Egzamin materialy id 153600 Nieznany

1. Wymienić cztery podstawowe liczby kwantowe i co określają w atomie?

główna liczba kwantowa n = 1, 2, 3, ... - oznacza numer energii elektronu i przypisuje numer
powłoce elektronowej,

poboczna liczba kwantowa l = 0, 1, ..., n-1 - oznacza numer podpowłoki, do której przypisany

jest elektron; pozwala obliczyć wartość orbitalnego momentu,

magnetyczna liczba kwantowa m = -l, ..., -1, 0, 1, ..., l - oznacza numer rzutu orbitalnego

momentu pędu na wybraną oś; pozwala obliczyć wartość rzutu momentu pędu

spinowa liczba kwantowa s - jest stałą liczbą dla danej cząstki; pozwala obliczyć wartość spin

cząstki ze wzoru

; w przypadku elektronu

, stąd

2. O czym mówi zakaz Pauliego, ile elektronów może być maksymalnie na powłokach,

począwszy od czwartej, na ostatniej i na przed ostatniej?

Zakaz Pauliego - obowiązuje w atomach wieloelektronowych, zgodnie z którym w atomie żadne
dwa elektrony nie mogą znajdować się w stanie opisanym przez te same liczby kwantowe. Dwa
elektrony muszą różnić się wartością, co najmniej jednej liczby kwantowej.
Maksymalną liczbę elektronów oblicza się ze wzoru:

, na czwartej powłoce 32 elektronów, na

ostatniej w zależności od grupy, w której znajduję się pierwiastek (nr grupy - liczba elektronów, nr
grupy powyżej 10 - nr grupy-10), na przed ostatniej wyznaczamy odejmując liczbę elektronów z
poprzednich powłok i z ostatniej powłoki od liczby atomowej. Powłoki oznacza się począwszy od
litery K, kolejnymi literami alfabetu.

3. Rozpisać elektrony na powłokach np. dla l. at. 37, 85, itp.

Rozpisywanie

elektronów

powłokach

rozpoczynamy

od:

a) rozpisania istniejących powłok (ilość powłok poznajemy po nr okresu)
b) rozmieszczenia elektronów na ostatniej powłoce, a następnie na powłokach najbardziej
wewnętrznych, poczynając od powłoki K, zgodnie ze wzorem: liczba elektronów=2n

Na ostatniej powłoce, zwanej powłoką walencyjną, znajdują się elektrony nazywane
elektronami walencyjnymi. Liczba tych elektronów równa jest numerowi grupy dla grup od
nr 1 do 2, oraz nr grupy-10, dla grup o numerze większym od 10. Pierwiastki z grup od 3 do
12 są pierwiastkami grup pobocznych. Dla tych pierwiastków (z grup od 3 do 10) ilość
elektronów na ostatniej powłoce równa jest zawsze 2 (wyjątkiem są pierwiastki grupy 11,
dla których ilość elektronów na ostatniej powłoce równa jest 1, ale one uwzględnione są w
podanej wyżej regule.
Dla przykładu rozpatrzmy rozmieszczenie elektronów (konfigurację elektronową) na
powłokach dla argonu

Ar i

Mn Argon leży w 3 okresie i 18 grupie, liczba atomowa 18.

Ma więc 3 powłoki (3 okres) K, L, M. Na ostatniej powłoce ma 18-10=8 elektronów, a na
pierwszej (K) 2 elektrony: K

. Z rachunku wynika, że na powłoce L musi mieć 18-2-

8=8elektronów.

Konfiguracja

elektronowa

argonu

Mangan leży w 4 okresie i 7 grupie. Ma więc 4 powłoki: K, L, M, N, a na ostatniej 2
elektrony. Jego konfigurację możemy już zapisać w postaci: K

, co daje 2+8+2=12

elektronów. Wszystkich elektronów posiada 25, czyli na powłoce M znajduje się 25-12=13
elektronów. Konfiguracja elektronowa manganu to: K

4. Wymienić i scharakteryzować rodzaje wiązań chemicznych.

wiązanie jonowe - Wiązanie jonowe powstaje między atomami, które znacznie różnią
się elektroujemnością (różnica elektroujemności jest większa od 1,4). Atomy jednego
pierwiastka (określonego jako elektrododatni) tracą swoje elektrony walencyjne na rzecz
atomów drugiego z pierwiastków (elektroujemnego). Utworzone w taki sposób jony,
dodatni i ujemny, przyciągają się dzięki działaniu sił elektrostatycznych.

