Підготовка до екзамену з «Матеріалознавства»

1. Молекулярна будова матеріалів, поняття будова та структура.

2. Типи зв’язку у твердих тілах, вплив на властивості.

Тверде тіло, агрегатний стан речовини, відмінними ознаками якого при нормальних умовах є стійкість форми і характер теплового руху структурних одиниць твердого тіла (атомів, іонів. молекул), які здійснюють малі коливання щодо деяких фиксир. положень рівноваги.

Властивості твердих тіл визначаються їхнім хімічним складом і залежать від характеру міжатомних зв'язків, типу кристалічної структури і ступеня структурної досконалості, а також від фазового складу. В залежності від кількості утворюючих їх елементів тверде тіло можна підрозділити на прості (однокомпонентні) і складні (багатокомпонентні), які, в свою чергу, можуть представляти собою хім. з'єднання (неорг. або орг.) або тверді розчини разл. типу (заміщення, впровадження).

Міжатомні зв'язки в твердому тілі здійснюються в результаті взаємодії атомів (іонів) і валентних електронів, зв'язок між атомами м. б. іонної, ковалентного, металевих сіт. (див. Хімічна зв'язок), а також ван-дер-ваальсовой, водневої. Для багатьох твердих тіл характерний змішаний тип хім. зв'язку.

3. Поняття про кристалічні і аморфні тверді тіла.

Тверді тіла бувають кристалічні і аморфні. Кристалічний стан характеризується наявністю далекого порядку в розташуванні частинок, симетрією кристаллич. решітки (властивістю окремих вузлів решітки поєднуватися при транс-ляц. переміщенні). Сукупність окремих вузлів решітки утворює т. зв. решітку Браве (див. Кристали. Кристалічна структура).

Кристалічні тверді тіла можуть бути у вигляді монокристалів або полікристалів. У більшості областей техніки використовують полікристалічні тверде тіло, монокристали знаходять застосування в електроніці, произ-ве оптіч. приладів, ювелірних виробів і т. д. Структурно-чутливі властивості твердих тіл, пов'язані з переміщенням частинок і квазічастинок, а також магнітних і електричних ма. доменів та ін. істотно залежать від типу та концентрації дефектівкристаллич. решітки. Рівноважні власн. точкові дефекти (напр., вакансії, міжвузлові атоми) термодинамічно обумовлені і відіграють важливу роль у процесах дифузії і самодифузії в тверде тіло Це використовується в процесах гомогенізації, рекристалізації, легування та ін. Ряд практично важливих властивостей твердих тіл залежить від ін. видів структурних дефектів, наявних у кристалах,-дислокацій, малоугловых і межзеренных кордонів, включень і т.д.

Аморфні характеризуються хаотичним розташуванням атомів. Тому, зберігаючи постійну форму, вони не мають певних (критичних) температур плавлення та кристалізації. Залежно від зовнішніх умов їхні властивості змінюються поступово. Аморфний стан металів реалізується за умов інтенсивного охолодження під час кристалізації.

Для аморфного стану твердого тіла характерна наявність тільки ближнього порядку; воно термодинамічно нестійкими, проте при звичайних температурах перехід в кристалічний стан звичайно не реалізується і може здійснюватися лише при нагріванні. Аморфні тверде тіло, на відміну від більшості кристалічних, изотропны.

За фазовим складом тверді тіла поділяються на однофазні і багатофазні. Форма і розподіл фазових складових можуть чинити сильний вплив на різн. властивості багатофазних твердих тел. До найбільш важливих у практич. щодо властивостями тверде тіло відносять мех., електричних ма., теплові, магнітні, оптичні.

4. Агрегатний стан речовин, вплив на властивості.

Агрегатний стан речовини (лат. aggrego 'приєдную') - стан одного і того ж речовини в певному інтервалі температур і тисків, характеризується певними, незмінними в межах зазначених інтервалів, якісними властивостями:

• здатністю (тверде тіло) або нездатністю (рідина, газ, плазма) зберігати обсяг і форму,

• наявністю або відсутністю далекого (тверде тіло) і ближнього порядку (рідина), і іншими властивостями.

Традиційно виділяють три агрегатних стани: тверде тіло, рідина і газ. До агрегатним станам прийнято зараховувати також плазму[2], до якої переходять гази при підвищенні температури і фіксованому тиску.

Тверде тіло

Кристалічні речовини: атомне дозвіл зображення титанату стронцію. Яскраві атоми - Sr, темніше них Ti.

У твердому стані речовина зберігає як форму, так і об'єм. При низьких температурах всі речовини замерзають і перетворюються в тверді тіла. Температура затвердіння може бути кілька підвищена при збільшенні тиску. Тверді тіла поділяють на кристалічні і аморфні. З мікроскопічної точки зору тверді тіла характерні тим, що молекули або атоми в них протягом тривалого часу зберігають своє середнє положення незмінним, лише здійснюючи коливання з невеликою амплітудою навколо них. У кристалах середні положення атомів або молекул строго впорядковані. Кристали характеризуються просторовою періодичністю в розташуванні рівноважних положень атомів, яка досягається наявністю далекого порядку і носить назву кристалічної решітки. Природна форма кристалів - правильні багатогранники.

