Úvod Vlastnosti materiálů a pojmy, které byste měli znát

Učební materiál pro SNKAP

Úvod Vlastnosti materiálů a pojmy, které byste měli znát Co je to materiál? Definice – hmota, která splňuje svými vlastnostmi nároky na spolehlivou funkci a požadovanou životnost. Jaké znáte příklady? Ve svém okolí- keramika, plasty (PVC, PET láhve, PVC izolace …), dřevo, kovové nebo slitinové konstrukce, vodiče, apod. Jaké vlastnosti mají? Chemické, fyzikální, elektrické, magnetické, optické, mechanické, jaderné, technologické Čím jsou určeny? - strukturou vnější sféry elektronového obalu atomů prvků materiálu (val.sféra) ⇒ vazby (typy vazeb-kovová, kovalentní, iontová, van der Waalsova a vodíkový můstek) + chemické složení (sloučeniny, slitiny, nečistoty, příměsi, atd., struktura (mřížky), mikrostruktura (fázové složení,…) Kde najdete informace o vlastnostech materiálů (prvků)? Tabulky, PSP Co je to periodický systém prvků (PSP)? • Řazení prvků v tabulce podle rostoucího protonového čísla Z. • Parametry tabulky: řádky (dle energie sfér), sloupce (počet val.e) • Zařazení prvků do skupin: a (nepřechodové), b (přechodové), aktinidy a lantanidy (vnitřně přechodové) Valenční elektrony - obsazují jako poslední v dané sféře: skupina a 1.-2. sloupec: orbity s, 3.-.8. sloupec: orbity p skupina b 1.-8. sloupec: val.e u některých přecházejí mezi s a d orbity skupina vnitřně přechodové - val.e u některých přecházejí mezi d a f orbity (lantanoidy, aktinoidy)

©2010 Losertová Monika

1


Periodický systém prvků (Mendělejevova tabulka)

©2007 Drápala Jaromír


2


Technické roztřídění prvků A. KOVY I. Železo a slitiny železa II. Neželezné kovy a jejich slitiny 1. Obecné (těžké) neželezné kovy a) se střední teplotou tání: Cu, Ni, Co, Mn b) s nízkou teplotou tání: Zn, Cd, Hg, Pb, Bi, Sn, Sb, Ga, In, Tl 2. Lehké kovy a) se střední teplotou tání: Al, Mg, Be, Ca, Sr, Ba b) s nízkou teplotou tání (alkalické): Li, Na, K, Rb, Cs Pozn. někteří autoři dnes řadí i Ti-4,5 g/cm3 3. Ušlechtilé (drahé) kovy a) se střední teplotou tání: Ag, Au b) s vysokou teplotou tání: Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt 4. Těžkotavitelné kovy a) s kubickou mřížkou stereocentrickou: W, Ta, Nb, Mo, V, Cr b) s hexagonální mřížkou: Ti, Zr, Hf, Tc, Re 5. Rozptýlené kovy a lanthanidy a) rozptýlené (stopové): Sc, Y, La b) lantanidy (lantanoidy) (at.č. 58-71): Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 6. a) b) c)

Radioaktivní kovy, transurany a transaktinidy přirozené radioaktivní kovy: Po, Fr, Ra, U, Th, Pa, Ac transurany a aktinidy (at.č. 93-103): Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr transaktinidy a superaktinidy (at.č. 104-168): Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, ….?

B. POLOKOVY (polovodiče) B*, Si, Ge, As, (Se), Te, (Sb)*, (At)* C. NEKOVY A PLYNY 1) metaloidy: H, C, N, O, (P, S), (B) 2) nekovy: P, S, Se* 3) halogeny: F, Cl, Br, J, (At) 4) vzácné plyny: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Pozn.: At, Rn …………radioaktivní Zdroj: Drápala,J., Krištofová, D., Peřinová, K. Těžké neželezné kovy. Návody pro cvičení. Skripta VŠB Ostrava, 1986, s. 12 * Internet: www.Webelements.com


3

Učební materiál pro SNKAP Čistota vyráběných kovů Surový kov:

3-5 % nečistot

Technicky čistý kov:

do 1 % nečistot – žárová rafinace

Elektrolyticky rafinovaný kov: do 0,5 % nečistot – př.: katodová Cu, Ni, Co, Zn Pro specifické účely:

čistota spektrální, fyzikální, polovodičová, nukleární

Van Arkelovo označování čistoty, tzv. devítkové

Označení čistoty

Obsah základního kovu v % nad

pod

1N

90

99

2N

99

99,9

3N

99,9

99,99

4N

99,99

99,999

5N

99,999

99,9999

6N

99,9999

99,99999

7N

99,99999

99,999999

ppm … 6 N … 10-4 % nečistot ppb … 9 N … 10-7% nečistot

Procvičte si zápis čistoty kovu pomocí N pro 8ppm nečistot, 25 ppm, 7ppb Kolik nečistot obsahuje kov o čistotě 5N8, 4N7 ?


4


Základy krystalografie Schematické znázornění rozdílu pomocí tepelných pohybů molekul

Schematické znázornění rozdílu mezi

•

plynem

•

kapalinou

•

krystalickou pevnou látkou

Ideální krystal tvořen nekonečným opakováním identických strukturních jednotek v prostoru Strukturní jednotka v nejjednodušším případě tvořena jedním atomem (krystal prvku), ale může obsahovat i 104 atomů (v krystalech bílkovin) Krystalová struktura tvořena periodickou prostorovou mřížkou bodů, (mřížkových bodů), ke každému mřížkovému bodu přísluší identický atomární motiv, báze. krystalová struktura = prostorová mřížka + báze

Mřížové parametry a, b, c, α, β, γ; a krystalografické osy a, b, c v běžně používané orientaci.


5


7 krystalografických soustav (C.S.Weiss)

14 Bravaisových mřížek 1) triklinická prostá, 2) monoklinická prostá, 3) monoklinická bazálně centrovaná 4) ortorombická prostá, 5) ortorombická bazálně centrovaná, 6) ortorombická prostorově centrovaná, 7) ortorombická plošně centrovaná 8) hexagonální, 9) romboedrická, 10) tetragonální prostá, 11) tetragonální prostorově centrovaná

12) kubická prostá, 13) kubická prostorově centrovaná, 14) kubická plošně centrovaná


6

Učební materiál pro SNKAP Prostorová mřížka definovaná třemi základními translačními vektory a, b, c. Při posunu mřížky o translační vektor T = u·a + v·b + w·c přejde mřížka sama v sebe. Hranol o hranách, které jsou identické s vektory a, b, c, tvoří elementární buňku prostorové mřížky.

Objem elementární buňky je roven

V = (a x b).c.

Mezi elementárními buňkami existuje buňka o nejmenším možném objemu – primitivní buňka. Jí odpovídající základní translační vektory jsou primitivní základní translační vektory. Primitivní buňka v užším slova smyslu je primitivní buňka, která je tvořena trojicí vektorů o nejmenších možných délkách.

Kubická prostá mřížka Dosud je znám pouze jediný prvek s touto strukturou za normálních podmínek: nízkoteplotní modifikace Po. (stálá jen do 54 °C). Za vysokých tlaků v této struktuře krystaluje také Sb a P. Mřížkový parametr a Počet atomů na elem.buňku Faktor zaplnění f


7


Kubická plošně centrovaná mřížka KPC primitivní buňka

Mřížkový parametr a Počet atomů na elem.buňku Faktor zaplnění f

Např. Cu, Ag, Au, Pt, Ca, Ni, Pb, Al, více než 1/4 všech prvků

Kubická prostorově centrovaná mřížka

primitivní buňka elementární buňka


pouze 15 kovů se za normálních podmínek vyskytuje v tomto uspořádání: alkalické kovy, Ba, Fe, Cr, Zr, V, Ta. ©2010 Losertová Monika

8


Kubická diamantová mřížka elementární buňky

kubický diamant

hexagonální diamant


C, Si, Ge a šedý Sn - izotypické prvky – diamantová mřížka síť atomů se 4 kovalentními vazbami mezi nimi. 2 druhy diamantu: kubický, který je častější hexagonální, který se nachází velmi zřídka a byl objeven v meteoritech.