wiązanie atomowe, kowalencyjne - Wiązanie takie spotykane jest dosyć rzadko. Powstaje
ono między atomami tego samego pierwiastka i jest wiązaniem apolarnym. Najczęściej
spotykane jest w pierwiastkach występujących w stanie gazowym, np. Cl

, O

, N

czy I

W takim przypadku atomy uzyskują konfigurację gazu szlachetnego poprzez utworzenie
jednej lub więcej wspólnych par elektronowych, które wchodzą jednocześnie w układy
elektronowe obu łączących się atomów. Każdy z nich dostarcza tej samej liczby
elektronów.

wiązanie kowalencyjne spolaryzowane - Wiązanie to różni się od wiązania atomowego
tym, że tworzą je atomy różnych pierwiastków (których różnica elektroujemności nie jest
duża; wynosi od 0,4 do 1,4). W tym przypadku para elektronowa, która łączy atomy, jest
przesunięta w kierunku atomu pierwiastka o większej elektroujemności. W wyniku tego
przesunięcia tworzy się układ dipolowy i zatracona zostaje równowaga elektryczna. Jeden
atom zyskuje ładunek δ

, natomiast drugi δ

. Jako całość cząsteczka jest nadal elektrycznie

obojętna, ale w wyniku tego przesunięcia niektóre jej miejsca są w większym stopniu
podatne na reakcje chemiczne. Miarą przesunięcia ładunku elektrycznego jest moment
dipolowy. Jest to iloczyn wartości bezwzględnej ładunku elektrycznego zawartego
w jednym z biegunów dipola, oraz odległości między biegunami. W jednostkach
SI moment dipolowy wyrażany jest w kulombometrach [C × m].

wiązanie wodorowe - Jeśli w substancji obecne są atomy wodoru powiązane z atomami
pierwiastków silnie elektroujemnych (np. fluor, azot lub tlen) między cząsteczkami może
się wytworzyć specyficzne wiązanie, tzw. wiązanie wodorowe. Oddziaływanie to jest
dosyć słabe i występuje między atomem wodoru przyłączonym do atomu pierwiastka
o dużej elektroujemności, a elektroujemnym atomem, który w swej powłoce walencyjnej
posiada elektrony, nie biorące udziału w wiązaniu (wolne pary elektronowe). Atom
wodoru zajmuje więc pozycję między dwoma elektroujemnymi atomami, które należą
do dwóch różnych cząsteczek. Oddziaływanie między tymi cząsteczkami polega przede
wszystkim na elektrostatycznym przyciąganiu dipoli, których dodatnim biegunem jest
atom wodoru, a ujemnym związany z nim atom fluoru, tlenu lub azotu. Wiązania takie
tworzą się zarówno między cząsteczkami nieorganicznymi jak i organicznymi i pełnią
ważną rolę w układach biologicznych. Łączenie się pojedynczych cząsteczek związków
chemicznych w większe zespoły to asocjacja. podatne są na nią przede wszystkim związki
polarne, w których możliwe jest utworzenie wiązania wodorowego (woda, alkohole).

wiązanie koordynacyjne - Wiązanie to zwane jest inaczej wiązaniem donorowo-
akceptorowym. Polega ono na uwspólnieniu elektronów, jednak w odróżnieniu
od wiązania kowalencyjnego, elektrony pochodzące tylko od jednego atomu (zwanego
donorem) są wykorzystywane również przez drugi atom (akceptor).

wiązanie metaliczne - Wiązanie metaliczne powstaje w wyniku przyciągania elektrycznego
jąder atomowych i swobodnych elektronów, znajdujących się w zewnętrznych powłokach
elektronowych atomów. Wiązanie takie spotyka się w przypadku metali czystych,
ich stopów i związków międzymetalicznych.

oddziaływania van der Waalsa (międzycząsteczkowe) - Takie słabe oddziaływania,
występują pomiędzy dwoma wzbudzonymi, albo jednym wzbudzonym i jednym trwałym
dipolem. Cząsteczki, które maja trwały moment dipolowy, mogą powodować powstanie
momentu w cząsteczkach bez trwałego momentu dipolowego.

