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
Top Related