach występuje w dużym
zakresie temperatur, tzn. dopóki metal jest w stanie stałym
albo ciekłym. W fazie gazowej ē swobodnych nie ma.
Charakterystyczną cechą kryształów metalicznych jest
plastyczność, nieprzezroczystość, połysk metaliczny, trudno
rozpuszczalne, przewodzą prąd Ele. i ciepło, mają ujemny
współczynnik temperaturowy przewodności.
Siły Van der Waalsa to siły pomiędzy atomami lub
cząsteczkami, w wyniku których łączą się one w agregaty
(wiązania wtórne).
Siły VdW są stosunkowo słabe i oddziaływują tylko między
cząstkami znajdującymi się bardzo blisko siebie. Energia
wiązania 0,1eV.
Siły VdW mogą mieć naturę elektrostatyczną lub
magnetyczną.
Siły VdW są najsłabsze. Materiały o takich wiązaniach są
stosunkowo miękkie i maja niską temp. topnienia np.
parafina. Siły VdW odgrywają jednak bardzo ważną rolę w
procesach skraplania gazów i krzepnięcia, a także w
absorbcji gazów i cieczy do ciał stałych.
Wiązania wodorowe. Atom wodoru może reagować z
innymi atomami albo przez przyłączenie jednego ē do siebie
albo przez uwspólnienie ē z sąsiadem. Wodór może tworzyć
tzw. pomost pomiędzy dwoma molekułami, np. H
2
O.
W.
wodorowe
odgrywaja ważną rolę
w
procesach
biochemicznych.
Wiązania wodorowe
powstają
łatwo
między
molekułami
zawierającymi atomy pierwiastków o stosunkowo małej
masie atomowej, jak C
12
, O
16
, F
19
.
W materiałach mamy często rózne rodzaje wiązań, ale może
przeważać jeden typ wiązań.
2.Stany skupienia materii:
Są trzy stany skupienia materii: ciekły,gazowy i stały ale
przy takim podziale nie uwzględniamy wewnętrznej
struktury substancji. Podział za wzg na strukturę substancji:
a) stan krystaliczny, b) stan amorficzny, c) quasi
krystaliczny,
d)
stan
plazmowy:
-
plazma
wysokotemperaturowa, - plazma niskotemperaturowa.
-Materiały krystaliczne:
Gdyby jakiś pozostał bardzo długo bez dopływu energii z
zewnątrz, ale mógł tracić energie wewnątrz to w końcu
nastąpi uporządkowanie tych molekuł lub atomów, nastąpi
zrównoważenie sił pomiędzy tymi molekułami. Na skutek
tego wytworzy się stan krystaliczny, czyli uporządkowanie
molekuł będących wynikiem zrównoważenia sił odpychania
i przyciągania. Gdy będziemy doprowadzać energie z
zewnątrz to będzie następowało zrywanie wiązań miedzy
molekułami i będzie miało stopień uporządkowania.
KRYSZTAŁ:
Każdy kryształ charakteryzuje się pewnymi elementami
objętościowymi, które powtarzają się cyklicznie. Mówimy,
że jest to komórka elementowa w krysztale, która zawiera
minimalną liczbę atomów danej substancji. Rozróżnia się 7
klas kryształów:
1)Regularny,
2)
Heksagonalny,
3)
Rombowy,
4)
Romboedryczny, 5) Jednoskośny, 6) Trójskośny, 7)
Tetragonalny. Kryształy regularne oraz heksagonalne są
charakterystyczne dla metali i są one gęsto upakowane.
Kryształy rzeczywiste posiadają pewne defekty: a)
punktowe, b) liniowe (dyslokacjami), c) przestrzenne.
DEFEKTEM PUNKTOWYM:
Nazywa się zaburzenia struktury sieci w jednym punkcie
kryształu. Rozróżnia się 3 rodzaje tych defektów: a) defekt
zanieczyszczenia lub zmiany, gdy jakiś atom w sieci
krystalicznej zostanie zastąpiony przez inny atom, b) defekt
Schottky’ego gdy brak jest jakiegoś atomu, c) defekt
Frankl’a zwany defektem implantacji międzywęzłowej, gdy
obecny jest jakiś obcy atom.
