cursul nr. 1 introducere
TRANSCRIPT
-
Chimia MaterialelorProf. dr. ing. Lelia Ciontea
As. dr. ing. Amalia MesarosAs. dr. Liviu Bolundut
CS dr. ing. Bianca MosCS dr. ing. Mircea Nasui
C409, tel. 0264-401776
E10, Str.G. Baritiu 26-28, tel. 0264-401475
-
Bibliografie
1. G.Niac, E.M.Pic, O.Horovitz, E.Vermean, L.Marta, CHIMIE PENTRU INGINERI (2 volume), U.T.Press, Cluj-Napoca, 2007
2. Horea Nascu, Liana Marta, Chimie anorganica pentru ingineri, U.T.PRES Cluj-Napoca, 2003
3. P. Atkins, L. Jones, Chemical Principles, Quest for Insight, 4th Ed, W.H. Freeman and Company, NY, 2007
4. B. Averill, P. Eldredge, Chemistry: Principles, Patterns, and Applications, 1st Ed, Prentice Hall, 2006
-
INTRODUCERE
-Materiale naturale (lemn, os, piele, minerale)
-Metale
-Semiconductori
-Materiale anorganice nemetalice (ceramica oxidica si neoxidic, sticl)
-Polimeri organici
-
-Materiale compozite (cu matrice polimer, ceramic sau metalic)
-Biomateriale
Os Gresie Cupru Aluminiu
-
SiC Al2O3 Fibre optice OLED
Relativitatea clasificarilor/delimitarilor: chimie anorganica-organica
-compozitele polimer-ceramica inlocuiesc metalele
-sticlele organice transparente inlocuiesc sticlele silicatice
-
-semiconductorii organici tind sa inlocuiasca, pentru unele aplicatii, semiconductorii clasici pe baza de Si
Noi clase/concepte de materiale
Ecomateriale-materiale ecologice
termen introdus in 1991 de R. Yamamoto
environment +consciousness/ecology
-
-s nu conin componeni toxici-proiectate cu o strategie de reutilizare la sfritul duratei de via-s ncorporeze deeuri-realizate din resurse regenerabile (de ex. lemn)-cu funcie ecologic (de ex. catalizatori)-realizate prin procedee cu impact ecologic mai mic/tehnologii prietenoase din punctul de vedere al mediului
-
Epoca de piatra/bronz/fier...
Secolul XX-Epoca metalelor, a materialelor ceramice, semiconductorilor, compusilor organici, compozitelor-materiale avansate cu proprietati speciale Stiinta Materialelor-Productie de masa, consum de masa, deseuri de masa -Consumul resurselor si a energiei -Deseurile ca resurse-Resursele sunt limitate
-
Secolul XXI Limitari si crize
-Cresterea populatiei 6,94x109, cu 150/min-Consum de masa a resurselor si a energiei -Polarizarea societatii -Modificarile de clima: incalzirea globala, poluarea atmosferica/emisii de CO2, disparitia padurilor -Substantele toxice -Problema apei si a hranei
-
Metamaterialele o nou clas de materiale compozite ordonate cu proprieti exceptionale care nu se ntlnesc n natur. Aceste proprieti deriv din rspunsul care
(1) nu se observ n materialele constituente
(2) rezult din includerea unor neomogeneiti de dimensionalitate redus fabricate artificial
-
Material
-natura chimica: substanta elementara/compus-transformare (tratament termic: topire, sinterizare densificare; reactie de hidratare, polimerizare/ reticulare)-dimensiuni si forma (pulbere, masiv, fibre, filme)
-corelatie: compozitie-structura-proprietati-utilizari
tehnologie(design/sinteza)
-
Chimia
tiina prin care se manipuleaz atomii i moleculele pentru a obine compui cu proprieti dorite pentru aplicatii specifice
-
Exemple:
-Supraconductori Nb3Sn, YBa2Cu3O7-x, R=0
-Kevlar C14H10O2N2, rezisten i flexibilitate, vest antiglon, schiuri, cabluri-frnghii
--caroten C40H56, culoarea portocalie n alimente
-Trinitroglicerina C6H5(NO2)3, explozibil
-
-Alchilbenzensulfonat de Na, NaC18H29SO3, detergent
Structur-proprieti-utilizri
morfina heroina codeina
-
Etanol EtilenglicolantigelC2H6O C2H6O2provoac intoxicaii toxic
Prin ce difera materialele?
