Επιστήμη των Υλικών 1 Ενότητα 2: Δεσμοί μεταξύ Ατόμων Διδάσκων: Γ.Ν. Αγγελόπουλος, καθηγητής Επιμέλεια: Κωνσταντίνος Πήττας, Διπλ. Μηχ. Μηχ. ΠΑΤΡΑ 2014.

Παρουσίαση με θέμα: "Επιστήμη των Υλικών 1 Ενότητα 2: Δεσμοί μεταξύ Ατόμων Διδάσκων: Γ.Ν. Αγγελόπουλος, καθηγητής Επιμέλεια: Κωνσταντίνος Πήττας, Διπλ. Μηχ. Μηχ. ΠΑΤΡΑ 2014."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Επιστήμη των Υλικών 1 Ενότητα 2: Δεσμοί μεταξύ Ατόμων Διδάσκων: Γ.Ν. Αγγελόπουλος, καθηγητής Επιμέλεια: Κωνσταντίνος Πήττας, Διπλ. Μηχ. Μηχ. ΠΑΤΡΑ 2014

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

4 Σκοποί ενότητας Με το πέρας της ενότητας αυτής θα πρέπει ο φοιτητής να είναι σε θέση να i.Γνωρίζει τα δύο ατομικά πρότυπα ii.Σχεδιάζει την γραφική παράσταση της ελκτικής- απωστικής-συνολικής ενέργειας σε συνάρτηση της απόστασης μεταξύ των ατόμων για δύο άτομα iii.Γνωρίζει τους δεσμούς μεταξύ ατόμων iv.Διαβάζει των περιοδικό πίνακα v.Ιδιότητες των υλικών που σχετίζονται με τους ατομικούς δεσμούς

5 Περιεχόμενα ενότητας i.Εισαγωγικά ii.Παραδείγματα δομής ατόμων iii.Περιοδικός πίνακας iv.Χημικοί δεσμοί v.Νόμοι Fick vi.Ιδιότητες των υλικών που σχετίζονται με τους ατομικούς δεσμούς vii.Ενδομεταλλικές ενώσεις

6 Δομή και δεσμοί μεταξύ Ατόμων Η γεωμετρική διάταξη των ατόμων ή των μορίων που αποτελείται ένα υλικό, καθώς και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους καθορίζουν σημαντικές ιδιότητες των υλικών

7 ─Τι είναι νανοτεχνολογία ? (κατασκευή μηχανισμών διαστάσεων nm) ─Γιατί ο άνθρακας στην μορφή διαμαντιού είναι το σκληρότερο υλικό ενώ σαν γραφίτης είναι τόσο μαλακός που χρησιμοποιείται σαν λιπαντικό ή στα μολύβια γραφής? (διαφορετικό κρυσταλλικό πλέγμα) ─Πως το πυρίτιο που είναι το βασικότερο συστατικό της άμμου θαλάσσης χρησιμοποιείται στην υπερκαθαρή του μορφή στην κατασκευή οπτικών ινών? (κρυσταλλικό vs. άμορφο) Ερωτήματα

8 Δομή Κλίμακα δομής ατόμων Ατομική δομή (μερικά Å), Διευθέτηση ατόμων σε μικρή (από 1 έως 10Å→άμορφα υλικά) ή ευρεία κλίμακα (από 10 nm έως cm→κρυσταλλικά υλικά), Νανοδομή από 1 έως 100 nm, Μικροδομή από 100 έως 100,000 nm ή 0.1 to 100 μm, Μακροδομή ›100 μm.

9 Ατομική δομή. Επικάλυψη κοπτικών εργαλείων με διαμάντι Διευθέτηση ατόμων σε ευρεία κλίμακα έως 10cm. Lead-zirconium-titanate [Pb(Zr x Ti 1-x O 3 ] πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Διευθέτηση ατόμων σε μικρή κλίμακα έως έως 10Å. Οπτικές ίνες SiO 2. Ένα ιόν Si +4 και 4 Ο -2 διατάσσονται σε ένα τετράεδρο. Κάθε ιόν Ο -2 μοιράζεται σε δύο τετράεδρα. Νανοδομή. Οξείδιο σιδήρου 5 έως 10 nm, ferrofluid. Ψύξη ηχείων. Παραδείγματα δομής ατόμων.

10 ΜακροδομήΜικροδομή Παραδείγματα δομής ατόμων.