5. Co to jest uporządkowanie bliskiego i dalekiego zasięgu i jakich materiałów dotyczy,

co to jest metamorfizm materiału, podać przykłady?

Uporządkowanie dalekiego zasięgu – regularne uporządkowanie cząsteczek, atomów lub
jonów w materiałach, występujące w obszarze, którego rozmiar w najdłuższym kierunku
jest wielokrotnie większy od rozmiarów porządkujących się cząsteczek. Zwykle przyjmuje

się, że uporządkowanie jest dalekozasięgowe, gdy regularne struktury w materiale
występują na odległościach nie mniejszych niż 100-200 nanometrów. Tego rodzaju
uporządkowanie jest obserwowane głównie w ciałach stałych, posiadających dającą się
zidentyfikować (np. rentgenograficznie) strukturę krystaliczną.

6. W oparciu o model pasmowy przedstawić izolator, przewodnik i półprzewodnik.

Izolatory (dielektryki) - Poziom Fermiego w izolatorach znajduje się w okolicy granicy
pasma walencyjnego, a pasmo wzbronione jest szerokie. Powoduje to, że elektrony nie mogą
łatwo zwiększać swojej energii (ponieważ najpierw muszą przeskoczyć do pasma
przewodnictwa).
Przewodniki - W przewodnikach poziom Fermiego znajduje się w obszarze poziomu
przewodnictwa, dzięki czemu elektrony przewodnictwa mogą swobodnie poruszać się w
obrębie materiału (ponieważ łatwo mogą przechodzić do wyższego poziomu energetycznego)
Półprzewodniki samoistne - W półprzewodniku poziom Fermiego położony jest podobnie
jak w przypadku izolatorów, jednak przerwa energetyczna (szerokość pasma wzbronionego)
jest niewielka (umownie za półprzewodnik przyjmuje się ciało, w którym szerokość pasma
wzbronionego jest mniejsza niż 2 eV

[1]

). W półprzewodnikach samoistnych część elektronów

przechodzi do pasma przewodnictwa dzięki energii termicznej lub np. wzbudzeń fotonowych.
Przewodnictwo w półprzewodnikach samoistnych ma charakter pół na pół elektronowo-
dziurowy.

7. Co to są parametry sieci ?

Długości krawędzi komórki elementarnej (odległości jednostkowe na osiach
krystalograficznych),
Kąty pomiędzy osiami.

8. Narysować komórki i podać współrzędne węzłów np. 0 -1 2, -1 0 1.

9. Podać symbole i narysować 4 podstawowe komórki sieci Bravais'a.

Sposoby centrowania:
P - prymitywne:
C - w podstawach
F - na wszystkich ścianach
I - przestrzenne

10. Podać zasadę obliczania ilości atomów przypadających na komórkę, co to jest liczba

koordynacyjna i stopień wypełnienia komórki sieciowej?

Liczba atomów w komórce elementarnej obliczamy przyjmując:
wewnątrz - 1, na ścianie - 1/2, na krawędzi - 1/4, w wierzchołku - 1/8.
np. komórka regularna, wewnętrznie centrowana:

Liczba koordynacji - Jest to liczba bezpośrednich wiązań σ występujących między
centralnym atomem a ligandami do niego przyczepionymi.
Stopień wypełnienia komórki sieciowej - stosunek objętości atomu do objętości
elektronów.

11. Wymienić 7 układów i podać parametry komórek dla tych układów.

regularny

a = b = c

α = β = γ = 90°

tetragonalny

a = b ≠ c

α = β = γ = 90°

rombowy

a ≠ b ≠ c

α = β = γ = 90°

jednoskośny

a ≠ b ≠ c ≠ a α = γ = 90°; β ≠ 90°

trójskośny

a ≠ b ≠ c ≠ a

α ≠ β ≠ γ ≠ α
α, β, γ ≠ 90°

heksagonalny

a = b ≠ c

α = β = 90°; γ = 120°

trygonalny
(romboedryczny)

a = b ≠ c
(a = b = c)

α = β = 90°; γ = 120°
(α = β = γ ≠ 90°)

