Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az anyag felépítéséről Az anyag makroszkópikus felépítésének Kémiai szerkezet A mérnöki tevékenység elengedhetetlen feltétele: ( anyagjellemzők, fizikai,

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Az anyag felépítéséről Az anyag makroszkópikus felépítésének Kémiai szerkezet A mérnöki tevékenység elengedhetetlen feltétele: ( anyagjellemzők, fizikai,"— Előadás másolata:

1 Az anyag felépítéséről Az anyag makroszkópikus felépítésének Kémiai szerkezet A mérnöki tevékenység elengedhetetlen feltétele: ( anyagjellemzők, fizikai, szilárdságtani jellemzők…) ismerete. Az anyag felépítésének egyik vizsgálati területe a Nem érthető meg az anyag mikrostruktúrájának ismerete nélkül!

2 A „kémiai anyag” (kémiai elemek és azok vegyületei) A „tapintható érzékelhetőség szerint szilárd folyékony gáz plazmaállapot > C elfajult szilárd állapot > 10 6 bar Szuperkritikus állapotú folyadékok T kritikus fölött, nagy nyomáson Az anyag makroszkópikus tulajdonságai „minden anyag” ?

3 Ha az anyag kémiai úton nem bontható Kémiai szempontból legegyszerűbb testek Kémiai elemek Kémiailag nem egységes, kémiailag bonthatók Összetett testek Keverékek Vegyületek Kizárólag kémiai kötöerők Mechanikai keveredés, fizikai kötőerők (komponensek és fázisok száma) felosztható

4 Az atomok szerkezete Az atom tulajdonságai megegyeznek a kémiai elem makroszkópikus mennyiségének tulajdonságaival Közelítőleg gömb alakúak, méretük nagysádrendje: Tömegének döntő része a pozitív töltésű atommag. rendszám tömegszám Proton + neutron Protonok száma Helye a periódusos rendszerben Szokásos jelölése:

5 A negatív töltésű elektronok a mag körüli elektronhéjban a pozitív töltésű mag tartja meg mozgáspályájukon. Belső elektronhéjak Energetikai szempontból kedvező helyzetűek, „lezártak”, megbontásuk nagy energia igényű Kémiai reakciókban (általában) nem vesznek részt Külső elektronhéjak Feltöltetlenek Nemesgáz konfigurációra való törekvés A kémiai sajátságokat elsősorban ezek határozzák meg „elektonoktett” Felépítesük szerint

6 Az elemek legfontosabb jellemzői Rendszám („magtöltés”) „vegyérték” Kémiai jellem „vegyérték” „hány hidrogénatomot képes megkötni, vagy helyettesíteni”. 1-8 közötti érték Kémiai jellem szerint Fémes jelleműek (pozitív) Nem fémes (negatív) „Átmeneti jelleműek” (amfoter) H, C, N, O, F, P, S, Cl,… B, Si, Ge, As, Sb, ….

7 Rendszám Kémiai jellem Közötti összefüggés „Periódusos rendszerek” (Mengyelejev I – VIII oszlopú rendszere) Elektronok száma a külső héjon Fémes elemek1 - 2 Átmeneti (amfoter) elemek Nem fémes elemek5 - 7

8 Az elemek elektronegativitása (Pauling) Az az erő amellyel a molekulában levő atom a kötést létesítő elektronokat magához vonzza 1 mól negatív ion létrehozásához szükséges energia A semleges atom, vagy molekula egyik elektronjának leválasztásához szükséges energia Elektromos térben Katód felé mozdulnak el Anód felé mozdulnak el kationok anionok + - Ionizációs energia elektronaffinitás

9 A kémiai elemek legkisebb része az atom Kémiai (és a klasszikus fizikai) módszerekkel tovább nem bontható része A molekula a kémiai anyagok azon legkisebb része, még viseli az anyag (vegyület) kémiai sajátosságait Reakcióhő Atomok Vegyületek Az „önként végbemenő” reakciók vegyületek Molekulák más csoportosításban vegyületek

