Zestaw 1

Budowa atomu, wiązania metaliczne, krystalografia.

1. Jaka jest budowa atomu?
   atom - najmniejszy, niepodzielny metodami chemicznymi składnik materii. Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro ujemnie naładowanych elektronów. W jądrze znajdują się z kolei dodatnio naładowane protony i obojętne naładowanych neutronów.

2. Główne założenia teorii Bohra i mechaniki falowej
   Bohr przyjął wprowadzony przez Ernest Rutherforda model atomu, według tego modelu elektron porusza się po stałych orbitach dzięki równowadze między siłą elektrostatycznego przyciągania ładunków i siłą odśrodkową.Przez podobieństwo do ukł. słonecznego nazwano "modelem planetarnym atomu". Pierwszym równaniem modelu jest równość siły elektrostatycznej i siły dośrodkowej.
   Bohr założył, że elektron może krążyć tylko po wybranych orbitach zwanych stabilnymi, oraz że krążąc po tych orbitach nie emituje promieniowania (mimo że tak wynikałoby z rozwiązania klasycznego). Atom wydziela promieniowanie tylko gdy elektron przechodzi między orbitami.
   Mechanika falowa. Podstawowym równaniem jest równanie de Broglie'a, która jest podstawą dualizmu korpuskularno-falowego (
   , gdzie h-dł fali, p- pęd)
   Zasada nieoznaczoności Heisenberga - nie można dokładnie określić jednocześnie pędu i położenia elektronu lub jego energii w ściśle określonym czasie.
   Równanie falowe Schrodingera - umożliwia obliczenie prawdopodobieństwa znajdowania się elektronu w przestrzeni w zależności od wartości liczb kwantowych.
   Zakaz Pauliego - maksymalnie dwa elektrony w atomie mogą mieć takie same trzy liczby kwantowe (różnią się spinem)

3. Liczby kwantowe i struktura elektronowa atomów

• GLK(n) - miara całkowitej energii elektronu w danym stanie określa orbitę po której krąży elektron (K, L, M, N)

• PLK (l)- miara momentu pędu 0,1,2…(l<n)
  stany energetyczne elektronu (s,p,d,f); liczba elektronów w danym stanie 2(2(+1); opisuje niewielkie różnice energi elektronu danego poziomu energetycznego związanie z róznicami ich orbitalnego momentu pędu.

• MLK (m)- kierunek wektora momentu pędu (m_­1=<l)
  decyduje o wzajemnym ułożeniu się orbitali w przestrzeni

• SLK (m_S)- ruch wirowy elektronu
  
  np. Al
  

4. Związek układu okresowego ze strukturą elektronową atomów
   Układ okresowy jest zbudowany z poziomych szeregów, czyli okresów i pionowych grup. Ogółem jest siedem okresów, zgodnie z liczbą orbit, które mogą być zajęte przez elektrony.

5. Interpretacja konstrukcji układu okresowego pierwiastków

6. Cechy metali przejściowych
   pierwiastki grupy IIIB-VIIIB. W reakcjach chemicznych z niemetalami metale zachowują się jak elektrododatnie (oddają elektrony), podczas gdy niemetale je przyłączają

7. Pierwiastki elektrododatnie i elektroujemne
   pierw (+) - pierw posiadające zdolność do oddawania elektronów przez co przeważają protony
   pierw (-) to samo tylko że przyciągają elektrony

8. Co to jest energia jonizacji?
   en jonizacji - praca związana z oderwaniem elektronu od atomu (eV) elektronovolt)

9. Na czym polega istota wytrzymałości mechanicznej ciał stałych?
   Wytrzymałość mechaniczna ciał stałych jest efektem działania między atomami sił spójności, które zależą głównie od charakteru wiązania, ale także od innych czynników jak typ sieci, kierunek działania sił wzlędem osi krystalograficznych, obecność defektów sieci, temperatura, warunki odkształcenia i inne.