DEFEKT LINIOWY-DYSLOKACYJNY:
To defekt dwuwymiarowy, defekt płaszczyzny kryształu: a)
dyslokacja brzegowa, występuje wtedy gdy brzeg
płaszczyzny jest przesunięty, b) dyslokacja śrubowa.
Kryształy z dyslokacjami mogą być łatwo formowane
plastycznie, czyli odkształcone mogą też być rozłupywanie
przy użyciu znacznie mniejszej siły kryształy idealne.
Dyslokacje osłabiają kryształ jak również wpływają na
właściwości
optyczne
i
magnetyczne
kryształu,
rezystywność.
DEFEKTY PRZESTRZENNE:
W kryształach rzeczywistych występują tzw. powierzchnie
swobodne ograniczające ich rozmiary. W materii mogą tez
występować obszary o różnych strukturach, między którymi
występują powierzchnie graniczne. Naturalny kryształ może
być zbiorem małych kryształów i wtedy mówimy o
strukturze polikrystalicznej, w której powierzchnie
graniczne tworzą tzw. granice ziaren.
-Materiały amorficzne:
Różnią się od kryształów zupełnym nieuporządkowaniem
atomów i cząstek. Modelem substancji amorficznej jest
idealny gaz. W rzeczywistości istnieją bardzo często ciała o
strukturze pośredniej tzn. nie stwierdzamy struktur
periodycznie powtarzających się, chociaż obserwuje się w
nich pewne składy atomów zlokalizowane w pobliżu
pewnych atomów lub jonów. Mówimy, że w tym przypadku
występuje uporządkowanie bliskiego zasięgu. Gdy jest ich
brak występuje uporządkowanie dalekiego zasięgu.
Substancje amorficzne dzieli się na dwie klasy: ciecze i
szkła.
CIECZE:
Ciecze wykazują pewną pośrednia strukturę w odróżnieniu
od gazu, który jest całkowicie nie uporządkowany. W
związku z tym przyjmuje się dwa modele cieczy: a) model
quasi gazowy, b) quasi krystaliczny.
MODEL QUASI GAZOWY: zakłada się w nim
przypadkowy rozkład atomów jednak z możliwością
tworzenia się lokalnych powiązań atomów lub cząstek.
MODEL QUASI KRYSTALICZNY: ciecz uważa się za
zdegenerowany kryształ. Lokalne struktury( podstruktury
krótkiego zasięgu ). Przykładem takiej cieczy jest woda w
niskiej temperaturze.
SZKŁA:
Szkła mają podobną strukturę do cieczy. Otrzymuje się
przez nagłe ochładzanie niektórych cieczy np. tlenki metali,
krzemionki, topniki. Struktura szkła charakteryzuje się
uporządkowaniem krótkiego zasięgu, odpowiadającej
strukturze tej cieczy przy danej temperaturze., przy której
zostaje gwałtownie ochłodzona. Szkła można przedstawić
jako zamrożona ciecz, po długim czasie szkła przyjmują
strukturę krystaliczną.
-Materiały quasi krystaliczne:
Są to takie materiały, w których pewne grupy atomów mają
układ krystaliczny, a inne amorficzny. Przykładem mogą
być: a) polimery, b) ciekłe kryształy.
POLIMERY:
To wielka grupa materii o bardzo różnorodnych
własnościach. Przykładem polimeru mogą być: celuloza,
guma, tworzywa sztuczne. Makromolekuły zbudowane są z
pewnych powtarzających się regularnie elementów,
tworzących zwykle strukturę łańcuchową. Łańcuch
makromolekuł jest kryształem liniowym. Układ w
przestrzeni tym makromolekuł może być różny. Pomiędzy
sąsiednimi łańcuchami występują słabe siły Van der Valsa.
