8/3/2019 1-4 lekcije

1/64

1

MATERIJALI I

Izv. prof. dr. sc. Loreta Pomeni

Lekcije od 1. 4.

8/3/2019 1-4 lekcije

2/64

2

Okvirni sadraj predmeta

MATERIJALI IDefinicija i vrste materijala. Trendovi primjene materijala u tehnici.

Graa tvari. Meuatomske i meumolekulske veze i svojstva materijala.Kristalna i amorfna struktura. Metalni, kovalentni, ionski, molekulski i tekuikristali.

Osnove kristalografije. Millerovi indeksi. Metode analize kristalne strukture.Kristali mjeanci i prijelazne faze. Kristalne nesavrenosti.

Difuzija. Skruivanje metala.

Fazne pretvorbe. Fazni dijagrami stanja metala i nemetala. Gibbsovo pravilofaza. Dvokomponentni sustavi legura. Trokomponentni sustavi legura.Neravnoteno skruivanje.

Polimerni materijali. Dobivanje polimera. Bitne znaajke makromolekula.Termoplasti i duroplasti. Elastomeri. Intermolekularne sile. Kristalininostpolimera. Topivost i termodegradacija polimera.

Keramiki materijali u tehnici. Fazni dijagrami za keramiku. Sinteriranje.Struktura keramike.

Kompozitni materijali- definicije, osnovni pojmovi i sistematizacija. Strukturakompozita.

8/3/2019 1-4 lekcije

3/64

3

LITERATURA

Obavezna literatura:

1.Callister, W. D., Jr.: Fundamentals of Material Science and Engineering, JohnWiley & Sons, Inc, 2001

2. Katavi, I.: Uvod u materijale, Sveuilite u Rijeci, 1997.

3.Schwartz, M.: Encyclopaedia of Materials, Part and Finishes, second edition,CRC Press, 2002.

Lehman; R.L.: Materials Mechanical Engineering Handbook, CRC, 1999.5.

Strong, A.B.: Plastics Materials and Processing, second edition, PrenticeHall, Columbus, Ohio, 2000.

3.

Preporuena literatura:

8/3/2019 1-4 lekcije

4/64

4

8/3/2019 1-4 lekcije

5/64

5

8/3/2019 1-4 lekcije

6/64

6

8/3/2019 1-4 lekcije

7/64

7

O UENJU

- UITI NE ZNAI ISTO TO I ZAPAMTITI

- UENJE JE AKTIVAN PROCES KONSTRUIRANJA ZNAENJA

( razumijevanje gradaiva - analiziranje, opisivnje, usporedba, razlikovanje,

procjenjivanje, itd.)- Lake zapamtimo ako razumijemo ono to trebamo zapamtiti i

ako to esto ponavljamo

- Samo informacija koju je sam student strukturirao i organizirao

moe biti trajno pohranjena u sjeanju (informacije objasniti nasvoj nain, svojim rijeima, ali da one ostanu istinite i tone)

- MOTIVACIJA ZA UENJE - ELJA ZA USPJEHOM , A NE STRAH ODNEUSPJEHA

- STUDENT TREBA PREUZETI TO VIE ODGOVORNOSTI ZA UENJE,PROVJERU I POBOLJANJE ZNANJA

- www.riteh.hr (linkovi)

- Konzultacije: srijedom od 12-14 sati i petkom od 14-15 sati u prostoriji 2-170(laboratorijska zgrada- po mostu sa II. kata (uta boja)

http://www.riteh.hr/http://www.riteh.hr/

8/3/2019 1-4 lekcije

8/64

8

Lekcija 1.

UVOD

definicija materijala

povijest vanijih materijala

povijesni pregled materijala

8/3/2019 1-4 lekcije

9/64

9

TO SU MATERIJALI ?

- Materijali su vrste tvari koje imaju masu i zauzimaju prostor.

- Uvjet da neka tvar bude materijal je taj da mora imati jedno ili viespecifinih svojstava koja ju ine materijalom (npr. elektrina vodljivost,

mehanika otpornost itd.).

- Materijali su vrste tvari iz kojih su izraeni proizvodi korisni za uporabu.

Razumijevanje injenice da se materijali ponaaju onako kako seponaaju pod utjecajem okoline te zato imaju meusobno razliitasvojstva bilo je mogue samo uz pomo razumijevanja atomske graetvari i prihvaanja kvantne mehanike koja je definirala atome i vrstatijela negdje poetkom tridesetih godina prolog stoljea.

Te su spoznaje omoguile odgovore na mnoga pitanja pa i ona kakomoemo promijeniti svojstva materijala kako bismo dobili neto bolje i

jeftinije proizvode. Ili, kako novo uoena svojstva materijala korisno

uporabiti, tj. prona

i im nova podru

ja primjene.

