Budowa atomów, wiązania
1. Budowa atomu.

Atom, to najmniejsza cząstka materii zdolna do samoistnego występowania w przyrodzie i zachowująca indywidualne cechy pierwiastka.

Model Bohra:

1. Elektron może poruszać się tylko po pewnych dozwolonych orbitach.

2. Pomimo, że elektron doznaje przyspieszenia (poruszając się po takiej orbicie), to jednak nie wypromieniowuje energii. A zatem jego całkowita energia pozostaje stała.

3. Promieniowanie elektromagnetyczne zostaje wysłane tylko gdy elektron poruszający się po orbicie o całkowitej energii Ej , zmienia swój ruch skokowo, tak że porusza się następnie po orbicie o energii

Ek. Częstotliwość emitowanego promieniowania jest równa: v = (Ej - Ek)/h

Atomy pierwiastków chemicznych różnią się między sobą liczbą zawartych w ich jądrze protonów, która nosi nazwę liczby atomowej. Liczba zawartych w jądrze atomu neutronów może być różna dla danego pierwiastka – ma to miejsce w przypadku izotopów. Izotopy mają takie same własności chemiczne ale różne własności fizyczne. Liczba masowa pierwiastka to liczba zawartych w jądrze nukleonów (protonów i neutronów).

2. Wyjaśnić znaczenie liczb kwantowych.

Wokół jądra krążą elektrony, które są rozmieszczone na odpowiednich powłokach elektronowych. Położenie elektronów na powłokach jest ściśle określone za pomocą tzw. „liczb kwantowych”.

W odosobnionym atomie pierwiastka istnieje zasada zwana zakazem Pauliego, według której

żaden atom nie może mieć elektronów opisanych przez cztery identyczne liczby kwantowe.

GŁÓWNA LICZBA KWANTOWA n – przybiera wartości kolejnych liczb naturalnych 1,2,3,4,…n.

Określa ona numer porządkowy powłoki elektronowej atomu. Powłoki są oznaczane kolejno literami: K,L,M,N,O,P,Q. Poszczególnym powłokom odpowiadają określone, coraz to wyższe poziomy energetyczne. Przejściu elektronu z orbity na orbitę towarzyszy wchłonięcie, lub wypromieniowanie ściśle określonej porcji energii zwanej kwantem energii. Wchłonięcie energii powoduje przejście elektronu na orbitę bardziej oddaloną od jądra. Powrót elektronu na orbitę bliższą jądra wiąże się

z wypromieniowaniem kwantu energii.

POBOCZNA (ORBITALNA) LICZBA KWANTOWA l – określa istnienie w powłokach warstw orbit (podpowłok). Może przybierać n wartości całkowitych od 0 do n-1. Warstwy orbit

odpowiadające kolejnym wartościom l oznaczane są literami: s, p, d, f, g, h, i. Orbity mają kształt kołowy dla l=0 (orbita s) oraz eliptyczny dla l=1,2..

3. Wyjaśnić na czym polega wiązanie kowalencyjne.

Uzyskiwanie stałej konfiguracji walencyjnej poprzez uwspólnienie elektronów – co prowadzi

do wiązań kowalencyjnych (homopolarnych).

Występują w cząsteczkach złożonych z tego samego pierwiastka (substancje proste np. H2, O2 ,N2 ). Powstają wskutek uwspólnienia elektronów, które tworzą dublet elektronowy. Dublet tworzy wspólną dla całej cząsteczki, całkowicie zapełnioną powłokę elektronową. Para elektronów należy do obu atomów i krąży po torze eliptycznym wokół obu jąder. Dublet może być utworzony przez elektrony posiadające trzy takie same liczby kwantowe, różniące się spinem.

4. Wyjaśnić na czym polega wiązanie jonowe.

Uzyskiwanie stałej konfiguracji walencyjnej poprzez wymianę elektronów –prowadzi to do

wiązań jonowych (heteropolarnych),

Powinowactwo chemiczne zachodzi między atomami elektrododatnimi i elektroujemnymi. Oktet elektronowy uzyskiwany jest poprzez międzyatomową wymianę elektronów. Siła wiązania polega na elektrostatycznym przyciąganiu się jonów (siłami Coulomba).

