Wiązania jonowe
O właściwościach materiałów decyduje ich skład chemiczny i struktura (makro, mikro). Struktura zależy od technologii wytwarzania i przetwórnictwa. Typy wiązań chemicznych: jonowe, kowalencyjne, niezlokalizowane, metaliczne. Siły międzycząsteczkowe: Van der Waals'a, wodorowe. Wszystkie pierwiastki mogą się łączyć oprócz gazów szlachetnych. Zależy to od elektronów walencyjnych. Elektrododatnie - pierwiastki, których atomy mają mniej niż 4 elektrony walencyjne. Mogą łatwo tracić elektrony stające się jonami „+” np. metale. Elektroujemne - pierwiastki o liczbie elektronów większej niż 4. Łatwo przyciągają elektrony. Atomy pierwiastków łączące się w cząsteczkę dąża do uzyskania oktetu elektronowego. Można to uzyska przez: wymianę elektronów, uwspólnienie elektronów (wiązania kowalencyjne). W przyrodzie obowiązuje tendencja do zmniejszania posiadanej energii. Każdy atom chce mieć jak najmniej energii. Gazy szlachetne mają najmniejszą energię wewnętrzną. Wiązania jonowe (elektrowalencyjne lub heteropolarne). Wynika to z działania sił Culomba. Energia wiązania: 2-4 eV 150-370kcal/mol Związki o wiązaniach jonowych w normalnych warunkach są ciałami stałymi, najczęściej kryształy. Własności: duża twardość, mała ściśliwość, odporność na działanie mechaniczne, wysoka temp. wrzenia i topnienia. Kryształy jonowe są dielektrykami.
Wiązania kowalencyjne ( atomowe lub homeopolarne )
Takie wiązania powstają na skutek oddziaływania elektronów walencyjnych spinowych niesprzężonych, o przeciwnych spinowych liczbach kwantowych. Jest to związane z obrotem elektronu. Dla wyjaśnienia tego wiązania wprowadzono model wspólnego atomu. Wiązania kowalencyjne występują w wielu związkach węgla, krzemu, germanu, cyny i ołowiu. Związki kowalencyjne nie ulegają dysocjacji (nie przewodzą prądu), rozpuszczają się rozpuszczalnikach niepolarnych. Także tworzą kryształy. Energia wiązania 4÷6 eV 125/300 kcal/mol
Wiązania metaliczne
Występują wówczas, gdy odległości międzyatomowe są mniejsze od wymiarów zewnętrznych powłok elektronowych. Atomy są bardzo ściśnięte. Jądra (sąsiednie) znajdują się wewnątrz obszaru zajętego przez chmurę atomową „sąsiada”. W ten sposób stają się swobodne, bo mogą się poruszać. Każdy atom metalu dostarcza przynajmniej 1 swobodnego elektronu. Elektrony przewodnictwa - elektrony, które mogą się przemieszczać. Taki stan walencyjnych występuje w stałym zakresie temp. dopóki metal jest w stanie stałym lub ciekłym nie w gazowym! A także nie występują one w temp. bliskiej 0 bezwzględne. Energia wiązania metalicznego 204 eV 25-200 kcal/mol Cechy kryształów metalicznych: plastyczność, nieprzeźroczystość, połysk, trudno rozpuszczalne, przewodzą prąd elektryczny i ciepło, mają ujemy współczynnik temp. przewodności.
Wiązanie niezlokalizowane
Są w pewnym sensie podobne do wiązań metalicznych. Charakteryzuje się ono tym, że elektrony w cząsteczce nie są związane z każdym elektronem, lecz należą do wielu atomów (w odrębie cząsteczki). Wspólne elektrony całego pierścienia nie są swobodne i nie przewodzą metalu.
Siły Van den Walsa
S a to siły między atomami lub cząsteczkami, w wyniku których łączą się one w tzw. agregaty. Siły te są bardzo słabe i oddziałują między bliskimi cząsteczkami. Energia sił: 0,05-0.1eV <10kcal/mol Siły te mogą mieć charakter elektrostatyczny lub magnetyczny. Podobne wiązania występują także w przypadku dipoli magnetycznych. Materiały o takich wiązaniach mają niską temp. topnienia. Siły te odgrywają ważną rolę w: skraplaniu gazów, krzepnięciu cieczy, w zjawiskach adchezji gazów i cieczy przez ciała stałe.