8/3/2019 1-4 lekcije

10/64

10

KRATKI KRONOLOKI PREGLED TEHNIKI VANIHMATERIJALA

(materijali posebnih svojstava) 20. stoljee pronalazak i uporaba novih materijala kojih nema u prirodi

1907. bakelit, prvi potpuno sintetski polimer (Leo Baekand, Belgijac) SAD

1909. precipitacijsko ovrivanje Al-legura (aeronautika); elici s 13% Cr

1915.- Pyrex, staklo za visoke temperature 1925.- nehrajui elik, 18/8 Cr/Ni

1930.- umjetna guma; staklena vlakna (za kompozite)

1933.- polietilen

1934.- poliamid, Nylon 1936.- polimetilmetakrilat, Plexiglass

1938.- politetrafluoretilen, Teflon

1940.- Ni- superlegure

Cr, Ti + Al legure za mlazne motore, energane, svemirske brodove Keramiki magneti (feriti, sloeni iz karbida eljeza, Ni i drugih metala),

visokofrekventne komunikacije, snimanje glazbe)

8/3/2019 1-4 lekcije

11/64

11

KRATKI KRONOLOKI PREGLED TEHNIKI VANIHMATERIJALA

(materijali posebnih svojstava) - nastavak

Ni-Zn keramiki magneti, za jezgre kompjutorske memorije, u TV ikomunikacijskoj opremi

1945.- Ba-titanat, keramika (daje elektrini naboj ako je mehanikiizloen i obnuto), tehnologija zvuka i zapisa, sonari, ultrazvuk

1946.- silikoni, brtve, maziva, implantati

1956.- sintetski dijamanti

1962.- Ni-Ti legure koje pamte oblik 1964.- ugljina vlakna

1970.- amorfne legure, signali, transformatori, senzori

1977. - organski poluvodii (Hideki Shirakawa, Alan MacDiarmid i AlanHeeger (LED- diode koje emitiraju svjetlost), solarne elije, displaymobitela- 2000. g. Nobelova nagrada za kemiju

1986-1990.- umjetna koa

1990.- nanotehnologija

8/3/2019 1-4 lekcije

12/64

12

Evolucijski pregled tehnikih materijala

Slika 1. Relativan vanost materijala u odnosu na vrijeme (godine) kroz povijest, ali ipredvianje za budunost

8/3/2019 1-4 lekcije

13/64

13

Materijali budunosti

Nanomaterijali mikrostruktura koja je reda veliine od 1 do 100

nanometara i imaju neuobiajena svojstva

Pametni materijali avionska krila koja e samostalno odluivati,zgrade koje e se same stabilizirati u sluaju zemljotresa

Okoliu prihvatljivi materijali- biorazgradljive ili fotorazgradljive

plastike

Materijali za: dugotrajnije baterije, za lopatice turbina koje mogu

raditi na ekstremno visokim temperaturama, supravodii koji rade na

sobnoj temperaturi, kemijski senzori, odjea koju nee trebati glaati

i kojae se prilago

avati vanjskoj temperaturi

Materijali koji e se proizvesti prouavajui prirodu, kojih ima u

prirodi ali ih zasad ne znamo proizvesti

8/3/2019 1-4 lekcije

14/64

14

Lekcija 2.

VRSTE MATERIJALA I PODJELE

naini podjele materijala

ope karakteristike materijala (metali, polimeri, keramike, kompoziti,

poluvodii, biomaterijali)

selekcija materijala

veza izmeu materijala, funkcije,oblika i procesa

8/3/2019 1-4 lekcije

15/64

15

PODJELA MATERIJALA PREMAPODRIJETLU

PRIRODNI UMJETNI, SINTETSKI

(nisu izravno iz prirode)

metali

kamen

glina

drvo

vuna

svila

koa

krzno

pamuk, itd.

legure metala

polimeri

poluvodii

supravodii

tehnike keramike

kompoziti

Slika 2. Podjela materijala prema njihovom podrijetlu

8/3/2019 1-4 lekcije

16/64

16

METALI ILEGURE

POLUVODII

KOMPOZITI

KERAMIKE ISTAKLA

BIOMATERIJALI

POLIMERI

PODJELA MATERIJALA PREMA VRSTI, GRAI, SVOJSTVIMA I

PRIMJENI

strojarstvo, brodogradnja, aeronautika, graevinarstvo, itd.: metali i legure, keramike,polimeri, kompoziti

elektrotehnika i elektronika: poluvodii, metali, keramike, polimeri

medicina: biomaterijali, metali, keramike, polimeri, kompoziti

Slika3. Podjela materijala prema vrsti, grai, svojstvima i primjeni

8/3/2019 1-4 lekcije

17/64

17

METALI I LEGURE

Metalni materijali i legure su anorganske tvari sastavljene od atomakemijskih elemenata po karakteru metala povezanih meusobno

metalnom vezom. Veina elemenata u periodnom sustavu su metali.Primjer legura su Cu-Zn, mjed i Fe-C, elik. Najvie ima legura kojima

je osnovni element Fe.

Osnovne karakteristike metala su:

kristalana struktura,

dobra elektrina i toplinska vodljivost,

vrsti su i ilavi, imaju metalni sjaj

8/3/2019 1-4 lekcije

18/64

18

Primjeri nekih proizvoda iz metala i legura

8/3/2019 1-4 lekcije

19/64

19

Polimeri su organske tvari - makromolekule sastavljene izponavljajuih jedinica (mera) koje su meusobno povezanekovalentnom vezom, a dobiveni su procesom polimerizacije (sintetski).

