Chimia Materialelor

Prof. dr. ing. Lelia Ciontea

CS dr. ing. Bianca Mos CS dr. ing. Mircea Nasui

C409, tel. 0264-401776

E10, Str.G. Baritiu 26-28, tel. 0264-401475

Lelia.Ciontea@chem.utcluj.ro

Bibliografie

1. G.Niac, E.M.Pică, O.Horovitz, E.Vermeşan, L.Marta, “CHIMIE PENTRU INGINERI” (2 volume), U.T.Press, Cluj-Napoca, 2007

2. Horea Nascu, Liana Marta, Chimie anorganica pentru ingineri, U.T.PRES Cluj-Napoca, 2003

3. P. Atkins, L. Jones, Chemical Principles, Quest for

Insight, 4th Ed, W.H. Freeman and Company, NY, 2007

4. B. Averill, P. Eldredge, Chemistry: Principles, Patterns, and Applications, 1

st Ed, Prentice Hall, 2006

INTRODUCERE

-Materiale naturale (lemn, os, piele, minerale) -Metale -Semiconductori -Materiale anorganice nemetalice (ceramica oxidica si neoxidică, sticlă) -Polimeri organici

-Materiale compozite (cu matrice polimeră, ceramică sau metalică) -Biomateriale

Os Gresie Cupru Aluminiu

SiC Al2O3 Fibre optice OLED

Relativitatea clasificarilor/delimitarilor: chimie anorganica-organica -compozitele polimer-ceramica inlocuiesc metalele -sticlele organice transparente inlocuiesc sticlele silicatice

-semiconductorii organici tind sa inlocuiasca, pentru unele aplicatii, semiconductorii clasici pe baza de Si

Noi clase/concepte de materiale

Ecomateriale-materiale ecologice termen introdus in 1991 de R. Yamamoto

environment +consciousness/ecology

-să nu conţină componenţi toxici -proiectate cu o strategie de reutilizare la sfârşitul duratei de viaţă -să încorporeze deşeuri -realizate din resurse regenerabile (de ex. lemn) -cu funcţie ecologică (de ex. catalizatori) -realizate prin procedee cu impact ecologic mai mic/tehnologii prietenoase din punctul de vedere al mediului

• Epoca de piatra/bronz/fier...

Secolul XX

-Epoca metalelor, a materialelor ceramice, semiconductorilor, compusilor organici, compozitelor-materiale avansate cu proprietati speciale – Stiinta Materialelor -Productie de masa, consum de masa, deseuri de masa -Consumul resurselor si a energiei -Deseurile ca resurse

-Resursele sunt limitate

Secolul XXI Limitari si crize

-Cresterea populatiei 6,94x109, cu 150/min -Consum de masa a resurselor si a energiei -Polarizarea societatii -Modificarile de clima: incalzirea globala, poluarea atmosferica/emisii de CO2, disparitia padurilor -Substantele toxice -Problema apei si a hranei

Metamaterialele o nouă clasă de materiale compozite ordonate cu proprietăţi exceptionale care nu se întâlnesc în natură. Aceste proprietăţi derivă din răspunsul care (1) nu se observă în materialele constituente (2) rezultă din includerea unor neomogeneităţi de dimensionalitate redusă fabricate artificial

Material

-natura chimica: substanta elementara/compus -transformare (tratament termic: topire, sinterizare –densificare; reactie de hidratare, polimerizare/ reticulare) -dimensiuni si forma (pulbere, masiv, fibre, filme) -corelatie:

compozitie-structura-proprietati-utilizari

tehnologie (design/sinteza)

Chimia ştiinţa prin care se manipulează atomii şi moleculele pentru a obţine compuşi cu proprietăţi dorite pentru aplicatii specifice

Exemple:

-Supraconductori Nb3Sn, YBa2Cu3O7-x, R=0

-Kevlar C14H10O2N2, rezistenţă şi flexibilitate, vestă antiglonţ, schiuri, cabluri-frânghii

-ββββ-caroten C40H56, culoarea portocalie în alimente

-Trinitroglicerina C6H5(NO2)3, explozibil

-Alchilbenzensulfonat de Na, NaC18H29SO3, detergent

Structură-proprietăţi-utilizări

morfina heroina codeina

Etanol Etilenglicol⇒⇒⇒⇒antigel

C2H6O C2H6O2 provoacă intoxicaţii toxic

Prin ce difera materialele?

