Атомы как элементарные блоки в науке о материалах. Химический состав

1.

Атомы как элементарные
блоки в науке о материалах.
(Химический состав)
Комогорцев С.В. (2020)

2.

Системный подход
в материаловедении
• Свойство = f(состав, структура)

3.

Пример влияния структуры 1
Алмаз и графит состоят из одинаковых
атомов (С), но структуры решеток различны
C

4.

Пример влияния структуры 2
Ниже 13,2 °С устойчиво α-олово (серое олово) с кубической решёткой типа
алмаза, выше 13,2 °С устойчиво β-олово (белое олово) с тетрагональной
кристаллической решеткой.
Белое олово — серебристо-белый, блестящий металл со специфической
тетрагональной структурой и электронным s2p2-состоянием — β-фазой. Серое
олово — ковалентный кристалл со структурой алмаза и электронным sp3состоянием — α-фазой (полупроводник).
Sn

5.

Пример влияния состава 1
C
Si
Алмаз – диэлектрик,
кремний –
полупроводник.
Твердость кремния
значительно меньше,
чем алмаза.

6.

Пример влияния состава 2
Au
Ag

7.

Атомы – элементарные единицы
материала
А́том (др.-греч. ἄτομος — неделимый) —
наименьшая часть химического элемента,
являющаяся носителем его свойств.

8.

Периодическая зависимость от атомного номера: 1) величины 1/Т ,
где Т — темп-ра плавления; 2) коэффициента линейного
расширения a; 3) коэффициента сжимаемости c.

9.

Зависимость орбитальных радиусов атомов от порядкового номера элемента

10.

11.

12.

13.

14.

Периодическая система элементов, предложенная Нильсом Бором в 1921 году.

15.

Периодическая система элементов Елены Часовниковой
http://my.mail.ru/community/material_science

16.

Еще варианты
представления
периодической системы
элементов
http://www.meta-synthesis.com/webbook/35_pt/pt.html

17.

Анализ химического состава
Как узнать, из каких атомов состоит
материал?

18.

Анализ состава
Органолептический анализ

19.

Анализ состава
Если знаешь, что искать,
можно воспользоваться
сравнением свойств со
свойствами чистых
элементов

20.

Масс-спектрометрия

21.

Ядерный магнитный резонанс
Схема спектрометра ЯМР: 1 - катушка с образцом; 2 полюса магнита; 3 -генератор радиочастотного поля; 4 усилитель и детектор; 5 - генератор модулирующего
напряжения; 6 - катушки модуляции поля В0; 7 осциллограф.
ΔE = hν0

22.

Оптические спектры
Роберт Вильгельм Бунзен
Густав Роберт Кирхгоф

23.

Фотоэлектронная спектроскопия

24.

Фотоэлектронная спектроскопия
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)

25.

Энергодисперсионная спектроскопия
Energy-dispersive X-ray spectroscopy
Оже спектроскопия
Auger electron spectroscopy (AES)

26.

Рентгенофлуоресцентный анализ
X-ray fluorescence (XRF)
(Energy-dispersive X-ray spectroscopy)

27.

Как элементы атомного конструктора
крепятся друг к другу?
Межатомные связи

28.

Межатомная связь. Энергия.
U
Отталкивание
0
r
Притяжение

29.

Межатомная связь. Энергия.
U
Uсв.< kT - газ
Uсв.> kT - конденсированная фаза
Равновесное межатомное расстояние
r0
0
r
Uсв.
kT
Энергия связи

30.

Связь Ван-дер Ваальса

31.

Связь Ван-дер Ваальса
Потенциал Ленард-Джонса
ГЦК

32.

Связь Ван-дер Ваальса

33.

Связь Ван-дер Ваальса
Ar

34.

Ионная связь
n ~ 9÷10

35.

Ионная связь

36.

Ковалентная связь

37.

Ковалентная связь
Н2

38.

Ковалентная связь

39.

Металлическая связь
(ГПУ, ГЦК) следствие ненаправленности
связей – максимальная координация

40.

Металлическая связь

41.

42.

43.

http://www.meta-synthesis.com/webbook.html

44.

Благодарю за внимание!