Chimia MaterialelorProf. dr. ing. Lelia Ciontea

As. dr. ing. Amalia MesarosAs. dr. Liviu Bolundut

CS dr. ing. Bianca MosCS 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.Pic, O.Horovitz, E.Vermean, 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, 1st Ed, Prentice Hall, 2006

INTRODUCERE

-Materiale naturale (lemn, os, piele, minerale)

-Metale

-Semiconductori

-Materiale anorganice nemetalice (ceramica oxidica si neoxidic, sticl)

-Polimeri organici

-Materiale compozite (cu matrice polimer, ceramic sau metalic)

-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

-s nu conin componeni toxici-proiectate cu o strategie de reutilizare la sfritul duratei de via-s ncorporeze deeuri-realizate din resurse regenerabile (de ex. lemn)-cu funcie ecologic (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 nou clas de materiale compozite ordonate cu proprieti exceptionale care nu se ntlnesc n natur. Aceste proprieti deriv din rspunsul care

(1) nu se observ n materialele constituente

(2) rezult din includerea unor neomogeneiti de dimensionalitate redus 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

tiina prin care se manipuleaz atomii i moleculele pentru a obine compui cu proprieti dorite pentru aplicatii specifice

Exemple:

-Supraconductori Nb3Sn, YBa2Cu3O7-x, R=0

-Kevlar C14H10O2N2, rezisten i flexibilitate, vest antiglon, schiuri, cabluri-frnghii

--caroten C40H56, culoarea portocalie n alimente

-Trinitroglicerina C6H5(NO2)3, explozibil

-Alchilbenzensulfonat de Na, NaC18H29SO3, detergent

Structur-proprieti-utilizri

morfina heroina codeina

Etanol EtilenglicolantigelC2H6O C2H6O2provoac intoxicaii 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 materialelor3.Chimia sintezelor si a reactiilor4.Determinarea structurii /tehnici speciale de caracterizare a materialelor

II. Diferite tipuri de materiale

1. Solide cu molecule mici2. Polimeri3. Materiale ceramice si sticle 4. Metale

5. Aliaje, compozite

III. Materiale in tehnologii avansate

1. Materiale semiconductoare2. Materiale supraconductori3. Materiale pentru generarea si stocarea energiei (electroliti solizi)4. Membrane5. Materiale optice si fotonice6. Stiinta suprafetelor7. Biomateriale 8. Materiale in nanostiinta si nanotehnologii

tiina materialelor

htp://www.chemicool.com/

Sistemul periodic al elementelor

- elementele sunt aezate n coloane verticale grupe, respectiv iruri orizontale perioade; numrul grupei reprezint numrul electronilor de pe ultimul nveli, care determin proprietile chimice ale elementelor- rezulta similitudinea proprietilor chimice n grupe; numrul perioadei

din sistem este egal cu numrul cuantic principal (al stratului electronic n curs de ocupare)

-poziia pe care un element o are n sistemul periodic determin n cea mai mare msur proprietile sale chimice i fizice, determinate-la rindul lor-de structura electronic a atomului respectiv

- elementele care au pe ultimul nivel doar electroni si p constituie grupele principale (A) sau elementele netranziionale

-elementele care posed ca orbitali de valen, orbitale d, formeaz elementele tranziionale sau grupele secundare (B)

-forma actuala a sistemului periodic opereaza cu blocuri- blocul s - format din primele dou grupe principale (grupele 1 i 2 sau IA i IIA), respectiv metalele alcaline i alcalino-pmntoase, care au pe ultimul nivel unul, respectiv doi electroni ntr-o orbital s.- blocul p - constituit din urmtoarele 6 grupe principale (grupele 13-18 sau III - VIIIA) care i completeaz succesiv cei 3 orbitali p cu cte 2 electroni; elementele din grupa 18 au configuraie

electronic de octet, cea mai stabil configuraie posibil, de aceea aceste elemente au fost numite mult timp gaze inerte, fiind considerate complet nereactive.

-blocul d-elementele tranziionale- formeaza 4 serii de cte 10 elemente, corespunztoare ocuprii celor 5 orbitali d cu cte 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 completrii orbitalelor f cu 14 electroni i cuprinde dou serii de cte 14 elemente: lantanidele de la Z = 57 (La) la Z = 70 (Yb), actinidele de la Z = 89 (Ac) la Z = 102 (No)

-proprietile chimice ale elementelor sunt determinate n primul rnd de tendina atomilor de a realiza configuraii electronice ct mai stabile (cea mai stabil este configuraia de octet) i de a-i folosi ct mai complet orbitalii de valen

-locul hidrogenului n sistemul periodic este i acum controversat; desi este plasat, formal, n grupa 1 (I A) nu seamn 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 prezint asemnri pe diagonal cu elementele grupei urmtoare (mai ales pn la grupa 4 (IVA):

Li Be B C N O F

Na Mg Al Si P S Cl

astfel, Li i Be au caracter electropozitiv mult mai puin accentuat dect celelalte elemente din grupele 1 i 2 care sunt cele mai electropozitive metale cunoscute; la fel borul este nemetal, pe cnd celelalte elemente din grupa sunt metale