Natomiast wewnątrz łańcucha występują zwykle silne
wiązania kowalencyjne. Krótkie łańcuchy przyciągają się
słabiej.
CIEKŁE KRYSZTAŁY:
Są specjalnym rodzajem cieczy, charakteryzujących się
anizotropią( różne własności w różnych kierunkach )
własności elektrycznych, magnetycznych lub optycznych.
ANIZOTROPIA– zróżnicowane własności, jest typową
cechą ciał krystalicznych. W zwykłej cieczy nie obserwuje
się tego zjawiska, ponieważ są one izotropowe. Dlatego
powstała nazwa ciekłe kryształy. Powstają one przez
stopienie pewnych substancji krystalicznych. Są tzw.
kryształy termotropowe, które po stopieniu tworzą ciekły
kryształ. Gdy tą ciecz będziemy bardziej ogrzewać to będzie
miała własności izotropowe. Wyróżnia się trzy klasy
ciekłych kryształów:
1) Neumatyczne (łańcuch układają się równolegle)
2) Smektyczne (łańcuch układają się równolegle, ale
warstwami), 3) cholesterolowe.
Grupa równoległych molekuł ma inne własności wzdłuż osi
tych molekuł niż własności w poprzek prostopadłych. Te
wydłużone molekuły mają trwałe momenty dipolowe i w
polu elektrycznym ustawiają się zgodnie z jego kierunkiem.
W praktyce wykorzystuje się przede wszystkim anizotropię
własności optycznych ciekłych kryształów np.
współczynnik załamania światła zależy od kierunku
ułożenia molekuł w stosunku do kierunku fali świetlnej.
Ustawieniem molekuł można sterować przez przepływ
prądu. Efektem jest zmiana współczynnika załamania
światła.
Niektóre ciała krystaliczne mają różną barwę, co jest
wywołane selektywnym odbiciem światła. Może tak
komponować mieszaniny ciepło krystaliczne, żeby dana
barwa występowała przy ściśle określonej temperaturze.
Takie warstwy czułych termicznie materiałów stosuje się do
budowy noktowizorów i kamer termo graficznych.
Zmiany strukturalne i przejścia fazowe:
W przypadku dopływu i odpływu energii struktura materiału
ulega zmianie. Rozróżniamy fazę krystaliczną, amorficzną,
ciekłą i gazową. Przy zmianach temperatur lub ciśnień
zachodzą przejścia fazowe, które wymagają dostarczenia lub
odbierania energii.
- Skraplanie i krzepnięcie nazywamy przemianami I rodzaju
( przemiany alotropowe ),
- II rodzaju: zmiany struktury krystalicznej w wyniku
zmiany temperatury,
- III rodzaju: dotyczą zmian własności magnetycznych w
wyniku zmiany temperatury. (Temperatury punktu Curie to
770
0
C).
3.TEORIA KLASYCZNA PRZEWODNICTWA METALI:
Klasyczna Teoria przewodnictwa metali, stwierdza że
przewodnictwo elektryczne metali i stopów jest ściśle
związana
z
obecnością
swobodnych
elektronów
niezwiązanych z atomem. Według tej teorii elektrony
swobodne traktuje się w metalu jako gaz elektronowy. Po
przyłożeniu pola elektrycznego powstaje siła działająca na
pole
,
,
,
m
e
E
m
F
a
a
m
F
e
E
F
,
,
m
e
E
a
V
Prędkość elektronów będzie rosła w czasie, aż do zderzenia
się z atomem metalu sieci krystalicznej. Podczas zderzenia
prędkość V spadnie do O. Tj. prędkość początkowa po
zderzeniu,
-
czas przyspania między dwoma
zderzeniami
m
e
E
V
V
śr
,
0
0
,
,
2
,
2
,
max
0
max
śr
śr
śr
U
l
m
e
E
V
V
V
V
m
e
E
V
śr
U
to prędkość elektronów wynikająca z
temperatury, a L - to średnia droga swobodna, jaką elektron
przebywa na skutek ruchu cieplnego pomiędzy kolejnymi
zderzeniami.