10 Molekulaszerkezet, a kötés „A molekulaszerkezet a molekulákat létrehozó atomok minősége,mennyisége, az atomok geometriai elrendeződése, a köztük működő erők jellege, nagysága, iránya, stb. által megjelenő tulajdonságok összessége.” Atomok Az új (tulajdonságú) vegyület vegyületek Kémiai reakció Minőségi változás Az atomok másféle csoportosulása Az elektronok mozgásának megváltozása a külső, le nem zárt elektronhéjakban

11 A kémiai kötés negatív töltéssűrűség-eloszlás szerinti két fő típusa Ionos kötés Kovalens kötés Folyamatos átmenet! A kötési erők szerint „elsőrendű” kötések Másodrendű kötések A fémek különleges kötése, a fémes kötés (Intermolekuláris erők) „Poláros kovalens kötések”)

12 Az ionos kötés¨(heteropoláris, elektropoláris kötés): A kötőelektron csak az egyik atomhoz tartozik Pozitív, és negatív ionok keletkeznek Kötöerő az elektrosztatikus vonzás Nincs valódi molekula Pl. Na Cl 7 külső elektron 1 külső elektron Lásd. Oldódás, eletrolitok

13 Kovalens kötés (atomos kötés, homöopoláris kötés) Pl. H 2, klór, N 2 molekula A kötést olyan elektronok hozzák létre amelyek legalább két atomhoz tartoznak. „Kötő elektronpárok” A kovalens kötésű vegyületeket valódi molekulák alkotják A kapcsolat nem elekrosztatikus jellegű (a molekulák nem ionokból állnak) Lásd. Oldódás, valódi oldatok

14 Dipólus-molekulák („átmeneti formák”) Az elektroneloszlás nem szimmetrikus, a töltések súlypontja nem esik egybe, dipolusmomentum.

15 A „makromolekulák” természetes, vagy mesterséges óriásmolekulák (pl. műanyagok) Kis molekulájú anyagok „monomerek” polimerizáció makromolekulák „polimerek” Az atomok között erős kovalens kötések, a molekulák között gyengébb intermolekuláris erők hatnak

16 van der Waals - kötések Lezárt elektronhéjú ( Pauli elv szerint „semleges”) atomok és molekulák között ható erő összefoglaló megnevezése: Közelreható Kis kötési energiájú erők Hidrogénkötés, hidrogénhíd Fémes kötés Komplex vegyületek, ionok a koordinációs kötés Másodrendű kötések ( intra-, illetve intermolekuláris kapcsolatok) Dipólusos molekulák Víz [Fe ( CN) 6 ] 4-, Al(OH) 2+ (5H 2 O) ? ( pl. hangyasav), (H 2 O, H 2 S) Nemesgázok

17 A szilárság elméleti alapjai A kristályos anyagok (az építőanyagok ) elméleti szilárdsága az egyes atomok közötti kötési energia értéke. Az egyensúly, a stabilitás feltétele a taszító és vonzó erőkre: Az ionok közötti elméleti szilárdság azzal az erővel jellemezhető, amely fellép, ha az ionokat közelítik, ( nyomóerő) vagy távolítják (húzóerő). (A nyomószilárdság fizikai értelemben nem is értelmezhető!) Részletesen a következő órán!

18 Az ionok csak annyira kerülhetnek közel egymáshoz, hogy a lezárt elektronhéjaik ne hatolhassanak egymásba! Az elektrosztatikus vonzóerők a távolság négyzetével fordítva arányosak! Erőegyensúly az r O távolságban vanAz eredő görbe Az eredő görbének r K távolságban maximuma van! Nyugalmi helyzet

19 Erőegyensúly az r O távolságban van A húzóerők távolítják az ionokat egymástól! F K kritikus erő ! r K kritikus távolság A húzószilárdság az r K és a F K –val jellemezhető, => a húzószilárdság anyagjellemző!

