Wiązanie chemiczne a struktura materiału
Metody badań strukturalnych ciała stałego
dr inż. Magdalena Król
Nauka o materiałach
• Materiałoznawstwo – nauka o materiałach (ich budowie, właściwościach i metodach badań).
• Inżynieria materiałowa – nauka o kształtowaniu właściwości materiałów przez zmianę struktury.
• Technologia chemiczna – nauka o metodach przekształcania różnorodnych surowców w użyteczne produkty.
Grupy materiałów
• Materiał – tworzywo o określonej postaci, mogące podlegać obróbce w celu wykorzystania do produkcji różnych wyrobów (Leksykon Naukowo- Techniczny).
Metale i ich stopy
Ceramika i szkło Polimery
Kompozyty
polimer z wypełniaczem
beton zbrojony cermetal opony z kordem
Materiały
klasyfikacja według składu
metale
• ciała stałe w temperaturze pokojowej
• świeżo odsłonięta powierzchnia jest błyszcząca
• zwykle plastyczne
• dobrze przewodzą elektryczność i ciepło
• nieprzezroczyste
niemetale
• ciała stałe, ciekłe i gazowe w temperaturze pokojowej
• świeżo odsłonięta powierzchnia jest zwykle matowa
• kruche
• izolatory
• przezroczyste i nieprzezroczyste
klasyfikacja według struktury
ciała krystaliczne
• układ atomów lub cząsteczek w przestrzeni jest statystycznie uporządkowany
ciała amorficzne
• układ atomów w przestrzeni jest nieuporządkowany, chaotyczny
Materiały
klasyfikacja według zastosowania
materiały konstrukcyjne
• służące do budowy konstrukcji, maszyn i urządzeń
materiały funkcjonalne
• przeznaczone do wyrobu przedmiotów o specjalnych właściwościach (np.
magnetycznych, elektrycznych, biologicznych)
Materiały
klasyfikacja według wytwarzania
materiały inżynierskie
• nie występują w przyrodzie
• wymagają zastosowania złożonych procesów wytwórczych
• materiały metalowe
• tworzywa sztuczne
• materiały ceramiczne
• kompozyty
materiały naturalne
• występują w przyrodzie
• wymagają niewielkiej obróbki związanej w wytwarzaniem wyrobu
Właściwości materiałów
zastosowanie właściwości
struktura
Właściwości materiałów
wynikające ze struktury materiału
mechaniczne właściwości objętościowe
niemechaniczne
właściwości objętościowe
właściwości powierzchni
uwarunkowane
czynnikami związanymi z produkcją
właściwości ekonomiczne
właściwości produkcyjne
właściwości estetyczne
Struktura a wiązane chemiczne
• Struktura (wg PWN) – rozmieszczenie elementów składowych oraz zespół relacji między nimi, charakterystyczny dla danego układu jako całości.
• W skali atomowej mówimy o strukturze materiału, na którą składają się głównie:
– przestrzenny rozkład cząstek materii (atomów, jonów, cząsteczek), – typ i symetria sieci przestrzennej,
– rozkład cząstek w komórce elementarnej i jej wymiary.
• Właściwości materiałów stanowią wypadkową kilku czynników, z których najważniejsze są:
– oddziaływania między atomami, – sposób ułożenia atomów.
Rodzaje wiązań chemicznych
„... ja raczej wnoszę ze spójności tych ciał, że cząstki przyciągają, się wzajemnie pewną siłą, która jest niezwykle duża, gdy cząstki się stykają przy
małych odległościach... Są więc w przyrodzie czynniki, które powodują, ze cząstki zlepiają się wskutek bardzo silnego przyciągania”
(Newton, 1704)
„Każdy atom dąży do takiej zmiany zewnętrznej powłoki elektronowej, aby uzyskać najtrwalszą konfigurację, tzn. minimum energii.
Trwałe konfiguracje to: s2, s2p6, s2p6d10.”
Levis’a (1916)
• Dążenie układu do osiągnięcia minimum energii jest przyczyną tworzenia się wiązań chemicznych.
𝐻 + 𝐻 → 𝐻2+ 435 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 energia wiązania
Rodzaje wiązań chemicznych
• wiązania chemiczne:
– kowalencyjne – jonowe – metaliczne
• inne siły:
– oddziaływania van der Waalsa – wiązanie wodorowe
• Wiązanie jonowe to samodzielne przyciąganie samodzielnych układów elektronowych w jonach.