-contin elemente diferite/combinatii diferite
-contin legaturi chimice diferite
-dimensiunile unitatilor structurale
-asamblari diferite a unitatilor structurale
-
CHIMIA MATERIALELOR
I. Introducere in Stiinta Materialelor
1.Ce este chimia materialelor?2.Principiile fundamentale care stau la baza chimiei materialelor3.Chimia sintezelor si a reactiilor4.Determinarea structurii /tehnici speciale de caracterizare a materialelor
II. Diferite tipuri de materiale
1. Solide cu molecule mici2. Polimeri3. Materiale ceramice si sticle 4. Metale
-
5. Aliaje, compozite
III. Materiale in tehnologii avansate
1. Materiale semiconductoare2. Materiale supraconductori3. Materiale pentru generarea si stocarea energiei (electroliti solizi)4. Membrane5. Materiale optice si fotonice6. Stiinta suprafetelor7. Biomateriale 8. Materiale in nanostiinta si nanotehnologii
-
tiina materialelor
-
htp://www.chemicool.com/
Sistemul periodic al elementelor
-
- elementele sunt aezate n coloane verticale grupe, respectiv iruri orizontale perioade; numrul grupei reprezint numrul electronilor de pe ultimul nveli, care determin proprietile chimice ale elementelor- rezulta similitudinea proprietilor chimice n grupe; numrul perioadei
-
din sistem este egal cu numrul cuantic principal (al stratului electronic n curs de ocupare)
-poziia pe care un element o are n sistemul periodic determin n cea mai mare msur proprietile sale chimice i fizice, determinate-la rindul lor-de structura electronic a atomului respectiv
- elementele care au pe ultimul nivel doar electroni si p constituie grupele principale (A) sau elementele netranziionale
-
-elementele care posed ca orbitali de valen, orbitale d, formeaz elementele tranziionale sau grupele secundare (B)
-forma actuala a sistemului periodic opereaza cu blocuri- blocul s - format din primele dou grupe principale (grupele 1 i 2 sau IA i IIA), respectiv metalele alcaline i alcalino-pmntoase, care au pe ultimul nivel unul, respectiv doi electroni ntr-o orbital s.- blocul p - constituit din urmtoarele 6 grupe principale (grupele 13-18 sau III - VIIIA) care i completeaz succesiv cei 3 orbitali p cu cte 2 electroni; elementele din grupa 18 au configuraie
-
electronic de octet, cea mai stabil configuraie posibil, de aceea aceste elemente au fost numite mult timp gaze inerte, fiind considerate complet nereactive.
-blocul d-elementele tranziionale- formeaza 4 serii de cte 10 elemente, corespunztoare ocuprii celor 5 orbitali d cu cte 2 electroni (total 10 electroni):
-prima serie: Z = 21 (Sc) - Z = 30 (Zn), perioada 4,-a doua serie: Z = 39 (Y) -Z = 48 (Cd), perioada 5,-a treia serie: Z = 71 (Lu) -Z = 80 (Hg), perioada 6,-a patra serie: Z=103 (Lr)-Z = 112 (Uub)*perioda 7
-
* Uub= ununbiul (elemente transuranice, Z>102)
-blocul f - corespunde completrii orbitalelor f cu 14 electroni i cuprinde dou serii de cte 14 elemente: lantanidele de la Z = 57 (La) la Z = 70 (Yb), actinidele de la Z = 89 (Ac) la Z = 102 (No)