Najee se sastoje iz lanaca atoma ugljika na kojima su vezani atomivodika, kisika, duika, sumpora, klora, itd.

Karakteristike polimera su:

struktura: velike molekule (makromolekule) lanci uglavnom u nesreenomporetku,

slaba elektrina vodljivost (tipini su izolatori),

slaba toplinska vodljivost,

mehani

ka svojstva su im razli

ita i ovise o kemijskom sastavu i strukturi, neotporni su na visokim temperaturama,

uglavnom su otporni na utjecj razliitih kemikalija

POLIMERNI MATERIJALI

8/3/2019 1-4 lekcije

20/64

20

Primjeri nekih proizvoda iz polimera

8/3/2019 1-4 lekcije

21/64

21

Keramiki materijali su anorganski materijali kristalne grae (stakla suamorfne grae) sastavljeni od atoma metalnih i nemetalnih kemijskihelemenata koji su meusobno spojeni uglavnom kemijskim vezama(kovalentnim i /ili ionskim vezama).

Osnovne karakteristike tih materijala su:

kristalna ili amorfna (stakla) graa,

tvrdi su i krhki,

slabo provode toplinu,

uglavnom su izolatori,

imaju dobra mehanika svojstva na visokoj temperaturi

KERAMIKI MATERIJALI

Primjeri nekih proizvoda iz tehnike (inenjerske) keramike

8/3/2019 1-4 lekcije

22/64

22

Shuttle.gif

Primjeri nekih proizvoda iz tehnike (inenjerske) keramike

8/3/2019 1-4 lekcije

23/64

23

KOMPOZITNI MATERIJALI Kompoziti su materijali sastavljeni iz drugih ve gotovih materijala,

uglavnom kao njihova mjeavina, kako bi zajedno imali nova svojstva,tj. ona svojstva koja svaki materijal sam ne bi imao. Sastavljeni su iznajmanje dva materijala (komponente) jedna je komponenta osnovnimaterijal, a druga je komponenta materijal za ovrivanje (npr.

vlakna ili estice).

Mikrostrukturakompozita

Palica za golf

8/3/2019 1-4 lekcije

24/64

24

POLUVODII

Poluvodii su silicij, germanij, galij, arsen. Oni provode elektrinu struju ako se valentnielektroni pobude s pomou toplinske, optike ili neke druge energije kako bi preli izvalentne trake u traku elektrine vodljivosti.

Ploice ipova, Si

Elektroniki sklopovi

BIOMATERIJALI

8/3/2019 1-4 lekcije

25/64

25

BIOMATERIJALI

Endoproteza kuka prikaz spajanja sa safirnom glavom

Rentgenska snimka

pacijenta:

a) prije operacije,

b) nakon operacije

Biomaterijali se primjenjuju u komponentama koje se ugrauju u ljudskotijelo zbog zamjene ozlijeenog ili bolesnog dijela tijela (npr. umjetni kuk).

Sve navedene vrste materijala

metali, keramike, polimeri,

kompoziti i poluvodii mogu se

koristiti kao biomaterijali.

Ti materijali moraju biti

netoksini, ne smiju korodirati

niti na drugi nain reagirati s

okolnim tkivom.

a) b)

ZATO SU NAM SVOJSTVA MATERIJALA VANA?

8/3/2019 1-4 lekcije

26/64

26

ZATO SU NAM SVOJSTVA MATERIJALA VANA?

a) Aluminij, Al

b) Magnezij, Mg

vlana sila

Slika 4. Razlika u svojstvima materijala izmeu aluminija i magnezija kod vlanog pokusa.

Djelovanjem vlane sile Al i Mg se ne ponaaju isto - ne dolazi do loma uzorka na isti nain to

e osl edica n ihove unutarn e kristalne rae.

ZATO SU NAM SVOJSTVA MATERIJALA VANA?

8/3/2019 1-4 lekcije

27/64

27

svojstva materijala su nam vana kako bismo mogli predvidjeti

njihovo ponaanje u praksi (primjeni, tijekom eksploatacije),

vana su za optimalan odabir (selekciju) konstrukcijskog

materijala (prema cijeni, nainu oblikovanja, obrade, zavrne

obrade, prema utroku vremena potrebnog za izradu naeggotovog proizvoda, prema utroku energije, prema predvienom

vijeku trajanja proizvoda, itd.)

da bismo sve to mogli ispravno uiniti - potrebno je znati to je

mogue vie podataka o tim materijalima,

potrebno je razumijeti njihova svojstva, tj. zato su takvi i to

moemo od njih oekivati tijekom proizvodnje i primjene,

da moemo traiti nove materijale, ako postojei nezadovoljavaju ono to od njih oekujemo

ZATO SU NAM SVOJSTVA MATERIJALA VANA?