,
2
śr
śr
U
l
m
e
E
V
.
Jeżeli w jednostce metalu znajduje się n elektronów, to
gęstość prądu przepływającego przez przekrój metalu
wyraża się wzorem
,
2
2
n
U
l
m
e
E
neV
j
śr
śr
gdzie j to gęstość prądu,
E
j
gdzie
to rezystywność
materiału,
,
2
1
,
2
,
2
2
śr
śr
mU
l
ne
l
ne
mU
j
E
E
j
, gdzie
to konduktywność. Podwyższenie temperatury powoduje
wzrost
prędkości
średniej
ruchów
bezwładnych,
chaotycznych cieplnych,
kT
mU
śr
2
3
2
2
, gdzie k
to stała Boltzmana, a T to temperatura bezwzględna,
mkT
l
ne
l
ne
mkT
m
kT
l
ne
m
m
kT
U
śr
3
2
,
3
2
3
2
,
3
2
2
2
Metale nie tylko mają dobre przewodnictwo elektryczne, ale
także mają dobra przewodność cieplną. Opór cieplny metali
jest także związany z ruchem elektronów swobodnych
-przewodność cieplna,
2
2
3
e
T
k
Stosunek lambda do gama nie zależy od rodzaju metalu, jest
stały i zależy tylko od temperatury. Klasyczna teoria metali
jest prosta, ale oparta na zbyt uproszczonych założeniach.
4.PASMOWA TEORIA CIAŁA STAŁEGO:
Teoria klasyczna metali jest dość prosta, ale oparta na zbyt
uproszczonych założeniach. Na skutek tych niedostatków
została
opracowana
kwantowa
teoria
elektronów
swobodnych w metalu.
Rozróżniamy dwa pasma które są rozpatrywane:
1)pasmo przewodnictwa – najbardziej zewnętrzne, o
największych energiach,
2)pasmo podstawowe (walencyjne) – elektrony są związane
z poszczególnymi atomami, nie przewodzą prądu.
Pasma przewodnictwa i walencyjne podzielone są
energetyczną strefa zabronioną. Pasma w metalach
przewodników zachodzą na siebie w przewodnikach.
Rezystywność metali w temperaturze normalnej:
,
T
c
A
ro
A – stała, c – ciepło właściwe metalu, T – temperatura
bezwzględna.
W praktyce dla metali i stopów:
),
(
1
[
0
t
t
ro
ro
t- dowolna wyższa tem., t
0
–tem. odniesienia, α -
współczynnik temperaturowy.
Domieszki i zanieczyszczenia powodują deformacje siatki
krystalicznej metali i prowadzi do wzrostu rezystywności.
Stop jednorodny mamy wtedy gdy metale rozpuszczają się
w sobie. Atomy drugiego metalu znajdują się w węzłach lub
pomiędzy węzłami.
5.Materiały przewodowe:
Wymagania:
1) wysoka przewodność(konduktywność)
2) odpowiednia wytrzymałoś na rozciąganie
3) odporność chemiczna, szczególnie na korozje
4) odpowiednio wysoka dopuszczalna temp. pracy
5) odpowiednio niska cena
-MIEDŹ „ Cu ’’:
WYSTĘPOWANIE:
USA, Kanada, Kongo, Rosja( Ural, Kaukaz ), Polska( G.
Świętokszydzkie, Zagłębie Lubusko-Legnickie ).
Rudy miedzi występuj w kilku postaciach:
- r. tlenkowa {malachit, azuryt},
- r. siarkowe {chalkopiryt, chalkozyn, bornit},
CuCO
3
(OH)
2
– malachit,
Cu
2
FeS
4
– chalkopiryt,
OTRZYMYWANIE:
Rudy miedzi zwykle występuje w stanie zanieczyszczonym,
wymagają tzw. wzbogacenie przez flotacje. Flotacja polega
na rozdrabnianiu rudy i zalaniu ją dużą ilością wody z
dodatkiem oleju, następnie podczas silnego mieszania na
powierzchni tworzy się piana w której unoszą się substancje
lżejsze, natomiast te cięższe opadają na dno. Następnie
oczyszczona ruda podlega procesowi hutniczemu. W
przypadku rud siarkowych proces hutniczy polega na
spalaniu siarki, natomiast w przypadku rud tlenkowych ten
proces polega na odtlenianiu (redukcji), za pomocą węgla.
