Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

Παρουσίαση με θέμα: "Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών
Στοιχειώδεις Γνώσεις Χημείας Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών Χημεία Υλικών Μηχανική Υλικών Προσομοιώσεις Υλικών

2 ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΥΛΙΚΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΥΛΙΚΩΝ (Materials Science & Engineering) Πείραμα – Θεωρητική Ανάλυση (Θερμοδυναμική) – Μοντελοποίηση & Προσομοίωση Πρώτες Ύλες Κατασκευή Υλικού Ποιοτικός Έλεγχος Εφαρμογή Φύση (ορυχεία) Σύνθεση (χημικό εργαστήριο) Ανακύκλωση Σχεδιασμός σύνθεσης Βελτιστοποίηση γραμμής παραγωγής (χρόνος, θερμοκρασία, αντιδραστήρια) Φυσικές ιδιότητες Χημικές Ιδιότητες Μοριακή δομή Ατομική δομή Ηλεκτρονική δομή Μη-καταστροφικοί έλεγχοι Κόπωση Υλικού ISO standards Συμπεριφορά του Υλικού σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας Αστοχία Υλικού

3

4 Στοιχεία ή Χημική Ένωση; Άτομο Πυρήνας + Ηλεκτρόνια Νετρόνια Πρωτόνια
Ηλεκτρική ισορροπία Νετρόνια Πρωτόνια Μαζικός αριθμός Ατομικός αριθμός Ισότοπα Ατομικό βάρος

5 Χημική Ταυτότητα Στοιχείου Σταθερός αριθμός πρωτονίων Ατομικός Αριθμός
Πυρηνική Φυσική Ραδιοχημεία Ακτινοχημεία Πρωτόνια Αν αλλάζουν (σε αριθμό) και πώς αλλάζουν Σταθερά (σε αριθμό) (Νετρόνια) ΧΗΜΕΙΑ Όχι σταθερά (σε αριθμό) Χημική Ταυτότητα Στοιχείου Σταθερός αριθμός πρωτονίων Ατομικός Αριθμός Ηλεκτρόνια Από τα Λατινικά προέρχονται τα ονόματα των στοιχείων

6 Δομή ατόμου Bohr (δηλαδή η ηλεκτρονική δομή)
Στοιβάδες (ή Φλοιοί): K, L, M, N, O, P, Q Στοιβάδες και Υποστοιβάδες Δομή Ευγενούς Αερίου Συμπληρωμένη η εξωτερική στοιβάδα με 8 ηλεκτρόνια Ανιόντα κατιόντα Σθένος Ατομική ακτίνα

7 Ατομικά Τροχιακά Πυκνότητα της πιθανότητας ύπαρξης 1 e- να βρεθεί σε ένα συγκεκριμένο σημείο στο άτομο του Η δηλαδή 1 ηλεκτρόνιο να περιστρέφεται γύρω από 1 πρωτόνιο!

8 Ατομικά Τροχιακά

9 Ατομικά Τροχιακά

10 Ατομικά Τροχιακά

11 Ατομικά Τροχιακά & Ενέργεια

12 Ατομικά Τροχιακά & Περιοδικός Πίνακας

13 Ηλεκτρονική Δομή

14 Περιοδικός Πίνακας των Στοιχείων
(Πίνακας Περιοδικότητας των Στοιχείων) Περίοδοι (Φλοιοί) Ομάδες (σθένος) Μέταλλα, Αμέταλλα, C, Ευγενή αέρια Ραδιενεργά στοιχεία

15 Χημικές Ενώσεις Η2Ο Οι δείκτες είναι άμεση απόρροια του αριθμού οξείδωσης (για να είναι ουδέτερη ηλεκτρικά η χημική ένωση) NaCl Na2CO3 Na2O Al2O3 ZrO2 CaCl2 CaCO3 CaO TiO2 Si3N4 [10x(+2)] + [6x(-3)] + [2x(-1)] = 0 Ca10(PO4)6(OH)2 [1x(+2)] + [1x(-2)] = 0 [2x(+3)] + [3x(-2)] = 0 [2x(+1)] + [1x(+2)] + [2x(-2)] = 0 [1x(+1)] + [1x(+3)] + [2x(-2)] = 0 FeO Fe2O3 (NH4)2Fe(SO4)2 (NH4)Fe(SO4)2 [1x(+1)] + [1x(+5)] + [3x(-2)] = 0 [1x(+4)] + [2x(-2)] = 0 HNO3 NO2

