Лекция 2 Твердые вещества и основные пути их

Лекция 2 Твердые вещества и основные пути их получения. Что же такое твердое вещество? Твердое вещество – полиатомное соединение (совокупность большого числа атомов одного или разного вида) более или менее устойчивое в данном интервале условий (р, t и химическая среда), характеризующееся следующими параметрами: • составом; • химическим строением; • структурой 1 порядка – кристаллическая или аморфная (ближний или дальний порядок); • структурой 2 -ого порядка – надмолекулярная структура – или вторичная структура образующейся макромолекулы, т. е. соединение надмолекул в единую систему (носителя свойств тв. вещества); • степенью полимеризации т. е. массой (где граница между макромолекулой и молекулой); • различием свойств атомов, находящихся в объеме и на поверхности. Таким образом, исходя из всего выше сказанного следует, что данное определение твердого вещества является понятием химическим.

Твердое тело – это всего лишь форма существования твердого вещества, понятие физическое. Для твердого тела характерны следующие признаки: 1. относительная стабильность формы; 2. характер колебаний отдельных атомов относительно определенного положения равновесия. В твердом теле необходимо учитывать наличие дефектов. Нульмерные – точечные - энергетические, -электронные, -атомные - вакантные узлы. Одномерные – краевые и винтовые дислокации; Двумерные – поверхность зерна, Трехмерные – мирокаверны, полости. При изучении твердого тела необходимо учитывать дефекты. Материал - твердые тела и их связанные в единое целое композиции, обладающие целевыми физико-химическими свойствами, реализующимися в изделиях. Твердая фаза – гомогенная часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела и характеризующаяся в отсутствии поля сил независимо от массы одинаковыми составом, физическими и термодинамическими свойствами во всех точках.

Специфика твердого состояния накладывает свои особенности на структурно-химические характеристики твердого тела в целом. При этом следует отметить, что в природе существует только две формы организации вещества. Дискретная – атомы, ионы, молекулы; Непрерывная – надмолекулы, макромолекулы, полиатомные вещества Примеры: 1. Молекула Н 2 характеризуется дискретной формой, т. е. наличием отдельной формы, сопровождающейся разрывом на отдельные атомы. Н 2 Н + Н Н 2 + + е 2. В случае твердого вещества кристалла Na. Cl n. Na+n. Cl- - упорядоченная форма- весь кристалл. Сущность образования твердого вещества заключается в переходе дискретной формы в непрерывную, то есть в макромолекулы, надмолекулы, полиатомные вещества.

Носителем свойств вещества как химических так и физических является макромолекула имеющая 1). цепочечную 2). сетчатую организацию - 1, 2, 3 мерный остов твердого вещества 3). трехмерную Для твердых веществ можно выделить 3 основные характерные структурно-химические особенности, отличающие их от газообразных и жидких веществ: • полиатомность; • остовно-функциональное химические строение; полинаправленность химических превращений Реальное твердое вещество Следовательно, реальное твердое вещество в принципе не может иметь ни абсолютно постоянного состава, ни совершенно неизменного химического строения. Оно может находиться при некоторых условиях в метастабильном состоянии и, наконец, его существование может быть недолгим. Можем ли мы при таких условиях создавать с твердые вещества атомной точностью. Как мы увидим далее, при определенных условиях, всегда можно получить любое вещество, в том числе и твердое, гарантируя с известной точностью его состав и строение и экстраполировать к идеальным. Разумеется речь идет о принципиальной возможности, а имеются ли в нашем распоряжении средства и способы получения того или иного вещества – это уже другое дело

Особенности химических превращений твердых веществ и пути их получения 1. Деструкционные превращения и соответственно деструкционные методы. 2. Превращения, сопровождающиеся структурной перестройки. 3. Синтез. 4. Внедрение атомов в решетку. 1. Деструкционные превращения 1. 1. Диспергирование, т. е. механо-химические процессы-дробления вещества. (АВ)n k(AB)n/k. 1. 2. Термодеструкция – (AB)n (A)nт + n. B г или ж, например, разложение пермарганата калия 2 KMn. O 2 K 2 Mn. O 4 +O 2 + Mn. O 2 2 Н 2 О 2 2 Н 2 О + О 2 . 1. 3. Химическая молекулярная деструкция: n (AB) + m. C (AB)n-m + m. ABC * газообразный или жидкий отделяемый продукт

Примеры химической твердотельной деструкционной реакции : - горение углерода -С–С–С–С- + n. O 2 n. CO 2 -С–С–С–С- процесс выщелачивания, сопровождающийся выделением одного типа атомов из структуры вещества (ABD)n (AB)n + n. D 1. 4. Химическая контактная деструкция n (AB) + m. C (AB)n-m m. ABC Si + O 2 Si-Si. O 2 Si Si 1. 5. ДЭП – деструкционно- эпитаксиальные преврашения m. D (AB)n + m. С (AB)n-m + m. ABC (AB)n-m. Dm

2. Процессы структурной перестройки (AB)n // Анатаз Рутил Брукит Гамма оксид алюминия корунд Графит Алмаз Фулерен Графен 3. Синтез • Гетерогенно-гомогенный синтез 1. 1. Охлаждая газ получаем сначала жидкость, а затем твердое вещество. n. A(г) [A]nж [A]n(т) 1. 2. из расплавов n. A(ж) [A]n(т) n. AB (AB)n+k+p m. B (AB)2 (AB)3 (AB)n + (AB)k [(AB)n (AB)k]n При этом образуются вещества разного типа. Г+Т Т - Si. Cl 4 + H 2 O аэросил Г + Ж Т - Si. Cl 4 + H 2 Oж поликремневая кислота Ж + Т 1 Т Ж 1+ Ж 2 Т Г + Т 1 Т 2 О 2 + Ме Ме. О 2 Т 1 + Т 2 Т 3 Al 2 O 3 + Ti. O 2 Al 2 Ti. O 5 (титанат алюминия), 4. Внедрение атомов в решетку

Структурно-химические твердое состояние. последствия перехода вещества в Можно выделить для твердых веществ характерные 3 основных структурно-химические особенности, отличающие их от газообразных и жидких веществ: • полиатомность; • остовно-функциональное химические строение; • полинаправленность химических превращений. Рассмотрим, что происходит при межфазном переходе. Последствия перехода вещества в твердое состояние проявляется в том, что изменяется характер движения частиц и появляются новые носители движения. Для низкомолекулярных веществ носителями движения являются молекулы, в твердых же веществах носители движения меняют свою природу и элементарными носителями движения уже являются квазичастицы: • фононы; • электроны проводимости; • поляроны; • квазмоны; • магноны; • экситоны.

В твердых веществах все физико-химические взаимодействия взаимообусловлены. Это в свою очередь приводит к изменению параметров СЕ при вхождении их в структуру твердого вещества: межатомные расстояния, углы, энергия связи, эффективные заряды и т. п. Это является результатом взаимодействия частиц друг с другом. Пример: n. H 2 O – пар (Н 2 О)n ж, Н 2 Отв. d (O-H) = 0. 096 нм 0, 099 нм 0, 078 нм НОН = 104, 27 о 109, 5 о 109, 28 о Уже в воде наблюдаются межатомные взаимодействия с образованием водородной связи между протоном одной молекулы воды с кислородом соседней молекулы с d (O-H O) = 0. 29 нм. -. При дальнейшем процессе отвердевания в твердой фазе воды длина связи d (O-H O) уменьшается до 0, 276 нм