20 F K kritikus erő ! r K kritikus távolság A nyírószilárdság értelmezése

21 A nyíróerővel egyidejűleg ható nyomóerő hatása A nyomóerő hatására r 0 –ról r 1 -re csökken az iontávolság A kritikus iontávolság eléréséhez nagyobb nyíróerőre van szükség

22 A rugalmassági modulus értelmezése Az eredőerő az iontávolsággal arányosan változik Hook –féle arányossági törvény (anyagminőség függő) A nyugalmi helyzethez húzott érintő iránytangense

23 Nyomóerő hatása a kristályrácsra A nyomóerők hatására az iontávolság csökken, a taszítóerő nő. Ennek hatására a terheletlen irányban Keresztirányú megnyúlás következik be. A tönkremenetel nem az összenyomódás, ε l, hanem a keresztirányú megnyúlás ε k következtében lép fel.

24 A nyomóerő hatására fellépő keresztirányú változás (anyagjellemző), nagyságának megadása Poisson-tényező Poisson-szám

25 A kristályok termikus tulajdonságairól A rácselemek (atomok) a rácsba elfoglalt helyük körül hőmozgást végeznek A mozgás amplitúdója nagyobb, ha a görbe meredeksége kisebb Kis rugalmassági modulusú anyagok Kis hőtágulási együttható Nagy olvadáspont Ha a mozgások amplitúdója eléri a ütközés értékét, bekövetkezik az olvadás (ugyanazon erőhöz nagyobb elmozdulás tartozik)

26 A ridegség, és a képlékenység értelmezése Tapasztalataink szerint A képlékeny alakváltozás a fémes kötések jellemzője Az ionkötések ridegen törnek

27 Feszültség alakváltozás görbe R 0 közelében a változás lineáris

28 Ha r eléri r k értékét törés, repedés történik A terhelés a hibamentes helyekre tevődik át A rácssíkok állandó iontávolság mellett mozdulnak el „képlékeny alakváltozás”

29

30 A képlékeny alakváltozási képesség annál nagyobb, minél kisebb a rácshibák száma „Mérethatás” A nagyon vékony szálak [μm] szilárdsága megközelítheti az elméleti szilárdságot! A méret csökkentésével csökken a hibahelyek száma Porózus anyagok A pórus durva rácshibának tekinthető Repedések kiindulási helyei

31 összefoglalva

32 Szilárd hallmazállapotú testek kristályos Nem kristályos (üvegszerű, amorf) A folyadék kristályos állapot Makromolekulás anyagok Kristályos anyagok: Az ásványok legnagyobb része A mesterséges anyagok jelentős hányada Szerves anyagok A legállandóbb állapotnak tekinthető de, átkristályosodás („ónpestis”) allotropia polimorfia módosulatai (Kalcit, aragonit) (grafit, gyémánt) (vegyületek esetén)

33 A rácselemek térbeli elhelyezkedésűek, térrácsot alkotnak Kijelölhető három rácselemsort alkotó egyenes Két pontsorból képezhetők a síkhálók A kötőerők a tér különböző irányaiba mások lehetnek Egy-, két-, és háromdimenziós jellegű kristályok Pl. azbeszt (az atomkapcsolat egyik irányban nagyon erős, „szálasítható) Pl. grafit („kenhető”) Pl. kősó, kvarc, fémek A rácsalkotók ismétlődése határozott rendben →térrács →kristályrács

34 A szilárd testek –gyakorlatban tapasztalt - anizotrópiája kristályállapotukkal függ össze Kristály az olyan anyag, melyben a kristályalkotók, a rácselemek (atomok, molekulák, ionok) határozott rendben helyezkednek el, térrácsot, kristályrácsot alkotva. A kristályszerkezet megismerése: A kristályok hasadásából Elemi paralelepipedonokből épülnek fel? A makroszkópikus tulajdonságok magyarázhatók