11 Δομή Ατόμου Ατομικός Αριθμός (Ζ): αριθμός ηλεκτρονίων ή πρωτονίων Αριθμός νετρονίων (Ν) Μαζικός Αριθμός (Α): Α=Ζ+Ν Μάζα πρωτονίων, νετρονίων: 1,67x10 -24 g Μάζα ηλεκτρονίων: 9.11x10 -28 g Αριθμός Avogadro(N A ): 6,02x10 23 mole -1, αριθμός ατόμων ανά mole ή gr-at ή gr-ion Μονάδα Ατομικής Μάζας (amu): 1/12 της μάζας του άνθρακα 12 Σχέση amu και ατομικού βάρους (AB): 1amu/άτομο ή μόριο=1g/mole (ΑΒ Fe =55,85g.mole -1 ή 55,85 amu/atom or mole) Παράδειγμα Υπολογισμός Αριθμού ατόμων σε 100gr Ag Υπολογισμός Αριθμού ατόμων σε 100gr Ag: ΑΒ Ag =107,868gr.mole -1 AA Ag =(100g)(6,02x10 23 atom.mole -1 )/(107,868g.mole)=5,58x10 23 atom

12 Η χρονική εξέλιξη της δομής του ατόμου

13 Πρότυπο Bohr Το μοντέλο του ατόμου που περιγράψαμε στην Α Λυκείου βασίστηκε στις απόψεις του Bohr Το ατομικό πρότυπο του Bohr αποτελεί συνέχεια του πλανητικού μοντέλου του Rutherford και μπορεί να περιγραφεί συνοπτικά με τις περίφημες δυο συνθήκες του: Την μηχανική συνθήκη (Α) και την οπτική συνθήκη (Β) A.Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε καθορισμένες κυκλικές τροχιές. Κάθε επιτρεπόμενη τροχιά έχει καθορισμένη ενέργεια, είναι δηλαδή κβαντισμένη. B.Το ηλεκτρόνιο εκπέμπει ή απορροφά ενέργεια όταν μεταπηδά από μια τροχιά (ενεργειακή στάθμη) σε μια άλλη τροχιά. Όταν το ηλεκτρόνιο μεταπίπτει από μια τροχιά υψηλότερης ενέργειας σε μια άλλη χαμηλότερης ενέργειας, τότε εκπέμπεται ακτινοβολία. Στην αντίθετη περίπτωση απορροφάται ακτινοβολία

14 Περιοδικός πίνακας

15 Περιοδικός πίνακας ραδιενεργών ισοτόπων

16 Κατάταξη στοιχείων με αύξοντα ατομικό αριθμό περίοδοι 7 Οριζόντιες γραμμές «περίοδοι» ομάδες 18 κατακόρυφες στήλες «ομάδες» Ο αριθμός της περιόδου συμπίπτει με τον αριθμό των στοιβάδων του στοιχείου Στοιχεία της ίδιας ομάδας έχουν παρόμοιες ιδιότητες Στοιχεία της ίδιας περιόδου μεταβάλλουν τις ιδιότητες τους προοδευτικά, δηλαδή οι ιδιότητες των στοιχείων είναι περιοδική συνάρτηση του ατομικού αριθμού τους Στοιχεία περιοδικού πίνακα

17 Στοιχεία που έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων στην εξωτερική στοιβάδα έχουν παρόμοιες ιδιότητες Στοιχεία 1 ης στήλης αλκάλια Στοιχεία 2 ης στήλης αλκαλικές γαίες Στοιχεία 17 ης στήλης αλογόνα Στοιχεία 18 ης στήλης ευγενή αέρια Από αριστερά στα δεξιά: Ελαττώνεται ο μεταλλικός χαρακτήρας και η ηλεκτροθετικότητα Πλήρωση ηλεκτρονίων κάθε στιβάδας: Αριθμός ηλεκτρονίων=2n 2 Στοιχεία περιοδικού πίνακα

18 Χημικοί δεσμοί Πρωτεύοντες δεσμοί (μεγάλες ενδοατομικές δυνάμεις) Ιοντικός ή ετεροπολικός δεσμός Ομοιοπολικός δεσμός Μεταλλικός δεσμός Δευτερεύοντες δεσμοί ή Van der Waals (σχετικά ασθενείς δυνάμεις μεταξύ ατόμων ή και μορίων) Μόνιμος διπολικός δεσμός Μεταβαλλόμενος διπολικός δεσμός δεσμοί μεταξύ ατόμων που οδηγούν στην ελάττωση της δυναμικής ενέργειας και άρα σε ενεργειακά σταθερότερη κατάσταση