В аморфних тілах атоми коливаються навколо хаотично розташованих точок, у них відсутній дальній порядок, але зберігається ближній, при якому молекули розташовані узгоджено на відстані, порівнянному з їх розмірами. Згідно класичним уявленням, стійким станом (з мінімумом потенційної енергії) твердого тіла є кристалічна. Приватним випадком аморфного стану є склоподібне стан. Аморфне тіло знаходиться в метастабильном стані і з часом має перейти у кристалічний стан, однак час кристалізації часто настільки велике, що метастабильность зовсім не проявляється. Аморфне тіло можна розглядати як рідина з дуже великою (часто нескінченно великий) в'язкістю. Кристалічні тверді тіла мають анізотропні властивості, тобто їх відгук на прикладені зовнішні сили залежить від орієнтації сил відносно кристалографічних осей. В твердотільному стані речовини можуть мати багато фаз, які відрізняються складанням атомів або іншими характеристиками, такими як упорядкування спінів у ферромагнетиках.

Рідина

Структура класичної одноатомной рідини.

У рідкому стані речовина зберігає об'єм, але не тримає форму. Це означає, що рідина може займати лише частину обсягу судини, але також може вільно перетікати по всій поверхні судини. Рідкий стан зазвичай вважають проміжним між твердим тілом і газом. Форма рідких тіл може повністю або частково визначатися тим, що їх поверхня веде себе як пружна мембрана. Так, вода може збиратися в краплі. Але рідина здатна текти навіть під своєю нерухомою поверхнею, і це теж означає незбереження форми (внутрішніх частин рідкого тіла). Молекули рідини не мають певного положення, але в той же час їм недоступна повна свобода переміщень. Між ними існує тяжіння, достатньо сильне, щоб утримати їх на близькій відстані. Речовину в рідкому стані існує в певному інтервалі температур, нижче якого переходить у твердий стан (відбувається кристалізація або перетворення в твердотільне аморфний стан - скло), вище - в газоподібний (відбувається випаровування). Межі цього інтервалу залежать від тиску. Як правило, речовину в рідкому стані має тільки одну модифікацію. (Найбільш важливі винятки - це квантові рідини і рідкі кристали.) Тому в більшості випадків рідина є не тільки агрегатним станом, але і термодинамічною фазою (рідка фаза). Всі рідини прийнято ділити на чисті рідини і суміші. Деякі суміші рідин, що мають велике значення для життя: кров, морська вода і ін. Рідини можуть виконувати функцію розчинників. Як і газ, рідини теж в основному ізотропні. Однак, існують рідини з анізотропними властивостями - рідкі кристали. Крім ізотропним, так званої нормальної фази, ці речовини, мезогены, мають одну чи кілька упорядкованих термодинамічних фаз, які називають мезофазы. Складання мезофазы відбувається завдяки особливій формі молекул рідких кристалів. Зазвичай це довгі вузькі молекули, яким вигідно укладатися так, щоб їх осі збігалися.

: Газ

Проміжки між молекулами газу дуже великі. Молекули газу мають дуже слабкими зв'язками. Молекули в газі можуть вільно переміщатися і швидко.

Газоподібний стан характерне тим, що воно не зберігає ні форму, ні об'єму. Газ заповнює весь доступний простір і проникає в будь-які його закутки. Це стан, властиве речовин з малою щільністю. Перехід з рідкого в газоподібний стан називають випаровуванням, а протилежний йому перехід з газоподібного стану в рідкий - конденсацією. Перехід з твердого стану в газоподібний, оминаючи рідкий, називають сублімацією або сублімацією. З мікроскопічної точки зору газ - це стан речовини, в якому його окремі молекули взаємодіють слабо і рухаються хаотично. Взаємодія між ними зводиться до спорадичним зіткнень. Кінетична енергія молекул перевищує потенційну. Подібно до рідин, гази володіють текучістю і чинять опір деформації. На відміну від рідин, гази не мають фіксованого обсягу та не утворюють вільної поверхні, а прагнуть заповнити весь доступний обсяг (наприклад, судини). За хімічними властивостями гази та їх суміші досить різноманітні - від малоактивних інертних газів до вибухових газових сумішей. Поняття «газ», буває, поширюють не лише на сукупності атомів і молекул, але і на сукупності інших частинок - фотонів, електронів, броунівських частинок, а також плазму. Деякі речовини не мають газоподібного стану. Це речовини зі складним хімічним будовою, які при підвищенні температури розпадаються внаслідок хімічних реакцій раніше ніж стають газом. Не існує різних газоподібних термодинамічних фаз однієї речовини. Газам властива ізотропія, тобто незалежність характеристик від напрямку. У звичних для людини земних умовах, газ має однакову густину в будь-якій точці, однак це не є універсальним законом, у зовнішніх полях, наприклад в полі тяжіння Землі, або в умовах різних температур густина газу може змінюватися від точки до точки. Газоподібний стан речовини в умовах, коли можливо існування стійкої рідкої або твердої фази цього ж речовини, зазвичай називається парою.

Плазма

Плазмова декоративна лампа.

Четвертим агрегатним станом речовини часто називають плазму. Плазма є частково або повністю ионизованного газом і в рівноважному стані зазвичай виникає при високій температурі, від декількох тисяч кельвінів і вище. У земних умовах плазма утворюється в газових розрядах. Загалом, її властивості нагадують властивості газоподібного стану речовини, за винятком того факту, що для плазми принципову роль грає електродинаміка, тобто рівноправним з іонами і електронами складової плазми є електромагнітне поле.

Плазма - найпоширеніше під Всесвіту агрегатний стан речовини. У цьому стані знаходиться речовина зірок і речовина, що наповнює міжпланетний,міжзоряний і міжгалактичний простір. Велика частина баріонної речовини (за масою близько 99,9 %) у Всесвіті знаходиться в стані плазми.[3].