12. Narysować kierunki krystalograficzne dla współrzędnych np. [01-1] i [00-2].

13. Podać zasadę wskaźnikowania płaszczyzn wskaźnikami Millera.

Płaszczyzna przecina osie kryształu w pewnych punktach, odcinając odcinki o pewnej
długości. Stosunki stałej sieciowej do długości tych odcinków, pomnożone przez stałą dają
wskaźniki Millera tej płaszczyzny. Stała musi być tak dobrana, aby wskaźniki miały jak
najmniejszą wartość bezwzględną. W przypadku, gdy płaszczyzna jest równoległa do którejś
z osi, to punkt przecięcia znajduje się w nieskończoności, co daje wskaźnik Millera równy 0.
Wskaźniki Millera dla płaszczyzn umieszcza się w nawiasach okrągłych (). Umieszczenie ich
w nawiasach klamrowych {} wskazuje, że opisywana płaszczyzna jest ścianą kryształu.

14. Narysować płaszczyzny np. (120) i (1-10) (10-10).

15. Narysować luki tetraedryczne i oktaerdyczne dla sieci A1 i A2.

16. Co to jest monokryształ a co polikryształ?

Monokryształ – materiał będący w całości jednym kryształem (np. kryształ cukru, soli,
półprzewodnika). Monokryształ może zawierać w całej swej objętości niewielką ilość
defektów tejże struktury, a jego zewnętrzna forma nie musi odzwierciedlać struktury
krystalicznej.
Polikryształ - ciało stałe, będące zlepkiem wielu monokryształów, zwanych w tym
przypadku domenami krystalicznymi lub ziarnami. Domeny w polikrysztale mają zwykle
orientację statystyczną, choć w pewnych, szczególnych warunkach można także uzyskać

polikryształy o bardzo regularnym układzie domen. Określony układ domen tworzy tzw.
mikrostrukturę polikryształu.

17. Dokonać podziału defektów struktury kryształów.

1) Punktowe:

a) wakanse, luki – wolne miejsca w sieci krystalicznej,
b) wyjście atomu na powierzchnie kryształu,
c) atomy międzywęzłowe – opuszczające węzły np. wskutek drgań cieplnych,

2) Liniowe – inaczej dyslokacje:

a) krawędziowe – poprzez wprowadzenie ekstrapłaszczyzny między nieco rozsunięte

płaszczyzny sieciowe, miarą dyslokacji jest wektor Burgersa, wyznaczony poprzez
kontur Burgersa i prostopadły do linii dyslokacji krawędziowej,

b) śrubowe – powstają w wyniku przesunięcia płaszczyzn atomowych, wektor Burgersa

równoległy do linii dyslokacji śrubowej,

c) mieszane – śrubowa i krawędziowa występujące w strukturach rzeczywistych,

3) Powierzchniowe:

a) granice ziaren – wąska strefa materiału,w której atomy są ułożone w sposób

chaotyczny. Gdy kąt między dwoma sąsiednimi kierunkami krystalograficznymi jest:
i) większy od 15° to szerokokątowa granica,
ii) mniejszy – wąskokątowa,

b) granice międzyfazowe:

i) koherentne – atomy granicy ziarna są wspólnymi atomami obydwóch ziarn,
ii) półkoherentne,
iii) zerwanie koherentności - największe umocnienie,

c) błąd ułożenia – wskutek dyslokacji krawędziowej, EBU – energia błędu ułożenia,

18. Wymienić i wyjaśnić, na czym polegają defekty punktowe w kryształach.

Patrz pytanie 17.

19. Wymienić i wyjaśnić na czym polegają defekty liniowe w kryształach.

Patrz pytanie 17.

20. Jak defekty wpływają na właściwości mechaniczne i elektryczne materiałów (metali).

Wpływ defektów na właściwości mechaniczne:
Defekty punktowe ułatwiają dyfuzję atomów,
Defekty liniowe (dyslokacje) ułatwiają odkształcanie metali (obróbkę plastyczną),
Defekty powierzchniowe (granice ziaren) umacniają materiał.
Wpływ defektów na właściwości elektryczne:

Mogą zmniejszać przewodnictwo elektryczne (zwiększać jego opór),

Mogą zwiększać przewodnictwo,

Mogą zwiększać przewodnictwo elektronowe (w półprzewodnikach czyli
materiałach kowalencyjnych),

Mogą zwiększać przewodnictwo jonowe (w materiałach jonowy).