-proprietile chimice ale elementelor sunt determinate n primul rnd de tendina atomilor de a realiza configuraii electronice ct mai stabile (cea mai stabil este configuraia de octet) i de a-i folosi ct mai complet orbitalii de valen
-
-locul hidrogenului n sistemul periodic este i acum controversat; desi este plasat, formal, n grupa 1 (I A) nu seamn deloc cu metalele alcaline, fiind un gaz la temperatura obisnuita
-primele elemente din grupele principale se deosebesc destul de mult de elementele grupei respective, dar prezint asemnri pe diagonal cu elementele grupei urmtoare (mai ales pn la grupa 4 (IVA):
Li Be B C N O F
Na Mg Al Si P S Cl
-
astfel, Li i Be au caracter electropozitiv mult mai puin accentuat dect celelalte elemente din grupele 1 i 2 care sunt cele mai electropozitive metale cunoscute; la fel borul este nemetal, pe cnd celelalte elemente din grupa sunt metale
-comportamentul chimic al elementelor din grupele principale este determinat n mare msur de energia de ionizare, afinitatea pentru electroni, respectiv de electronegativitatea lor
Energie de ionizare-energia consumat la ndeprtarea unuia sau a mai multor electroni dintr-
-
un atom izolat n stare gazoas pentru a da natere unui ion pozitiv, cation (se masoara in eV/particula)
Afinitate pentru electroni- energia degajat (sau consumat!) de un atom izolat care accept un electron i se transforma ntr-un ion negativ, anion(se msoara n kJ/mol)
Electronegativitatea-capacitatea unui atom, fcnd parte dintr-o molecul, de a atrage electroni (Pauling)
-metalele din grupele 1 i 2 - alcaline i alcalino -pmntoase au cea mai mic energie de ionizare,
-
ele au un puternic caracter electropozitiv; energia de ionizare scade n grup, cea mai mic valoare o are cesiul, acesta fiind elementul cel mai electropozitiv; n perioad energia de ionizare crete de la stnga la dreapta, astfel c energiile de ionizare ale gazelor rare sunt cele mai mari
-elementele netranziionale sunt mprite n dou printr-o diagonal care trece prin B, Si, As, Te; aceast diagonal marcheaz aproximativ limita ntre metale (n stnga diagonalei) i nemetale (n dreapta diagonalei); elementele situate n imediata vecintate a diagonalei sunt numite semimetale.
-
-n mod simplificat, se poate afirma c metalele sunt conductori electrici, nemetalele sunt izolatori, iar semimetalele sunt semiconductori (modelul de benzi!)
-n dreapta sistemului periodic sunt grupate nemetalele; caracterul electronegativ crete de la stnga la dreapta i este maxim n grupa 17(grupa VII A); cel mai electronegativ element este fluorul, care are cea mai mare afinitate pentru electron (-333 kJmol-1); valorile negative indic faptul c, la aceste elemente, acceptarea unui electron se face cu degajare de energie; toi halogenii degaj
-
energie la formarea ionilor negativi, la fel ca i oxigenul.
-nemetalele din dreapta sistemului periodic sunt gaze la temperatura obisnuita, iar n grupa 17 a halogenilor, bromul este lichid, iar iodul este solid
-electronegativitatea elementelor crete n perioad de la stnga la dreapta i scade n grup de sus n jos; astfel, cea mai mic electronegativitate o are cesiul (0,7) i cea mai mare, fluorul (4,0).