35 Bravais ( ) Legyenek a paralelepipedonok rácspontok úgy, hogy a rácspontok szorosan egymás mellé helyezett paralelepipedonok ( az elemi cellák) csúcspontjai. Így minden rácsponthoz egy elemi cella rendelhető, mivel a nyolc csúcs mindegyike további nyolc cellához tartozik hozzá. Ezek a elemi cellák. rácselemek A rácselemek távolsága egy-egy irányban azonos A tér másik két kitüntetet irányában a rácstávolság más lehet, rácsállandó

36 Bravais-rácsok

37

38 Kristályformák prizma piramis dipiramis romboéder diszfenoid trapezoeder szkalenoéder hexaéder rombododekaéder oktaéder

39 A kristályrácsok fajtái A kristályok felosztása a rácselemek között ható erők szempontjából ionkristályok atomkristályok molekulakristályok Ionok, elektrosztatikus erők ionrács Nem fémes elemek Kovalens kötés atomrács molekulák van der Waals, hidrogénhíd molekularács fémkristályok Rácselemei pozitív fémionok fémrács

40 ionkristályok Lapcentrált szabályos térrács A legtöbb só, oxid, szulfid, (pl. KCl, NaCl, KF, AgCl, MgO, CaO, PbS, CdS, NH 4 Cl, …) Nagy keménység Magas olvadáspont Kis illékonyság Jó szigetelőképesség Minden Na + iont hat Cl - veszi körül Az ún. koordinációs szám 6

41 atomkristályok Nagy keménységűek, magas olvadáspontúak Az elektromosságot általában nem vezetik A tetraéder csúcsain és középpontjában egy-egy szénatom van Hatszögletes rendszerű réteges rács

42 molekulakristályok Kevésbé kemények Illékonyabbak Alacsonyabb olvadáspont A legtöbb szerves vegyület NaCl típusú rács A jég is molekulakristályokat alkot Irányítatlan van der Waals erők irányított hidrogékötések A tetraéder középpontja „O” atom 2 hidrogénatom 1Angström-re 2 hidrogénatom 1,7 Angström-re

43 A molekula és az ionrács közötti átmenet ionrács molekularács A szilikát építőelemek, SiO 2, SiO 4, kötődésétől függően A szilícium – dioxid (SiO 2 ) módosulatai szerint, (kvarc, krisztoballit, tridimit)

44 fémkristályok Fémek a legszorosabb illeszkedésű fémes rácsokban A fémek alakíthatóságát, képlékenységét a szoros gömbi illeszkedésű kristályszerkezet adja. Az ötvözetek szilárd oldatok, összetételük kémiailag nem kötött. Szubsztitúciós ötvözetek Intersztíciális ~ ( rácsközi, az ötvöző általában nemfémek ) (minden atomnak szabályos helye van)

45 Reális kristályok, rácshibák A tökéletes kristálytól való eltérés Ponthiba Vonalmenti hibák (diszlokációk) Síkhibák Térhibák

46 Ponthiba

47 Vonalmenti hibák (diszlokációk) Több rácselemhiba egy irányban

48 Reális kristályok, rácshibák A tökéletes kristálytól való eltérés Ponthiba Vonalmenti hibák (diszlokációk) Síkhibák Térhibák Pl. az anyag eltérő kristálymódosulatainak határán Hiányhelyek, pórusok, ideden anyagok zárványai

49 A kristályosodást befolyásoló külső tényezők A kristályosodás sebessége Idegen anyagok jelenléte A hőmérséklet Meghatározhatják a kristályok méretét, szövetszerkezetét: Gyors hűtés nagy kristályok, durva szövetszerkezet Szövetszerkezet megváltoztatása => „edzés” Pl. Alacsony hőmérséklet, a hosszúrostú kalcium-szilikát- hidrátok képződésének kedvez. ( Cement szilárdulása) Pl. kristálycsírák jelenléte, vagy hiánya