21. Wymienić i wyjaśnić, na czym polegają wtrącenia koherentne, niekoherentne i

półkoherentne w kryształach.

Granice międzyfazowe dzielimy na koherentne, niekoherentne i półkoherentne. Koherentne
powstają w początkowych stadiach wydzielania nowej fazy (np. przy starzeniu). W dążeniu
do zmniejszenia energii nowo powstałej granicy obie fazy przyjmują względem siebie taką
orientację, aby atomy w granicy należały jednocześnie do obydwóch sieci, przy minimalnym
ich zniekształceniu. Taki stan może jednak istnieć tylko wówczas, gdy wydzielone cząstki są
małe i mają płaskie granice. Wówczas energia granicy jest mała, ale w miarę wzrostu cząstek
zwiększa się sprężyste odkształcenie sieci, gdyż nigdy odległości międzyatomowe w
obydwóch fazach nie są idealnie zgodne. Przy pewnym poziomie tych naprężeń powstają
dyslokacje, które zmniejszają naprężenia, ale zwiększają energię granicy i mamy wówczas do
czynienia z granicą częściowo koherentną. Przy dalszym wzroście cząstek nowej fazy i
przyjęciu przez nie kształtu kulistego (sferoidyzacji) sprzężenie między fazami znika zupełnie
i granica staje się niekoherentna. Energia niekoherentnych granic międzyfazowych jest
zbliżona do energii granic ziaren dużego kąta.

22. Co to jest faza? Co to jest stop? Podać regułę Gibbsa dla faz.

Faza jest to jednorodna część stopu, oddzielona od pozostałej jego części granicą
międzyfazową. Zbiór faz znajdujący się w stanie równowagi termodynamicznej nazywamy
układem.
Stop – tworzywo składające się z metalu stanowiącego osnowę, do którego wprowadzono, co
najmniej jeden pierwiastek (metal lub niemetal) w celu zmiany jego właściwości w żądanym
kierunku.
Reguła faz Gibbsa – zależność obowiązująca dla każdego układu będącego w równowadze
termodynamicznej, łącząca liczbę faz w układzie, liczbę składników niezależnych oraz liczbę
stopni swobody

[1]

gdzie:

– liczba stopni swobody, czyli liczba zmiennych intensywnych, które można

zmieniać bez jakościowej zmiany układu (bez zmiany liczby faz w równowadze)

– liczba niezależnych składników, a więc takich, które nie dają się określić za

pomocą zależności chemicznych poprzez stężenia innych składników (niezależnych).

– liczba faz, a więc postaci materii jednorodnej chemicznie i fizycznie (np. roztwór,

faza gazowa, kryształy o określonym składzie)

23. Co to jest roztwór stały, różnowęzłowy, pustowęzłowy i międzywęzłowy.

Różnowęzłowy - atom drugiego pierwiastka zajmuje położenie węzłowe w miejscu atomu
pierwszego piewrwiastk,
pustowęzłowy - brak atomu w węźle,
międzywęzłowy - atom drugiego pierwiastka zajmuje położenie międzywęzłowe, pomiędzy
atomami pierwszego pierwiastka.

24. W oparciu o schemat, wyjaśnić rozpuszczalność ograniczoną i nieograniczoną

roztworów stałych.

25. Czynniki sprzyjające tworzeniu się roztworów stałych nieograniczonych.

Roztwory stałe nieograniczone mogą tworzyć ze sobą tylko te pierwiastki, które mają
jednakowy typ sieci krystalicznej, zbliżone wielkości średnic atomowych (różniące się nie
więcej jak o 10-15%), jednakową wartościowość i są do siebie podobne pod względem
charakteru elektrochemicznego.

26. Co tą są fazy między metaliczne?

Faza międzymetaliczna – to faza stała, której sieć krystaliczna i właściwości są pośrednie
między roztworem stałym i związkiem chemicznym.
Cechy charakterystyczne

[1]

struktura fazy międzymetalicznej różni się od struktury każdego z jej składników

atomy każdego ze składników są rozmieszczone równomiernie, uporządkowane w
skali międzyatomowej (np. Fe

występuje przewaga wiązania metalicznego

wzajemne ilości składników nie wynikają z wartościowości chemicznej

27. Podać regułę dźwigni dla faz.

Reguła dźwigni – zasada interpretacji wykresów fazowych, umożliwiająca określanie
udziałów dwóch faz znajdujących się w stanie równowagi w obszarach współistnienia.
Użycie pojęcia "dźwignia" wskazuje analogię do klasycznej dźwigni – podstawowej
maszyny prostej, która znajduje się w równowadze mechanicznej, gdy są sobie równe
iloczyny siły (F) przez długość ramienia (r).

