Transcript Presentation2 - Universitatea Tehnică

UNIVERSITATEA TEHNICĂ
DIN CLUJ NAPOCA
CURS 2
MATERIALELE PTR. APLICAŢII
INGINEREŞTI
Proprietăţile materialelor
Structura atomică
Legături interatomice
FACULTATEA DE INGINERIA
MATERIALELOR SI A MEDIULUI
BODEA MARIUS
CURS DE MATERIALE - I
PROPRIETĂŢILE MATERIALELOR
Microstructura – Procesarea – Compoziţia
sunt interconectate şi afectează raportul
Performanţă/Cost.
Alegerea optimă a
materialului, a metodei de
procesare va determina în
final performanţele cât şi
costul produsului.
Rezultă necesitatea şi
importanţa cunoaşterii atât a
proprietăţilor materialelor
cât şi a metodelor de
procesare a acestora.
PROPRIETĂŢILE INTRINSECI ALE MATERIALELOR
În funcţie de tipul aplicaţiei, respectiv de tipul solicitărilor la
care este supus materialul se disting următoarele
clase de proprietăţi
(care acoperă majoritatea aplicaţiilor inginereşti) :
MECANICE
Rezistenţa la tracţiune, compresiune, încovoiere, forfecare, torsiune
Rezistenţa la oboseală, Limita de curgere, Rezilienţa, Duritatea
Modulul de elasticitate (longitudinal, transversal), Rezistenţa la uzură, Fluajul
FIZICE
Structura cristalină, Densitatea, Punctul de topire, Vâscozitatea, Presiunea de
vapori, Porozitatea
CHIMICE
Electronegativitatea, Coroziunea, Oxidarea, Greutatea Moleculară, Hidratarea
ELECTRICE
Conductivitatea electrică, Constanta dielectrică, Mobilitatea sarcinilor, Densitatea
de sarcină
OPTICE
Transparenţa, Reflectivitatea, Indicele de refracţie, Emisia şi Absorţia
TERMICE
Conductivitatea termică, Căldura specifică, Coeficientul de dilatare, Emisivitatea
termică, Coeficientul de Difuzie
MAGNETICE
Permeabilitatea magnetică, Susceptibilitatea magnetică, Curba de histerezis
NUCLEARE
Timpul de înjumătăţire, Radioactivitatea, Secţiunea eficace de interacţiune,
Energia de legătură a nucleului
PROPRIETĂŢILE TEHNOLOGICE ALE MATERIALELOR
Deformabilitatea
Aşchiabilitatea
Sudabilitatea
Turnabilitatea
Călibilitatea
Ductibilitatea
Forjabilitatea, Maleabilitatea etc.
Proprietăţile tehnologice caracterizează capacitatea de prelucrare şi modul de comportare a
materialelor metalice la diferite procese tehnologice de prelucrare la cald sau la rece. Cele mai
importante proprietăţi tehnologice sunt: turnabilitatea, deformabilitatea plastică, sudabilitatea,
aşchiabilitatea, călibilitatea, susceptibilitatea la supraîncălzire, susceptibilitatea la deformare şi
fisurare.
STRUCTURA ATOMICĂ A MATERIALELOR
Energie
Forţă
STRUCTURA ATOMICĂ A MATERIALELOR
Forţe de
respingere
Forţe de
atracţie
LEGATURA IONICA
TARI
COVALENTA NEPOLARA
LEGATURA METALICA
LEGATURI
INTERATOMICE
COVALENTA POLARA
SLABE
LEGATURA DE HIDROGEN
LEG. VAN DER WAALS
ISTORIA MODELULUI ATOMIC
String
Theory
Ştiinţa nu este altceva decât un lung şir de greşeli corectate în timp.
ISTORIA MODELULUI ATOMIC
Modelul atomului s-a schimbat în timp începând cu
cel descris de filozoful grec Democrit acum mai bine
de 2400 de ani .... când atomul era perceput ca şi o
“bilă de biliard” – cea mai mică parte indivizibilă a
materiei.
înapoi
Democrit
400 B.C.
Aristotel şi Platon au descris materia ca fiind compusă
din patru elemente fundamentale: pământ, foc, aer şi
apă.
ISTORIA MODELULUI ATOMIC
Dalton
1803
Prin experimentale sale la inceputul anilor 1800, Dalton
a dedus:
• toate elementele chimice sunt compuse din atomi
• atomii sunt indivizibili şi particule indestructibile
• atomii aceluiaşi element chimic sunt identici
• atomii unor elemente chimice sunt diferiţi între ei
• compuşii chimici sunt formaţi prin gruparea atomilor a
două sau mai multe elemente chimice
Această teorie stă la baza
chimiei moderne!