5. Wyjaśnić na czym polega wiązanie metaliczne.
ATOMY METALI SĄ UWIĘZIONE WĘZŁACH SIATKI KRYSTALICZNEJ I TWORZĄ „RDZENIE ATOMOWE”. SĄ ONE POZBAWIONE ELEKTRONÓW WALENCYJNYCH, KTÓRE MOGĄ SWOBODNIE PORUSZAĆ SIĘ PO CAŁEJ OBJĘTOŚCI METALU I TWORZĄ TZW. „GAZ ELEKTRONOWY”. ISTOTĄ WIAZANIA JEST ODDZIAŁYWANIE ELEKTROSTATYCZNE MIĘDZY DODATNIMI I UJEMNYMI ŁADUNKAMI.

6. Jakie są podstawowe stany skupienia materii.

STAN GAZOWY charakteryzuje się bardzo dużym współczynnikiem ściśliwości, a takŜe brakiem sprężystości, uporządkowania cząsteczek i stacjonarnych wiązań. W gazach znajduje się średnio 2,7·1025 cząsteczek/m3, co daje odległość między cząsteczkami rzędu 30 angstremów (1Ä=10-8cm).

W CIECZACH w porównaniu z gazami, odległości międzycząsteczkowe są mniejsze, a siły wzajemnego oddziaływania większe. Dlatego ciecze zachowują własną objętość, wykazują niewielką ściśliwość i w porównaniu z gazami mniejszą rozszerzalność termiczną. Każda cząsteczka cieczy przebywa stale w sferze oddziaływania sił przyciągających pochodzących od otaczających ją innych cząsteczek. Przy mniejszych odległościach pojawiają się siły wzajemnego odpychania. Odległość między sąsiednim atomami wynosi średnio kilka angstremów, w 1 m3 znajduje się ok.. 1028 atomów. Cząsteczki nie są związane ze sobą stacjonarnymi, trwałymi wiązaniami. Względne położenia cząsteczek zmieniają się.

STAN STAŁY W odróżnieniu od gazów i cieczy, ciała stałe mają w danej temperaturze określony kształt i objętość. Dzięki bardziej zwartej budowie mają one dużą sztywność, ich gęstość jest mniej zależna od temperatury i ciśnienia niż gęstość cieczy i gazów. W stanie stałym odległość między sąsiednim atomami wynosi średnio kilka angstremów, w 1 m3 znajduje się ok. 1029 atomów. W ciałach stałych cząsteczki są ze sobą związane trwałymi, stacjonarnymi wiązaniami i zajmują stałe względem siebie położenia.

STAN PLAZMY - istnieje jedynie w zakresie niezwykle wysokich temperatur.

7. Scharakteryzować krótko struktury krystaliczne i amorficzne.
STRUKTURY KRYSTALICZNE – tworzone przez zespół powtarzających się regularnie identycznych elementów nazywanych komórkami elementarnymi. Struktury te są anizotropowe.

Przykłady: metale, półprzewodniki

STRUKTURY AMORFICZNE (bezpostaciowe)– tworzone są z atomów drgających wokół punktów rozmieszczonych

chaotycznie w większej przestrzeni. Nie są rozmieszczone w prawidłowej sieci przestrzennej. Brak w nich powtarzalności budowy. Substancje te, określone często jako ciecze przechłodzone o dużej lepkości, wykazują niektóre cechy charakterystyczne dla ciał stałych, jak twardość i zdolność zachowania nie zmienionego kształtu. najłatwiej dostrzegalną włąściwością fizyczną odróżniającą ciała bezpostaciowe od krystalicznego jest brak określonej temperatury topnienie. Ciała bezpostaciowe ogrzewane stopniowo miękną i rozpływają się. Charakteryzują się izotropowością.

Przykłady: ciecze, smoła, tworzywa sztuczne, szkło, stopiona i ochłodzona krzemionka, żywice polimetakrylowe.

8. Na czym polega anizotropia.

Ciała anizotropowe wykazują różne właściwości w zależności od kierunku, w którym dana właściwość jest rozpatrywana.

Przewodniki

1. Wyjaśnić elektronową teoria przewodnictwa.

• POD WPŁYWEM SIŁ POLA ELEKTRYCZNEGO ELEKTRONY SWOBODNE PORUSZAJĄ SIĘ WZDŁUś PRZEWODU, OD ZDERZENIA DO ZDERZENIA, PO BARDZO KRÓTKICH DROGACH.

