VII.Metalen. kern(en) + elektronen. atomen. verbindingen. verklaren én voorspellen eigenschappen. model

Transcriptie

1 VII.Metalen kern(en) + elektronen atomen verbindingen interacties verklaren én voorspellen eigenschappen model eigenschappen: kneedbaarheid, thermische en elektrische geleidbaarheid, smeltpunt, kookpunt elektronenzee model: metaalionen + zee van valentie-e MOT: interactie tussen kernen/elektronen

2 structuur van metalen bolstapeling: regelmatige stapeling van metaalatomen eenheidscellen: pc, bcc, fcc, (hcp) binding in metalen: elektronen zijn gedelokaliseerd elektronenzeemodel: kationen in zee van valentie-el. MOT of bandtheorie: combinatie van AO band van MO bandvorming: s-band, sp-band; sd-band valentieband, conductieband en bandkloof geleiders, halfgeleiders, isolatoren definitie doperen van halfgeleiders (n-type; p-type) supergeleiders legeringen (zelfstudie) 2

3 Structuur van metalen 3

4 Kristalroosters 4

5 Primitief kubische bolstapeling 5 coördinatiegetal = aantal dichtste naburen eenheidscel: primitief kubisch 6 dichtste naburen 8 atomen eenheidscel pc = 8 8 = AAAAAA

6 Ruimtelijk gecentreerd kubische 6 eenheidscel: ruimtelijk gecentreerd kubisch bolstapeling bcc (body centered cubic) 8 dichtste naburen 8 atomen eenheidscel bcc = = 2

7 7

8 trigonale holte Dichtste bolstapelingen hexagonaal dichtste stapeling 8 kubisch dichtste stapeling ABCABC fcc ABABAB hcp 2 dichtste naburen

9 Kubisch dichtste bolstapeling 9

10 0 Vlakgecentreerd kubische stapeling fcc (face centered cubic) 2 dichtste naburen 8 2 atomen eenheidscel fcc = = 4

11 Hexagonaal dichtst gepakte stapeling hcp (hexagonal close packed) 2 dichtste naburen atomen eenheidscel bcc = = 6 niet te kennen

12 2 Metaalrooster bevat holten of interstiële ruimten

13 3 Kubische eenheidscellen 8 8 eenheidscel atomen pc = = eenheidscel atomen bcc = + = eenheidscel atomen fcc = + = primitief kubisch ruimtelijk gecentreerd kubisch vlakgecentreerd kubisch

14 4 stapeling patroon CG PF eenheidscel kubisch AAAAAA pc ruimtelijk gecentreerd kubisch hexagonaal dichtst gepakt kubisch dichtst gepakt ABABAB bcc ABABAB hcp ABCABC fcc PF ec = V atomen V ec = atomen ec V ec ec 4 3 πr 3 PF: pakkingsfactor CG: coördinatiegetal ec: eenheidscel r: atoomstraal

15 Binding in metalen 5

16 Elektronen zijn gedelokaliseerd 6 Na: valentieconfiguratie = 3s 8 naburen bcc-rooster (body centered cubic) valentie-elektronen zijn gedelokaliseerd over kristal

17 Modellen voor beschrijving binding elektronenzeemodel MOT of bandmodel in metalen verklaring elektrische & thermische geleidbaarheid metalen verklaring mechanische eigenschappen metalen verklaring smeltpunt metalen NIET mogelijk verklaring smeltpunt metalen verklaring geleider/half-geleider/isolator 7

18 Elektronenzeemodel 8

19 9 3D schikking elektrostatische krachten valentie-el. vrij beweeglijk over het volledige metaalkristal sterkte binding met toenemend aantal valentie-el.

20 Verklaring geleidbaarheid 20 elektrische geleidbaarheid vrij beweeglijke valentie-elektronen bewegen van naar + thermische geleidbaarheid vrij beweeglijke valentie-elektronen overdracht E kin van warm koud

21 Verklaring mechanische 2 eigenschappen

22 22 Verklaring smeltpunt NIET mogelijk sterkte binding met toenemend aantal valentie-e model voorspelt toename smeltpunt van Sc Zn Smeltpunt ( C) Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn

23 MOT of Bandmodel 23

24 Bandvorming 24 s band: ontstaat door combinatie van groot aantal s AO Voorbeeld: N Na atomen; N 3s valentie-elektronen combinatie van N 3s A.O vorming van s band met N M.O N 3s valentie-elektronen bezetten /2 N M.O

25 25 conductieband onbezette MO Energie valentieband Ferminiveau bezette MO HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) E laagst gelegen onbezette MO s verschilt weinig van E Ferminiveau e kunnen makkelijk geëxciteerd worden naar conductieband thermische & elektrische geleidbaarheid band = aaneengesloten reeks van groot aantal MO s

26 Verklaring smeltpunt alkalimetalen Smeltpunt ( C) slechts valentie-e/atoom Li Na K Rb Cs Li Cs: zelfde aantal e in bindende MO Li Cs: straal atoom Li Cs: grootte combinerende sao grootte MO Li Cs: aantrekking door kernen van gedelokaliseerde val.-e

