Zagadnienia do kolokwium zaliczeniowego z przedmiotu „Chemia materiałów”

1. Budowa atomu (określanie liczby Z, A, elektronów, protonów, neutronów).

Atom zbudowany jest z dodatnio naładowanego jądra i zajmujących przestrzeń poza jądrem elektronów. Jądro składa się z protonów i neutronów, czyli nukleonów.

Proton p	Neutron n	Elektron e
cząstka obdarzona jednostkowym ładunkiem dodatnim masa ~ 1u zbudowany z kwarków z greckiego protos, czyli pierwszy	cząstka pozbawiona ładunku elektrycznego masa ~ 1u zbudowany z kwarków szybki rozpad poza atomem z łaciny neutrum, czyli obojętne, nijakie	cząstka obdarzona jednostkowym ładunkiem ujemnym masa ~ (1/1836)u trwała cząstka z greckiego élektron, czyli bursztyn

Liczba atomowa Z określa liczbę protonów w jądrze atomu. Ponieważ atom to układ elektrycznie obojętny, liczba ta określa również liczbę elektronów.

Liczba masowa A określa sumę protonów i neutronów w jądrze atomu.

1. Zapis konfiguracji elektronowej. Umiejętność określenia położenia pierwiastka w układzie okresowym.

Konfiguracja elektronowa jest to rozmieszczenie elektronów w powłokach i podpowłokach. Atom przyjmuje taką konfigurację, jaka zapewnia najniższą energię każdemu elektronowi. Umowny zapis konfiguracji jest to ciąg symboli typu npk (n - numer powłoki, p - symbol podpowłoki, k - liczba elektronów na danej podpowłoce), np.:

[₅₆Ba] = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²

(zapis konfiguracji zgodnie z rosnącą energią)

[₅₆Ba] = 1s² 2s²2p⁶ 3s²3p⁶3d¹⁰ 4s²4p⁶4d¹⁰ 5s²5p⁶ 6s²

[₁H] = 1s¹
[₂He] = 1s²
[₃Li] = 1s² 2s¹ = [₂He] 2s¹
[₄Be] = 1s² 2s² = [₂He] 2s²
[₅B] = 1s² 2s² 2p¹ = [₂He] 2s² 2p¹
[₆C] = 1s² 2s² 2p² = [₂He] 2s² 2p²
[₇N] = 1s² 2s² 2p³ = [₂He] 2s² 2p³
[₈O] = 1s² 2s² 2p⁴ = [₂He] 2s² 2p⁴
[₉F] = 1s² 2s² 2p⁵ = [₂He] 2s² 2p⁵
[₁₀Ne] = 1s² 2s² 2p⁶
[₁₁Na] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ = [₁₀Ne] 3s¹
[₁₂Mg] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² = [₁₀Ne] 3s²
[₁₃Al] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ = [₁₀Ne] 3s² 3p¹
[₁₄Si] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p² = [₁₀Ne] 3s² 3p²
[₁₅P] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³ = [₁₀Ne] 3s² 3p³
[₁₆S] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ = [₁₀Ne] 3s² 3p⁴
[₁₇Cl] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ = [₁₀Ne] 3s² 3p⁵
[₁₈Ar] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶
[₁₉K] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ = [₁₈Ar] 4s¹
[₂₀Ca] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² = [₁₈Ar] 4s²
[₂₁Sc] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹ = [₁₈Ar] 3d¹ 4s²
[₂₂Ti] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d² = [₁₈Ar] 3d² 4s²
[₂₃V] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d³ = [₁₈Ar] 3d³ 4s²
[₂₄Cr] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d⁵ = [₁₈Ar] 3d⁵ 4s¹ (!promocja elektronu)
[₂₅Mn] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁵ = [₁₈Ar] 3d⁵ 4s²
[₂₆Fe] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶ = [₁₈Ar] 3d⁶ 4s²
[₂₇Co] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁷ = [₁₈Ar] 3d⁷ 4s²
[₂₈Ni] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸ = [₁₈Ar] 3d⁸ 4s²
[₂₉Cu] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰ = [₁₈Ar] 3d¹⁰ 4s¹(!promocja elektronu)
[₃₀Zn] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ = [₁₈Ar] 3d¹⁰ 4s²
[₃₁Ga] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p¹ = [₁₈Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹
[₃₂Ge] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p² = [₁₈Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p²
…
[₅₄Xe] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶
[₅₇La] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 5d¹ = [₅₄Xe] 5d¹ 6s²
[₅₈Ce] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f² = [₅₄Xe] 4f² 6s²
[₅₉Pr] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f³ = [₅₄Xe] 4f³ 6s²
[₆₀Nd] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f⁴ = [₅₄Xe] 4f⁴ 6s²
[₆₁Pm] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f⁵ = [₅₄Xe] 4f⁵ 6s²
…
[₆₃Eu] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f⁷ = [₅₄Xe] 4f⁷ 6s²
[₆₄Gd] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f⁷ 5d¹ = [₅₄Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s²(!promocja elektronu)
[₆₅Tb] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f⁹ = [₅₄Xe] 4f⁹ 6s²