16 = Βάρος 1 ατόμου = Βάρος στοιχείου / άτομο
John Dalton Amedeo Avogadro Ατομικό Βάρος = Βάρος 1 ατόμου = Βάρος στοιχείου / άτομο x (6.023x1023) άτομα = Βάρος στοιχείου / γραμμοάτομο = Βάρος στοιχείου / mol Μοριακό Βάρος = Βάρος 1 μορίου = Βάρος ένωσης / μόριο x (6.023x1023) μόρια = Βάρος ένωσης / γραμμομόριο = Βάρος ένωσης / mol mol = μάζα 6.023x1023 ατόμων (για στοιχείο) ή μορίων (για χημική ένωση) p V = n R T σε Κ.Σ. (0οC = K, 1 atm = 101,325 KPa), 1 mol αερίου έχει όγκο 22.4 l

17 MW = Σ [(δείκτης)x(ατομικό βάρος)]
MWNaCl = (1x23) + (1x35.5) = 58.5 Μοριακό Βάρος MWH2O = (2x1) + (1x16) = 18 MW = Σ [(δείκτης)x(ατομικό βάρος)] MWAl2O3 = (2x27) + (3x16) = 102 MWH2SO4 = (2x1) + (1x32) + (4x16) = 98 MWCaCO3 = (1x40) + (1x12) + (3x16) = 100 MWH3PO4 = (3x1) + (1x31) + (4x16) = 98

18 Α + Β  Γ + Δ αναδιάταξη των δεσμών μεταξύ των ατόμων Χημική Αντίδραση
Α + Β  Γ + Δ Χημική Εξίσωση αναδιάταξη των δεσμών μεταξύ των ατόμων

19 α β γ δ Α + Β  Γ + Δ NaOH + HCl  NaCl + H2O 2
Χημική Αντίδραση α β γ δ Α + Β  Γ + Δ Χημική Εξίσωση Αρχή Lavoisier αφθαρσίας της ύλης και της ενέργειας Συντελεστές αντιδράσεων NaOH + HCl  NaCl + H2O 2 NaOH + H2SO4  Na2SO4 + H2O 2 Antoine-Laurent Lavoisier Na+ + Cl-  NaCl CH3COO- + H2O  CH3COOH + OH- 2 Mg + O2  MgO 2 2 H2 + O2  H2O 2 Mg + HNO3  Mg(NO3) NO2 + H2O 4 2 2

20 α Α + β Β  γ Γ + δ Δ Χημική Αντίδραση Χημική Εξίσωση Μόρια
α μόρια Α + β μόρια Β  γ μόρια Γ + δ μόρια Δ x NA (NA=6.023x1023) (αNA) μόρια Α + (βNA) μόρια Β  (γNA) μόρια Γ + (δNA) μόρια Δ mol α mol Α + β mol Β  γ mol Γ + δ mol Δ Βάρη (α MWA) g Α + (β MWΒ) g Β  (γ MWΓ) g Γ + (δ MWΔ) g Δ Όγκοι αερίων α όγκοι Α + β όγκοι Β  γ όγκοι Γ + δ όγκοι Δ

21 Γιατί γίνεται μία Χημική Αντίδραση;
? Τι προκαλεί τις Αυθόρμητες Μεταβολές Εντατικές Ιδιότητες Εκτατικές Ιδιότητες η Διαφορά Πίεσης προκαλεί Μεταφορά Όγκου η Διαφορά Θερμοκρασίας προκαλεί Μεταφορά Ενέργειας η Διαφορά Συγκέντρωσης προκαλεί Μεταφορά mol η Διαφορά Χημικού Δυναμικόύ προκαλεί Χημική Αντίδραση

22 Μηχανισμός αντίδρασης
α Α + β Β  γ Γ + δ Δ  Θερμοδυναμική Κινητική Θα γίνει η αντίδραση; Σε πόσο χρόνο θα ολοκληρωθεί η αντίδραση; Μέχρι πόσο θα προχωρήσει; Μηχανισμός αντίδρασης Απόδοση αντίδρασης Χημική Ισορροπία Χημικό Δυναμικό (μ)