-contin elemente diferite/combinatii diferite -contin legaturi chimice diferite -dimensiunile unitatilor structurale -asamblari diferite a unitatilor structurale

CHIMIA MATERIALELOR

I. Introducere in Stiinta Materialelor 1.Ce este chimia materialelor? 2.Principiile fundamentale care stau la baza chimiei materialelor 3.Chimia sintezelor si a reactiilor 4.Determinarea structurii /tehnici speciale de caracterizare a materialelor

II. Diferite tipuri de materiale

1. Solide cu molecule mici 2. Polimeri 3. Materiale ceramice si sticle 4. Metale

5. Aliaje, compozite

III. Materiale in tehnologii avansate 1. Materiale semiconductoare 2. Materiale supraconductori 3. Materiale pentru generarea si stocarea energiei (electroliti solizi) 4. Membrane 5. Materiale optice si fotonice 6. Stiinta suprafetelor 7. Biomateriale 8. Materiale in nanostiinta si nanotehnologii

Ştiinţa materialelor

htp://www.chemicool.com/

Sistemul periodic al elementelor

- elementele sunt aşezate în coloane verticale – grupe, respectiv şiruri orizontale – perioade; numărul grupei reprezintă numărul electronilor de pe ultimul înveliş, care determină proprietăţile chimice ale elementelor- rezulta similitudinea proprietăţilor chimice în grupe; numărul perioadei

din sistem este egal cu numărul cuantic principal (al stratului electronic în curs de ocupare) -poziţia pe care un element o are în sistemul periodic determină în cea mai mare măsură proprietăţile sale chimice şi fizice, determinate-la rindul lor-de structura electronică a atomului respectiv - elementele care au pe ultimul nivel doar electroni s şi p constituie grupele principale (A) sau elementele netranziţionale

-elementele care posedă ca orbitali de valenţă, orbitale d, formează elementele tranziţionale sau grupele secundare (B) -forma actuala a sistemului periodic opereaza cu blocuri - blocul s - format din primele două grupe principale (grupele 1 şi 2 sau IA şi IIA), respectiv metalele alcaline şi alcalino-pământoase, care au pe ultimul nivel unul, respectiv doi electroni într-o orbital s. - blocul p - constituit din următoarele 6 grupe principale (grupele 13-18 sau III - VIIIA) care îşi completează succesiv cei 3 orbitali p cu câte 2 electroni; elementele din grupa 18 au configuraţie

electronică de octet, cea mai stabilă configuraţie posibilă, de aceea aceste elemente au fost numite mult timp “gaze inerte”, fiind considerate complet nereactive. -blocul d-elementele tranziţionale- formeaza 4 serii de câte 10 elemente, corespunzătoare ocupării celor 5 orbitali d cu câte 2 electroni (total 10 electroni): -prima serie: Z = 21 (Sc) - Z = 30 (Zn), perioada 4, -a doua serie: Z = 39 (Y) -Z = 48 (Cd), perioada 5, -a treia serie: Z = 71 (Lu) -Z = 80 (Hg), perioada 6, -a patra serie: Z=103 (Lr)-Z = 112 (Uub)*perioda 7

* Uub= ununbiul (elemente transuranice, Z>102)

-blocul f - corespunde completării orbitalelor f cu 14 electroni şi cuprinde două serii de câte 14 elemente: lantanidele de la Z = 57 (La) la Z = 70 (Yb), actinidele de la Z = 89 (Ac) la Z = 102 (No) -proprietăţile chimice ale elementelor sunt determinate în primul rând de tendinţa atomilor de a realiza configuraţii electronice cât mai stabile (cea mai stabilă este configuraţia de “octet”) şi de a-şi folosi cât mai complet orbitalii de valenţă

-locul hidrogenului în sistemul periodic este şi acum controversat; desi este plasat, formal, în grupa 1 (I A) nu seamănă deloc cu metalele alcaline, fiind un gaz la temperatura obisnuita -primele elemente din grupele principale se deosebesc destul de mult de elementele grupei respective, dar prezintă asemănări pe diagonală cu elementele grupei următoare (mai ales până la grupa 4 (IVA):