8/3/2019 1-4 lekcije

28/64

28

Veliki dio inenjerske djelatnosti ine preradasirovina (materijala) i proizvodnja gotovih

proizvoda Inenjeri, u svrhu kreiranja proizvoda i

proizvodnih sustava, trebaju poznavatiunutarnju grau i svojstva materijala

S tim e znanjem biti u stanju odabratinajpogodniji materijal i najprimjerenijutehnologiju izrade za odreeni proizvod

SELEKCIJA (ODABIR) MATERIJALA

8/3/2019 1-4 lekcije

29/64

29

Slika 5. Ashbyjev dijagram: svi su konstrukcijski materijali prikazani u odnosu na njihovuvrstou (strength) i gustou (density). Ovo je samo jedan od moguih Ashbyjevih dijagrama u drugimsu dijagramima kombinirana neka druga svojstva materijala koja se od njih oekuju za razliita polja i uvjete

primjene.

Veza izmeu materijala, funkcije, oblika i procesa

8/3/2019 1-4 lekcije

30/64

30

j , j , p

Funkcijanpr. konstrukcijskimaterijal (za cijevi, zaglavu motora, itd.)

Materijal(npr. vrsta materijala,struktura, svojstva, itd.)

Oblik(npr. ica, cijev, L

profil, lim, cilindar,

kugla; vrlo sloenioblici, itd.)

Procesnpr. 1) dobivanjematerijala,

2) dobivanje gotovihproizvoda

Slika 6. Veza izmeu materijala, funkcije, oblika i procesa

Materijal je (kao to vidimo na slici 6) povezan: s funkcijom,

8/3/2019 1-4 lekcije

31/64

31

Materijal je (kao to vidimo na slici 6) povezan: s funkcijom,

oblikom i procesom.

Strelice su (na slici 6) u svim slu

ajevima dvosmjerne:

materijal odreuje funkciju, mogunost oblikovanja u gotov

proizvod i proces kojim emo to postii

funkcija odreuje materijal, oblik i proces oblik odreuje materijal, funkciju i proces

proces odreuje materijal, funkciju i oblik

Napomena:

Slika 6 se moe tumaiti na dva naina:

1) S gledita proizvoaa materijala (u tom sluaju je na prvom mjestu proizvodnja odreene

vrste materijala koja je uvjetovana njegovom funkcijom, oblikom i procesom dobivanja)

2) S gledita preraivaa materijala u gotove proizvode (to je inenjerima strojarstva i

brodogradnje zadatak i zanimljivije) kao to je prikazano u tumaenju slike 6

Iz slike 6 vidimo koliko su materijal, funkcija, oblik i procesuzajamno povezani i kako bez poznavanja materijala nemoemo odrediti ostale bitne injenice.

8/3/2019 1-4 lekcije

32/64

32

Lekcija 3.

ATOMSKA STRUKTURA podjela tvari

atomska struktura

elektronska struktura atoma

kvantni brojevi

elektronska konfiguracija atoma

periodni sustav elemenata

8/3/2019 1-4 lekcije

33/64

33

TVARI

ISTE

TVARI

SMJESEnpr. zrak, mlijeko,

mjed

KEMIJSKI

ELEMENTI

Atomarninpr. Na, He, Fe

Molekulskinpr. O2, S8

KEMIJSKISPOJEVInpr. CH4, H2O, CO2

Kovalentninpr. C4H10, H2O,

CO2

Ionskinpr. NaCl, CaO

Slika 7. Podjela tvari

ATOMSKA STRUKTURA TVARI

8/3/2019 1-4 lekcije

34/64

34

ATOMSKA STRUKTURA TVARI

Danac Niels Bohr usavrio je Rutherfordov model atomaprimjenivi kvantnu teoriju njemakog fiziara Maxa Plancka premakojoj se energija apsorbira ili emitira iskljuivo u diskretnimiznosima- kvantima.

Prema Bohrovom modelu, elektroni krue oko jezgre pokvantiziranim stazama (ljuskama) i tada ne zrae energiju.

Elektroni se mogu gibati po sedam (7) energijskih nivoa (ljusaka).

Svaka ljuska ima svoj energijski nivo.

Ljuske blie jezgri su na niem energijskom nivou.

Kvantnomehaniki model zasniva se na Heisenbergovom naeluneizvjesnosti i Schrdingerovoj jednadbi.

8/3/2019 1-4 lekcije

35/64

35

Atom je najmanji dio nekog kemijskog elementa, koji zadrava

svojstva tog elementa.

Rije atom dolazi od grke rijei atomosnedjeljiv.

Sve do poetka 20. stoljea mislilo se daje atom nedjeljiv i da je toelementarna estica.

Atomi su graeni odjezgre i elektronskg omotaa.

Elektroni: (-) naboj, velikom brzinom krue oko jezgre i oko svoje osi.

Jezgra se sastoji iz: protona (+), p+ i neutrona (0), n0.

Broj elektrona jednak je broju pozitivno nabijenih protona, tako da je atom

prema vani neutralan.

GRAA ATOMA

8/3/2019 1-4 lekcije

36/64

36

GRAA ATOMA

Atom je graen iz jezgre i elektronskog omotaa oko jezgre.