• MIĘDZY ZDERZENIAMI ICH RUCH JEST PRZYSPIESZONY. ENERGIĘ KINETYCZNĄ ZDOBYWAJĄ OD POLA ELEKTRYCZNEGO.

• WSKUTEK ZDERZENIA Z JONEM ELEKTRON TRACI SWOJĄ CAŁKOWITĄ PRĘDKOŚĆ SKIEROWANĄ I RÓWNOCZEŚNIE PRZEKAZUJE MU PĘD mv .

1. Wyprowadzić wzór na konduktywność przewodników.

j = neϑ eE = mϑv $$\mathbf{j = \ }\frac{\mathbf{n}\mathbf{e}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{\text{mv}}}\mathbf{E =}\frac{\mathbf{n}\mathbf{e}^{\mathbf{2}}\mathbf{\tau}}{\mathbf{m}}\mathbf{E}$$ $$\mathbf{\gamma = \ }\frac{\mathbf{n}\mathbf{e}^{\mathbf{2}}\mathbf{\tau}}{\mathbf{m}}\mathbf{\ \rightarrow \ }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{\gamma}}\mathbf{= \rho}$$	n - koncentracja elektronów e - ładunek elektronu τ – średni czas między zderzeniami ϑ – prędkość elektronu j – gęstość prądu

1. Wyjaśnić pasmową teoria przewodnictwa. Porównać modele pasmowe przewodników, dielektryków i półprzewodników.

PRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE METALI NIE ZALEŻY OD ICH WARTOŚCIOWOŚCI, ALE OD LICZBY WOLNYCH POZIOMÓW ENERGETYCZNYCH, NA KTÓRE MOGĄ PRZEJŚĆ ELEKTRONY WALENCYJNE.

- dielektryk dE > 2eV

- półprzewodnik dE < 2eV

- przewodnik dE = 0 eV

W niecałkowicie zapełnionym paśmie pole elektryczne może spowodować przeniesienie elektronu na sąsiedni poziom energetyczny, tj. wywołać przepływ prądu. W całkowicie zapełnionym paśmie nie może ono zmieniać ani położenia, ani pędu elektronu, a więc nie wywołuje przepływu prądu.

1. Wyprowadzić zależność konduktywności metali od temperatury.

$$\frac{\mathbf{\text{dρ}}}{\mathbf{\text{dT}}}\mathbf{= \ }\mathbf{\text{\ λρ}}$$ $$\int_{}^{}\frac{\mathbf{\text{dρ}}}{\mathbf{\rho}}\mathbf{=}\mathbf{\lambda}\int_{}^{}\mathbf{\text{dT}}$$ lnρ= λT+lnC  lnρ−lnC = λT $$\ln{\frac{\mathbf{\rho}}{\mathbf{C}}\mathbf{= \ \lambda T\ \rightarrow \ }\mathbf{\rho = C}\mathbf{e}^{\mathbf{\text{λT}}}}$$	l- współczynnik rezystywności

1. Wyjaśnić jaka jest zależność konduktywności i współczynnika temperaturowego konduktywności stopów jednorodnych i niejednorodnych od temperatury.

W przypadku gdy stop tworzą metale wzajemnie się rozpuszczające (stop jednorodny) to rezystywność jest w szerokim zakresie składu procentowego wyższa niż rezystywność składników. Przeciwną zależność obserwujemy dla temperaturowego współczynnika rezystywności. W przypadku stopów niejednorodnych rezystywność i współczynnik temperaturowy rezystywności zależy proporcjonalnie od składu procentowego składników.

1. Jaki jest wpływ domieszek na konduktywność miedzi i innych metali.

<to samo co w 5 chyba>

1. Wymagania stawiane materiałom przewodowym. Własności i zastosowanie miedzi, aluminium i stali.

- elektryczne: wysoka konduktywność,

- mechaniczne: wytrzymałość na rozciąganie, giętkość, brak skłonności do „płynięcia”,

- termiczne: wysoka przewodność cieplna, wysoka dopuszczalna temperatura pracy, wysoka temperatura topnienia, łatwa lutowalność i spawalność,

- chemiczne: mała aktywność chemiczna, odporność na korozję,

- ekonomiczne: względnie niski koszt.

1. Stopy miedzi. Własności i przykłady zastosowania.

MOSIĄDZE – zawartość cynku do 40%; wyższa od miedzi wytrzymałość na rozciągnie, mniejsza konduktywność i cena.