1. Wiązania chemiczne (jonowe, atomowe, metaliczne, wodorowe).

WIĄZANIE JONOWE - polega na przejściu jednego lub kilku elektronów walencyjnych z atomów pierwiastka elektrododatniego do atomów pierwiastka elektroujemnego. Atom pierwiastka oddający elektrony staje się kationem, a atom przyjmujący elektrony staje się anionem. Powstałe różnoimienne jony przyciągają się siłami elektrostatycznymi, tworząc wiązanie - sieć jonową. Wiązania jonowe są wiązaniami mocnymi.

WIĄZANIE METALICZNE - powstanie wiązania metalicznego polega na przekształceniu atomów tego samego metalu lub atomów różnych metali w zbiór kationów i swobodnie poruszających się między nimi elektronów.

Wiązanie metaliczne może istnieć w stanie stałym lub ciekłym.

W stanie stałym węzły sieci krystalicznej metalu lub stopu są obsadzone przez kationy wykonujące wyłącznie ruchy oscylacyjne wokół węzła, natomiast zdelokalizowane elektrony poruszają się swobodnie w obrębie całego kryształu, podobnie jak drobiny substancji w stanie gazowym. Z tego względu mówi się o gazie elektronowym (chmurze elektronowej) wiązania metalicznego.

Kationy stanowiące rdzenie atomowe utrzymują się w swoich położeniach dzięki przyciąganiu elektrostatycznemu elektronów.

WIĄZANIE WODOROWE - jest to oddziaływanie (zwykle słabe) między kowalencyjnie związanym atomem wodoru i należącym do innej cząsteczki atomem silnie elektroujemnym, dysponującym wolną parą elektronową. Atom wodoru (proton) może byś związany równocześnie z dwoma atomami, jeśli mają one małe wymiary i dużą elektroujemność. Wiązanie wodorowe występuje najczęściej w związkach wodoru z fluorem, chlorem, tlenem, azotem. Wiązanie wodorowe występuje np.: między cząsteczkami wody.

1. Węglowodory: alkany, alkeny, alkiny (budowa, nazewnictwo, reakcje).

Alkany są to nasycone węglowodory acykliczne (związki składające się z atomów węgla i wodoru), które mają wzór ogólny: C_nH_2n+2 (n - oznacza liczbę atomów węgla w cząsteczce węglowodoru). Między atomami węgla w cząsteczkach alkanów występują jedynie wiązania pojedyncze. Alkany tworzą szereg homologiczny (grupa związków, w której każdy następny związek różni się od poprzedniego o dwa atomy wodoru i jeden atom węgla (grupę -CH₂), posiadające podobne właściwości chemiczne, a różne właściwości fizyczne, np. inne temperatury topnienia i wrzenia ). Szereg homologiczny alkanów wygląda następująco:

CH₄ metan

C₂H₆ etan

C₃H₈ propan

C₄H₁₀ butan

C₅H₁₂ pentan

C₆H₁₄ heksan

C₇H₁₆ heptan

C₈H₁₈ oktan

C₉H₂₀ nonan

C₁₀H₂₂ dekan

Alkeny należą do węglowodorów nienasyconych, a ich wzór ogólny ma postać: C_nH_2n.Alkeny między atomami węgla posiadają jedno wiązanie podwójne. Najprostszym alkenem jest eten (etylen), który jest bezbarwnym gazem, tworzącym z powietrzem mieszaninę wybuchową. Podobnie jak alkany, węglowodory nienasycone także tworzą szereg homologiczny:

C₂H₄ eten

C₃H₆ propen

C₄H₈ buten

C₅H₁₀ penten

C₆H₁₂ heksen

C₇H₁₄ hepten

C₈H₁₆ okten

C₉H₁₈ nonen

C₁₀H₂₀ deken

• Alkiny (dawniej zwane acetylenami)

Do węglowodorów nienasyconych zaliczane są również alkiny, które posiadają jedno wiązanie potrójne między atomami węgla. Wzór ogólny alkinów to C_nH_2n-2. Najprostszym alkinem jest bezbarwny, palny, rozpuszczalny w wodzie i bardzo aktywny chemicznie gaz - etyn (acetylen). Alkiny także tworzą szereg homologiczny:

C₂H₂ etyn

C₃H₄ propyn

C₄H₆ butyn

C₅H₈ pentyn

C₆H₁₀ heksyn

C₇H₁₂ heptyn

C₈H₁₄ oktyn

1. Piroliza węgla (koksowanie) i uzyskiwane produkty.

Piroliza - oznacza rozkład cząsteczek związku chemicznego pod wpływem podwyższonej temperatury bez obecności tlenu lub innego czynnika utleniającego. Zazwyczaj w czasie procesu pirolizy następuje rozkład złożonych związków chemicznych do związków o mniejszej masie cząsteczkowej. Procesowi pirolizy mogą być poddawane zarówno materiały organiczne (np. węgiel, biomasa, odpady), jak i nieorganiczne (surowce ceramiczne). Piroliza substancji organicznych prowadzi do otrzymania stałej pozostałości, tzw. karbonizatu i wydzielenia części lotnych w postaci smoły pirolitycznej i gazu pirolitycznego. W skali przemysłowej celem procesu pirolizy materiałów organicznych jest przetwarzanie surowców (węgiel, biomasa) do użytecznych form energii, recykling surowcowy (polimery odpadowe) oraz wytwarzanie półproduktów będących surowcami do dalszego ich wykorzystania.

Sucha destylacja drewna znana jest od ok. 8000 lat. W jej wyniku otrzymywany jest węgiel drzewny, który stanowił podstawowy materiał w procesach metalurgicznych. Smoła dostarczała substancji do impregnacji, izolacji itp. Woda wytlewna znajdowała zastosowanie w balsamowaniu.

W zależności od zawartości pierwiastka C wyróżnia się pięć podstawowych grup paliw stałych:

 Drewno

 Torf

 Węgiel brunatny

 Węgiel kamienny

 Antracyt.

Podstawowymi surowcami wykorzystywanymi w procesach pirolizy są węgiel (koksowanie) i biomasa (sucha destylacja, szybka piroliza). Warunkami pirolizy, np. szybkością ogrzewania surowca można sterować tak, aby maksymalizować powstawanie dowolnego z produktów procesu: oleju, gazu czy produktu stałego. Każdy z nich może być używany jako potencjalne paliwo.

Produkty pirolizy węgla

Półkoks otrzymywany z węgla kamiennego w procesie niskotemperaturowego odgazowania (wytlewania) jest materiałem charakteryzującym się właściwościami pośrednimi między właściwościami węgla i koksu. Półkoks jest produktem powstałym w wyniku odgazowania, dlatego nie zawiera substancji smolistych i z powodzeniem może być stosowany jako paliwo bezdymne o wysokiej wartości opałowej 30-33 MJ/kg. W zależności od rodzaju węgla i sposobu jego wytlewania zmieniają się właściwości mechaniczne (wytrzymałość) i reakcyjność półkoksu.