Elektonski omota

elektroni (-) naboj, e- Jezgra atoma

protoni (+) naboj, p+

i neutroni (0) beznaboja, n0

Slika 8. Shematski prikaz modela atoma

Elektron, e-je jedinina mnoina elektrine energije. Moe se uzeti kao sitna estica ilienergijski val negativnog naboja. Ako govorimo o elektronu kao o slobodnoj estici tada

se njegova masa odnosi prema masi atoma vodika kao 1: 1837. Elektron krui okosvoje osi i oko jezgre atoma.

Proton, p+ je teka estica materije 1837 puta tea od elektrona. Nosi pozitivanjedinini naboj jednak mnoini naboja elektrona. Proton je sastavni dio jezgre atoma.

Neutron, n0 je takoer teka estica materije tek neto tea od protona. Elektriki jeneutralan (nema naboja). Neutron je sastavni sio jezgre atoma.

Tablica 1 Mase i naboji elektrona protona i neutrona

8/3/2019 1-4 lekcije

37/64

37

Tablica 1. Mase i naboji elektrona, protona i neutrona

estica Masa Naboj

Elektron 9.109 x 10-31 kg - 1.602 x 10-19 C

Proton 1.672 x 10-27 kg + 1.602 x 10-19 C

Neutron 1.674 x 10-27 kg 0

Najlake emo predstaviti navedene veliine ako ih poveamo za 1011

puta, tj. za sto milijarda puta, jer bi tada atom bio lopta promjera 1m u

ijem bi se centru nalazila jezgra veliine glavice pribadae (oko 1mm

promjera). Kada bismo sloili kockicu od samih atomskih jezgri s

bridom od 1 cm tada bi ta kockica teila milijun tona. Kockica istih

dimenzija sastavljena iz atoma platine tei svega 22 g.

Atomski broj, maseni broj i izotopi

Pripadnost atoma nekom odreenom kemijskom elementu

8/3/2019 1-4 lekcije

38/64

38

Pripadnost atoma nekom odreenom kemijskom elementuodreena je njegovim atomskim brojem (Z) brojem protona u jezgri.

svaki je kemijski element graen iz istih atoma, tj. atoma koji imaju jednakiatomski broj, odnosno broj protona u jezgri.

U elektriki neutralnom, tj. nepobuenom, kompletnom atomu bilo kojeg

elementa, broj protona u jezgri jednak je broju elektrona u elektronskom omota

u to znai da je atom elektriki neutralna estica materije.

Maseni broj (A) je zbroj protona i neutrona prisutnih u jezgri atoma nekogkemijskog elementa. Izuzetak je atom vodika koji ima samo proton u jezgri, tj.

nema neutrona.

Izotopi su atomi istog elementa koji se razlikuju u broju neutronaprisutnih u jezgri dok im je broj protona isti.

Izobari- imaju isti maseni broj

Izotoni imaju isti broj neutrona

Kemijske elemente moemo definirati kao smjesu nuklidaistog atomskog broja, gdjeje nuklidvrsta atoma odreenog sastava jezgre.

Svi poznati elementi imaju dva ili vie izotopa. U nekim sluajevima u prirodi postoji samo jedan, jer su ostalinestabilni (radioaktivni) npr. berilij, natrij, aluminij.

Najvie stabilnih izotopa ima kositar, Sn - njih 10. Vodik se sastoji od dva stabilna izotopa protija i deuterijai

Relativna atomska masa

8/3/2019 1-4 lekcije

39/64

39

Atomi su vrlo sitne estice nevidljive oku i ne mo

emo ih vagati.

Zato se odreuje relativna atomska masa, tj. masa nekog atoma u odnosu na masu nekog drugog

atoma.

Kao standard prema kojemu se odreuje relativna atomska masa uzima se izotop ugljika koji u jezgri

ima 6 protona i 6 neutrona.

Jedinica atomske mase (mu) je definirana kao masa jednaka jednoj dvanaestini mase atoma ugljika

12 i iznosi Relativna atomska masa elementa (Ar) je omjermu= 1/12 ma (12C) = 1.6605 x 10 27 kg.

prosjene mase atoma elementa (ma) i 1/12 mase atoma nuklida12C :

A r= ma/ma(12C)/12

Mol i masa atoma i molekula

Jedinica za fiziku veliinu koliinu ili mnoinu tvari naziva se mol.

Mol je mnoina (koliina) tvari onog sustava koji sadri toliko jedinki koliko ima atoma u 0.012 kgugljika 12, a to je Avogadrov broj.

1 mol sadri Avogadrov broj 6.023 x 1023jedinki (atoma, molekula, iona)

Elektronska struktura atoma

8/3/2019 1-4 lekcije

40/64

40

Elektronska struktura atoma

Elektroni, shvaeni kao estice, krue oko jezgre i to u serijama ljusaka i orbitala koje suanalogne orbitalama sunevog sustava. Ponekad je stvarnije predstaviti elektron kaoelektronski oblak razliite gustoeoko atomske jezgre. Tada je razmatranje kvantnomehanikoi u tom sluaju vrijedi:

1. Elektron moe imati samo neke odreene vrijednosti energije, a ne i vrijednosti izmeu njih.2. Heisenbergov princip neodreenosti, koji kae da je nemogue istodobno tono odrediti brzinu, odnosno

impuls elektrona i njegov poloaj u prostoru. to tonije odredimo poloaj elektrona to neizvjesniji postajeimpuls elektrona.