-CuZn40Pb2 - śruby toczone, sworznie, nakrętki przewodzące

-CuZn37 - łączniki, oprawy żarówek, bezpieczników

BRĄZY - mniejsza konduktywność niż dla miedzi. W stosunku do mosiądzu większą wytrzymałość, lepszą odporność na korozję, większą odporność na ścieranie i lepsze własności ślizgowe.

-Aluminiowy : w urządzeniach kwasoodpornych.

-Krzemowy : styki sprężynujące,

-Fosforowy : odlewy łożysk tocznych,

-Berylowy : wycinki komutatorów,

-Kadmowy : przewody jezdne trakcji elektrycznej

1. Omówić sposoby łączenia aluminium.

• Lutowanie i spawanie – przy małych obciążeniach.

• Połączenia zaciskowe:

-połączenia śrubowe z podkładkami sprężynującymi

-zwykle złączki karbowane – przy dużych obciążeniach

1. Rodzaje zestyków.

-zestyki rozłączne

-zestyki ślizgowe

1. Wyjaśnić co to jest rezystancja zestykowa, gdzie i dlaczego występuje.

Jest to rezystancja występująca w miejscu połączenia dwóch materiałów.

Składaja sie na nia:

- rezystancja przewężenia przekroju

- rezystancja warstw nalotowej

Zmienia się ona przez:

-opalanie się zestyków

-wędrówki materiałów

-erozja mechaniczna

1. Omówić czynniki wpływające na rezystancję przewężenia i rezystancję warstw nalotowych.

Rezystancja przewężenia zależy od:

-siła docisku

-temperatura styków (im wyższa temp. tym wyższa rez.)

-dokładności obróbki powierzchni

Rezystancja warstw nalotowych zależy od:

-materiału zestyku

-agresywności środowiska

-temperatury

1. Materiały stosowane na zestyki rozłączne.

-srebro

-platyna

-iryd

-wolfram

-mosiądz

-miedź

1. Materiały stosowane na zestyki ślizgowe.

-Metalografitu

-Węglografitu

-Grafitu

-Elektrografitu

Przewodniki specjalne

15. Materiały przewodzące specjalne, ich własności i zastosowanie.

-termobimetale

-termoelektryczne

-grafit (oporniki, elektrody hutnicze, szczotki maszyn elektrycznych)

15. Omówić i wyjaśnić budowę termobimetali, ich zastosowanie, współczynnik ugięcia.

Termobimetal to zwalcowane na gorąco dwie blachy stopowe, różniące się współczynnikami rozszerzalności cieplnej. W wyniku przepływu prądu następuje podgrzanie elementu. Różnice współczynników rozszerzalności powodują, ze między blachami powstają naprężenia wewnętrzne, powodujące wygięcie elementu w stronę metalu o mniejszym wsp. rozszerzalności. Najczęściej stosowane materiały, to stopy żelaza z niklem.

15. Wyjaśnić pojecie kontaktowej różnicy potencjałów.

Między dwoma złączonymi metalami powstaje kontaktowa różnica potencjałów, której wielkość zależy od:

• Pracy wyjścia elektronów z metalu.

• Koncentracji elektronów w metalu.

15. Wyjaśnić zjawisko Seebecka. Podać zastosowania zjawiska.

Złącza mają jednakowe temperatury T1 = T2, stąd różnica napięć między złączami wynosi U12=0 i w układzie prąd nie płynie.

Złącza mają różne temperatury T1!=T2 w układzie istnieje różnica napięć i popłynie prąd elektryczny

U12 != 0

Zjawisko Seebecka jest wykorzystywane w termometrach termoelektrycznych tzw. termoparach lub termoelementach. Przy znanej temperaturze złącza np. T2 (mierzona zwykłym termometrem temperatura otoczenia), znanym wsp. α oraz zmierzonym napięciu UT, można obliczyć temperaturę drugiego złącza.

Korozja

1. Korozja i jej przyczyny.

Korozja, to stopniowe niszczenie metali przez działanie środowiska.