• Polega ono na przeniesieniu elektronu od atomu mniej elektroujemnego do atomu bardziej elektroujemnego.
• Wiązanie to oparte jest na przyciąganiu kulombowskim, jakie powstaje między dwoma przeciwnymi ładunkami.
𝐹 = 𝑞2 4𝜋𝜀0𝑟2 gdzie:
𝜀0 – przenikalność elektryczna próżni
Wiązanie jonowe
-
Na
- -
- Cl
- - -
- -
- - - - - - -
-
Na+
- -
- Cl-
- - -
- - -
- - - - -
- Na
+ Cl- Na+
Cl-
Na+ Na+ Cl-
Cl- Cl-
Wiązanie jonowe
Etapy powstawania wiązania jonowego w NaCl:
• jonizacja atomów sodu – dostarczenie energii (energia jonizacji)
• jonizacja atomów chloru – wydzielenie energii (powinowactwo elektronowe)
• połączenie jonu sodu i chloru – wydzielenie energii
𝑟 Å 𝐸 𝑒𝑉
0
−4,9
𝑁𝑎++ 𝐶𝑙− 𝑁𝑎 + 𝐶𝑙
−1,3
Wiązanie jonowe
• występuje tylko w związkach chemicznych, nigdy miedzy atomami tego samego pierwiastka
• tworzą je atomy o dużej różnicy elektroujemności
• występuje wyłącznie w ciałach stałych o ciągłej strukturze krystalicznej
• jest typowe dla kryształów jonowych, które z reguły są przeźroczyste, a ich przewodnictwo elektryczne jest bardzo małe
• cechuje je wysoka temperatura topnienia oraz dość duża wytrzymałość mechaniczna i twardość, nie są też podatne na odkształcenia plastyczne
• ponieważ siły kulombowskie działają we wszystkich kierunkach jednakowo, oba jony mogą zajmować względem siebie dowolne położenia – wiązanie jest wiec bezkierunkowe
Wiązanie kowalencyjne
• Wiązanie atomowe to uwspólniona para (kilka par) elektronów atomów będących składnikami cząsteczki.
H: s1 O: s2p4 H: s1 O: s2p4
+ - - -
+ - + -
- -
- +
- - -
- - -
- -
-
H2: O2:
Wiązanie kowalencyjne
• występuje w cząsteczkach gazów dwuatomowych (H2, Cl2, O2, N2) i niektórych pierwiastkach stałych (C – diament, Ge, Si, Sn-α) i związkach (SiC), a także w polimerach.
• jest to wiązanie silne i kierunkowe (energia wiązania w diamencie wynosi 710 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙, a w SiC 1180 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙)
• połączenie różnych atomów za pomocą par elektronowych nazywamy wiązaniem atomowym spolaryzowanym.
Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane
• Gdy wiązanie tworzą dwa różne atomy, to wspólna para elektronów jest przyciągana przez atom pierwiastka bardziej elektroujemnego.
𝜇 = 𝑞 ∙ 𝑑 gdzie:
𝜇 – moment dipolowy, 𝑞 – ładunek jednego bieguna, 𝑑 – odległość biegunów dipolowy
Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane
• cząsteczki polarne: CO, HF, H2O, NH3 (𝜇 ≠ 0)
• cząsteczki niepolarne: H2, N2, Cl2 (𝜇 = 0) oraz CH4, CO2, BF3 ( 𝜇 = 0)
N H
H H
O H H
H F
C H
H H H
B
F F
F
O C O
Wiązanie koordynacyjne
• Wiązanie koordynacyjne występuje wówczas, gdy wspólna wiążąca para elektronowa pochodzi w całości od jednego atomu.
• Dawcę pary elektronowej nazywa się donorem, a biorcę pary elektronowej nazywa się akceptorem.
𝑆𝑂4 2−:
O: s2p4 S2–: 1s22s22p63s23p6
S O
O O
2–
𝑁𝑂3−:
O: s2p4 N–: 1s22s22p4
𝑁𝐻4+:
H: s1 H+: s0 N: 1s22s22p3
Wiązanie koordynacyjne
– N
O O
O 115 pm – długość wiązania N=O
146 pm – długość wiązania N→O
N H H
H H
+
Wiązanie metaliczne
• Wiązanie metaliczne to wiązanie występuje pomiędzy atomami pierwiastków metalicznych, utworzone przez dodatnio naładowane rdzenie atomowe, rozmieszczone w węzłach sieci krystalicznych oraz przemieszczające się między nimi zdelokalizowane elektrony.