23 1 greq Α + 1 greq Β  1 greq Γ + 1 greq Δ
α Α + β Β  γ Γ + δ Δ α mol Α + β mol Β  γ mol Γ + δ mol Δ 1 greq Α + 1 greq Β  1 greq Γ + 1 greq Δ greq = γραμμοϊσοδύναμο

24 1 mol NaOH + 1 mol HCl  1 mol NaCl + 1 mol H2O
NaOH + HCl  NaCl + H2O 1 mol NaOH + 1 mol HCl  1 mol NaCl + 1 mol H2O 1x( )g NaOH + 1x(1+35.5)g HCl  1x( )g NaCl + 1x[(2x1)+16]g H2O 40g NaOH g HCl  58.5g NaCl + 18g H2O 1 greq NaOH + 1 greq HCl  1 greq NaCl + 1 greq H2O 1 greq NaOH = 40 g NaOH = 1 mol NaOH 1 greq HCl = 36.5 g HCl = 1 mol HCl 1 greq NaCl = 58.5 g NaCl = 1 mol NaCl 1 greq H2O = 18 g H2O = 1 mol H2O

25 2 mol NaOH + 1 mol H2SO4  1 mol Na2SO4 + 2 mol H2O
2 NaOH + H2SO4  Na2SO4 + 2 H2O 2 mol NaOH + 1 mol H2SO4  1 mol Na2SO4 + 2 mol H2O 2x40g NaOH + 1x98g H2SO4  1x142g Na2SO4 + 2x18g H2O 80g NaOH + 98g H2SO4  142g Na2SO4 + 36g H2O 80 g NaOH = 2 mol NaOH 80 g NaOH = 2 greq NaOH 1 greq NaOH = 1 mol NaOH 36 g H2O = 2 mol H2O 36 g H2O = 2 greq H2O 1 greq H2O = 1 mol H2O 2 greq NaOH + 2 greq H2SO4  2 greq Na2SO4 + 2 greq H2O 2 greq H2SO4 = 98 g H2SO4 = 1 mol H2SO4 1 greq H2SO4 = 49 g H2SO4 = 1/2 mol H2SO4 2 greq Na2SO4 = 142 g Na2SO4 = 1 mol Na2SO4 1 greq Na2SO4 = 71 g Na2SO4 = 1/2 mol Na2SO4

26 1 mol Ca(OH)2 + 1 mol H2SO4  1 mol CaSO4 + 2 mol H2O
Ca(OH)2 + H2SO4  CaSO4 + 2 H2O 1 mol Ca(OH)2 + 1 mol H2SO4  1 mol CaSO4 + 2 mol H2O 1x74g Ca(OH)2 + 1x98g H2SO4  1x136g CaSO4 + 2x18g H2O 74g Ca(OH)2 + 98g H2SO4  136g CaSO4 + 36g H2O 98 g H2SO4 = 1 mol H2SO4 98 g H2SO4 = 2 greq H2SO4 1 greq H2SO4 = 1/2 mol H2SO4 36 g H2O = 2 mol H2O 36 g H2O = 2 greq H2O 1 greq H2O = 1 mol H2O 2 greq Ca(OH)2 + 2 greq H2SO4  2 greq CaSO4 + 2 greq H2O 2 greq Ca(OH)2 = 74 g Ca(OH)2 = 1 mol Ca(OH)2 1 greq Ca(OH)2 = 37 g Ca(OH)2 = 1/2 mol Ca(OH)2 2 greq CaSO4 = 136 g CaSO4 = 1 mol CaSO4 1 greq CaSO4 = 68 g CaSO4 = 1/2 mol CaSO4