Wiązania wodorowe
Atom wodoru posiadający 1 elektron może reagować z innymi atomami przez przyłączenie lub podzielenie z innym elektronem. Wodór może tworzyć „pomost” między cząsteczkami np. H2O. Wiązanie wodorowe jest bardzo słabe. Energia wiązania: 0,2-0,3eV. Powstają łatwo w normalnych temp. i odgrywają ważną rolę w procesach biochemicznych. Wiązania te występują pomiędzy cząsteczkami o stosunkowo małej masie atomowej: C12, H16, F19. Trwałość wiązania mierzy się ilością energii potrzebnej do jego zerwania. Podwyższenie temp. Powoduje osłabienie wiązań i ich zerwanie. Siły wiązań wpływają też na wytrzymałość mechaniczną i trwałość materiału.
Struktura materiałów
Stan skupienia materii: stały, ciekły, gazowy. Niektóre materiały np. szkła mają właściwości ciał stałych i cieczy. Ciekły kryształ: ciecz o właściwościach ciał stałych. Klasyfikacja stanów materii: krystaliczny, amorficzny, quasikrystaliczny, plazmowy - wys i nis. temp., ciekło-plazmowy ( duże ciśnienia)
Stan krystaliczny
Gdy materiał pozostał przez długi czas bez dostarczania energii, a jednak promieniować energię, to przeszedłby w stan krystaliczny. Nastąpiłoby wtedy przegrupowanie cząstek i sił międzycząsteczkowych. By się zrównoważyły. Pod wpływem energii nastąpi zerwanie sił i pojawi się struktura qasikrystaliczna. Następnie po podwyższeniu temp. struktura amorficzna. Atomy i cząsteczki w idealnych kryształach są rozmieszczone regularnie. Każdy kryształ charakteryzuje się pewnym najmniejszym elementem ilościowym, który się powtarza. Jest to komórka elementarna. Zawiera ona minimalna liczbę atomów danej substancji. Rozróżnia się 7 różnych klas krystalograficznych w zależności od sposobu ułożenia atomów w takiej komórce. W kryształach rzeczywistych na strukturę wpływają warunki wewnętrzne. Własności krystaliczne ciał stałych zależą od składu chemicznego, oraz kształtu i rozmiaru komórki elementarnej. Typy komórek: regularny a=b=c 90, heksagonalny a=b≠c γ120 rombowy a≠b≠c 90, romboedryczny a=b-c 90, jednoskośny a≠b≠c 90, tetragonalny a=b≠c90 trójskośny a≠b≠c ≠90 Kryształy o gęstej strukturze są charakterystyczne dla metali. W kryształach rzeczywistych można rozróżnić defekty struktury: punktowe, dyslokacyjne-liniowe, przestrzenne. Defektem punktowym nazywamy zaburzenie struktury sieci krystalicznej w 1 punkcie rozróżnia się 3 rodzaje tych defektów :def. Zanieczyszczenia (zmiany), def.Schottky'ego (wakancji), def.Frenkla (implantacji). Def dyslokacyjne - dwuwymiarowe zniekształcenia sieci krystalicznej, które zmieniają prawidłowy rozkład płaszczyzn atomowych. Możliwe są przesunięcia. Dyslokacje powstają przy krystalizacji metali lub też na skutek działań naprężeń wewnętrznych. Wpływają także na własności metali, taki materiał łatwo zmienić kształt przy mniejszych siłach. Własności: optyczne, elektryczne, magnetyczne. Dyslokacje określają tzw. strukturę mozaikową pow. kryształów rzeczywistych. Def. Przestrzenne - w kryształach rzeczywistych występują pow. swobodne określające ich kształty. Mogą występować obszary o różnych strukturach, między którymi istnieją obszary graniczne. Naturalny kryształ może być zbudowany wielu małych kryształów. Mają one strukturę polikrystaliczną.