înapoi
ISTORIA MODELULUI ATOMIC
înapoi
În 1897 omul de ştiinţă englez J.J. Thomson a promovat
idea că atomul este compus din sub-particule elementare.
Thomson
El a propus un model denumit uneori modelul “budinca cu
prune”. Atomul este constituit dintr-un corp încărcat pozitiv în
care sunt dispersate particule încărcate negativ - denumiţi
corpuscului, ca şi “stafidele într-o budincă”.
1897
Thomson a studiat trecerea curentului prin gaze şi a
remarcat prezenţa unor raze încărcate cu sarcină electrică
negativă.
El a conchis că sarcinile negative provin din atomii de gaz
care iniţial trecerii curentului electric prin gaz nu au fost
încărcaţi electric.
Deoarece gazul era neutru d.p.d.v. electric atunci
Thomson a concluzionat deasemenea că trebuie să existe
sarcini pozitive în atom care să compenseze sarcinile
negative. A căutat “corpusculii negativi” dar nu i-a “găsit”
niciodată...
Budinca din imagine este cu titlu
informativ...
Dispozitivul experimental al lui
Thomson
ISTORIA MODELULUI ATOMIC
înapoi
Rutherford
1908
Rutherford a conceput un experiment prin care bombarda o foiţă subţire de aur (cca. 2000
diam. atomice) cu sarcini pozitive. Majoritatea din aceste “proiectile” (sarcini încărcate
pozitiv) treceau prin foiţa de aur fără ca să-şi schimbe traiectoria, ceea ce însemna că foiţa
este mai mult “spaţiu gol ”...
Totuşi unele sarcini pozitive erau deviate ca şi cum ar fi lovit “ceva solid ”. El ştia că
sarcinile pozitive resping sarcini pozitive şi a concluzionat că atomul are un centru mic, dens
şi încărcat cu sarcină pozitivă pe care l-a denumit nucleu.
ISTORIA MODELULUI ATOMIC
înapoi
În 1913 danezul N.Bohr a adus unele îmbunătăţiri modelului
Rutherford. Bohr a plasat electronii pe niveluri energetice
specifice. Deasemenea a considerat că electronii se deplasează pe
orbite bine definite în jurul nucleului asemenea planetelor în jurul
soarelui. Orbitele sau nivelurile energetice sunt localizate la anumite
distanţe faţă de nucleu.
Bohr
1922
ISTORIA MODELULUI ATOMIC
Potrivit mecanicii cuantice, electronii nu se
deplasează într-un atom pe orbite definite ca şi
planetele în jurul soarelui. De fapt este imposibil de
a determina locaţia exactă a unui electron. Locaţia
probabilă a electronului depinde de ce cantitate de
energie dispune electronul respectiv...
Astfel atomul este considerat ca având un nucleu
încărcat pozitiv înconjurat de o regiune mare
(orbitali) în care sunt suficienţi electroni ptr. ca
atomul să fie neutru.
În funcţie de energia de care dispun electronii se
găsesc într-o regiune specifică în norul
electronic. Electronii cu energii joase se regăsesc
pe nivele apropiate de nucleu, iar cei cu energii
ridicate sunt plasaţi pe nivele energetice mai
îndepărtate de nucleu.
înapoi
ELECTRONEGATIVITATEA
Metale: χ = 0.7 (Cs, Fr) – 2.4 (Au)
Nemetale: χ = 4 (F)
Legaturi „perfecte” – numai la extreme.
Majoritatea legaturilor interatomice –
hibride (predomina un tip de legatura)
Electronegativitatea = măsura
aptitudinii de reţinere a electronilor
proprii şi de a capta electroni străini.
Determină tipul legăturii intre două
specii de atomi. Se exprimă prin:
electronegativitatea relativă
χ/χLi
Atomii cu stratul de valenta complet
ocupat cu electroni sunt cei mai
stabili.
Pentru a completa stratul de valenţă:
METALELE – cedează electroni (slab
electronegative)
NEMETALELE – acceptă electroni (puternic
electronegative)
The most commonly used method of calculation is that originally proposed by Linus Pauling. This gives a dimensionless quantity,
commonly referred to as the Pauling scale, on a relative scale running from around 0.7 to 3.98 (hydrogen = 2.20). When other
methods of calculation are used, it is conventional (although not obligatory) to quote the results on a scale that covers the same
range of numerical values: this is known as an electronegativity in Pauling units.