27 3 Ca(OH)2 + 2 H3PO4  Ca3(PO4)2 + 6 H2O
3 mol Ca(OH)2 + 2 mol H3PO4  1 mol Ca3(PO4)2 + 6 mol H2O 3x74g Ca(OH)2 + 2x98g H3PO4  1x310g Ca3(PO4)2 + 6x18g H2O 222g Ca(OH) g H3PO4  310g Ca3(PO4) g H2O 108 g H2O = 6 mol H2O 108 g H2O = 6 greq H2O 1 greq H2O = 1 mol H2O 6 greq Ca(OH)2 + 6 greq H3PO4  6 greq Ca3(PO4)2 + 6 greq H2O 6 greq Ca(OH)2 = 222 g Ca(OH)2 = 3 mol Ca(OH)2 1 greq Ca(OH)2 = 37 g Ca(OH)2 = 1/2 mol Ca(OH)2 6 greq H3PO4 = 196 g H3PO4 = 2 mol H3PO4 1 greq H3PO4 = 32.6 g H3PO4 = 1/3 mol H3PO4 6 greq Ca3(PO4)2 = 310 g Ca3(PO4)2 = 1 mol Ca3(PO4)2 1 greq Ca3(PO4)2 = 51.6 g Ca3(PO4)2 = 1/6 mol Ca3(PO4)2

28 1 greq = [1/(αxβ)] mol Kατιόναβ+ Ανιόνβα- (αxβ) greq = 1 mol
Μοριακό Βάρος NaCl 58.5 g / mol 58.5 g / greq 1 greq = 1 mol HCl 36.5 g / mol 36.5 g / greq HNO3 63 g / mol 63 g / greq Ca(OH)2 74 g / mol 37 g / greq Na2O 62 g / mol 31 g / greq 1 greq = 1/2 mol CaCl2 111 g / mol 55.5 g / greq 2 greq = 1 mol H2SO4 98 g / mol 49 g / greq Na2SO4 142 g / mol 71 g / greq CaSO4 136 g / mol 68 g / greq 1 greq = 1/3 mol H3PO4 98 g / mol 32.6 g / greq 3 greq = 1 mol 1 greq = 1/6 mol Ca3(PO4)2 310 g / mol 51.6 g / greq 6 greq = 1 mol

29 Συγκέντρωση υδατικών διαλυμάτων
100 g διαλύματος κ.β. % g διαλυμένης ουσίας που είναι διαλυμένα σε 100 ml διαλύματος κ.ο. 106 μέρη βάρους διαλύματος ppm Μέρη βάρους σε 109 μέρη βάρους διαλύματος ppb Μ πόσα mol διαλυμένης ουσίας Μοριακότητα (molarity) Σε 1 l διαλύματος Ν πόσα greq διαλυμένης ουσίας Κανονικότητα (normality)

30 Συγκέντρωση πυκνών διαλυμάτων
100 g διαλύματος περιέχουν 37 g HCl (αερίου) HCl MW: 36.46 37% 1L Kg 100 / 1.19 = 84.03 ml διαλύματος περιέχουν mol HCl = 37 / 36.46 1000 ml διαλύματος περιέχουν Χ = Μ 100 g διαλύματος 65 g HΝΟ3 100 g g H2SΟ4 HΝΟ3 MW: 63.02 65% 1L Kg H2SΟ4 MW: 98.09 98% 1L Kg 100/1.40 65/63.02 /1.84 /98.09 71.43 ml mol HΝΟ3 54.35 ml 1 mol H2SΟ4 1000 ml Χ = Μ 1000 ml 18.4 Μ 100 g διαλύματος 25 g ΝH3 αερίου NH4OH MW: 35.05 25% 1L Kg /0.910 /17 ml 1.47 mol ΝΗ3 1000 ml Χ = Μ

31 Νacid x Vacid = Nbase x Vbase
Αραίωση διαλυμάτων Εξουδετέρωση οξέως-βάσεως Νacid x Vacid = Nbase x Vbase M1 x V1 = M2 x V2 Ν1 x V1 = N2 x V2 1Ν x 100ml = 0.1N x 1000 ml V2 100 ml H2O Ν2 V1 Ν1 Στα 100 ml διαλύματος είναι διαλυμένα 5.85 g NaCl 1 l NaCl 1 N 1 l NaCl 0.1 N 58.5 g NaCl διαλυμένα σε 1000 ml διαλύματος 5.85 g NaCl διαλυμένα σε 1000 ml διαλύματος