Li Be B C N O F

Na Mg Al Si P S Cl

astfel, Li şi Be au caracter electropozitiv mult mai puţin accentuat decât celelalte elemente din grupele 1 şi 2 care sunt cele mai electropozitive metale cunoscute; la fel borul este nemetal, pe când celelalte elemente din grupa sunt metale -comportamentul chimic al elementelor din grupele principale este determinat în mare măsură de energia de ionizare, afinitatea pentru electroni, respectiv de electronegativitatea lor Energie de ionizare-energia consumată la îndepărtarea unuia sau a mai multor electroni dintr-

un atom izolat în stare gazoasă pentru a da naştere unui ion pozitiv, cation (se masoara in eV/particula) Afinitate pentru electroni- energia degajată (sau consumată!) de un atom izolat care acceptă un electron şi se transforma într-un ion negativ, anion (se măsoara în kJ/mol) Electronegativitatea-capacitatea unui atom, făcând parte dintr-o moleculă, de a atrage electroni (Pauling) -metalele din grupele 1 şi 2 - alcaline şi alcalino - pământoase au cea mai mică energie de ionizare,

ele au un puternic caracter electropozitiv; energia de ionizare scade în grupă, cea mai mică valoare o are cesiul, acesta fiind elementul cel mai electropozitiv; în perioadă energia de ionizare creşte de la stânga la dreapta, astfel că energiile de ionizare ale gazelor rare sunt cele mai mari -elementele netranziţionale sunt împărţite în două printr-o diagonală care trece prin B, Si, As, Te; această diagonală marchează aproximativ limita între metale (în stânga diagonalei) şi nemetale (în dreapta diagonalei); elementele situate în imediata vecinătate a diagonalei sunt numite semimetale.

-în mod simplificat, se poate afirma că metalele sunt conductori electrici, nemetalele sunt izolatori, iar semimetalele sunt semiconductori (modelul de benzi!) -în dreapta sistemului periodic sunt grupate nemetalele; caracterul electronegativ creşte de la stânga la dreapta şi este maxim în grupa 17(grupa VII A); cel mai electronegativ element este fluorul, care are cea mai mare afinitate pentru electron (-333 kJ·mol-1); valorile negative indică faptul că, la aceste elemente, acceptarea unui electron se face cu degajare de energie; toţi halogenii degajă

energie la formarea ionilor negativi, la fel ca şi oxigenul. -nemetalele din dreapta sistemului periodic sunt gaze la temperatura obisnuita, iar în grupa 17 a halogenilor, bromul este lichid, iar iodul este solid -electronegativitatea elementelor creşte în perioadă de la stânga la dreapta şi scade în grupă de sus în jos; astfel, cea mai mică electronegativitate o are cesiul (0,7) şi cea mai mare, fluorul (4,0). -elementele cu caracter chimic foarte diferit (electronegativităţi foarte diferite) vor prezenta cea

mai mare tendinţă de a forma combinaţii ionice; de exemplu, între metalele alcaline (grupa 1) şi halogeni (grupa 17) -elementele cu electronegativităţi apropiate vor forma cu predilecţie combinaţii cu legături covalente -toate elementele tranziţionale (elementele blocului d şi f ) sunt metale

Sursele si caracteristicile materialelor traditionale

Petrol/Gaze naturale Zacaminte minerale

Polimeri Solide cu molecule mici

Ceramica Metale Semiconductori Sticle

• Usor de fabricat

• Rezistenta • Tenacitate • Izolatori

electrici

dar • Sensibili la

caldura si oxidare

• Sensibili la radiatii UV si gamma

• Diz. solventi organici

• Structuri usor de determinat

• Izolatori/Semiconductori electrici

dar • Puncte de topire

scazute • Casante • Sensibile la radiatii • Dizolvare in solventi

organici

• Inerta • Rigida • Stabila

termic • Stabila

chimic • Ieftina dar • Casanta

• Conductivitate electrica

• Rezistenta • Tenacitate • Stabilitate

termica • Ieftine dar • Se corodeaza • Grele

• Conductivitate electrica prin dopare

• Stabilitate termica

dar • Dopare

laborioasa/ scumpa

• Proprietati optice

• Rigide • Transparente • Puncte de

topire ridicate

dar • Casante • Greu de

fabricat

Material →Aplicatie

Aplicatie→Material

« Top-down » /clasic « Bottom-up» /modern

Abordare

-materiale cu proprietati cunoscute sunt manipulate (tratament termic, incorporare, creare de defecte, etc.) fara modificarea dramatica a structurii pentru a induce proprietati noi (“eroare si incercare”) ;