Hexagonální mřížka – grafit (C) Mřížkový parametr a Počet atomů na elem.buňku Faktor zaplnění f

elementární buňka jeho struktura je tvořena vrstvami C atomů. každý atom je spojen s dalšími 3 atomy C kovalentními vazbami vytváří tak síť šestiúhelníků roviny mezi sebou jsou poutány slabými van der Waalsovými silami, ⇒ výborná štěpnost a kluznost grafitu ve směru podél rovin jednotlivé vrstvy vzájemně posunuty o polovinu šestičlenného kruhu ©2010 Losertová Monika

9


Hexagonální těsně uspořádaná mřížka - kovy -

příbuzná nejtěsnějšímu kubickému uspořádání atom v horním trojúhelníku leží přesně nad těmi, které tvoří spodní trojúhelník

-

takto krystaluje téměř 30 kovů (např.Ti, Zr, Hf, Mg, Zn, Cd, La + lantanoidy –KVZ, …), z nekovů -např. He, H2 a N2.

elementární buňka Mřížkový parametr a Počet atomů na elem.buňku Faktor zaplnění f

Intersticiální polohy -

umisťují se jen atomy s malými r:

elementární buňky

H, N, C, B, O (intersticiální prvky, metaloidy) ⇒

hydridy, nitridy, karbidy, boridy, oxidy

a) a b) tetraedrické a oktaedrické polohy v KPC c) oktaedrické polohy v HTU d) prizmatické polohy ve struktuře s atomy kovu v mřížových bodech primitivní hexagonální mříže. Atomy kovu jsou vyznačeny kroužky, intersticiální polohy křížky.


10

Učební materiál pro SNKAP II. Tabulka Parametry kubické a šesterečné (hexagonální) mřížky Mřížka Kubická jednoduchá Kubická prostorově centrovaná Kubická plošně centrovaná

n1

d

z

f

1

a

6

2

3 a 2

8

π/6 3 π 8

C KSC (bcc )

2 π 6 3 π 16 1,225π

KPC (fcc)

4

Kubická diamantová 8 Šesterečná těsně uspořádaná

kde

6

2 a 2 3 a 4 a

12 4 12

Značení v lit.

diamantová (diamond) HTU (hcp)

3 3

n1 …….. počet atomů elementární buňky d ……… vzdálenost nejbližších sousedů [m] z ……… koordinační číslo f ……… faktor zaplnění Vat. ….. objem 1 atomu krystal. mřížky V elem.b. .. objem elementární buňky krystal. mřížky

Faktor zaplnění :

f=

n1 ⋅Vat . Velem.b.

Počet atomů v jednotce objemu :

n = N0 ⋅ kde

ρ Ar

ρ ….. hustota [kg.m-3] Ar … relativní at. hmotnost [kg.kmol -1] N0 …Avogadrova konst (6,022.1023 [mol-1]; 6,022.1026 [kmol-1])


11


Příklady 1. Určete typ a počet atomů elementární buňky Fe, které krystalizuje v kubické soustavě: aFeα = 0.28985 nm aFeγ = 0.36394 nm Ar = 55.845 g/mol ρFe = 7.8 g/cm3 NA … Avogadrova konstanta 6.022*1023 at/mol

n = NA * ρ / Ar

2. Mřížková konstanta Si a = 5,43.10-10 m. Určete, kolik atomů obsahuje 1 cm3 Si.(z tabulek: ρSi , NA , Ar ) 3. Vypočtěte hustotu α -železa, víte-li, že α-Fe krystalizuje v KSC mřížce a poloměr atomu je r = 1,241.10-10 m.

4. Cu krystalizuje v KPC mřížce. Vypočítejte: • Počet atomů v jednotce objemu ….n Počet atomů v elementární buňce….n1 • • Objem elementární buňky…..V • Mřížkovou konstantu…..a • Vzdálenost nejbližších sousedních atomů d = 2 r • Atomový poloměr……r • Součinitel zaplnění….f


12

Úvod Vlastnosti materiálů a pojmy, které byste měli znát

Recommend Documents