32 Νacid x Vacid = Nbase x Vbase
Εξουδετέρωση οξέως-βάσεως Νacid x Vacid = Nbase x Vbase Πόσα ml διαλύματος HCl 0.5 Ν χρειάζονται για να εξουδετερώσουν 100 ml διαλύματος NaOH 0.2 Ν; NaOH + HCl  NaCl + H2O ΝHCl x VHCl = NNaOH x VNaOH 0.5N x VHCl = 0.2N x 100 ml VHCl = (0.2N x 100 ml) / 0.5N = 40 ml HCl 0.5 N Πόσα ml διαλύματος H3PO4 0.5 Ν χρειάζονται για να εξουδετερώσουν 100 ml διαλύματος Ca(OH)2 0.2 Ν; 3 Ca(OH)2 + 2 H3PO4  Ca3(PO4)2 + 6 H2O ΝH3PO4 x VH3PO4 = NCa(OH)2 x VCa(OH)2 0.5N x VH3PO4 = 0.2N x 100 ml VH3PO4 = (0.2N x 100 ml) / 0.5N = 40 ml H3PO4 0.5 N

33 Διάταση ηλεκτρολυτών, διαλυτότητα και ιζήματα, υδρόλυση
HCl  H+ + Cl- pH = -log[H+] H2SO4  2H+ + SO42- H+ + H2O  H3O+ CH3COOH  H+ + CH3COO-  NaOH  Na+ + OH- NH3 + H2O  NH4+ + OH- NH4OH  NH4+ + OH- NaCl  Na+ + Cl- pH = 7 BaSO4  Ba2+ + SO42- Ca10(PO4)6(OH)2  10Ca2+ + 6(PO4)3- + 2OH- Ksp = CH3COONa  Na+ + CH3COO- CH3COO- + H2O  CH3COOH + OH- pH > 7

34 K, Na, Ca, H, Cu, J, Br, Cl, F Ηλεκτραρνητικότητα
Η τάση του ατόμου να έλκει προς αυτό ηλεκτρόνια Το στοιχείο που αντικαθίσταται θα πρέπει να είναι του ιδίου ηλεκτροχημικού χαρακτήρα με αυτό που το αντικαθιστά, δηλαδή το κατιόν μιας ένωσης αντικαθίσταται από ηλεκτροθετικό στοιχείο (μέταλλο) και το ανιόν από ηλεκτραρνητικό (αμέταλλο). Fe + 2 HCl  FeCl2 + H2 Linus Carl Pauling Zn + 2 HCl  ZnCl2 + H2 Αν το στοιχείο που προσβάλλει την ένωση έχει διάφορα σθένη, τότε στην ένωση θα έχει το μικρότερο σθένος. Cu + HCl  X Για να γίνει μια απλή αντικατάσταση, το στοιχείο που προσβάλλει την ένωση θα πρέπει να είναι δραστικότερο του στοιχείου που θα αντικατασταθεί. Για το λόγο αυτό πρέπει να είναι γνωστή η ακόλουθη σειρά ηλεκτραρνητικότητας (ή αντίστροφα ηλεκτροθετικότητας): ηλεκτραρνητικότητα K, Na, Ca, H, Cu, J, Br, Cl, F ηλεκτροθετικότητα Διακρίνετε συσχετισμό της σειράς ηλεκτραρνητικότητας με τη θέση των στοιχείων στις περιόδους και στις ομάδες στον Περιοδικό Πίνακα;

35 Οξειδοαναγωγή 2 H2 + O2  2 H2O 2 FeO  2 Fe + O2 2 Fe + O2  2 FeO
+1 -2 2 H2 + O2  2 H2O +2 -2 2 FeO  2 Fe + O2 +2 -2 2 Fe + O2  2 FeO +2 -2 +1 -2 FeO + H2  Fe + H2O +2 -2 +3 -2 4 FeO + O2  2 Fe2O3 +1 +2 Mg + 2 HNO3  Mg(NO3)2 + H2 +5 +4 +1 H2 + 2 HNO3  2 NO2 + 2 H2O +5 +2 +5 +4 Mg + 4 HNO3  Mg(NO3)2 + 2 NO2 + 2 H2O +7 +2 +2 +3 2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4  K2SO4 + 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + 8H2O +7 +2 2 KΜnO4 + 5 H2O2 + 3 H2SO4  K2SO4 + 2 MnSO4 + 5 O2  + 8 H2O +2 -1 +1 2 CuSO4 + 4 KJ  2 CuJ  + 2 K2SO4 + J2

36 Γυαλικά Σκεύη Χημικού Εργαστηρίου

37 Στοιχειώδεις Γνώσεις Χημείας