-comportamentul chimic al elementelor din grupele principale este determinat n mare msur de energia de ionizare, afinitatea pentru electroni, respectiv de electronegativitatea lor

Energie de ionizare-energia consumat la ndeprtarea unuia sau a mai multor electroni dintr-

un atom izolat n stare gazoas pentru a da natere unui ion pozitiv, cation (se masoara in eV/particula)

Afinitate pentru electroni- energia degajat (sau consumat!) de un atom izolat care accept un electron i se transforma ntr-un ion negativ, anion(se msoara n kJ/mol)

Electronegativitatea-capacitatea unui atom, fcnd parte dintr-o molecul, de a atrage electroni (Pauling)

-metalele din grupele 1 i 2 - alcaline i alcalino -pmntoase au cea mai mic energie de ionizare,

ele au un puternic caracter electropozitiv; energia de ionizare scade n grup, cea mai mic valoare o are cesiul, acesta fiind elementul cel mai electropozitiv; n perioad energia de ionizare crete de la stnga la dreapta, astfel c energiile de ionizare ale gazelor rare sunt cele mai mari

-elementele netranziionale sunt mprite n dou printr-o diagonal care trece prin B, Si, As, Te; aceast diagonal marcheaz aproximativ limita ntre metale (n stnga diagonalei) i nemetale (n dreapta diagonalei); elementele situate n imediata vecintate a diagonalei sunt numite semimetale.

-n mod simplificat, se poate afirma c metalele sunt conductori electrici, nemetalele sunt izolatori, iar semimetalele sunt semiconductori (modelul de benzi!)

-n dreapta sistemului periodic sunt grupate nemetalele; caracterul electronegativ crete de la stnga la dreapta i este maxim n grupa 17(grupa VII A); cel mai electronegativ element este fluorul, care are cea mai mare afinitate pentru electron (-333 kJmol-1); valorile negative indic faptul c, la aceste elemente, acceptarea unui electron se face cu degajare de energie; toi halogenii degaj

energie la formarea ionilor negativi, la fel ca i oxigenul.

-nemetalele din dreapta sistemului periodic sunt gaze la temperatura obisnuita, iar n grupa 17 a halogenilor, bromul este lichid, iar iodul este solid

-electronegativitatea elementelor crete n perioad de la stnga la dreapta i scade n grup de sus n jos; astfel, cea mai mic electronegativitate o are cesiul (0,7) i cea mai mare, fluorul (4,0).

-elementele cu caracter chimic foarte diferit (electronegativiti foarte diferite) vor prezenta cea

mai mare tendin de a forma combinaii ionice; de exemplu, ntre metalele alcaline (grupa 1) i halogeni (grupa 17)

-elementele cu electronegativiti apropiate vor forma cu predilecie combinaii cu legturi covalente

-toate elementele tranziionale (elementele blocului d i 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

electricidar Sensibili la

caldura si oxidare

Sensibili la radiatii UV si gamma

Diz. solventiorganici

Structuri usor de determinat

Izolatori/Semiconductorielectrici

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

Doparelaborioasa/scumpa

Proprietati optice

Rigide Transparente Puncte de

topire ridicate

dar Casante Greu de

fabricat

Material Aplicatie

AplicatieMaterial

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 molecularestructuri 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 structuraleProduse ignifuge Fibre textileCerneluri si vopsele Filme si membraneDetergenti AcopeririAditivi alimentari BiomaterialeCombustibili pe baza de hidrocarburi

Semiconductori

Insecticide si ierbicide SupraconductoriMateriale optice (lentile, fibre optice)

Utlizarea materialelor avansate in dispozitiveElectrice(functionale)

Fotonice(functionale)

Medicina(functionale)

Mecanica(structurale)

Stocare de energie (baterii si supercondensatori)

Monitoare plate Restaurarea si regenerareatesuturilor

Materiale rezistente (domeniulaerospatial, 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 formul chimic rezult la combinarea ytriului cu oxigenul ?

A YO B YO2 C Y2O3 D Y3O4

b. Care este contribuiia caracterului ionic (n %) la legtura chimic Y-O?

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

2. Care este % de caracter ionic al legturii n MgO, SiO2, SiC? (electronegativitile i dependena fraciei de caracterul ionic al unei legturi de diferena de electronegativitate sunt prezentate n figurile 1,2)

EMg- EO = 2,3 fracia caracterului ionic n MgO = 0,75 75%

ESi - EO = 1,7 fracia caracterului ionic n SiO2 = 0,5 50%

ESi - EC = 0,3 fracia caracterului ionic n SiC < 0,1 10%

3.Care este gradul aproximativ al legturii covalente n diamant, Si3N4 i SiO2?

EC EC = 0 fracia caracterului covalent n diamant C = 1- 0 =1

ESi - EN= 1,2 fracia caracterului ionic n Si3N4 = 0,3

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

ESi EO = 1,7 fracia caracterului ionic n SiO2 = 0,5 50%

fracia caracterului covalent n SiO2 C = 1- 0,5 = 0,5