-elementele cu caracter chimic foarte diferit (electronegativiti foarte diferite) vor prezenta cea
-
mai mare tendin de a forma combinaii ionice; de exemplu, ntre metalele alcaline (grupa 1) i halogeni (grupa 17)
-elementele cu electronegativiti apropiate vor forma cu predilecie combinaii cu legturi covalente
-toate elementele tranziionale (elementele blocului d i f ) sunt metale
-
Sursele si caracteristicile materialelor traditionale
Petrol/Gaze naturale Zacaminte minerale
Polimeri Solide cu molecule mici
Ceramica Metale Semiconductori Sticle
Usor de fabricat
Rezistenta Tenacitate Izolatori
electricidar Sensibili la
caldura si oxidare
Sensibili la radiatii UV si gamma
Diz. solventiorganici
Structuri usor de determinat
Izolatori/Semiconductorielectrici
dar
Puncte de topire scazute
Casante Sensibile la radiatii Dizolvare in solventi
organici
Inerta Rigida Stabila
termic Stabila
chimic Ieftina
dar
Casanta
Conductivitate electrica
Rezistenta Tenacitate Stabilitate
termica Ieftine
dar
Se corodeaza Grele
Conductivitate electrica prin dopare
Stabilitate termica
dar
Doparelaborioasa/scumpa
Proprietati optice
Rigide Transparente Puncte de
topire ridicate
dar Casante Greu de
fabricat
-
Material Aplicatie
AplicatieMaterial
-
Top-down /clasic
Bottom-up /modern
Abordare
-materiale cu proprietati cunoscute sunt manipulate (tratament termic, incorporare, creare de defecte, etc.) fara modificarea dramatica a structurii pentru a induce proprietati noi (eroare si incercare) ;
-
-abordarea prin prisma chimiei molecularestructuri noi
-ambele abordari sunt importante, iar marea provocare este de a le combina
Chimia materialelor este motorul pentru design-ul, sinteza, determinarea structurii si a proprietatilor a noi compusi care ajuta la progresul fizicii, ingineriei, biologiei si medicinii
-
Chimia moderna-studiul substantelor cu molecule mici/mari
Chimia moleculelor mici (2-100 atomi/molecula) chimia traditionala
Chimia moleculelor mari/structuri sau retelele extinse materiale
Rolul chimiei in stiinta materialelor
-de la molecule mici la macromolecule, ultrastructuri si materiale
-
-organizarea cercetarii cu accent pe proprietati
Molecule mici (2-100atomi/molecula)
Materiale
Produse farmaceutice Materiale structuraleProduse ignifuge Fibre textileCerneluri si vopsele Filme si membraneDetergenti AcopeririAditivi alimentari BiomaterialeCombustibili pe baza de hidrocarburi
Semiconductori
Insecticide si ierbicide SupraconductoriMateriale optice (lentile, fibre optice)
-
Utlizarea materialelor avansate in dispozitiveElectrice(functionale)
Fotonice(functionale)
Medicina(functionale)
Mecanica(structurale)
Stocare de energie (baterii si supercondensatori)
Monitoare plate Restaurarea si regenerareatesuturilor
Materiale rezistente (domeniulaerospatial, turbine de gaz)
Generare de energie (pile de combustie)
Procesarea optica a informatiei
Eliberare treptata de medicamente
Materiale de temperatura ridicata (motoare)
Magneti supraconductori
Stocarea informatiei CD, DVD
Organe artificiale (cardiovascular, ficat, pancreas, os, rinichi)
Materiale usoare
Prelucrarea informatiei (semiconductori)
Conservarea energiei (geamuri inteligente)
Senzori pentru procese biochimice
Materiale rezistente la abraziune (rulmenti)
Senzori Senzori Suprafete pentru culturi de celule
Suduri/brazari
-
Fibre optice Instrumente medicale
Acoperiri de suprafata
Electronegativitatea elementelor
-
1.a. Ce formul chimic rezult la combinarea ytriului cu oxigenul ?
A YO B YO2 C Y2O3 D Y3O4
b. Care este contribuiia caracterului ionic (n %) la legtura chimic Y-O?
-
A 30% B 50% C 70% D 90%
2. Care este % de caracter ionic al legturii n MgO, SiO2, SiC? (electronegativitile i dependena fraciei de caracterul ionic al unei legturi de diferena de electronegativitate sunt prezentate n figurile 1,2)
EMg- EO = 2,3 fracia caracterului ionic n MgO = 0,75 75%
ESi - EO = 1,7 fracia caracterului ionic n SiO2 = 0,5 50%
ESi - EC = 0,3 fracia caracterului ionic n SiC < 0,1 10%
3.Care este gradul aproximativ al legturii covalente n diamant, Si3N4 i SiO2?
EC EC = 0 fracia caracterului covalent n diamant C = 1- 0 =1
-
ESi - EN= 1,2 fracia caracterului ionic n Si3N4 = 0,3
fractia caracterului covalent in Si3N4 C = 1- 0,3 = 0,7
ESi EO = 1,7 fracia caracterului ionic n SiO2 = 0,5 50%
fracia caracterului covalent n SiO2 C = 1- 0,5 = 0,5