Smoła pirolityczna z węgla kamiennego jest ciemnobrunatną cieczą o ostrym, charakterystycznym zapachu. W odróżnieniu od smoły wysokotemperaturowej smoła wytlewna charakteryzuje się znacznie niższą zawartością węglowodorów aromatycznych. Zawiera większe ilości alkilobenzenów i ich pochodnych hydroksylowych, węglowodorów alifatycznych nasyconych i nienasyconych. Nie występują w niej naftalen i antracen, powstające w wyższych temperaturach (powyżej 550 st. C).

Woda rozkładowa otrzymywana w procesie niskotemperaturowej pirolizy węgla kamiennego zawiera znaczne ilości fenoli, a także związki nieorganiczne, np. amoniak, siarkowodór. Ilość wody powstającej w procesie pirolizy zależy zarówno od surowca, jak i metody pirolizy. Zwykle jej wydajność waha się w granicach od 3 do 10 % mas.

Skład i właściwości gazu pirolitycznego otrzymanego na drodze niskotemperaturowej pirolizy węgla kamiennego zależą od jakości surowca, metody pirolizy i temperatury odgazowania. W niższych temperaturach rozkładu wydzielają się znaczne ilości ditlenku węgla i tlenku węgla, podczas gdy w wyższych temperaturach rośnie wydzielanie wodoru i metanu. W zależności od składu różna jest wartość opałowa gazu (7-30 MJ/m3).

1. Ropa naftowa – rektyfikacja, uzyskiwane frakcje i produkty, rafinerie w Polsce.

Rektyfikacja (destylacja frakcyjna/frakcjonowana/frakcjonująca) – z fizycznego punktu widzenia destylacja kaskadowa (wielopoziomowa), w której każdy stopień procesu jest zasilany produktem (destylatem) poprzedniego; z punktu widzenia inżynierii procesowej rektyfikacja jest procesem jednostkowym, w którym mieszanina ciekła jest rozdzielana na frakcje o różnej (zwykle zbliżonej) lotności^[1].

Rektyfikacja w warunkach przemysłowych prowadzona jest w specjalnych kolumnach rektyfikacyjnych zapewniających adiabatyczne warunki procesu, choć czasami stosuje się też kolumny z płaszczem chłodzącym lub grzejnym albo kolumny strefowe, które na pewnym odcinku są ogrzewane a na innym chłodzone, aby zapewnić ich maksymalną sprawność.

Na największą skalę rektyfikacja jest stosowana w rafineriach w przemyśle petrochemicznym, nazywanym też rafineryjnym. W wyniku przerobu ropy naftowej otrzymuje się np. benzynę i inne paliwa oraz surowce dla przemysłu chemicznego.

Zminiaturyzowane kolumny rektyfikacyjne stosuje się także w laboratoriach chemicznych, gdyż rektyfikacja jest o wiele wydajniejsza niż destylacja prosta.

1. Liczba oktanowa, kraking, reforming.

Liczba oktanowa- umowny wskaźnik charakteryzujący przeciwstukowe własności paliwa używanego do napędu silników spalinowych z zapłonem iskrowym, oznaczana za pomocą silników wzorcowych.

Liczba oktanowa danego paliwa równa jest liczbowo takiej procentowej zawartości izooktanu (LO = 100) w mieszaninie z n-heptanem (LO = 0), przy której własności przeciwstukowe tej mieszaniny są takie same, jak badanego paliwa.

Liczba oktanowa przyjmuje wartości od 0 do 160 i jest ważnym wskaźnikiem oceny własności eksploatacyjnych benzyn silnikowych.

KRAKING – reakcja rozpadu dłuższych łańcuchów alkanów na krótsze alkany i alkeny. Kraking następuje na skutek działania wysokiej temperatury lub katalizatora.

REFORMING – proces otrzymywania benzyny z lżejszych frakcji przez rozbicie prostych łańcuchów alkanów i przebudowanie ich w łańcuchy rozgałęzione.

1. Budowa i działanie akumulatora ołowiowego.

Budowa akumulatora kwasowego (ołowiowego)

Akumulator kwasowy składa się z kilku połączonych szeregowo ogniw, umieszczonych w obudowie.

