NADPRZEWODNIKI

Co to jest zjawisko nadprzewodnictwa?

Jest to zjawisko polegające na znikaniu oporu prądu elektrycznego w pewnych szczególnych warunkach (niskie temperatury) oraz w określonych rodzajach przewodników zwanych nadprzewodnikami. Są nimi najczęściej stopy metali, spieki ceramiczne.

Nadprzewodnictwo jest korzystnym zjawiskiem pozwala na uzyskanie prądów niemal niewygasających z upływem czasu.

Co to jest temperatura krytyczna?

Jest to temperatura, przy której pojawia się nadprzewodnictwo dla danej substancji przewodzącej. Temperatury te są na tyle niskie, że trudno je osiągnąć. Należy stosować specjalne chłodzenia np. ciekłym azotem, ciekłym helem.

Co to jest nadprzewodnictwo nisko i wysokotemperaturowe?

Nadprzewodnictwo niskotemperaturowe występuje w temperaturach poniżej 30K, dla czystych metali i stopów metalicznych, będących w większości nadprzewodnikami pierwszego rodzaju

Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe występuje w temperaturach powyżej 30K, ten typ nadprzewodnictwa wykazują spieki ceramiczne.

O czym mówi teoria BCS?

Teoria BCS mówi, że prąd w nadprzewodnikach przenoszą pary elektronowe, a nie pojedyncze cząstki. Elementy swobodne przemieszczające się w sieci krystalicznej przewodnika muszą spowodować zniekształcenie … potencjału sił kulombowskich. Elektrony kondensują się w pary i występuje wówczas zanik oporu elektrycznego.

Zalety i wady nadprzewodników:

Zalety:

-brak oporności podczas przepływu prądu

-niemal nieograniczone czerpanie energii elektrycznej z przepływu prądu przez ciało nadprzewodzące

-bezstratność energii elektrycznej na energię cieplną przy przepływie napięcia

-prąd elektryczny raz wzbudzony w nadprzewodniku płynie w nim nawet po odłączeniu jego zewnętrznego źródła

Wady:

-konieczność utrzymania odpowiednio niskiej temperatury

-koszty chłodzenia nadprzewodników

-ograniczona możliwość ich wykorzystania przemysłowego

-względnie wydajne i tanie wysokotemperaturowe nadprzewodniki ceramiczne o budowie warstwowej są nietrwałe, kruche.

Zastosowanie nadprzewodników:

-Do wytwarzania kabli i przewodów służących do wydajnego, bezstratnego przesyłu energii elektrycznej, uzwojeń generatorów, zwojnic i innych elementów elektrycznych

-systemy przeciwzwarciowe

-aparatura do procesów elektrolizy

-łożyska nadprzewodzące

-w elektronice (przyspieszanie sygnałów w układach scalonych)

-medycyna - badanie serca, mózgu

-magnetometria - badanie diagnozujące potencjał elektryczny ludzkiego ciała

-do budowy silnych magnesów

-nadprzewodnikowe elektromagnesy

-nadprzewodzące soczewki wiązek elektronowych

METALE SZKLISTE ORAZ GALWANOTECHNIKA

Charakterystyka metali oraz stopów amorficznych:

-Stopy amorficzne dwu lub wieloskładnikowe, w których metal jest głównym składnikiem, otrzymywane są poprzez bardzo szybkie chłodzenie cieczy
o odpowiednio dobranym składzie. Mówimy tutaj o zjawisku przechłodzenia.

-Stopy metali o nieuporządkowanej strukturze

-Podczas przechadzania zamarza układ atomów cieczy. Większe odległości między cząstkami.

-Odkryto, że pierwiastki o dużym promieniu atomowym np. La umożliwiają przejście silnie przechłodzonych stopów w szkła

-Właściwości nadprzewodzące rosną w miarę wzrostu masy atomowej składników stopu

(np. Al.<<Nb)

-Pierwsze szkło metaliczne Au₈₀Si₂₀

Właściwości szkieł metalicznych:

-Dziesięciokrotnie większa elastyczność

-Dwa razy większa twardość

-Trzykrotna odporność na odkształcenia trwałe

-Małe straty na przemagnesowanie

-Odporność na korozję

-Idealny transfer energii

-Niskie temperatury topnienia

Zastosowania szkieł metalicznych:

-ostrza, instrumenty medyczne

-wzmocnienie zbiorników ciśnieniowych

-węże, rury, wykładziny

-tkaniny ekranujące przed interferencją

-samochody

-powłoki rozpylane

-lotnictwo

-narty, kije golfowe, rakiety tenisowe

Omów metody pokrywania powłok metalicznym złotem:

Metody:

-metoda listkowa

-pokrywanie ogniowe

-platerowanie

-osadzanie elektrolityczne

Metoda listkowa - polega na nakładaniu cienkich sprasowanych warstw metalicznego złota na powierzchnię pokrywanego przedmiotu (mój dop. Metoda popularna m.in. w Birmie czy Laosie do pokrywania złotem posągów Buddy)

Pokrywanie ogniowe:

-Przygotowanie amalgamatu rtęciowe w stosunku 1:9 Au:Hg

-Pokrywany przedmiot (z Cu lub Cu-Sn) oczyszcza się i trawi w kwasie

-Powlekanie amalgamatem

-Ogrzewanie w ogniu na węglu drzewnym

-Odparowuje rtęć (następuje osadzenie się metalicznego złota)

-Polerowanie kamieniem półszlachetnym (zmoczonym w occie dla połysku)

Platerowanie:

-Ogrzewanie przedmiotu pokrywanego wraz z cienkim arkuszem złota

-Walcowanie

Złocenie galwaniczne:

-Elektroliza

-Redukcja

-Powłoki elektrolityczne Au to między innymi:

*piorunian złota Au₂C₂N₂O₂

*dwucyjanozłocian K[Au(CN)₂]

*kąpiele oparte na bezcyjankowych kompleksach złota

Omów zalety i wady powłok z Ni oraz Cr:

Nikiel:

-chroni przed korozją

-posiada własności dekoracyjne (można go barwić)

Wady - ok. 10% populacji jest uczulonych na nikiel

Chrom:

-metal srebrzysty o niebieskim odcieniu i dużym połysku (własności dekoracyjne)

-odporny na działanie agresywnych środowisk

-twardszy od stali hartowanych i odporny na ścieranie

Wady - chromiany i dichromiany mają silne właściwości kancerogenne

Metalurgia

Scharakteryzuj schematy technologiczne:

Pirometalurgia - wykorzystuje reakcje i operacje wysokotemperaturowe w celu wyodrębnienia i rafinacji metali (metalurgia: proszków, próżniowa)

Hydrometalurgia - Otrzymywanie metali wykorzystując reakcje zachodzące w środowisku wodnym

Biometalurgia - wykorzystanie mikroorganizmów w procesach ługowania i koncentrowania metali

Elektrometalurgia - wykorzystanie reakcji wywołanych przepływem prądu

Metody kombinowane - mix

Wady i zalety ogniowej metalurgii klasycznej:

Zalety:

-efektywność

-duża szybkość procesów

-wysoka wydajność instalacji

-prostota operacji technologicznych

Wady:

-skuteczne tylko w odniesieniu do bogatych surowców

-energochłonność

-zagrożenie środowiska (żużle, pyły, gazy)

Procesy pirometalurgiczne:

Proces szybowy - stosowany często w przemyśle papierniczym z zastosowaniem ługu posulfitowego.

Metalurgia miedzi - W piecu szybowym zachodzą procesy prowadzące do redukcji rud siarczkowych miedzi, głównie chalkopirytu, chalkozynu, bornitu oraz kowelinu, do siarczku miedzi jednowartościowej Cu₂S. Następnie w konwertorach w temperaturze 1200-1300 st. C usuwa się ślady siarczku żelaza poprzez utlenianie ich w obecności SiO₂:

2FeS+3O₂ + SiO₂ Fe₂SiO₄ (żużel) + 2SO₂

Drugim etapem reakcji w konwertorze jest utlenianie siarki:

Cu₂S + O₂ 2Cu + SO₂

Proces zawiesinowy - (jedno stadium) Pylisty koncentrat, powietrze wzbogacone w tlen, temperatura 1300-1350 st. C

Cu₂S + O₂ 2Cu + SO₂

CuS + O₂ Cu + SO₂

2Cu₂S + 3O₂ 2Cu₂O + 2SO₂

Wanna ostojowa - 2Cu₂O + Cu₂S 6Cu + SO₂

Procesy elektrometalurgiczne:

Katoda Anoda

Me⁺ + e^- Me np. Cl-1/2Cl₂+e^-

Proces elektrometalurgiczny dla glinu:

Al₂O₃ + Na₃AlF₆ 3Na⁺ + 3AlOF₂^-

AlOF₂^- O₂- + 2F^- + Al³⁺

Katoda:

Al³⁺ + 3e^- Al

Anoda

2F^- F₂ +2 e^-

2 O^2- O₂ + 4 e^-

Uzupełnić o elektrorafinacje

Procesy hydrometalurgiczne:

Wady i zalety procesów hydrometalurgicznych:

Zalety:

-Selektywność, skuteczność w odniesieniu do niskoprocentowych (ubogich surowców), surowców niewzbogaconych

-niskie temperatury (energochłonność)

-wysoki stopień wydzielania metali użytecznych z surowca (głębokie wykorzystanie składników surowca)

-efektywność ekonomiczna

-eliminacja zagrożeń środowiska

-mała wrażliwość na zmiany składu surowca

Wady:

-wymóg wysokiej kultury technicznej personelu

-wysoka odporność urządzeń na korozję

-względnie mała szybkość procesów

-gospodarka wodno-ściekowa

-zagospodarowanie stałych pozostałości (utylizacja)

-toksyczność niektórych reagentów (np. HCN)

Schemat procesu hydrometalurgicznego:

Surowiec Przygotowanie Ługowanie Oczyszczanie, zatężanie, rozdzielanie

wydzielanie metali (oraz regeneracja czynnika ługującego) metale związki chemiczne

Kryteria wyboru odczynnika ługującego:

-chemiczne i fizyczne właściwości surowca

-cena

-działanie korodujące na aparaturę

-selektywne działanie w stosunku do ługowanego surowca

-możliwość regeneracji

Zastosowanie hydrometalurgii:

-wydzielanie metali z roztworów rozcieńczonych

-selektywne wydzielanie metali z roztworów wodnych i ich zatężanie

-usuwanie domieszek z roztworów przemysłowych i oczyszczanie ścieków przemysłowych

-rozdzielanie metali o zbliżonych właściwościach

Biometalurgia:

Wykorzystuje bakterie do utleniania takich jonów jak S, SO₂, S₂O₃^2-, Fe²⁺

Materiały ceramiczne

Ceramika to materiał nieorganiczny o wiązaniach kowalencyjnych i jonowych.

Ceramika tradycyjna - glina (Al2O3, SiO2, H2O) (glinokrzemiany)

Materiałami ceramicznymi są:

grafit, cement, cermetale, szkło, tworzywa szklano-ceramiczne, tlenki, węgliki, azotki

Co to są cermetale?

Są to cząstki ceramiczne osadzone w osnowie metalicznej, która zwalcza kruchość ceramiki.

Co to są defitryfikaty?:

Są to tworzywa szklano-ceramiczne otrzymywane poprzez ściśle określony sposób krystalizacji w celu otrzymania ceramiki o niskiej porowatości

Kryteria istnienia ceramik:

-ładunki elektryczne jonów

-względna wielkość kationów i anionów

-równowaga ładunków dodatnich i ujemnych

-muszą występować oddziaływania między kationami i anionami

Co to jest enancjomorfizm?:

Jest to zdolność do występowania w dwóch formach różnic skręcających promienie polaryzacji światła

Charakterystyka ceramiki krzemianowej:

Struktury materiałów ceramicznych tworzone są przez jon SiO₄^4- o strukturze tetraedru. Cząsteczka SiO₂ łączy się z dwoma atomami tlenu znajdującymi się w narożach tetraedru, takie ułożenie atomów w połączeniu z drugim tetraedrem daje cząsteczki obojętne. Atomy w krzemianach nie są ściśle upakowane, gęstość nie jest duża. Kwarc występuje jako enancjomery. Przepuszcza promieniowanie UV.

Kwarcα(do 573 st.C)Kwarcβ(do 870 st.C)

trydynit(do 1470 st.C)krystobalit(do1710st.C) SiO2

Ceramiki są materiałami o doskonałej odporności na chemikalia.

Otrzymywanie krzemianów:

SiO₂ + NaOH Na₂SiO₃

SiO₂ + 2Na₂CO₃ Na₄SiO₄ + CO₂

Krzemiany metali alkalicznych są solami dobrze rozpuszczalnymi w wodzie.

Szkła krzemianowe otrzymuje się poprzez stapianie krzemionki z sodą, kalcytem, potażem lub boraksem. Temperatura ok. 1500 st.C

Dodatki:

-tlenek żelaza (II) - barwi na kolor zielony

-tlenek żelaza (III) - barwi na brązowo

-tlenek kobaltu (II) - fioletowy

-zol złota daje szkło rubinowe

Największe zastosowanie znalazło szkło sodowo-wapniowe o składzie:

75% SiO₂, 15% Na₂O, 10% CaO

Ceramiki krzemianowe dzielimy na krzemiany proste takie jak:

Forsteryt (2MgO*SiO2)

Akermanit (2CaO*MgO*SiO2)

Krzemiany warstwowe, powstające, gdy 3 atomy z jednego tetraedru należą do innych tetraedrów. Najbardziej znanym minerałem tej grupy jest kaolinit. Ma względnie prostą dwuwarstwową strukturę. Kaolinit zbudowany jest z płytek, między nimi jest warstwa pośrednia. Szereg podwójnych warstw równoległych względem siebie. Między płytkami wiązania wtórne Van der Waalsa, między warstwami wiązania są silne kowalencyjne.

Glina kaolinitowa [Al2(Si2O5)(OH4)]

Talk [Mg3(Si2O5)2(OH)2]

Mika Potasowa KAl3Si3O10(OH)2

Właściwości ceramiki:

-niska możliwość rozciągania

-odporny na ściskanie

-materiały kruche ze względu na kierunkową naturę wiązań kowalencyjnych i występowaniem luk

-niskie przewodnictwo cieplne i elektryczne

-wysoka temperatura topnienia oraz odporność na wysokie amplitudy temperaturowe

-odporność na korozję

Zastosowanie ceramiki:

-porcelanowe rzeczy codziennego użytku

-włókna optyczne

-lite szkła

-światłowody

-składnik kompozytów

Nowe odmiany ceramiki:

Tlenki (Al2O3, MgO, BeO, ZrO2)

Azotki ( boru, glinu, krzemu)

Węgliki (SiC)

---