Miedź hutnicza nie jest jeszcze miedzią czystą, gdyż
zawiera około 1,5% zanieczyszczeń. Dla celów
elektrotechnicznych miedź poddaje się rafinacji
(oczyszczeniu), przez elektrolizę.
WŁASNOŚCI:
a) rezystywność drutu z miedzi elektrolitycznej
m
01724
,
0
,
b) Przewodność gama:
2
7
,
59
mm
m
,
c) wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie: - miedź
miękka ( 280 MPa ), - miedź twarda ( 450 MPa ),
d) przewodność cieplna
,
85
,
419
,
395
K
m
W
Fe
K
m
W
Cu
K
m
W
e) miedź jest diamagnetykiem,
f) stosunkowa wysoka odporność na korozję,
g) można ją łatwo spawać, zgrzewać, lutować.
ZASTOSOWANIE:
Używana na przewody miedziane, kable przewodzące, druty
nawojowe stosowane w maszynach elektrycznych, blachy i
taśmy miedziane. Miedź stosuje się także w postaci stopu do
otrzymywania stopu. Są dwie grupy stopów miedzi
stosowanych w elektrotechnice: mosiądze i brązy. Głównym
składnikiem do mosiądzu jest: cynk, może być też nikiel, a
głównym składnikiem do brązu jest: cyna, ołów, krzem,
fosfor, kadm, beryl, mangan. Stopy przewodzące: BRĄZ
FOSFOROWY: ma dobre własności mechaniczne i
elektryczne, stosowany na przewody telefoniczne i
telegraficzne. BRĄZ KADMOWY: ma dużą odporność na
ślizganie, stosowany na druty ślizgowe i trakcyjne. BRĄZ
MANGAMOWY: stosowany na różnego rodzaju szczotki i
sprężyny. BRĄZ BERYLOWY: stosowany na płytki
kolektorowe, materiał o dużej twardości i jest odporny na
korozje. BRĄZ KRZEMOWY stosowany na styki
sprężynujące. Miedź też tworzy stopy oporowe które
zawierają więcej niż 10% Mn lub Ni.
Konstantan – stop Cu, Ni i Mn stosowany do budowy termo
ogniw.
-ALUMINIUM ( Glin ) „ Al. ’’:
WYSTĘPOWANIE:
Występuje w postaci trzech rud: tlenek glinu, boksyt, glina.
OTRZYMYWANIE:
Aluminium otrzymuje się przez elektrolizę stopionego
boksytu z domieszką tzw. topników. Dodatek tych topników
powoduje obniżenie temperatury boksytu od ok. 2000 –
1000
0
C. Metal się wpuszcza, przetapia i odlewa w tzw.
gąski i kęsy które są surowcem do produkcji odlewów
aluminiowych, stopów, różnych prętów, kształtowników.
Cienki druty i folie aluminiowe otrzymuje się przez
walcowanie na zimno.
WŁASNOŚCI:
a) duża przewodność elektryczna – około 60%
przewodności miedzi,
b) dobra przewodność cieplna,
c) duża odporność na
d) mała masa właściwa 2,7g /cm
3
,
e) łatwa obróbka plastyczna,
f) tworzenie stopów o dobrych własnościach mechanicznych
lepszych niż czyste aluminium.
ZASTOSOWANIE:
Stosuje się je na przewody linii napowietrznych (wzmacnia
się stosując linki stalowo – aluminiowe AFl ), w dużych
generatorach i silnikach ( zwarte uzwojenia wirników ), na
okładki kondensatorów energetycznych jak i
energolitycznych, powłoki kabli.