Napięcie na zaciskach akumulatora zależy od liczby jego ogniw. Akumulator sześciowoltowy (6V) składa się z 3 ogniw, dwunastowoltowy (12V) – z 6 ogniw, dwudziestoczterowoltowy (24 V) – z 12 ogniw. W tym ostatnim przypadku w praktyce łączy się szeregowo dwa akumulatory 12 V.

Każde ogniwo akumulatora składa się z dwóch zespołów płyt dodatnich i ujemnych. Każda płyta ma postać kratki wykonanej z ołowiu, w która wprasowuje się masę czynną, określająca jej biegunowość. Głównym składnikiem masy czynnej płyt dodatnich jest dwutlenek ołowiu PbO¹, a płyt ujemnych – ołów gąbczasty. Płyty dodatnie stanowią ANODĘ, płyty ujemne – KATODĘ. Zarówno anoda jak i katoda są wykonane z kilku płyt łączonych równolegle (za pomocą mostka biegunowego-(rys. 6), przy czym płyt ujemnych jest o jedna mniej niż dodatnich. W akumulatorach kwasowych elektrolitem jest wodny roztwór kwasu siarkowego H2SO4. Elektrolit przygotowuje się z chemicznie czystego stężonego kwasu siarkowego i wody destylowanej. Zarówno kwas, jak i woda nie mogą zawierać żadnych zanieczyszczeń, gdyż mogłyby mogły by one spowodować nieodwracalne uszkodzenie płyt akumulatorowych. Aby uzyskać elektrolit o wymaganej gęstości, należy zachować odpowiednie proporcje kwasu siarkowego i wody destylowanej.

Reakcje chemiczne w czasie ładowania i wyładowania akumulatorów

Akumulator ładuje się prądem stałym, łącząc zacisk źródła napięcia oznaczony „+” z zaciskiem „+” akumulatora oraz zacisk „-” źródła napięcia z zaciskiem „-” akumulatora.

Podczas ładowania w akumulatorze następuje następująca reakcja:

W czasie ładowania wyzwolony jest z płyt siarczan ołowiowy PbSO4 łączy się z H2 pobieranym z wody, tworząc kwas siarkowy H2SO4. reakcji tej towarzyszy wzrost gęstości elektrolitu.

Podczas wyładowania w akumulatorze zachodzi reakcja odwrotna:

Podczas wyładowania elektrolit H2SO4 wchodzi w reakcje z ołowiem Pb, składnikiem masy czynnej płyt dodatnich i ujemnych, tworząc siarczan ołowiowy PbSO4. siarczan osadza się na płytach akumulatora. Wydzielająca się jednocześnie woda zmniejsza gęstość elektrolitu.

Akumulator jest źródłem energii elektrycznej prądu stałego której sam nie wytwarza lecz przechowuje w postaci energii chemicznej.

Ogniwem galwanicznym nazywamy najprostsze źródło prądu stałego, w którym następuje przetwarzanie energii chemicznej w energie elektryczna. Ogniwo takie ma postać naczynia napełnionego elektrolitem (tzn. roztworem soli, kwasu lub zasady), w którym są zanurzone dwie elektrody (rys.1)

Schemat ogniwa galwanicznego

(strzałki wskazują kierunek przepływu

prądu elektrycznego).

Stwierdzono doświadczalnie ze jony metalu zanurzonego w elektrolicie maja skłonność „przechodzenia” do elektrolitu a jony elektrolitu-„przechodzenia” do metalu. Jeżeli więcej jonów „przechodzi” z metalu do elektrolitu to metal wykazuje ładunek ujemny, elektrolit zaś- ładunek dodatni.

1. Metale (podział w układzie okresowym, budowa, właściwości).

Właściwości:

Ruchliwość elektronów walencyjnych w metalach warunkuje ich właściwości:

• połysk

• kowalność

• ciągliwość

• przewodnictwo elektryczne

Metale mają budowę krystaliczną, tzn. ich atomy zajmują ściśle określone miejsca w uporządkowanej sieci przestrzennej. Sieć przestrzenna jest odwzorowaniem przestrzennego rozmieszczenia atomów, utworzona przez powtórzenie w trzech kierunkach podstawowego elementu, zwanego komórką zasadniczą albo sieciową. Zatem, materiały krystaliczne charakteryzują się regularną, symetryczną budową.