19 Ιοντικός ή ετεροπολικός δεσμός Ηλεκτροθετικά στοιχεία: ικανά να δώσουν λίγα ηλεκτρόνια σθένους και να γίνουν θετικά ιονισμένα ιόντα Ηλεκτραρνητικά στοιχεία: έλκουν ηλεκτρόνια σθένους και γίνονται αρνητικά φορτισμένα ιόντα Η ηλεκτραρνητικότητα Χ, μετράται στην κλίμακα από 0 έως 4 Ηλεκτροθετικά: αριστερά στον περιοδικό πίνακα αλκάλια Cs:0.7, Li:1.0 Ηλεκτραρνητικά: δεξιά στον Π.Π. F: 4.0, O: 3.5 Αποτελεί ένωση ενός ηλεκτροθετικού με ένα ηλεκτραρνητικό στοιχείο

20 Τιμές ηλεκτραρνητικότητας στοιχείων

21 Ιοντικός χαρακτήρας Ο δεσμός NaCl είναι ιοντικός κατά 52% και ομοιοπολικός κατά 48% με βάση της τιμής της ηλεκτραρνητικότητας, καθορίζεται η τάση δημιουργίας ομοιοπολικού δεσμού: %Ρ=exp{-0.25(Χ Α -Χ Β ) 2 }

22 Δεσμός NaCl Το ηλεκτρόνιο του ατόμου του νατρίου έχει την μεγαλύτερη (λιγότερο αρνητική) ενέργεια. Αποσπάται εύκολα καταναλώνοντας +5.41 eV. Μεταφέρεται σε «κενή θέση» της εξωτερικής στοιβάδας του ατόμου του Cl αποδίδοντας -4.02 eV. Συνολικό Έργο: 5.41-4.02=1.12 ev Σχηματισμός ιοντικού δεσμού στο μόριο του NaCl +5.41ev -4.02ev

23 Ομοιοπολικός δεσμός Η ένταση του ομοιοπολικού δεσμού είναι ανάλογη του δεσμού των ηλεκτρονίων σθένους με τον πυρήνα Στερεές ενώσεις: Διαμάντι (C), πυρίτιο (Si) Ο άνθρακας έχει 6 ηλεκτρόνια: τα 4 στην εξωτερική στοιβάδα (L) κατέχουν κορυφές τετραέδρου. Κάθε άτομο ενώνεται με ομοιοπολικό δεσμό με τέσσερα άλλα γειτονικά Μικρές διαφορές ηλεκτραρνητικότητας των στοιχείων (μηδενική διαφορά)

24 Μόριο Υδρογόνου Η στοιβάδα σθένους έχει 1 ηλεκτρόνιο. Όταν δύο άτομα προσεγγίσουν, συνενώνονται τα ατομικά τροχιακά και μειώνεται η δυναμική ενέργεια

25 Σχηματική παράσταση ομοιοπολικού δεσμού στο μόριο μεθανίου CH 4

26 Μεταλλικός δεσμός - Το νέφος ηλεκτρονίων συνδέεται ασθενώς με τα ιόντα και κινείται σχεδόν ελεύθερα. - Ο δεσμός δεν παρουσιάζει ιδιαίτερο προσανατολισμό. - Τα ιόντα έχουν τάση να καταλάβουν θέσεις υψηλής συμμετρίας και μεγάλης πυκνότητας. Ιδιότητες Μεγάλη πλαστικότητα, θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, μεγάλη πυκνότητα Τα ηλεκτρόνια σθένους σχηματίζουν ένα κοινό για όλα τα άτομα-κατιόντα «νέφος» (ελεύθερα ηλεκτρόνια)

27 Σχηματική παράσταση μεταλλικού δεσμού Μεταλλικός Δεσμός

28 Δευτερεύοντες δεσμοί/δεσμοί VAN DER WAALS Το δίπολο προκύπτει όταν υπάρχει απόσταση μεταξύ των θετικών και αρνητικών τμημάτων ενός ατόμου ή μορίου ο δεσμός είναι αποτέλεσμα έλξης Coulomb Χαρακτηρίζονται σαν φυσικοί δεσμοί και οι δυνάμεις προκύπτουν από τα ατομικά ή μοριακά δίπολα.

