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

Az anyag makroszkópikus tulajdonságai „minden anyag” ? A „kémiai anyag” (kémiai elemek és azok vegyületei) A „tapintható érzékelhetőség szerint szilárd gáz folyékony plazmaállapot elfajult szilárd állapot > 104 0C > 106 bar Szuperkritikus állapotú folyadékok Tkritikus fölött, nagy nyomáson

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

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. Szokásos jelölése: tömegszám Proton + neutron rendszám Protonok száma Helye a periódusos rendszerben

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 „elektonoktett” Felépítesük szerint Kémiai reakciókban (általában) nem vesznek részt Külső elektronhéjak Feltöltetlenek Nemesgáz konfigurációra való törekvés A kémiai sajátságokat elsősorban ezek határozzák meg

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

Elektronok száma a külső héjon Rendszám Kémiai jellem Közötti összefüggés „Periódusos rendszerek” (Mengyelejev I – VIII oszlopú rendszere) Elektronok száma a külső héjon Fémes elemek 1 - 2 Átmeneti (amfoter) elemek 3 - 5 Nem fémes elemek 5 - 7

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

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 Atomok Vegyületek Az „önként végbemenő” reakciók Reakcióhő vegyületek Molekulák más csoportosításban

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.” Az atomok másféle csoportosulása Atomok Az elektronok mozgásának megváltozása a külső, le nem zárt elektronhéjakban vegyületek Az új (tulajdonságú) vegyület Kémiai reakció Minőségi változás

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

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

Kovalens kötés (atomos kötés, homöopoláris kötés) Pl. H2 , klór, N2 molekula A kötést olyan elektronok hozzák létre amelyek legalább két atomhoz tartoznak. „Kötő elektronpárok” A kovalens kötésű vegyületeket valódi molekulák alkotják Lásd. Oldódás, valódi oldatok A kapcsolat nem elekrosztatikus jellegű (a molekulák nem ionokból állnak)

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

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

Másodrendű kötések ( intra-, illetve intermolekuláris kapcsolatok) van der Waals - kötések Lezárt elektronhéjú ( Pauli elv szerint „semleges”) atomok és molekulák között ható erő összefoglaló megnevezése: Közelreható Kis kötési energiájú erők Dipólusos molekulák Víz Nemesgázok Hidrogénkötés, hidrogénhíd ( pl. hangyasav), (H2O , H2S) Fémes kötés Komplex vegyületek, ionok a koordinációs kötés [Fe ( CN)6 ]4-, Al(OH)2+ (5H2O) ?

A szilárság elméleti alapjai Részletesen a következő órán! 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!)

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

A húzóerők távolítják az ionokat egymástól! Erőegyensúly az rO távolságban van FK kritikus erő ! rK kritikus távolság A húzószilárdság az rK és a FK–val jellemezhető, => a húzószilárdság anyagjellemző!

A nyírószilárdság értelmezése FK kritikus erő ! rK kritikus távolság

A nyíróerővel egyidejűleg ható nyomóerő hatása A nyomóerő hatására r0 –ról r1-re csökken az iontávolság A kritikus iontávolság eléréséhez nagyobb nyíróerőre van szükség

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

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, εl , hanem a keresztirányú megnyúlás εk következtében lép fel.

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

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

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

Feszültség alakváltozás görbe R0 közelében a változás lineáris

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

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

összefoglalva

Szilárd hallmazállapotú testek kristályos állapot A folyadék Szilárd hallmazállapotú testek kristályos állapot Makromolekulás anyagok kristályos Nem kristályos (üvegszerű, amorf) Kristályos anyagok: Az ásványok legnagyobb része A mesterséges anyagok jelentős hányada Szerves anyagok Palotás137 de, átkristályosodás („ónpestis”) A legállandóbb állapotnak tekinthető módosulatai allotropia polimorfia (Kalcit, aragonit) (grafit, gyémánt) (vegyületek esetén)

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

A kristályszerkezet megismerése: 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: pal138 A kristályok hasadásából Elemi paralelepipedonokből épülnek fel? A makroszkópikus tulajdonságok magyarázhatók

Bravais (1811-1863) 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. A rácselemek távolsága egy-egy irányban azonos rácselemek A tér másik két kitüntetet irányában a rácstávolság más lehet , rácsállandó

Bravais-rácsok

Kristályformák prizma piramis dipiramis romboéder diszfenoid rombododekaéder trapezoeder szkalenoéder hexaéder oktaéder