10. Co to jest odległość równowagowa atomów i energia wiązania?
    Odległością równowagową atomów nazywamy taką odległość, przy której siły przyciągania równoważą się z siłami odpychania, dzięki czemu siły wzajemnego oddziaływania są równe zeru. Odległość ta jest stała w określonych warunkach i dla danego materiału.
    Energia wiązania jest to energia potrzebna do rozdzielenia układu na jego elementy składowe.

11. Na czym polega wiązanie jonowe i atomowe(kowalencyjne)?
    Wiązanie jonowe jest wynikiem dążenia różnych atomów do tworzenia trwałych 8-elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych poprzez uwspólnienie elektronów (np. NaCl jest elektrycznie obojetna, stanowi jednak dipol, co oznacza, że ma zaznaczone bieguny elektryczne. Umożliwia to łączenie się cząsteczek i tworzenie kryształu. Kryształy takie, zwane jonowymi, cechują się dużą wytrzymałością i twardością oraz wysoką temperaturą topnienia. Mają także skłonność do łupliwości wzdłuż płaszczyzn {100}. Wiązanie jonowe występuje głównie w kryształach halogenków pierwiastków alkalicznych i ziem alkalicznych.
    Wiązanie atomowe powstaje w wyniku powstawania par elektronów (o różnych spinach) wiążących atomy , co wynika z dążenia do tworzenia 2- lub 8- elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych. Uwspólnione elektrony przechodzą kolejno od jednego atomu do drugiego, zamieniając je w jony dodatnie, które są przyciągane przez elektrony znajdujące się między nimi. np. atomy wodoru mogą być związane przez jedną parę elektronów, ale ogólna liczba par wiążących wynika z reguły 8-N (N - nr grupy układu okresowego). Stąd w tlenie są dwie, w azocie trzy, a w krzemie, germanie i węglu (diamencie) cztery pary wiążące Wiązanie atomowe jest bardzo silne i prowadzi do dużej wytrzymałości mechanicznej i wysokiej temperatury topnienia. W kryształach krzemu i germanu umożliwia zachodzenie zjawiska półprzewodnictwa.

12. Istota i charakterystyka wiązań metalicznych
    Wiązanie metaliczne jest wynikiem oderwania się elektronów wartościowości (znajdujących się na ostatniej orbicie atomu) i utworzenia tzw. gazu elektronowego, tzn. że mogą one swobodnie poruszać się między dodatnimi jonami, wiążąc je ze sobą. Wiązanie to jest zgodne z teorią swobodnego elektronu (Drudego - Lorentza, Blocha). Elektrony swobodne łączą jony na zasadzie elektrostatycznego przyciągania. Jony są utrzymywane w typowych dla danego pierwiastka odległościach dzięki równowadze sił przyciągania między jonami i elektronami oraz odpychania między dodatnio naładowanymi jonami. Wiązanie metaliczne cechuje stosunkowo duża energia (pośrednia między wiązaniem jonowym i atomowym) i są bezkierunkowe. Wiązanie metaliczne prowadzi do dobrego przewodnictwa elektrycznego i cieplnego, oporności rosnącej z temperaturą, a poza tym dobrej plastyczności i metalicznego połysku.

13. Co to jest kryształ?
    Kryształ jest to ciało stałe, anizotropowe, w którym atomy są ułożone w periodycznie powtarzających się odstępach czyli podstawowych periodach identyczności (ppi), w co najmniej trzech nierównoległych kierunkach

14. Pojęcie prostej i płaszczyzny sieciowej
    Prosta sieciowa jest wynikiem translacji punktu (atomu) w określonym kierunku. W krysztale jest nieskończenie wiele prostych sieciowych, gdyż każde dwa punkty (atomy) wyznaczają prostą sieciową
    Płaszczyzna sieciowa jest wynikiem poddania translacji prostej sieciowej w określonym kierunku, różnym jednak od kierunku prostej. Każde trzy punkty (atomy) nie leżące na jednej prostej wyznaczają płaszczyznę sieciową. W związku z tym płaszczyzn tych jest w krysztale nieskończenie wiele. Wszystkie płaszczyzny równoległe są identyczne i mają jednakowe odledłości międzypłaszczyznowe dhkl. Płaszczyzny nierównoległe mają najczęściej te odległości niejednakowe.