29 (α) ηλεκτρικά συμμετρικό άτομο (β) επαγόμενο ατομικό δίπολο Πολικό μόριο HCl. Σε αυτή την περίπτωση υπάρχουν μόνιμες διπολικές ροπές λόγω της ασύμμετρης τοποθέτησης των θετικά και αρνητικά φορτισμένων περιοχών ΠΟΛΙΚΑ ΜΟΡΙΑ (δυνάμεις μεγαλύτερες των δίπολων) ΕΠΑΓΟΜΕΝΑ ΔΙΠΟΛΑ οι δονήσεις που υφίστανται τα άτομα προκαλούν βραχυχρόνιες παραμορφώσεις και κατά συνέπεια δημιουργία μικρών ηλεκτρικών δίπολων

30 Η συνολική δύναμη που ασκείται μεταξύ δύο ατόμων που πλησιάζουν μεταξύ τους είναι: F N =F A +F R F A : ελκτική δύναμη εξαρτώμενη από το είδος του δεσμού μεταξύ των ατόμων F R : απωστική δύναμη λόγω επικάλυψης των εξωτερικών ηλεκτρονιακών στοιβάδων Στην ισορροπία F N =F A +F R =0. Τα κέντρα των ατόμων βρίσκονται σε απόσταση r 0. Σε πολλά άτομα r 0 =0.3nm Η ενέργεια δίνεται από τις σχέσεις: Συνολική Ελκτική + Απωστική Δυνάμεις Δεσμών και Ενέργειες

31 Εξάρτηση απωστικών- ελκτικών δυνάμεων (α) και ενέργειας (β) από την μεταξύ των ατόμων απόσταση Δυνάμεις μεταξύ ατόμων

32 Μικτός χαρακτήρας ατομικών δεσμών

33 Ιδιότητες των υλικών που σχετίζονται με τους ατομικούς δεσμούς Τήξη, σημείο βρασμού Τα άτομα έχουν την μικρότερη ενέργεια στο απόλυτο μηδέν που αντιστοιχεί στο άκρο της καμπύλης της συνολικής ενέργειας. Αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει την ενέργεια, έως ότου τα άτομα να μπορούν να διαχωριστούν. Min energy, T=0Kelvin roro

34 Ιδιότητες των υλικών που σχετίζονται με τους ατομικούς δεσμούς Σκληρότητα Επηρεάζεται από το ύψος της καμπύλης της συνισταμένης δύναμης. Υλικά με μεγαλύτερες ενδοατομικές δυνάμεις, το ύψος της καμπύλης είναι μεγαλύτερο. Τα υλικά αυτά έχουν και μεγαλύτερο σημείο τήξης αλλά και σκληρότητα π.χ. Αδάμας, TiC, υψηλή σκληρότητα και σημείο τήξης, μόλυβδος, πλαστικά αντίθετα. Εξαιρέσεις υπάρχουν όταν στο υλικό υπάρχουν διάφοροι τύποι δεσμών όπως π.χ. στον γραφίτη. Μέγιστο δύναμης

35 Ιδιότητες των υλικών που σχετίζονται με τους ατομικούς δεσμούς Πλαστικότητα Το μέτρο ελαστικότητας ή μέτρο του Young (E) είναι η κλίση της καμπύλης στο σημείο που η συνολική δύναμη είναι μηδέν. Ο λόγος είναι ότι η πλαστικότητα ορίζεται σαν: σ=Εε (νόμος Hooke). Επομένως Ε=σ/ε που είναι ανάλογο με dF/dr Κλίση ανάλογη του μέτρου ελαστικότητας

36 Ιδιότητες των υλικών που σχετίζονται με τους ατομικούς δεσμούς Τα Ε και η θερμοκρασία τήξης Τ Μ συνδέονται με την ενέργεια δεσμού. Επομένως συνδέονται και μεταξύ τους όπως φαίνεται και από το διάγραμμα. Θερμοκρασία Τήξης Τ Μ Μέτρο Ελαστικότητας (Ε)

37 Ιδιότητες των υλικών που σχετίζονται με τους ατομικούς δεσμούς Θερμική διαστολή Η θερμική διαστολή υλικών με συγκρινόμενη διευθέτηση των ατόμων είναι συνήθως αντιθέτως ανάλογη του σημείου τήξης τους. Τα υλικά με υψηλό Τ Μ έχουν μεγαλύτερο και πιο συμμετρικό «πηγάδι» ενέργειας. Έτσι οι μέσες ενδοατομικές αποστάσεις των υλικών με ισχυρούς δεσμούς αυξάνονται λιγότερο με την προσφορά θερμικής ενέργειας.

