Материалтану. Пәнді оқыту мақсаты

 
 

    Материалтану. Пәнді оқыту мақсаты

    Қазіргі таңдағы технологияның дамуы  мен жүзеге асуы жаңа материалдардың алынуы мен енуінсіз мүмкін емес. Техникалық материалдардың құрылысы мен қасиеттері туралы ғылым материалтану деп аталады. Оның міндеті материалдардың құрамы, құрылымы және қасиеттері арасындағы байланысты анықтау болып табылады.

    Материалтанудың ғылыми және техникалық маңызы.

    Қазіргі таңда жоғары температураларда жұмыс жасайтын материалдар дайындауға көп көңіл бөлінуде. Келесі бағыттар жүзеге асырылуы тиіс:

1. Құрылымы реттелген интерметалдық құймалар алу.
2. Қыш арнайы материалдар алу. Қыш қыздырғанда ақпайды және металдар сияқты кішкентай ақаулар мен жарықшақтарды бітей алмайды. Сондықтан ақаулары өте аз қыш материалдар алу міндеті жолға қойылуда.
3. Қатты денелер негізінде композициялық материалдар алу.

    Үш  бағыт та қатты дене физикасы мен  химиясының зерттеу нысаны - қатты дене құрамы мен құрылымындағы ақаулардың қасиеттерін зерттеуге негізделген.

    Жаңа  энергия көздерін іздеу және жүзеге асыру болашағы зор міндеттердің бірі. Оларға ең алдымен ядролық энергия және жартылай өткізгіштердің көмегімен күн энергиясын түрлендіру жатады. Ядролық энергияны пайдалану ядролық реакторлардың жеткілікті сенімді еместігімен (Чернобыль, Қазақстан) және радиобелсенді қалдықтарды көму мәселерімен (Қазатомпром) де байланысты. Бұл радиацияға төзімді және кез келген бұзушы әсерге тұрақты ұзаққа шыдайтын материалдарды қажет етеді.

    Жартылай  өткізгіш материалдар көмегімен күн энергиясын тікелей түрлендірудің маңызы зор. Бірақ бүгінде күнді түрлендірушілер үшін жартылай өткізгіш материалдардың ПӘК төмен, мысалы Si үшін 11-16%; GaAg - 22-28%. Жартылай өткізгіш материалдар қымбат. Олар химиялық қоспалардан терең таза болуды, кристалдық құрылымы жетілген монокристалдар өндірісін талап етеді. Аморфты кремнийден жасалған күн батареялары жартылай өткізгіш түрлендіргіштер көмегімен электр энергиясын өндіру құнын 100 есе төмендетті.

    Сонымен ПӘК-ті жоғарылату және энергияның жаңа көздерін пайдалану белгілі материалдарды жетілдіру және жаңа материалдар алумен анықталады. Осылайша, жаңа материалдар алу  ең қажет іс. Материалдардың қасиеттерін қалыптастыру үшін қарапайым қыздырудан басқа радиациямен, лазермен әсер ету керек, затты магнитпен өндеу қажет, аса жоғары қысымдар пайдалану керек. Бұл бағыттағы жұмыстар енді ғана басталуда. Олардың дамуына қатты денелердегі физикалық және химиялық құбылыстарды терең зерттеу мүмкіндік береді. 

    1-бөлім.  ХИМИЯ, ФИЗИКА  ЖӘНЕ ФИЗИКАЛЫҚ  ХИМИЯДАН КЕЙБІР  МӘЛІМЕТТЕР  

    1.1. Негізгі химиялық түсініктер

    Химия қандай да бір агрегаттық күйдегі әртекті химиялық заттардың жиынтығын зерттейді. Қоршаған ортадан ойша бөлініп алынған және оқшау түрде қарастырылатын әрбір осындай жиынтық химиялық жүйе деп аталады. Химиялық жүйені құрайтын заттар химиялық компоненттер деп аталады. Жүйелер бір немесе көп компонентті болуы мүмкін. Әрбір компонент қандай да бір агрегаттық күйде (газтәрізді, сұйық, қатты) бола алады, оны химия және материалтануда фаза деп атайды.

    Мысал ретінде бір ғана компонент суды алайық. Оның бір күйден екінші күйге ауысуы химиялық құрамын өзгертпейді. Сондықтан ол бір компонентті жүйеге жатады. Бірақ үш агрегаттық  күйден тұратын жүйе үш фазалы болып табылады.