1. Teoria pasmowa ciał stałych.

Dział kwantowej teorii ciała stałego badający właściwości elektronów walencyjnych poruszających się w elektrycznym polu okresowym sieci krystalicznej; w kryształach dozwolone stany energetyczne elektronów mają charakter pasm o szerokości kilku elektronowoltów; istnienie tych pasm jest efektem wzajemnego oddziaływania atomów tworzących kryształ, w wyniku czego dyskretne stany elektronowe poszczególnych atomów rozszczepiają się na bardzo dużą liczbę podpoziomów położonych blisko siebie; pasma walencyjne (lub podstawowe) są zapełnione przez elektrony walencyjne; pasma przewodnictwa (lub pasma wzbudzone), odpowiadające większym energiom, to pasma częściowo zapełnione (dla metali) oraz puste lub prawie puste (dla izolatorów i półprzewodników); elektrony zajmujące stany w pasmach zapełnionych nie wnoszą wkładu do przewodnictwa elektrycznego; elektrony w prawie pustym paśmie (półprzewodniki) lub częściowo zapełnionym paśmie przewodnictwa (metale) biorą udział w przewodnictwie elektrycznym; w izolatorach i półprzewodnikach pasmo przewodnictwa oddzielone jest od pasma podstawowego przerwą energetyczną (złożoną z poziomów niedostępnych dla elektronów); w metalach pasmo podstawowe nakłada się częściowo na pasmo przewodnictwa (dla izolatorów szerokość przerwy energetycznej Eg > 2eV, dla półprzewodników Eg < 2eV, dla metali Eg => 0); ze struktury pasmowej ciał stałych wynika, że dla metali koncentracja elektronów swobodnych nie zależy od temperatury, dla izolatorów i półprzewodników koncentracja ta rośnie zaś wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury; idealna struktura pasmowa może być zakłócona przez domieszki lub czynniki zewnętrzne, takie jak pole magnetyczne.

1. Półprzewodniki: samoistny, typu n, typu p.

Półprzewodnik samoistny – monokryształ półprzewodnika pozbawionego defektów sieci krystalicznej i domieszek, czyli nie zawierający obcych atomów w sieci krystalicznej

Półprzewodnik typu n – półprzewodnik, w którym elektryczność jest przenoszona przez nadmiar elektronów

Półprzewodnik typu p – półprzewodnik, w którym elektryczność jest przenoszona przez dziury elektronowe

1. Odmiany alotropowe węgla: grafit, diament, fulereny, grafen (budowa, właściwości).

Diament

• Struktura kubiczna przestrzennie centrowana

• Każdy atom węgla otoczony jest 4 sąsiadami, z którymi tworzy wiązania kowalencyjne o tej samej długości tworząc w przestrzeni czworościan foremny (tetraedr);

• Najtwardszy naturalny minerał, gęstość 3,51 g/cm3;

• Izolator

• Wiązania o charakterze kowalencyjnym

  • hybrydyzacja sp3

• Dobra przewodność cieplna: 2000 W/(m·K) wynikającą z efektywnego przewodnictwa fononowego

• Jest izolatorem, z wyjątkiem diamentu niebieskiego, który jest półprzewodnikiem

• Jest trudno topliwy i odporny na działanie kwasów i zasad

Grafit:

• Układ płaskich pierścieni heksagonalnych połączonych wiązaniami kowalencyjnymi;􀁑

• W płaszczyźnie hybrydyzacja sp² stąd są jeszcze niesparowane, swobodne elektrony –

• materiał jest przewodnikiem elektrycznym;

• Odległość pomiędzy płaszczyznami ok. 0,3 nm, tj. 2,5 razy więcej niż długość wiązań w pierścieniu węglowym, stąd mała gęstość grafitu 2,25 g/cm3;

• Pomiędzy płaszczyznami słabe oddziaływanie typu vander Waalsa, stąd kryształ jest typu „soft”

• -stalowoszary
  
  -bardzo miękki
  
  -gęstość 2,25g/cm³
  
  -przewodzi prąd elektryczny
  
  -przewodzi ciepło

Fuleren

• Każda cząsteczka zawiera parzystą liczbę atomów węgla i jego struktura składa się z 12 pierścieni pięciokątnych i „m” sześciokątnych: m= (n-20)/2;

• Posiadają własności nadprzewodzące i półprzewodnikowe.