38 Στερεές φάσεις αποτελούμενες από δύο ή περισσότερα μέταλλα που μπορεί να περιέχουν και ένα ή περισσότερα αμετάλλων, των οποίων η δομή διαφέρει από εκείνη των συστατικών τους. Παραδείγματα ενδομεταλλικών ενώσεων Ο κίτρινος ορείχαλκος των Ρωμαίων CuZn Ο μπρούτζος των Κινέζων Cu 31 Sn 8 Οδοντιατρικά αμαλγάματα Ag 3 Sn, Cu 3 Sn Δομικά υλικά υψηλών θερμοκρασιών Ni 3 Al Υλικά προστατευτικών επιστρωμάτων NiTi, NiAl Υλικά για αποθήκευση Υδρογόνου πχ. ΑΒ5 ενώσεις (nickel hydride NiMH batteries, ) Υπεραγωγοί (niobium-tin) Ενδομεταλλικές Ενώσεις

39 Κυριότερες ενδομεταλλικές ενώσεις Κανονικές ενώσεις σθένους (Zintl phases) Ενώσεις μετάλλων με τα στοιχεία των ομάδων IV,V και VI του ΠΠ. Η τάση για δημιουργία τους αυξάνει με αυξανόμενη την ηλεκτροθετικότητα του μετάλλου και την ηλεκτραρνητικότητα του άλλου μετάλλου ή αμετάλλου. Λόγω των ισχυρών δεσμών που αναπτύσσονται, οι ενώσεις αυτές παρουσιάζουν αντίστοιχες δομές με τις ετεροπολικές ενώσεις και είναι του τύπου ΑΒ, Α 2 Β. Α 3 Β 2. όπως π.χ. Mg 2 Si, Mg 2 Ge κλπ. Χαρακτηρίζονται από το υψηλό Τ Μ και την ψαθυρότητα τους και είναι ασθενείς αγωγοί ή ημιαγωγοί.

40 Κυριότερες ενδομεταλλικές ενώσεις Ηλεκτρονιακές ενώσεις (Humme-Rothery) Παρουσιάζουν δεδομένο λόγο συγκέντρωσης ηλεκτρονίων ζώνης σθένους προς τον αριθμό των στοιχείων που σχηματίζουν την ένωση. Συνήθεις λόγοι 3/2, 21/13 και 7/4. Χαρακτηριστικές ενώσεις: NiAl, CuZn, AgHg (3/2) Cu 5 Zn 8, Cu 31 Si 8 (21/13) CuZn 3, Cu 3 Sn (7/4)

41 Κυριότερες ενδομεταλλικές ενώσεις Φάσεις Laves Ενώσεις που έχουν λόγο διαμέτρων ατόμων 1/1.225. Παρουσιάζουν μέγιστη πλήρωση όγκου 71%. Έχουν μεταλλουργικό ενδιαφέρον διότι παρουσιάζουν ασυνήθιστες φυσικές και χημικές ιδιότητες. Είναι του τύπου ΑΒ 2, πχ. MgNi 2, MgZn 2

42 Να υπολογιστεί ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μπορούν να άγουν ηλεκτρικό ρεύμα σε 10 cm 3 αργύρου Περιγράψτε πως συνδέονται με ομοιοπολικό δεσμό το οξυγόνο και το πυρίτιο στο μόριο πυριτίου SiO 2 Να υπολογιστεί το ποσοστό του ομοιοπολικού δεσμού στο SiO 2 Περιγράψτε τον ιοντικό δεσμό μεταξύ μαγνησίου και χλωρίου Για την επινικέλωση πάχους 0.05mm χάλυβα επιφάνειας 0,13m 2 πόσα mole και άτομα Ni απαιτούνται Το Ίνδιο (In) έχει ατομικό αριθμό 49. Μόνο με αυτό το στοιχείο πόσο περιμένουμε να είναι το σθένος του Ασκήσεις

43 Σημείωμα χρήσης έργων τρίτων slideplayer.gr Wikipedia ferrofluid.ferrotec.com www.thedealmatchers.com http://global.kyocera.com/ Fundamentals of Materials Science and Engineering 5th ed (Callister)

44 Τέλος ενότητας