3. Paulijev princip iskljuenja ili zabrane, tj. u stanju minimalne energije istovremeno mogu biti samo dvaelektrona uz uvjet da imaju suprotne spinove (vrtnje).

Na temelju valne mehanike moemo utvrditi samo vjerojatnost da e se elektroni nalaziti u odreenompoloaju, tj. podru ju jednog atoma. Za nae razumijevanje elektroni e se promatrati kao odvojene esticesmjetene u najvjerojatnijem poloaju. Na temelju toga elektroni u jednom atomu tvore elektronske oblake userijama orbitala koje ine vanjsko podru je atoma. Elektroni u drugim atomima su potpuno i elastino

odbijeni tim elektronskim oblakom, tako da se atom ponaa poput malene kugle u njegovimfizikalnokemijskim reakcijama.

Stanje jednog elektrona u atomu opisuje se s etiri kvantna broja:n, l, ml i ms. Orbitalaje valnafunkcija koja odgovara kombinaciji triju kvantnih brojeva (bez kvantnog broja spina m

s). Svaka orbitala

odgovara odreenoj vrijednosti energije. Orbitale koje imaju istu vrijednost energije su tzv. degenerirane ione pripadaju odreenoj podljuskiili energijskom podnivou.

KVANTNI BROJEVI

8/3/2019 1-4 lekcije

41/64

41

Stanje elektrona u atomu odreeno je s etiri kvantna broja:

n - glavni kvantni broj kvantizira energiju elektrona. Odreuje elektronske ljuske,koje oznaavamo slovima K, L, M, N, O, P i Q. Najblia jezgri je K ljuska, a najudaljenija Q.

n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,

l - sporedni (ili azimutski kvantni broj) kvantizira moment gibanja elektrona na krunoj i(ili) eliptinoj putanji oko jezgre.

l= 0 do n-1.

On odreuje broj energijskih podnivoa (podljuski) u jednoj ljuski s glavnim kvantnim brojem n. Odreuje

oblik podljuski, podnivoa i pripadajui broj elektrona: s (1x2), p (3x2), d (5x2) i f(7x2).

ml - magnetski kvantni broj kvantizira magnetski moment elektrona koji nastajezbog gibanja elektrona oko jezgre. Odreuje broj energijskih stanja u podnivoima (podljuskama).

ml = - l.... -1, 0, +l... +1

ms - kvantni broj orjentacije spina kvantizira magnetski moment magnetskogpolja koje nastaje zbog vrtnje elektrona oko svoje spin.

ms = +1/2 i 1/2 (paralelni i antiparalelni poloaj).

* Energija atoma kao cjeline ovisi o nainu kako su elektroni rasporeeni u razliitamogua energijska stanja.

* Maksimalan broj elektrona s kvantnim brojem nje 2n2. Meutim, to ne vrijedi do kraja

8/3/2019 1-4 lekcije

42/64

42

zato to nema kemijskog elementa koji bi imao tako veliki broj protona u jezgri i elektrona

u omotau.

* Zadnja, valentna ljuska moe imati najvie 2 elektrona za helij (He), a zaatome ostalih elemenata 8 elektrona, oktet.Prema Paulijevom principu iskljuenja (zabrane): u atomu ne mogu 2 elektrona imatiiste vrijednosti sva etiri kvantna broja n, l, ml i ms.Hundovo pravilo sugerira da e se elektroni istog spina nalaziti u novim orbitalama (ne

mogu biti u istoj orbitali).

n 2

l 0(s) 1(p)

ml 0 +1 0 -1

ms+1/2 -1/2 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2

Slika 9. Shematski prikaz raspodjele elektrona po kvantnim nivoima 2., K - ljuske

Elektronska konfiguracija atoma

8/3/2019 1-4 lekcije

43/64

43

broj elektrona za spodljusku

1s2glavni kvantni broj (n) sporedni kvantni broj (l)

(broj ljuske) (oznaka podljuske)

K ljuska: 1s2

L ljuska: 2s2 2p6

2s2 2p6

8/3/2019 1-4 lekcije

44/64

44

KL

MO

Q

1.

2.3.

4.5

6.7.

Jezgra atoma

N

Oznaka elektronskih

ljusaka

Broj elektronskih ljusaka

P

Slika 10. Shematski prikaz raspodjele elektronskih ljusaka oko atomske jezgre

Shema redosljeda popunjavanja elektrona po ljuskama i podljuskama (tzv.

8/3/2019 1-4 lekcije

45/64

45

Brojljuske

Oznakaljuske

Podljuske

1 K 1s2

2 L 2s2 2p6

3 M 3s2 3p6 3d10

4 N 4s2 4p6 4d10 4f14

5 O 5s2 5p6 5d10 5f14

6 P 6s2

6p6

6d10

7 Q 7s2 7p6

j j j j j (pravilo dijagonale)

Elektroni najprije popunjavaju nie energijske nivoe ljuske ipodljuske (blie jezgri atoma).

