Wiązania między atomami

• Występują dwa główne rodzaje wiązań między atomami:

– Mocne wiązania pierwotne
– Słabe wiązania wtórne

• Wiązania pierwotne występują jako:

– Wiązania jonowe
– Wiązania atomowe (kowalencyjne)
– Wiązania metaliczne

• Wiązania wtórne (van der Waalsa) mogą się tworzyć

między atomami lub cząsteczkami charakteryzującymi
się trwałymi lub chwilowymi dipolami elektrycznymi.
Tzn. że, mają zaznaczone bieguny elektryczne co
umożliwia łączenie się cząsteczek i tworzenie kryształu.

Wiązania wtórne (van der

Waalsa)

• Wiązania wtórne mogą się tworzyć między atomami lub

cząsteczkami charakteryzującymi się trwałymi lub
chwilowymi dipolami elektrycznymi.

• (dipolem elektrycznym nazywa się układ dwóch równej

wielkości, lecz o przeciwnym znaku, ładunków
elektrycznych, znajdujących się w niewielkiej od siebie
odległości).

• Mechanizm wiązań wtórnych polega na elektrostatycznym

przyciąganiu się ładunków przeciwnych i pod tym
względem jest podobny do wiązań jonowych.

• Dwa rodzaje wiązań wtórnych:

– Wiązania między dipolami chwilowymi
– Wiązania między dipolami trwałymi

Wiązania wtórne (van der Vaalsa)

• Atom Ar (argonu) – wiązanie chwilowe
• -------------
• ( (+) (-) )
• --------------
• (+) Środek ładunku dodatniego (jądra)
• (-)Środek ładunku ujemnego (elektronów)
• Jeżeli w pobliżu atomu dipola znajdzie się drugi atom Ar, to na

skutek oddziaływania elektrostatycznego środek ładunku
ujemnego środek ładunku ujemnego w tym drugim atomie
zostanie również przesunięty względem środka dodatniego.

• ( (+) (-) ) <wiązanie wtórne> ( (+) (-) )
• Między 2 atomami Ar wystąpi przyciąganie (trwały dipol.)
• Przesunięcie ładunków przeciwnych w sąsiednim atomie

spowodowane jest oddziaływaniem elektrostatycznym.

Wiązania wtórne (van der

Waalsa)

• Wiązania wtórne występują między

wszystkimi atomami lub cząsteczkami, jeżeli
występuje choć jedno z trzech wiązań
pierwotnych (jonowe, atomowe, metaliczne).

• Wiązania wtórne występują:

– Między atomami gazów szlachetnych, które mają

stabilną strukturę elektronową,

– Między cząsteczkami utworzonymi w wyniku

wiązań atomowych (kowalencyjnych) np. w
polimerach.

Struktura materiału

• Struktura jest to sposób ułożenia atomów, faz, ziarn

w przestrzeni lub na powierzchni płaskiego zgładu z
uwzględnieniem ich relacji, wielkości, kształtu,
orientacji.

• Struktura amorficzna (bezpostaciowa) Bezładne,

przypadkowe rozmieszczenie atomów lub
cząsteczek w przestrzeni. Charakteryzują się
mniejszą gęstością wypełnienia przestrzeni w
porównaniu z materiałami krystalicznymi. Do ciał
amorficznych należą szkła i
wielocząsteczkowe polimery.

• Struktura krystaliczna

Monokryształ

• Schemat budowy monokryształu (wygląda jak

kratki na kartce papieru, jak tablica).

• Metale w stanie stałym mogą występować jako:

– Monokryształy, które charakteryzują się

prawidłowym rozmieszczeniem przestrzennym
atomów z zachowaniem jednakowej orientacji
wszystkich elementarnych komórek sieciowych w
całej objętości kryształu, właściwości monokryształu
są anizotropowe,

– Anizotropowe – w określonym kierunku powtarzalne.

Polikryształ, granice ziaren

• Schemat budowy polikryształu
• Schemat struktury polikrystalicznej

metali

• Tabele są pochylone względem

siebie, tak, że kierunki się nie
powtarzają.