Materiały amorficzne
Różnią się od kryształów całkowitym nieuporządkowaniem atomów lub cząsteczek. Modelem sub. amorficznych jest gaz, w innych ciałach istnieją struktury pośrednie. Obserwuje się pewne układy atomów zgrupowane wokół pewnych atomów lub jonów. Wtedy występuje tylko uporządkowanie bliskiego zasięgu, natomiast brak jest uporz. Dalekiego zasięgu (charakterystyczne dla kryształów). Substancje amorficzne dzieli się na: ciecze, szkła. Ciecze wykazują pewną struktur pośrednią. Przyjmuje się 2 modele cieczy: quasi-gazowy. W modelu tym zakłada się przypadkowy rozkład atomów z możliwością tworzenia się lokalnych powiązań lub cząsteczek. Model quasi-krystaliczny - ciecz uważa się za zdegradowany kryształ (wiele defektów, struktura dalekiego zasięgu jest zburzona w lokalnych obszarach, a dalekiego pozostaje. Podstruktury maja krótki czas życia. Szkła mają strukturę podobną do cieczy i otrzymuje się, że przez nagłe ochłodzenie niektórych cieczy. Ich struktura charakteryzuje się uporządkowaniem krótkiego zasięgu co odpowiada strukturze cieczy w temp. przy której zaczęto ją gwałtownie ochładzać. Przy szybkich zmianach temp. nie zdąży powstać uporządkowanie dalekiego zasięgu. Szkła traktuje się jako zamrożone ciecze. Po dostatecznie dużym czasie szkła przybierają strukturę krystaliczną w temp. otoczenia. Stan szklisty można uważać za metastabilny stan mat.
Materiały qausikrystaliczne
Są to takie materiały, w których pewne grupy atomów mają układ krystaliczny, inne zbliżony, a jeszcze inne układ amorficzny. Polimery: wielka grupa materiałów o właściwościach naturalnych i sztucznych (guma, celuloza, tworzywa sztuczne) Polimery to substancje wielocząsteczkowe złożone z makromolekuł, które zbudowane są z pewnych regularnie powtarzających się jednostek tworzących strukturę łańcuchową. Łańcuchy makromolekuł są kryształami jednoliniowymi, jednak układ w przestrzeni może być różny. Nowe technologie umożliwiają wytwarzanie polimerów o żądanych własnościach. Ciekłe kryształy są to specjalne rodzaje cieczy, które charakteryzują się anizotropią własności ( zróżnicowanie zależnie od kierunku ). Powstają przez stopienie pewnych substancji krystalicznych tzw. kryształów termotropowych. Ciekłe kryształy posiadają właściwości optyczne i magnetyczne. Ustawieniem tych dipolicznych cząsteczek można łatwo sterować poprzez przyłożenie napięcia lub przepływ prądu. Efektem tego jest „zmiętnienie” ciekłego kryształu. Zaletą Ciekłych kryształów jest małe zużycie energii. Niektóre ciekłe kryształy mają jaskrawe zabarwienie wywołane selektywnym odbiciem światła. Kamery termograficzne i noktowizory wykorzystują cechę, ze określona barwa występuje w określonej temp., ponieważ tak wymieszane są c.k.
Zmiany strukturalne i przejścia fazowe w materiałach.
W przypadku dopływu i odpływu energii z materiału stan struktury materiału ulega zmianom. W warunkach normalnych struktura wielu materiałów jest złożona. Mówimy, że może wtedy istnieć w materiałach wiele faz odizolowanych o różnych uporządkowaniach i właściwościach. Fazą nazywa się stan, w którym materiał ma określone właściwości i strukturę. ( amorficzna, krystaliczna, ciekła, gazowa). Zmiany temp. lub ciśnienia prowadzą do przemian fazowych. Przy określonym ciśnieniu temp. przemiany fazowej jest wielkością stałą charakteryzującą dany typ wiązań w materiale. W przyrodzie samorzutnie zachodzą tylko takie procesy, które są związane za zmniejszaniem energii wewnętrznej. Powstająca nowa faza ma zawsze mniejszą energię wewnętrzną. Przemiany fazowe II rodzaju to zmiany struktury krystalicznej tego samego materiału. Przemiany III rodzaju to zmiany własności magnetycznych.