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

ionkristályok A legtöbb só, oxid, szulfid, (pl. KCl, NaCl, KF, AgCl, MgO, CaO, PbS, CdS, NH4Cl, …) Nagy keménység Magas olvadáspont Kis illékonyság Jó szigetelőképesség Lapcentrált szabályos térrács Minden Na+ iont hat Cl- veszi körül Az ún. koordinációs szám 6

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

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

A molekula és az ionrács közötti átmenet molekularács ionrács A szilikát építőelemek, SiO2, SiO4, kötődésétől függően A szilícium – dioxid (SiO2) módosulatai szerint, (kvarc, krisztoballit, tridimit) p145

Fémek a legszorosabb illeszkedésű fémes rácsokban 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. p146 Szubsztitúciós ötvözetek (minden atomnak szabályos helye van) Intersztíciális ~ (rácsközi, az ötvöző általában nemfémek)

A tökéletes kristálytól való eltérés Reális kristályok, rácshibák A tökéletes kristálytól való eltérés Ponthiba Vonalmenti hibák (diszlokációk) Síkhibák p147 Térhibák

Ponthiba

Vonalmenti hibák (diszlokációk) Több rácselemhiba egy irányban

A tökéletes kristálytól való eltérés Reális kristályok, rácshibák A tökéletes kristálytól való eltérés Ponthiba Vonalmenti hibák (diszlokációk) Síkhibák Pl. az anyag eltérő kristálymódosulatainak határán p147 Térhibák Hiányhelyek, pórusok, ideden anyagok zárványai

A kristályosodást befolyásoló külső tényezők Meghatározhatják a kristályok méretét, szövetszerkezetét: A kristályosodás sebessége Gyors hűtés nagy kristályok, durva szövetszerkezet Szövetszerkezet megváltoztatása => „edzés” A hőmérséklet Pl. Alacsony hőmérséklet, a hosszúrostú kalcium-szilikát-hidrátok képződésének kedvez. ( Cement szilárdulása) b24 Idegen anyagok jelenléte Pl. kristálycsírák jelenléte, vagy hiánya

A nemkristályos ( amorf állapotú ) anyagok szerkezete ( 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 ! Makroszkópikus tulajdonságaik iránytól függetlenek, izotrópok „üvegszerű anyagok” Különféle üvegek gyanták Szerves műanyagok celulóz gyapjú

Üvegszerű anyagok Nincs éles olvadáspontjuk Túlhűtött, befagyasztott folyadékok Legjellemzőbb üvegyszerű állapot: SiO2 , B2 O3 , alkáli- alkáliföldfémekkel, Pb stb. oxidjaival alkotott vegyületei. Az üvegképző oxidok Hálózatképző Önmagukban is üvegképzők (szilícium-dioxid, bór-trioxid ) Átmeneti oxidok Hálózatképző és módosítók ( Pb, Sn, Zr, Al, oxidjai) Módosító oxidok

Na2CO3 +CaCO3 +6SiO2 → Na2 ∙ CaO ∙ 6SiO2 + 2CO2 Módosító oxidok Ca, Mg oxidjai K, Na oxidjai szerkezetstabilizálás Olvasztó hatásúak A „közönséges üveg” Olvadékban végbemenő reakcióval: 1100 – 1200 0C - on Na2CO3 +CaCO3 +6SiO2 → Na2 ∙ CaO ∙ 6SiO2 + 2CO2 „hálózatképző” „módosítók”

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

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

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 [SiO4]4- , [AlO4]5- ,

A kvarc síkbeli szerkezete:

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

Általános képletük: Laza kötésű víz [SiO4]4- , [AlO4]5- , Ionok által alkotott, negatív töltésű térbeli háló A negatív töltéssel ekvivalens, pozitív töltésű Egy- vagy kétértékű fématomok

Ha a kation alkálifém, (K+, Na+ , ) Ca2+, Mg2+, ionra cserélhető. A szerkezet összeomlása nélkül eltávolítható, a kötött méretekkel rendelkező szilikátváz megmarad „Molekulasziták”

Szervetlen polimerek Ortoszilikát ion

Makromolekulás szilárd testek A kovalens kötésű atomok száma nagy (103 – 106 nagyságrend) monomerek polimerek „minőségében új” szerkezet! Kis molekulák Mesterséges ~ Természetes ~

A makromolekulák felépülése Polimerizáció: n.A →(A)n ( Etilén → polietilén ) Polikondenzáció: n (A-x)+n(B-y)+….→ (AB…)n+n. x. y C6H10O5 → C6H10O5 + n.H2O ( Poliészterek, Poliamidok, Fenoplasztok, aminoplasztok…) nA + mB → (AB)n+m Poliaddíció: (poliuretánok, epoxigyanták)