• Metale w stanie stałym mogą występować jako:

– Polikryształy; składają się z ziarn, a każde ziarno ma w

przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną, właściwości
polikryształu są izotropowe, (składa się z wielu
monokryształów[ziaren]). W większości metali i ich
stopów.

– Granice ziarn oddzielają poszczególne ziarna od siebie. Dzieje

się tam wiele procesów, na granicach zapoczątkowują się
procesy przemian, zarodkowania, ponieważ jest tam miejsce
energetyczne, dzięki pustym miejscom możemy tam coś
wprowadzić.

– W polikrysztale w obrębie ziarn wyróżnia się podziarna

ułożone względem siebie pod bardzo małymi kątami (kilka
minut do kilku stopni)(można je zaobserwować pod
mikroskopami elektronowymi).

Granice ziaren

• Zakłócenie budowy krystalicznej
• Granica szerokokątowa
• <prostokąty z kulek, które nachodzą na

siebie pod pewnym kątem).

• Granica wąskokątowa
• W idealny prostokąt wpychamy jeszcze kilka

atomów, co powoduje powstanie trapezu
(dyslokacja). W szerokości ziarna jest więcej
atomów u góry niż na dole.

Granice ziaren w materiale

polikrystalicznym

• Podstawowy kształt ziaren to

sześcioboczki spłaszczone.

• W mikroskopie optycznym(a)
• W mikroskopie elektronowym

transmisyjnym(b).

Udowa materiałów

• Należy rozpatrzyć budowę

materiałów na poziomie:

• Makrostruktura,
• Mikrostruktura,
• Nanostruktura.

Makrostruktura &

mikrostruktura

• Makrostruktura materiału – elementy struktury widoczne

nieuzbrojonym okiem lub przy użyciu przyrządów optycznych
dających obraz powiększony nie więcej niż 30x. (Badania
makroskopowe).

• Mikrostruktura materiału – elementy struktury widoczne przy użyciu

mikroskopów dających powiększenie większe niż 30x.
(Do około 1000x).

• Metalografia jest jedną z metod badania makrostruktury i

mikrostruktury materiałów metalowych. Badania metalograficzne
polegają na oględzinach obiektów lub preparatów i wnioskowaniu na
podstawie obrazu i analizy poszczególnych jego fragmentów o
strukturze.

• Przygotowanie zgładu metalograficznego który ujawni nam granice

ziaren.

• Wyróżnia się badania metalograficzne makroskopowe i mikroskopowe.

Nanostruktura

• Nanostruktura – występuje w nanomateriałach,

którymi nazywa się polikrystaliczne ciała stałe, w
których jeden z charakterystycznych wymiarów nie
przekracza 10nm.

• (1nm = 10(-9)m) przynajmniej w jednym kierunku.

Można obejrzeć w mikroskopach elektronowych.(do 3
milionów razy powiększenia).

• Wymiarem jest wielkość ziaren, a także grubość

warstw wytworzonych lub nałożonych na podłożu.

• Nanostruktura to cienkie warstwy w wymiarach

nanometrycznych.

• Nanometryczne pokrycie na biomateriałach.

Nanostruktura

• Pojęcie nanomateriałów obejmuje tworzywa

konstrukcyjne i funkcjonalne, takie jak: metale,
ceramika i tworzywa sztuczne. Można je odnieść
do układów biologicznych i medycznych.

• <wymiary bakterii itd.>
• Porównując materiały poliktrystaliczne z

nanokrystalicznymi, warto zwrócić uwagę na
liczbę atomów w każdym z nich.

• Przykładowo w 1 mm(3) diamentu jest: 176

bilionów atomów węgla, w 1 nm(3) jest tylko 176.

Budowa wewnętrzna

materiałów

• Komórki jednostkowe (elementarne)

– Typy sieci krystalograficznych (komórek

elementarnych).

• Mają znaczenie:

– W procesach odkształcenia plastycznego,
– Przy termicznej trwałości wiązań,
– W możliwościach modyfikacji składu

chemicznego,

– Zmianach typu i sił wiązań

międzyatomowych, międzycząsteczkowych.

Typy sieci i układy

krystalograficzne

• Znamy 7 układów i 14 typów sieci

krystalograficznych.

• Krystalografia – budowa

elementarnych składników
materiałów komórek.