Electronegativity, as it is usually calculated, is not strictly a property of an atom, but rather a property of an atom in a
molecule. Properties of a free atom include ionization energy and electron affinity. It is to be expected that the electronegativity of an
element will vary with its chemical environment, but it is usually considered to be a transferable property, that is to say that similar
values will be valid in a variety of situations.
LEGATURA IONICA
TARI
COVALENTA NEPOLARA
LEGATURA METALICA
LEGATURI
INTERATOMICE
COVALENTA POLARA
SLABE
LEGATURA DE HIDROGEN
LEG. VAN DER WAALS
LEGĂTURILE INTERATOMICE
LEGATURA IONICA
Se stabileste la diferente mari de electronegativitate
(Δχ dintre atomi este > 1.7); are loc prin schimb de electroni.
METALELE cedează electronii de valenţă NEMETALELOR, ambele
tipuri de atomi primesc configuraţii stabile, dar devin ioni – forţele de
legătură sunt electrostatice.
• caracter ionic
• grad minim de mobilitate a electronilor
• legături puternice (punct de topire ridicat)
• dure şi fragile
• buni izolatori (termici şi electrici)
• transparenţi
LEGĂTURILE INTERATOMICE
LEGATURA COVALENTA NEPOLARA
Apare la atomii din aceeaşi specie sau la atomii din specii diferite care au electronegativităţi foarte
apropiate (C şi H2 - esential la polimeri -C-C- ). Fiecare dintre cei doi atomi pune în comun câte un
electron şi fiecare atrage la fel de mult perechea astfel formată.
Legătura covalentă nepolară este o stare de echilibru dintre forţele de atracţie şi repulsie dintre atomi
care ajung „la inţelegere” prin partajarea electronilor de valenţă.
Legătura se realizează când electronegativitatea dintre atomi este (Δχ
< 1.7)
LEGĂTURILE INTERATOMICE
LEGATURA METALICA
Între atomi ai metalelor (diferenţă mică de electronegativitate);
Tot prin partajarea electronilor de valenţă – între toţi atomii
(niveluri energetice suprapuse) → ioni pozitivi care formează
reţea cristalina în care se găseşte uniform distribuit „norul” de
electroni sau „gazul” de electroni de conducţie. Mobilitate mare a
electronilor.
• luciu metalic
• conductivitate electrică / termică
• creşterea rezistivităţii cu temperatura
• emisie termoelectronică
Coeziunea mare a metalelor este explicata de catre L.Pauling prin existenta valentei metalice care este
cuprinsa intre 1 si 6. Valenta metalica este reprezentat de numarul electronilor care participa la
formarea legaturii metalice.
Prin urmare, numarul maxim de legaturi metalice este format de metalele tranzitionale cu coeziune
maxima din grupele VI b, VII b si VIII b. Metalele al caror numar de legaturi metalice este mare, au
raze atomice mici, densitati si duritati mari, temperaturi de topire si de firbere ridicate, precum si o
rezistenta remarcabila la solicitarile mecanice exterioare.
Spre deosebire de legaturile covalente, legaturile metalice sunt nesaturate, nelocalizate si nedirijate in
spatiu, ceea ce ar explica plasticitatea metalelor.
LEGĂTURILE INTERATOMICE
LEGATURA COVALENTA POLARA
Intre un atom cu electronegativitate relativa mare si un atom cu χ mai mica
Exemplu: la polimeri C – O – C; χC = 2.5; χO = 3.5
Se realizează doar între atomi ai nemetalelor
din specii diferite.
Fiecare dintre cei doi atomi pune în comun
câte un electron, dar atomul care are
electronegativitatea mai mare atrage mai
puternic perechea formată.
Partajare “inegala” a electronilor de valenta.
LEGĂTURILE INTERATOMICE
LEGATURA DE HIDROGEN
Între atomi puternic electronegativi (O, N, F) dintr-o
moleculă şi un atom de hidrogen legat covalent de
atomi puternic electronegativi în altă moleculă.
Importanta la polimeri – legare transversală.
Acid carboxilic - dimeri
LEGĂTURILE INTERATOMICE
LEGATURA VAN DER WAALS
Acid carboxilic - dimeri
Aplicaţii: Explicarea coeficientului de dilatare liniară
este funcţie de
temperatură