    Бір ғана фазадан тұратын жүйе толық  біртекті болады және гомогенді деп  аталады. Бірден артық фазалардан тұратын жүйе – гетерогенді. Фазаның мұндай анықтамасы толық емес. Себебі, ол тек агрегатты мағынадағы фаза түсінігін бейнелейді. Бірақ қатты дененің бір үлгісінде, мысалы мыс  пен мырыштың құймасында таза мыс, таза мырыш және нағыз CuZn құймасының учаскелері болуы мүмкін. Үш компонент те қатты фазаға жатады, бірақ әрқайсысының өз химиялық құрамы, кристалды құрылымы және физикалық қасиеттері бар. Сондықтан біз Cu, Zn және жез (CuZn) фазалары бар деп айтамыз.

    Сонымен фаза дегеніміз – жүйедегі басқа  бөліктерден бөліну беті арқылы бөлінген барлық гомогенді бөліктердің жиынтығы. Бұл бөліну беті арқылы ауысқанда химиялық құрам немесе құрылым және қасиеттер секірмелі түрде өзгереді.

    Құрамы  ауыспалы фазалар – ерітінділер. Олар барлық үш агрегатты күйде –  газтәрізді, сұйық және қатты күйлерде түзіле алады.

    Белгілі бір тұрақты құрамы бар ерітінділер  – химиялық қосылыстар.

    Кейбір  жүйелер бір немесе одан көп фазалардың механикалық қоспасы болып табылады. Мұндай қоспаларды әртүрлі жолдармен алады:

    1) белгілі бір құрамы бар сұйық фазадан кристалдану арқылы алынатын қоспалар – эвтектикалар;

    2) қатты фазалардың араласуы арқылы алынатын қоспа – эвтектоидтар;

    3) сұйық фазадан кристалданған бір фаза қалған сұйықтықпен әрекеттескенде басқа фаза кристалданады. Алынатын қатты қоспа – перитектика.

    Кез келген жүйеде және жүйелер арасында өзгерістер өтеді. Бұл кезде фазалардың химиялық құрамы өзгереді немесе өзгермейді. Құрам өзгеру арқылы өтетін түрлендірулер  химиялық реакциялар, ал құрам өзгермей өтетін түрлендірулер – фазалық  айналулар деп аталады. Химиялық реакцияны сипаттайтың сандық көрсеткіш – оның жылдамдығы.

    Сандық  түрде химиялық реакцияның жылдамдығы түрінде жазылады, яғни реакцияға қатысатын заттың бірінің концентрациясының уақыт бірлігінде өзгеруі. Концентрация C = , мұндағы n – заттың моль саны, V  - жүйенің көлемі.

      Гомогенді жүйелерде химиялық  реакция жүйенің бүкіл көлемінде  жүреді, ал гетерогенді жүйелерде  – жүйені құрайтын фазалардың  бөліну бетінде ғана жүреді.

    Бөлшектер (атомдар, иондар, молекулалар) арасында химиялық  реакцияның жүруіне қажет физикалық шарт – олардың кездесуі немесе соқтығысуы. Бөлшектер соқтығысқанда ғана электрондар алмасады және атомдар (иондар) қайта топтасады, демек химиялық реакция жүреді.

    Әрекеттесуші заттардың бөлшектерінің соқтығысуы көбейген сайын, реакция жылдамдығы да жоғарылайды. Соқтығысулар саны әрбір бастапқы заттың концентрациясы өскен сайын өседі.  

    А + В С типті химиялық реакцияның жылдамдығын түрінде жазуға болады, мұндағы – концентрация, ал k– жылдамдық константасы.

    Гомогенді жүйеде өтетін реакция жылдамдықтарының әрекеттесуші заттардың молярлық концентрацияларының  көбейтіндісіне пропорционалдығын 1867 ж. К.М.Гульдберг пен П.Вааге және тәуелсіз Н.Н.Бекетов анықтаған, ол әсерлесуші массалар заңы деп аталады.

    Реакцияны aA + bB dD + eE  түрінде жазайық, яғни мұнда тура реакциямен қатар кері реакция бар. Әсерлесуші массалар заңы бойынша тура және кері реакциялардың жылдамдықтары   ; .