-abordarea prin prisma chimiei moleculare– structuri noi -ambele abordari sunt importante, iar marea provocare este de a le combina

Chimia materialelor este “motorul” pentru design-ul, sinteza, determinarea structurii si a proprietatilor a noi compusi care ajuta la progresul fizicii, ingineriei, biologiei si medicinii

Chimia moderna-studiul substantelor cu molecule mici/mari Chimia moleculelor mici (2-100 atomi/molecula) –chimia traditionala Chimia moleculelor mari/structuri sau retelele extinse –materiale Rolul chimiei in stiinta materialelor -de la molecule mici la macromolecule, ultrastructuri si materiale

-organizarea cercetarii cu accent pe proprietati

Molecule mici (2-100atomi/molecula)

Materiale

Produse farmaceutice Materiale structurale Produse ignifuge Fibre textile Cerneluri si vopsele Filme si membrane Detergenti Acoperiri Aditivi alimentari Biomateriale Combustibili pe baza de hidrocarburi

Semiconductori

Insecticide si ierbicide Supraconductori Materiale optice (lentile, fibre

optice)

Utlizarea materialelor avansate in dispozitive Electrice (functionale)

Fotonice (functionale)

Medicina (functionale)

Mecanica (structurale)

Stocare de energie (baterii si supercondensatori)

Monitoare plate Restaurarea si regenerarea tesuturilor

Materiale rezistente (domeniul aerospatial, turbine de gaz)

Generare de energie (pile de combustie)

Procesarea optica a informatiei

Eliberare treptata de medicamente

Materiale de temperatura ridicata (motoare)

Magneti supraconductori

Stocarea informatiei CD, DVD

Organe artificiale (cardiovascular, ficat, pancreas, os, rinichi)

Materiale usoare

Prelucrarea informatiei (semiconductori)

Conservarea energiei (geamuri inteligente)

Senzori pentru procese biochimice

Materiale rezistente la abraziune (rulmenti)

Senzori Senzori Suprafete pentru culturi de celule

Suduri/brazari

Fibre optice Instrumente medicale

Acoperiri de suprafata

Electronegativitatea elementelor

1.a. Ce formulă chimică rezultă la combinarea ytriului cu oxigenul ?

A YO B YO2 C Y2O3 D Y3O4

b. Care este contribuiţia caracterului ionic (în %) la legătura chimică Y-O?

A 30% B 50% C 70% D 90%

2. Care este % de caracter ionic al legăturii în MgO, SiO2, SiC?

(electronegativităţile şi dependenţa fracţiei de caracterul ionic al unei legături de

diferenţa de electronegativitate sunt prezentate în figurile 1,2)

EMg- EO = 2,3 ⇒ fracţia caracterului ionic în MgO = 0,75 ⇒ 75%

ESi - EO = 1,7 ⇒ fracţia caracterului ionic în SiO2 = 0,5 ⇒ 50%

ESi - EC = 0,3 ⇒ fracţia caracterului ionic în SiC < 0,1 ⇒ 10%

3.Care este gradul aproximativ al legăturii covalente în diamant, Si3N4 şi SiO2?

EC – EC = 0 ⇒ fracţia caracterului covalent în diamant C = 1- 0 =1

ESi - EN= 1,2 ⇒ fracţia caracterului ionic în Si3N4 = 0,3

⇒ fractia caracterului covalent in Si3N4 C = 1- 0,3 = 0,7

ESi – EO = 1,7 ⇒ fracţia caracterului ionic în SiO2 = 0,5 ⇒ 50%

⇒ fracţia caracterului covalent în SiO2 C = 1- 0,5 = 0,5