• Fulereny należą do związków słabo rozpuszczalnych. Nie rozpuszczają się w polarnych rozpuszczalnikach praktycznie wcale. Najlepiej (choć też nie za dobrze) rozpuszczają się w rozpuszczalnikach aromatycznych, takich jak benzen.

1. Polimery (podział, typy, przykłady, właściwości).

Związki o budowie łańcuchowej, których cząsteczki zbudowane są z połączonych ze sobą powtarzających się elementów. Najmniejszy powtarzający się element budowy łańcucha polimeru to mer. Cząsteczki polimerów są bardzo długie i mają duże masy cząsteczkowe. Polimery występują w przyrodzie (białka), są też wytwarzane sztucznie.

Homopolimer – polimer utworzony z jednego typu monomerów.

Kopolimer – polimer utworzony z dwóch lub więcej różnych monomerów.

Reakcje polimeryzacji:

Monomery łączą się ze sobą bez powstawania produktów ubocznych. Polimer jest jedynym produktem tej reakcji.

Przykłady polimerów otrzymywanych w reakcjach polimeryzacji:

- polietylen

- poli(chlorek winylu)

- polistyren

- orlon, akrylan (anilana)

- polipropylen

- plexiglas, lucite

- teflon poli(tetrafluoroetylen)

Właściwości fizyczne polimerów:

• Nie mają zdefiniowanej temperatury topnienia (topią się w pewnym zakresie temp.)

• Polimery o długich łańcuchach mają zwykle dużą lepkość

• Wytrzymałość polimerów wzrasta wraz ze wzrostem długości łańcuchów,

1. Sieciowanie polimerów i proces wulkanizacji.

Sieciowanie polimerów - proces prowadzący do powstania trójwymiarowej sieci polimerów, na skutek powstawania mostków między ich łańcuchami.

Wulkanizacja to chemiczny proces sieciowania cząsteczek polimeru, prowadzących do otrzymania elastomerów.

1. Co to jest korozja i metody ochrony przed korozją.

Korozją nazywamy proces niszczenia metali wskutek chemicznego lub fizyko-chemicznego oddziaływania środowiska. Procesy korozji przebiegają wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z metalami, stanowią one bowiem naturalną tendencję metalu do przechodzenia do stanu pierwotnego, tj. do postaci tlenkowej w jakiej występuje on w rudach. Proces korodowania jest w przypadku magazynowania gotowych wyrobów metalowych procesem niepożądanym, gdyż powoduje niszczenie wyrobu i jego nieużyteczność.

Zabiegi ochronne przed korozją:

Ochrona anodowa

Ochrona katodowa

Ochrona protektorowa

Ochrona chemiczna metali

Natryskiwanie - proces powlekania powierzchni różnych elementów, polegający na rozpyleniu drobnych cząstek materiałów powłokowych.

Natryskiwanie płomieniowe

Natryskiwanie bezpłomieniowe

Natryskiwanie elektrostatyczne

Metalizowanie - wytwarzanie powłok metalowych na elementach metalowych lub niemetalowych.

Metalizowanie elektrolityczne

Metalizowanie natryskowe

Metalizowanie próżniowe

Metalizowanie kontaktowe

Metalizowanie ogniowe

Metalizowanie dyfuzyjne

Platerowanie - nakładanie powłok metalowych przez dociśnięcie ich do metalu podłoża w podwyższonej temperaturze (najczęściej przez nawalcowywanie).

Fosforanowanie

Aluminiowanie

Kadmowanie

Krzemowanie

Miedziowanie

Mosiądzowanie

Niklowanie

Ołowiowanie

Chromowanie

Cynkowanie

Cynowanie

Chromokrzemowanie

Chromianowanie