    Жылдамдық константалары k және k әрекеттесуші заттардың табиғатына, температураға және басқа да факторларға тәуелді, бірақ реакция компоненттерінің концентрацияларына тәуелді емес.

    1.1- суретте және - нің уақытқа тәуелділігі бейнеленген.

1.1 -сурет. Тура

және кері реакция жылдамдықтарының уақытқа тәуелділігі 

    Процесс басында  максимал, бірақ уақыт өткен сайын А және В концентрациялары Д мен Е ауысқан сайын кемиді де азаяды.  , керісінше, көбейеді. Кандайда бір     уақытта = тепе-теңдігі орнайды. Реакция тоқтамайды , бірақ уақыт бірлігінде әрбір заттың қанша молекуласы түзілсе, соншасы жұмсалады. Тепе-теңдік жағдайында     k₁/k₂=

    K_c- химиялық тепе-теңдік константасы. Осылайша тепе-теңдік константасы – тура және кері химиялық реакциялардың жылдамдық константаларының қатынасы. Тұрақты температурада К_с да тұрақты. Химиялық реакцияның жүруінің қажет шарты – бөлшектердің соқтығысуы, бірақ соқтығысатың бөлшектердің энергиялары бастапқы заттардың атомдары арасындағы химиялық байланысты үзуге жеткілікті болу керек, әйтпесе соқтығысу болады, бірақ химиялық айналу жүзеге аспайды.

    Соқтығысуы  жаңа заттың түзілуіне алып келетіндей бөлшектердің артық энергиясы осы процестің (реакцияның) активтену энергиясы деп аталады. 

    Химиялық  реакцияны сипаттау үшін оның ретін  білу керек. Бір уақытта әрекеттесуге түсетін молекула түрлерінің саны реакция  ретін анықтайды:1-рет – бір түрлі молекулалар, 2-рет – екі түрлі молекулалар. Мұндай реакциялар дәлірек моно-, бимолекулалы-, үшмолекулалы деп аталады.

    Үшмолекулалы  немесе одан да күрделі реакциялар өте сирек жүреді.  

1.2. Қатты денелердің жіктелуі

    «Қатты» ұғымы заттың бізге белгілі төрт агрегаттық күйлерінің: газтәрізді (бу тәрізді), сұйық, қатты және плазмалық күйдің біріне қатысты айтылады. Алғашқы үшеуі үшін заттың пішіні мен көлемінің өзгерістері тән. «Қатты» ұғымына жиі ғылыми емес, тұрмыстық мағына береді. Мысалы, қатқан шайырды қатты денелерге жатқызады, шын мәнінде ол – аса сұйық және құрылымы бойынша қаттыға емес, сұйыққа жақын.

     Тұрмыстық жіктеуге сәйкес қатты денелерге моно- және поликристалдармен қатар аморфты және шынытәрізді заттар, сондай-ақ полимерлер жатады (1.2-сурет). 

1.2-сурет. Қатты денелердің түрлері. Жақшаның ішінде – байланыс энергиясы. 

    Аморфты денелерде атомдардың орналасуы  толық реттелмеген. Бұл шынытәрізді  қатты денелерге де тән. Егер балқытып, баяу суытса, онда кристобаллит кристалдары алынады, егер балқыманы тез суытса, онда силикат шынысы алынады. Әрбір екі кремний атомдарының арасында оттек атомы орналасады. Әрқайсысында алты кремний атомы бар үш сақина төрт кремний атомы бар екі және сегіз кремний атомы бар бір сақинаға айналады. Кристалда қатты дененің берілген фрагментінің құрылымы қатаң екенін көреміз. Мұндай фрагмент қарапайым кристалл ұяшық деп аталады (1.3-сурет).

    Полимерлер – ұзындығы және молекулалық массасы әртүрлі көптеген молекулалардан тұратын органикалық қатты заттар. Поликристалдар – жеке, жиі өте ұсақ кристалдардың атомаралық және молекулааралық күштерімен біріккен біртұтас қатты денелер. Жеке кристалдар – дәндер әртүрлі бағытталады. Монокристалдар – ешқандай бөліну шекаралары жоқ жеке кристалдар. Монокристалдарға әртүрлі бағыттарда қасиеттерінің анизотропиясы (бірдей еместігі) тән. Бұл векторлық қасиеттерге: электр- және жылу өткізгіштік, жылулық ұлғаю, механикалық беріктік, еру жылдамдығы және т.б. қатысты. Кейбір скаляр қасиеттер (мысалы, жылу сыйымдылығы, тығыздық) бағытқа тәуелсіз. Поликристалдарда жеке дәндердің әртүрлі бағытталуы әр бағыттағы қасиеттердің орташа мәніне алып келеді, сондықтан поликристалл – изотропты.