Podczas korozji metal począwszy od swojej powierzchni, ulega przemianie ze stanu metalicznego w stan związany, co prowadzi do uszkodzenia lub zniszczenia. Korozję wywołują reakcje zachodzące na granicy ciało stałe-ciecz (lub gaz), w wyniku czego powstają związki bliższe występującym w przyrodzie. Przyczyną korozji jest dążenie systemu fizycznego (w tym wypadku metalu) do osiągnięcia stanu stabilności energetycznej (minimalna energia układu). Stan niestabilności energetycznej (wysoka energia układu) jest wywołany dużymi nakładami energii zużytymi na przejście ze stanu związanego (rudy metali) w stan czysty.

1. Omówić rodzaje i przyczyny korozji ze względu na postać jej występowania.

-POWIERZCHNIOWA (wżerowa, szczelinowa, miedzykrystaliczna, zmęczeniowa, kontaktowa, wybiórcza)

-LOKALNA (erozyjna, cierna, kawitacyjna)

1. Rodzaje korozji ze względu na zachodzące procesy.

-CHEMICZNA

-ELEKTROCHEMICZNA

-MIKROBIOTYCZNA

1. Wyjaśnić na czym polega korozja chemiczna.

Korozja typu gazowego, zachodzi w środowisku zawierającym tlen, lub powietrze, azot, siarkę, spaliny. Proces suchy. Odporność metalu na korozję zależy od:

- temperatury,

- własności tworzącego się tlenku.

Tworzący się tlenek może mieć postać:

- ciała lotnego. Korozja przebiega do całkowitego zniszczenia

- ciała stałego

1. Wyjaśnić na czym polega korozja elektrochemiczna.

Korozja elektrochemiczna występuje w obecności roztworów elektrolitów. Elektrolitem może być woda lub wilgoć kondensująca na metalu, zanieczyszczona substancjami kwasowymi lub zasadowymi. Podczas tej korozji ma miejsce przenoszenie ładunków elektrycznych

1. Jakie czynniki mają wpływ na szybkość procesów korozyjnych? Wymienić i omówić.

- stężenie jonów wodorowych H+ tzw. pH,

- konduktywność elektrolitu,

- obecność zanieczyszczeń (różnica stężeń, wytrącanie się innych substancji)

- odczyn środowiska

- zmiany temperatury i ciśnienia

- naprężenie materiału

- struktura krystaliczna materiału

1. Wpływ prądów błądzących na korozję .

Podczas procesu korozyjnego wydziela się masa określona prawem Faradaya (masa jest proporcjonalna do ładunku elektrycznego przepływającego podczas procesu : m~I*t

Prąd przepływając przez granicę faz od metalu do środowiska elektrolitycznego (a takim jest ziemia), powoduje utlenienie tego metalu w sposób wprost proporcjonalny do natężenia prądu elektrycznego i czasu jego przepływu.

1. Podać i omówić pasywne sposoby ochrony przed korozją.

Pasywacja - Do roztworu korozyjnego dodaje się pasywatory w postaci nieorganicznych związków utleniających. Powodują one wytwarzanie powłok podwyŜszających potencjał elektrochemiczny i które hamują proces korozyjny.

Powłoki nakładane: Metaliczne – wytwarzane poprzez:

- zanurzenie w ciekłym metalu (cynkowanie, cynowanie, aluminiowanie)

- natryskiwanie(ołowiem, cynkiem, kadmem, aluminium, stalą)

- dyfuzję (w wysokiej temperaturze)

- powlekanie galwaniczne.

Osłabianie agresywności środowiska

- usuwanie stymulatorów procesów korozyjnych, takich jak O2, CO2, H+, H2O. Polegające na odgazowaniu

wody lub osuszaniu powietrza.

- wprowadzanie inhibitorów czyli substancji (zwykle organicznych) działających hamująco na procesy korozyjne.

1. Podać i omówić aktywne metody ochrony przed korozją.

OCHRONA KATODOWA - Służy do ochrony rurociągów, kabli i innych metalowych konstrukcji znajdujących się w ziemi lub w wodzie. Pozwala wyeliminować lub zwolnić procesy korozyjne. Polega na działaniach, których celem jest podwyższenie potencjału obiektu chronionego i przeniesienie obszaru korozyjnego poza zasięg obiektu chronionego. Najważniejsze sposoby ochrony katodowej:

- Ochrona katodowa z protektorem

- Ochrona katodowa z zewnętrznym źródłem prądu

- Ochrona katodowa z drenażem prostym

- Ochrona katodowa z drenażem spolaryzowanym.