50

51

52 A nemkristályos ( amorf állapotú ) anyagok szerkezete Makroszkópikus tulajdonságaik iránytól függetlenek, izotrópok ( A szilárd testek kisebbik csoportja ! ) A legtöbb kristályos test krisztallitokból álló, polikristályos anyag ! Makroszkópikusan izotrópnak tekinthető (krisztallittulajdonság átlaga) Makroszkópikusan is anizotróp egy kristályból álló anyagi test Alkotórészei egyáltalán nem rendeződnek kristályrácsba ! „üvegszerű anyagok” Különféle üvegek gyanták Szerves műanyagok celulóz gyapjú

53 Üvegszerű anyagok Nincs éles olvadáspontjuk Túlhűtött, befagyasztott folyadékok Legjellemzőbb üvegyszerű állapot: SiO 2, B 2 O 3, alkáli- alkáliföldfémekkel, Pb stb. oxidjaival alkotott vegyületei. Az üvegképző oxidok Hálózatképző Átmeneti oxidok Módosító oxidok Önmagukban is üvegképzők (szilícium-dioxid, bór-trioxid ) Hálózatképző és módosítók ( Pb, Sn, Zr, Al, oxidjai)

54 Módosító oxidok K, Na oxidjai Olvasztó hatásúak Ca, Mg oxidjai szerkezetstabilizálás Na 2 CO 3 +CaCO 3 +6SiO 2 → Na 2 ∙ CaO ∙ 6SiO 2 + 2CO – C - on A „közönséges üveg” „hálózatképző” „módosítók” Olvadékban végbemenő reakcióval:

55 Szerves polimerek Szervetlen polimerek kvarcüveg A rendezettség nem terjed ki az egész testre Az üvegszerű állapot metastabilis „Átkristályosodás” Kvarc kristály

56 Ortoszilikát ion Térbeli szerkezete : alapvetően a tetraéderes szimmetria jellemzi A tetraéder csúcsain oxigénatomok A középpontjában szilícium atom

57 A tetraéderek, oxigénatomok közvetítésével összekapcsolódhatnak, láncot alkothatnak, nyílt láncú poliszilikátion Az Si – atomok egy részét más fématomok, (pl. Al ) helyettesíthetik, így jönnek létre az alumínium-szilikátok [SiO 4 ] 4-, [AlO 4 ] 5-,

58 A kvarc síkbeli szerkezete:

59 „réteges szerkezetű szilikátok” Magnézium és vízmolekulák a szilikátrétegek között A víz részben felvehető, ( agyagásványok duzzadása! ) Leadható, Zeolitszerkezet, zeolitok

60 Egy- vagy kétértékű fématomok [SiO 4 ] 4-, [AlO 4 ] 5-, Ionok által alkotott, negatív töltésű térbeli háló A negatív töltéssel ekvivalens, pozitív töltésű Laza kötésű víz Általános képletük:

61 Ha a kation alkálifém, (K +, Na +, ) Ca 2+, Mg 2+, ionra cserélhető. A szerkezet összeomlása nélkül eltávolítható, a kötött méretekkel rendelkező szilikátváz megmarad „Molekulasziták”

62 Szervetlen polimerek Ortoszilikát ion

63

64

65 Makromolekulás szilárd testek A kovalens kötésű atomok száma nagy (10 3 – 10 6 nagyságrend) monomerek polimerek Kis molekulák „minőségében új” szerkezet! Mesterséges ~ Természetes ~

66 n.A →(A) n n (A-x)+n(B-y)+….→ (AB…) n +n. x. y nA + mB → (AB) n+m Polimerizáció: Polikondenzáció: Poliaddíció: A makromolekulák felépülése ( Etilén → polietilén ) C 6 H 10 O 5 → C 6 H 10 O 5 + n.H 2 O ( Poliészterek, Poliamidok, Fenoplasztok, aminoplasztok…) (poliuretánok, epoxigyanták)

67


Letölteni ppt "Az anyag felépítéséről Az anyag makroszkópikus felépítésének Kémiai szerkezet A mérnöki tevékenység elengedhetetlen feltétele: ( anyagjellemzők, fizikai,"

Hasonló előadás


Google Hirdetések