Atomi kemijskih elemenata poredani su u PERIODNI SUSTAVELEMENATA po rastuem broju protona u jezgri. Pripadnost atoma

8/3/2019 1-4 lekcije

46/64

46

ELEMENATA po rastuem broju protona u jezgri. Pripadnost atomaodreenom kemijskom elementu odreuje njegov atomski broj (Z)

odnosno broj protona u njegovoj jezgri.

PERIODNI SUSTAV ELEMENATA

(Mendeljejev)

8/3/2019 1-4 lekcije

47/64

47

(Mendeljejev)

Periode- vodoravni redovi (ima ih 7). Broj odgovara galavnomkvantnom broju n,daje broj ukupnih ljusaka u atomu i broj zadnjeljuske

Skupine okomiti stupci , po grai vanjsle ljuske - slinostkemijskih svojstava (ima 18 skupina)

Od lijeva na desno raste atomski broj i promjer atoma

Odozgo prema dolje raste promjer atoma

Elementi galavne skupine: 1.i 2.(s-orbitale); 13.,14.,15.,16.,17., i18.(p orbitale)

Prijelazni elementi od 3. 13. skupine (d-orbitale predzadnjeljuske)

Unutarnjeprijelzni elementi - lantanoidi i aktinoidi (f- orbitalepredpredzadnje ljuske)

Nemetali, metali i polumetali

Od lijeva na desno (po dijagonali) raste elektronegativnost, a uobrnutom smjeru raste elektropozitivnost elemenata

8/3/2019 1-4 lekcije

48/64

48

metali svi ostali elementipolumetali

nemetali

Lekcija 4.

8/3/2019 1-4 lekcije

49/64

49

Lekcija 4.

VRSTE VEZA IZMEUSTRUKTURNIH JEDINICAVeze izmeu atoma, primarne (kemijske) veze:

ionska veza,

kovalentna veza, metalna veza.

Veze izmeu atoma i molekula,sekundarne (fizikalne)

veze: van der Waalsova veza,

vodikova veza,

polarne veze.

VEZE IZMEU STRUKTURNIH JEDINICA

8/3/2019 1-4 lekcije

50/64

50

VEZE IZME

U ATOMA(PRIMARNE ILI KEMIJSKE)

VEZE IZME

U ATOMA IMOLEKULA

(SEKUNDARNE ILI FIZIKALNE)

IONSKA VEZA

KOVALENTNA VEZA

METALNA VEZA

VAN DER WAALSOVA VEZA

VODIKOVA VEZA

INDUCIRANE DIPOLNE VEZE

DISPERZNE (LONDONOVE) VEZE

Slika 11. Podjela veza izmeu strukturnih jedinica

VEZE IZMEU ATOMA

8/3/2019 1-4 lekcije

51/64

51

1. IONSKA VEZA vezuju se atomi metala i nemetala

jake atomske veze (Coulombove sile) povezivanje (+) i (-) iona; jakost

opada s udljenou iona

nisu usmjerene, u spojevima su u krutini zbijeni ovisno o njihovim

dimenzijama

prema vani mora biti ouvana njihova neutralnost

kation ima mnogo manji promjer od aniona

u suhom (bezvodnom) stanju ne provode elektrinu struju

(PRIMARNE ILI KEMIJSKE)

Nastajanje ionske veze

8/3/2019 1-4 lekcije

52/64

52

11Na 17 Cl 11Na+ 17 Cl-

2,8,1 2,8,7 2,8 2,8,8

atomi: Na i Cl ioni: Na+ i Cl -

plemeniti plin 10 Ne plemeniti plin 18 Ar

2,8 2,8,8

Elektronska

konfiguracija

Atom metala predaje svoj vanjski (valentni) elektron atomunemetala. Atom metala postaje pozitivno nabijeni kation (elektronskakonfiguracija je kao kod plemenitog plina stabilana, oktet) dok atom

nemetala postaje negativno nabijeni anion (takoer s elektronskomkonfiguracijom plemenitog plina)

Shematski prikaz ionske veze i kristalne grae NaCl kuhinjske soli slika 12

8/3/2019 1-4 lekcije

53/64

53

Shematski prikaz ionske veze i kristalne grae NaCl, kuhinjske soli, slika 12.

gustoa elektrona

a) b)

Slika 12. Shematski prikaz ionske veze: a) ionska veza, b) kristalna reetka NaCl

KOVALENTNA VEZA

8/3/2019 1-4 lekcije

54/64

54

O

spajaju se atomi nemetala

veza je homopolarna, za razliku od ionske veze koja je

heteropolarna

meusobnim vezivanjem atomi postiu elektronsku konfiguraciju

plemenitog plina, odnosno oktet

svaki atom daje po jedan elektron i stvaraju zajedni

ki elektronski

par ( kovalenciju) ili vie

zajedniki elektronski parovi pripadaju i jednoj i drugoj atomskoj

jezgri, povezuju oba atoma

usmjerena je u prostoru (molekule imaju definiran oblik)

nespareni elektroni nisu slobodni ne provode elektrinu struju

Nastajanje kovalentne veze

8/3/2019 1-4 lekcije

55/64

55

DVOSTRUKA KOVALENTNA VEZA:

JEDNOSTRUKA KOVALENTNA VEZA :

TROSTRUKA KOVALENTNA VEZA:

8/3/2019 1-4 lekcije

56/64

56

Molekula metana, CH4

tetraedalni raspored, kutoviizmeu veza od 109.50

Molekula amonijaka, NH3trigonalni raspored, kutovi

izmeu veza 1070

Molekula vode, H2O

savinuta, kut izmeu veza od

104.50

Slika 13. Primjeri usmjerenosti kovalentne veze

Shematski prikaz kovalentne veze i kovalentne veze u kristalu

dijamanta slika 14

8/3/2019 1-4 lekcije

57/64

57

Gustoa elektrona

dijamant

dijamanta, slika 14.

a) b)

Slika 14. Shematski prikaz kovalentne veze: a) kovalentna veza, b) dijamant

METALNA VEZA

8/3/2019 1-4 lekcije

58/64

58

Karakter metalne veze: veu se atomi metala

elektroni oko iona metala su slobodni- provode elektrinu struju

nije usmjerena

gusto pakovane strukture guste slagaline

Nastajanje metalne veze

Osnovna privlana sila, kod metalne veze, uzrokovana je

uzajamnim djelovanjem metalnih iona i zajednikog elektronskog

oblaka (elektronski plin) kojim su opkoljeni

Atomi metala postaju pozitivni ioni koje vrsto vee jedan oblak

delokaliziranih elektrona (elektronski plin)

Shematski prikaz metalne veze kod kristalane reetke metala -gusta, zbijena struktura i raspodjela

slobodnih delokaliziranih elektrona oko pozitivnih iona metala, slika 15.

8/3/2019 1-4 lekcije

59/64

59

Pozitivni ioni metala (jezgra atoma

metala + unutarnji elektroni)

Valentni elektroni delokalizirani

elektroni elektronski oblak,

elektronski plin

Slika 15. Shematski prikaz metalne veze: a) kristalna reetka metala, b) metalna veza

VEZE IZMEU ATOMA I MOLEKULA

8/3/2019 1-4 lekcije

60/64

60

(SEKUNDARNE ILI FIZIKALNE) veze izmeu molekula nastaju uslijed polarizacije molekule

polarnost posljedica razlike u elektronegativnosti kemijskih

elemenata koji su meusobno povezani kao i oblika (grae) molekule

Dipolni moment () mjera za polarnost molekule: = q a

(umnoak elektrinog naboja i udaljenosti, razmaka izmeu

pozitivnog i negativnog naboja)

Slika 16. Shematski prikaz dipolnog momenta

1. STALNI (permanentni) DIPOLI

A) VAN DER WAALSOVA VEZA

8/3/2019 1-4 lekcije

61/64

61

dipolne privlane sile nazivamo openito i van der Waalsove sile

veze koje nastaju nazivamo van der Waalsovim vezama

molekula ima dipolni moment samo kada se sredite pozitivnog i

negativnog naboja molekule ne poklapaju

veza je jae polarnog karaktera ako je vea razlika u relativnoj

elektronegativnosti atoma

negativno nabijen dio molekule privlai elektrostatskim silama

pozitivno nabijen dio molekule, npr. molekule HCl:

H Cl

+ -

H Cl

+ -

- - - -

B. VODIKOVA VEZA

izmeu molekula u kojima su vodikovi (H) atomi povezani s

8/3/2019 1-4 lekcije

62/64

62

j ( ) p

najjae elektronegativnim atomima: fluora (F), kisika (O) i

duika (N)

vodikova je veza jaa od van der Waalsove, a slabija od

ionske i kovalentne:

2. PROMJENJIVI DIPOLIA. INDUCIRANE DIPOLNE VEZE

npr. Fe 2+ ion moe kod nepolarnih molekula (npr. O2 ) izazvati

dipol (tzv. inducirani dipol) deformiranjem elektronske strukturemolekule:

Fe 2+ - - - - O2

B. DISPERZNE (LONDONOVE) VEZE

8/3/2019 1-4 lekcije

63/64

63

privlaenje i izmeu atoma (npr. plemenitih plinova) i molekula koje

nemaju trajni dipol (simetrine molekule)

nastaju kratkotrajni promjenjivi dipoli (oscilacije pozitivno nabijene

jezgre u odnosu na elektrone u elektronskom omotau kojitakoer osciliraju oko svojih ravnotenih poloaja

Slika 17. Shematski prikaz Londonove veze izmeu atoma plemenitih plinova

Tablica 2. Vrste veza u tehnikim materijalima

8/3/2019 1-4 lekcije

64/64

64

Vrsta materijala Nain vezivanja Primjeri

Metali Metalna veza Fe, Cu, Al, Au,..

Keramike i stakla Ionska / kovalentna SiO2 (kristalinian iamorfan)

Polimeri Kovalentna i

sekundarne veze

Polietilen, PE

Poluvodii Kovalentna ili ionska/ kovalentna

Si, CdS