27 27 p band: ontstaat door combinatie van groot aantal p AO E s << E p sp band: ontstaat door overlap van s en p band E s E p

28 28 Mg: 3s 2 ; ΔE 3s en 3p is klein vorming sp-band Energie conductieband valentieband MO* MO n Mg-atomen: 2n valentie-elektronen Mg: geleider smeltpunt: 648 C

29 sd-band: gevormd bij transitiemetalen overlap d en s-band: sd-band kan 2 valentie-e/atoom bevatten anti-bindende MO s kunnen 6 valentie-e/atoom bevatten 29 Energie conductieband MO* conductieband MO* valentieband valentieband MO MO n Cr (3d 5 4s ) n Fe (3d 6 4s 2 ) 6n valentie-elektronen 8n valentie-elektronen enkel bindende MO s bezet ook anti-bindende MO s bezet smeltpunt: 860 C smeltpunt: 535 C bindende MO s kunnen 6 valentie-e/atoom bevatten

30 30 Geleiders, halfgeleiders en isolatoren

31 geleider 3 Energie conductieband geleidbaarheid als T valentieband T = 0 K T > 0 K isolator halfgeleider conductieband conductieband Energie bandkloof Energie bandkloof valentieband valentieband T = 0 K T > 0 K T = 0 K T > 0 K geleidbaarheid als T

32 32 conductivity: elektrische geleidbaarheid [S/m; S: Siemens] silicon: silicium (Si); halfgeleider tungsten: wolfraam (W); geleider

33 Doperen van half-geleiders 33 n type half-geleiders doperen Si met groep VA element; bvb. P Si: 3s 2 3p 2 conductieband valentieband P: 3s 2 3p 3 zuiver Si-kristal P-gedopeerd Si-kristal conductieband valentieband

34 p type half-geleiders doperen Si met groep IIIA element; bvb. Ga Si: 3s 2 3p 2 34 Ga: 4s 2 4p conductieband zuiver Si-kristal Ga-gedopeerd Si-kristal valentieband valentieband conductieband

35 Supergeleiders 35 materiaal dat weerstand tegen elektrische geleiding verliest beneden kritische temperatuur T c T c is karakteristiek voor het materiaal Voorbeeld: T c voor Hg = 4.2K voor T < 4.2K: Hg is een perfecte geleider geen energieverlies door opwarming

36 Legeringen 36

37 Legeringen 37 homogene legeringen of oplossingslegeringen: componenten zijn uniform verdeeld substitutionele legering: toegevoegde element bezet roosterposities interstitiële legering: toegevoegde element bezet interstitiële holte heterogene legeringen: componenten zijn niet uniform verdeeld bevat verschillende fasen intermetaalverbinding: heeft specifieke samenstelling

38 Homogene legeringen of oplossingslegeringen 38 substitutionele legering geleidbaarheid hardheid interstitiële legering geleidbaarheid hardheid

39 Heterogene legeringen 39 bevat fasen perliet ferriet: Fe cementiet: Fe 3 C (ijzercarbide) eigenschappen = f(samenstelling, afkoelingsprocedure smelt)

40 Intermetaalverbinding 40 specifieke samenstelling

41 4 belangrijke vaardigheden eigenschappen eenheidscellen verklaren eigenschappen metalen met elektronenzee model en MOT verklaren smeltpunt metalen met MOT n-type en p-type halfgeleiders herkennen eigenschappen legeringen

42 42

43 Roestvast staal (RVS) 43 Ferritisch RVS (Fe-Cr-legeringen) Dit zijn roestvast staalsoorten die chroom als enige hoofdlegeringselement bevatten. Het zijn chroomstalen met een maximum koolstofgehalte van 0,%. Door dat lage gehalte aan koolstof zijn die chroomstalen niet hardbaar. De ferritische roestvast staalsoorten bevatten % tot 7% chroom zonder nikkel. De meest gekende kwaliteit van de ferritische roestvast staalsoorten is de ASTM 430. Die bevat ongeveer 7% chroom. Deze kwaliteit wordt vooral gebruikt voor goedkopere huishoudelijke toepassingen en bekledingen.

44 Austenitisch RVS (Fe-Cr-Ni-legeringen) Dit is de voornaamste groep van de roestvast staalsoorten. Deze groep bevat als hoofdlegeringselement naast chroom ook nikkel. Nikkel verbetert de corrosiebestendigheid. Het meest klassieke chroom-nikkelstaal is AISI 304 (8/8) met 8% chroom en 8% nikkel. De tweede meest gebruikte kwaliteit is AISI 36 (8/0/2,5) met 8% chroom, 0% nikkel en 2,5% molybdeen. Deze roestvast staalsoort heeft als eigenschap een verhoogde corrosiebestendigheid tegen verschillende zuren, en doet het ook goed in de nabijheid van de zee (chloriden enz.). Zij vormen de groep van klassieke (goed lasbare) roestvast staalsoorten voor aanwending in chemische installaties, in de voedings-, de papier-, farmaceutische- en de automobielindustrie. De AISI 304 en de AISI 36 vertegenwoordigen ongeveer 65% van de wereldstaalproductie. 44