15. Co to jest komórka elementarna i sieciowa?
    komórka elementarna jest to obszar sieci przestrzennej wyodrębniony przez sześć płaszczyzn parami równoległych, mający kształt równoległościanu, którego krawędziami są trzy podstawowe peridy identyczności (rys.5.1)(rys.5.1). W danej sieci istnieje wiele sposobów wybrania komórki elementarnej, jednakże staramy się aby miała ona najprostszy kształt geometryczny, np. prostopadłościanu lub sześcianu. Wymiar i kształt komórki elementarnej można opisać za pomocą sześciu parametrów sieci: trzech kątowych (kątów między nierównoległymi krawędziami komórki a, b, g) oraz trzech ppi (a0, b0, c0).
    Komórka sieciowa składa się z kilku komórek elementarnych, Tak na przykład komórka sieciowa układu heksagonalnego A3 mająca oś symetrii 6 - krotnej składa się z trzech komórek elementarnych.

16. Co to są wskaźniki prostej sieciowej [UVW]?
    Są to liczby całkowite służące do oznaczania prostej sieciowej. Przyjęto oznaczać je literami u,v,w. Określają one współrzędne najbliższego punktu leżącego na danej prostej, identycznego z początkiem układu ( znaczy to, że drugi punkt powstał przez translasję pierwszego). Wskaźniki zapisuje się w nawiasach [ ], gdy chodzi o konkretną prostą albo proste równoległe lub < >, gdy chcemy oznaczyć rodzinę nierównoległych prostych. Na (rys.5.3)rys.5.3 pokazano wskaźnikowanie prostych sieciowych w komórce układu regularnego

17. Co to są wskaźniki płaszczyzny sieciowej (hkl)?
    Są to liczby, które wskazują na ile części płaszczyzna najbliższa początku układu dzieli podstawowy period identyczności danej osi. Wskaźniki oznacza się literami h,k,l, odpowiednio dla osi x,y,z. Jeśli wskaźniki są liczbami pierwszymi (nie mają wspólnego podzielnika) nazywamy je wskaźnikami Millera, jeśli nie wskaźnikami Bragga

18. Cechy charakterystyczne układów krystalograficznych
    Układy krystalograficzne różnią się parametrami sieci tj. kątami między osiami i podstawowymi periodami identyczności. Istnieje siedem układów krystalograficznych, według których można sklasyfikować wszystkie znane kryształy. W niektórych kryształach można dodatkowo wyodrębnić różne typy sieci. Wynikają one z przyjęcia różnej liczby nieidentycznych punktów, z których powstaje sieć przez ich translacje. Z tym wiąże się różna liczba atomów przypadających na elementarną komórkę.
    Do najważniejszych układów zaliczamy:
    a)Układ regularny
    a0= b0= c0 oraz a = b = g = 90°.
    Kształt komórki elementarnej sześcienny. Najczęściej występują dwa typy sieci: A1 (RSC)- ściennie centrowana - 4 atomy na komórkę i A2 (RPC)- przestrzennie centrowana - 2 atomy na komórkę (pozostałe cechy jak w A1).
    b) Układ tetragonalny
    a0= b0 <> c0 oraz a = b = g = 90°.
    Komórka ma kształt prostopadłościanu.
    c)Układ heksagonalny
    a0= b0 <> c0 oraz a = b = 90°, g= 120°.
    Prócz tego występują następujące układy: rombowy, romboedryczny, jednoskośny i trójskośny, których znaczenie jest mniejsze.