Jak widać, aby określić skład chemiczny współistniejących faz w danej temperaturze ty, należy dla tej
temperatury przeprowadzić linię równoległą do osi składów. Rzuty punktów przecięcia tej linii z
krzywymi ograniczającymi obszar dwufazowy na oś składów, określają skład faz. Na rysunku przez x
oznaczono skład stopu, przez x1 — skład fazy stałej α, a przez x2- skład fazy ciekłej.

28. Co to jest mieszanina eutektyczna i eutektoidalna?

Eutektyka (eutektyk, mieszanina eutektyczna) – mieszanina dwóch lub więcej faz o
określonym składzie, która wydziela się z roztworów ciekłych w pewnej temperaturze,
zwanej temperaturą eutektyczną. Mieszanina ta jest produktem przemiany eutektycznej.
Nazwa wywodzi się z greckiego słowa eutektos, co znaczy „łatwo topliwy”.
Eutektoid (eutektoida, mieszanina eutektoidalna) - drobnokrystaliczna mieszanina dwóch
lub więcej faz przypominająca budową mieszaninę eutektyczną, ale powstała w stanie stałym.

29. Wymienić odmiany alotropowe żelaza, podać zakresy temperatur i parametry

komórek.

żelazo alfa (α), temp. poniżej 911 °C, sieć RPC

żelazo beta (β), temp. od 768 °C do 911 °C, sieć RPC

żelazo gamma (γ), od 911 °C do 1392 °C, sieć RSC

żelazo delta (δ), temp. od 1392 °C do temperatury topnienia, sieć RPC

30. W jakiej postaci może występować węgiel w stopie żelazem?

W postaci węgla czystego - grafitu, roztworu stałego w sieci krystalicznej ferrytu lub

austenitu,

Jako węglik żelaza, np. Fe

C, zwanego cementytem.

31. Co to są diamagnetyki, paramagnetyki i ferromagnetyki?

Diamagnetyki – substancje wykazujące zjawisko diamagnetyzmu, polegające na indukcji
w ciele znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym pola przeciwnego,
osłabiającego działanie zewnętrznego pola. są to gazy, ciecze oraz ciała stałe złożone z
atomów (cząsteczek) nie mających stałego momentu magnetycznego (spin całkowity
równa się zeru). Ciała o przenikalności magnetycznej mniejszej niż przenikalność
magnetycznej próżni i ujemnej podatności magnetycznej.
Paramagnetyki – substancje wykazujące zjawisko paramagnetyzmu, polegające na
magnesowaniu się makroskopowego ciała w zewnętrznym polu magnetycznym w
kierunku zgodnym z kierunkiem pola zewnętrznego, jest on przyciągany przez magnes,
jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyk.
Ferromagnetyk – ciało, które wykazuje własności ferromagnetyczne. Znajdują się w nim
obszary stałego namagnesowania (tzw. domeny magnetyczne), wytwarzające wokół siebie
pole magnetyczne (jak małe magnesy). Do ferromagnetyków należą m.in. żelazo, kobalt,
nikiel i niektóre stopy oraz metale przejściowe z grupy żelaza i metale ziem rzadkich.

32. Wymienić wielkości opisujące pętlę histerezy magnetycznej.

Na pętli histerezy magnetycznej wyróżnia się trzy punkty: a- określa on stan nasycenia,
dalszy wzrost wartości pola magnesującego nie powoduje wzrostu namagnesowania; b -
namagnesowanie szczątkowe (resztkowe), czyli namagnesowanie, jakie zachowuje
ferromagnetyk po usunięciu pola magnesującego, i c - tzw. pole koercji, tj. pole
magnesujące, jakie trzeba przyłożyć w przeciwnym kierunku, aby usunąć namagnesowanie
resztkowe.

33. Narysować układ żelazo-cementyt, scharakteryzować poszczególne fazy Fe-C.