 

 

1.3-сурет. Кремнезем (а) мен

-ден жасалған шынының (б) кристалдық формасы - кристобаллиттің кристалдық құрылымдары 

    Қатты дене атомдары арасындағы химиялық байланыс типі бойынша да кристалдарды жіктеуге болады (1.4-сурет). Молекулалық кристалдарда атомдар ең әлсіз байланысқан. Мұндай кристалдардағы атомдар арасындағы байланыс Ван-дер-Ваальс күштері деп аталатын әлсіз электростатикалық күштер көмегімен түзіледі. Бұл күштердің пайда болуы көрші атомдардың диполь моментінің электр өрісінің әсерінен атомдарда дипольдік электр моментінің индукциялануымен анықталады. Ал оларда бастапқы момент атомда электрон орнының лезде өзгеруі нәтижесінде пайда болады. Ара қашықтық артқан сайын әсерлесу энергиясының тез азаюы байланыстың әлсіз екендігін көрсетеді. Сондықтан молекулалық кристалдардың балқу және қайнау температуралары төмен, тез сығылады. Мысалы: қатты асыл газдар және т.б. Сутектік байланыстармен байланысқан кристалдардың байланыс энергиясының мәндері жоғарырақ. Бір ғана электрон бар сутек атомы бір ғана химиялық байланыс түзуге қабілетті. Бірақ бұл кезде түзілетін оң зарядты қасындағы электртерістілігі жоғары атом өзіне тартып екінші байланыс түзуі мүмкін. Мұндай электртеріс атом оттек, фтор болуы мүмкін. Мысалы, (мұз). Мұз кристалдарында сутек атомы бір оттек атомына өз электроның беріп жұп электронды байланыс түзеді, бірақ жұбының құрамында тұрып, ол басқа оттек атомымен электростатикалық күшпен әсерлеседі. Сутектік байланыс қосылыстары полимерленгенде маңызды роль атқарады. Байланыс энергиясы жоғары келесі кристалдар – металдар. Металл моделі – бүкіл қатты денені толтырып тұрған электронды газға ендірілген ретті орналасқан металл иондары. Бұл жағдайда химиялық байланыс металл атомдарының иондық қалдықтары мен бос электрондар арасындағы электростатикалық әсерлесумен анықталады. Бұл модель Друде теориясының негізін құрайды. Бұл теория бойынша валентті электрондар немесе олардың бір бөлігі делокализацияланған, яғни металл атомдарымен абсолютті байланыспаған. Егер осындай қатты денеге сырттан электр өрісімен әсер етсе, онда делокализацияланған электрондар кристалда еркін қозғала бастайды да, электр тогын туғызады. Мұндай электрондар өткізгіштік электрондары деп аталады. Друде теориясы  осылайша металдардың жоғары электр- және жылу өткізгіштігін түсіндіреді. Көптеген бейметалл қатты денелерге ковалентті немесе гомеополюсты байланыс тән. Мұнда электрондар жұбы екі атомға да жатады. Нәтижесінде кеңістікте осы екі атомдар арасында электр зарядының тығыздығы жоғары болады. Мысалы, сутек молекуласы. Ковалентті байланысқан қатты денелерге көптеген органикалық қосылыстар, галоген, азот, сутек және өттек атомдар жұбы арасында байланыс бар заттар, топ атомдарынан тұратын заттар (алмаз, германий, кремний), топ (пішінсізденген ), топ ( ) және т.б. Жақын көршілер саны координациялық сан деп аталады. Коваленттіден басқа бейметалл кристалдар ионды химиялық байланыспен байланысқан. Мұндай байланыс қарама-қарсы зарядталған иондар әсерлескенде түзіледі. Мысалы, кристалы. Электрон  -дан -ға ауысады. Нәтіжесінде және пайда болады. Идеал ионды заттарға сілтілік металдардың галогенидтері жатады, оларда да иондық дәрежесі 70-90%.