19. Narysować schemat komórki elementarnej sieci A1, A2 i A3; wywskaźnikować główne kierunki i płaszczyzny tych sieci.
    Komórka A1 jako ściennie centrowana jest sześcianem, w którym atomy są rozmieszczone na narożach i na środkach ścian. Dlatego jest też stosowane oznaczenie RSC. Komórka A2 jako przestrzennie centrowana jest sześcianem, w którym atomy są rozmieszczone na narożach i w środku sześcianu). Dlatego jest też stosowane oznaczenie RPC
    
    

20. Jak można utworzyć sieć A1 i A3 z płaszczyzn atomowych o najgęstszym wypełnieniu?
    Płaszczyzny o najgęstszym wypełnieniu atomami to takie, w których trzy sąsiednie atomy stykają się ze sobą i ich środki ciężkości tworzą trójkąty równoboczne. Okazuje się, że takie płaszczyzny można ułożyć (jedna nad drugą) na dwa różne sposoby: ABABAB..., gdy co druga płaszczyzna znajduje się nad pierwszą - prowadzi to do sieci A3 (rys.5.7)(rys.5.7) i ABCABCABC..., gdy co trzecia płaszczyzna znajduje się nad pierwszą - prowadzi to do sieci A1 (rys.5.8)(rys.5.8). Okazuje się, że kolejność ułożenia płaszczyzn prowadzi do różnych sieci, o różnych własnościach, a poza tym mogą występować zaburzenia w kolejności ułożenia płaszczyzn (np. ABC w sieci A3 lub ABA w sieci A1), co nazywamy błędami ułożenia. Błędy ułożenia, a zwłaszcza ich energia, wywierają istotny wpływ na własności metali

21. Wymień metale krystalizujące w sieci A1, A2, A3
    Sieć A1- Fe-g, Al, Cu, Ag, Pt, Ni, Pb - cechują się dużą powściągliwością.
    Sieć A2 - Fe-a, Ti-a, V, Mn-a, Cr, Mo, W - niezbyt ciągliwe.
    Sieć A3 - Zn, Mg, Cd, Ti-b, Zr-b, Co-b - niezbyt ciągliwe

22. Co to jest polimorfizm lub alotropia?
    Polimorfizmem lub alotropią nazywamy występowanie tego samego pierwiastka lub związku w postaci dwóch lub kilku odmian krystalicznych, a odmiany te nazywamy alotropowymi. Przemiany alotropowe zachodzą przy stałych temperaturach i towarzyszy im wydzielanie lub pochłanianie utajonego ciepła przemiany (w zależności od kierunku jej zachodzenia)

23. Wymień metale wykazujące odmiany alotropowe
    Do metali posiadających odmiany alotropowe należy żelazo z odmianami Fe-a o sieci A2, Fe-g o sieci A1 i Fe-d (zwana także wysokotemperaturową odmianą a) o sieci A2, cyna z odmianami Sn-a i Sn-b, a poza tym mangan, kobalt, tytan

24. Na czym polega anizotropia własności kryształów?
    Anizotropia własności kryształów, czyli zależność ich własności od kierunku krystalograficznego,w którym dana własność jest badana, jest charakterystyczną cechą kryształów, odróżniającą je od materiałów bezpostaciowych, a więc niekrystalicznych. Wiąże się to z gęstością ułożenia atomów niejednakową we wszystkich kierunkach. Przykłady anizotropii kryształów pokazano na (rys.1.10)rys.5.10 i (rys.5.11)5.11, które przedstawiają modele zmiany wydłużenia miedzi i modułu sprężystości żelaza w różnych kierunkach krystalograficznych. Na modelach tych długość odcinka od początku układu współrzędnych do powierzchni modelu jest proporcjonalna do danej własności

25. Jakie własności kryształów są anizotropowe?
    Typowymi własnościami anizotropowymi są: własności mechaniczne: wytrzymałość, granica plastyczności, twardość, wydłużenie, moduł sprężystości, a także własności fizyczne np. optyczne, magnetyczne, chemiczne, elektryczne i cieplne.

26. Praktyczne znaczenie anizotropii kryształów

27. Metaloznawstwo. Celem metaloznawstwa jest zapewnienie racjonalnego i optymalnego zastosowania metali i stopów w technice i innych dziedzinach.

---