• Atomy metali dążą do uzyskania oktetu nie przez przyłączenie, a przez
+ -
-
- -
- -
- -
-
- -
-
- - -
-
- -
-
+ + + +
+ - -
-
+ + +
+ - -
- - - -
- -
+ + + +
+
-
-
-
+ + +
-
- -
-
-
-
-
- -
-
Wiązanie van der Waalsa
• Siły van der Waalsa – słabe oddziaływania elektrostatyczne miedzy atomami lub cząsteczkami, nie mają charakteru wiązania chemicznego.
• Stanowią oddziaływania elektrostatyczne między chwilowymi dipolami, tworzonymi przez atomy lub cząsteczki na skutek nierównomiernego rozkładu ładunków elektrycznych.
przypadkowy dipol pierwszego atomu
indukowany dipol drugiego atomu
+
– – +
Wiązanie van der Waalsa
• występują w skroplonych gazach szlachetnych i między łańcuchami polimerów
• występują w kryształach molekularnych
• ujawnia się szczególnie w niskiej temperaturze, gdy słabną drgania termiczne cząsteczek i atomów
• jest bardzo słabe (energia wiązań wynosi 100–1500 𝐽/𝑚𝑜𝑙) i bezkierunkowe
• Przykładem mogą być zestalone gazy (H, F, Cl, N) oraz kryształy jodu, siarki, selenu i telluru.
• mają wpływ na stan skupienia materii (topnienie, wrzenie, kondensacja,
Wiązanie wodorowe
• Wiązanie wodorowe – słabe oddziaływania elektrostatyczne powstające między atomem wodoru związanym z atomem o dużej elektroujemności, a atomem posiadającym wolne pary elektronowe
• Każdy atom H oddaje swój elektron najbliższemu atomowi O. Dodatnio naładowany jon H działa jak wiązanie mostkowe pomiędzy sąsiednimi jonami tlenu, częściowo dzięki temu, że przegrupowanie ładunku
powoduje powstanie momentu dipolowego w każdej cząsteczce H2O (co powoduje przyciąganie innych dipoli H2O).
Wiązanie wodorowe
• energia jest większa od energii oddziaływań van der Waalsa.
• wiązania wodorowe są przyczyną wysokiej temperatury wrzenia wody i topnienia lodu.
Wiązanie chemiczne a właściwości materiału
rodzaj kryształu Molekulemarny Kowalencyjny Jonowy metaliczny
element struktury cząsteczki atomy jony jony dodatnie
rodzaj wiązania kowalencyjne jonowe metaliczne
energia wiązania 1–3 kcal/mol 100–300 kcal/mol 150–250 kcal/mol 20–100 kcal/mol
temp. topnienia niska bardzo wysoka wysoka zmienna
przewodnictwo elektryczne
dobre izolatory izolatory i półprzewodniki
izolatory lub przewodniki
przewodniki elektronowe rozpuszczalność rozpuszczalne nierozpuszczalne rozpuszczalne w
rozpuszczalnikach polarnych
rozpuszczalne w ciekłych metalach
właściwości mechaniczne
miękkie bardzo twarde kruche
twarde kruche
zmienna twardość plastyczne właściwości
optyczne
absorpcja podobna jak dla
izolowanych cząsteczek
wysoki współczynnik
załamania
absorpcja na ogół taka sama jak dla swobodnych
jonów
wysoki współczynnik
odbicia metaliczny połysk
• kryształ jonowy – pojawienie się sił odpychających
• kryształ kowalencyjny – zerwanie wiązań
• kryształ metaliczny – plastyczność
Wiązanie chemiczne a właściwości mechaniczne
– + – + – +
F
– + – +
– + – + – + – + – +
F
Właściwości materiałów
zastosowanie właściwości
struktura
Po co nam znajomość struktury?
• znalezienie odpowiedniego materiału do pracy
• zrozumienie związku między właściwościami, strukturą i przetwarzaniem materiału
• rozpoznanie nowych kierunków zastosowań
Metody badań struktury materiału
• metody mikroskopowe:
– mikroskopia optyczna, – mikroskopia elektronowa, – mikroskopia sił atomowych;
• metody dyfrakcyjne
• metody spektroskopowe:
– magnetyczny rezonans jądrowy, – elektronowy rezonans paramagnetyczny, – spektroskopia oscylacyjna,
– spektroskopia mössbauerowska, – spektroskopia fotoelektronów.
