Úvod Vlastnosti materiálů a pojmy, které byste měli znát

Transkript

1 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 sloupec: orbity s, sloupec: orbity p skupina b 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

2 Periodický systém prvků (Mendělejevova tabulka) 2007 Drápala Jaromír 2010 Losertová Monika 2

3 A. KOVY I. Železo a slitiny železa II. Neželezné kovy a jejich slitiny Technické roztřídění prvků 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 ): Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 6. Radioaktivní kovy, transurany a transaktinidy a) přirozené radioaktivní kovy: Po, Fr, Ra, U, Th, Pa, Ac b) transurany a aktinidy (at.č ): Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr c) transaktinidy a superaktinidy (at.č ): 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: Losertová Monika 3

4 Čistota vyráběných kovů Surový kov: Technicky čistý kov: 3-5 % nečistot 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 Obsah základního kovu v % čistoty nad pod 1 N N 99 99,9 3 N 99,9 99,99 4 N 99,99 99,999 5 N 99,999 99, N 99, , N 99, , 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? 2010 Losertová Monika 4

5 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 10 4 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 Losertová Monika 5

6 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 2010 Losertová Monika 6

7 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). Mřížkový parametr a Počet atomů na elem.buňku Faktor zaplnění f Za vysokých tlaků v této struktuře krystaluje také Sb a P Losertová Monika 7

8 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 Mřížkový parametr a Počet atomů na elem.buňku Faktor zaplnění f pouze 15 kovů se za normálních podmínek vyskytuje v tomto uspořádání: alkalické kovy, Ba, Fe, Cr, Zr, V, Ta Losertová Monika 8

9 Kubická diamantová mřížka elementární buňky kubický diamant Mřížkový parametr a Počet atomů na elem.buňku Faktor zaplnění f hexagonální diamant C, Si, Ge a šedý Sn - izotypické prvky diamantová mřížka síť atomů se 4 kovalentními vazbami mezi nimi. 2 druhy diamantu: Hexagonální mřížka grafit (C) kubický, který je častější hexagonální, který se nachází velmi zřídka a byl objeven v meteoritech. 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

10 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, H 2 a N 2. 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 Losertová Monika 10

11 II. Tabulka Parametry kubické a šesterečné (hexagonální) mřížky Mřížka n 1 d z f Značení v lit. Kubická jednoduchá 1 a 6 π/6 C Kubická prostorově 3 centrovaná 2 a 2 3 KSC 8 π (bcc ) 8 Kubická plošně 2 2 KPC centrovaná 4 a 12 π (fcc) 2 6 Kubická diamantová 3 3 diamantová 8 a 4 π (diamond) 4 16 Šesterečná těsně 1,225π HTU uspořádaná 6 a (hcp) kde n 1.. počet atomů elementární buňky d vzdálenost nejbližších sousedů [m] z koordinační číslo f faktor zaplnění V at... objem 1 atomu krystal. mřížky V elem.b... objem elementární buňky krystal. mřížky Faktor zaplnění : f n1 = V V at. elem. b. Počet atomů v jednotce objemu : n N = 0 ρ A r -3 kde ρ.. hustota [kg.m ] A nost [kg.kmol -1 r relativní at. hmot ] N ]; 6, [kmol -1 0 Avogadrova konst (6, [mol -1 ]) 2010 Losertová Monika 11

12 Příklady 1. Určete typ a počet atomů elementární buňky Fe, které krystalizuje v kubické soustavě: afeα = nm a Feγ = nm A r = g/mol ρ Fe = 7.8 g/cm 3 N konstanta 6.022*10 23 A Avogadrova at/mol n = N A * ρ / A r 2. Mřížková konstanta Si a = 5, m. Určete, kolik atomů obsahuje 1 cm 3 Si.(z tabulek: ρ Si, N A, A r ) 3. Vypočtěte hustotu α -železa, víte-li, že α-fe krystalizuje v KSC mřížce a poloměr atomu je r = 1, m. 4. Cu krystalizuje v KPC mřížce. Vypočítejte: Počet atomů v jednotce objemu.n Počet atomů v elementární buňce.n Objem elementární buňky..v Mřížkovou konstantu..a Vzdálenost nejbližších sousedních atomů d = 2 r Atomový poloměr r Součinitel zaplnění.f Losertová Monika 12