IN Industriteknikk RA 22.08.06 Side 1 av 8 Materialer og kjemi Stoffer og materialer I dette avsnittet skal vi kort presentere materialer og repetere nødvendige kjemikunnskaper 1. Stoffer, materialer, atomer, molekyler, ioner. Materialer er byggestoffet som skal utgjøre form og funksjon i ting som brukes i av enkeltmennesker, av bedrifter og av samfunnet. Det finnes mange typer av materialer: Materialer - for konstruksjon og struktur som leder eller isolerer elektrisk, har magnetiske egenskaper etc. med optiske egenskaper som tåler høy temperatur, ildfast og annet I vårt fag skal vi kun omtale materialer for konstruksjon. vilke egenskaper har de? Materialer for struktur: har fasthet seighet duktilitet stivhet kjemisk og fysisk bestandighet, for eksempel motstand mot korrosjon Materialklasser vilke materialer taler vi om? Metaller Keramer og glasser Polymermaterialer = plaster Komposittmaterialer (sammensatte) 1 Se gjerne : http://www.chemguide.co.uk/atoms/bondingmenu.html#top
IN Industriteknikk RA 22.08.06 Side 2 av 8 Materialenes fysikk og kjemi Materialer er en delmengde av stoffene, dvs. all materie med masse som omgir oss. Stoffene kan deles inn og kategoriseres på forskjellig måte: Stoffer gass, væske, fast flytepunkt kokepunkt eller atomære ioniske molekylære sammensatte blandinger Stoffene består av elementære byggesteiner, submikroskopiske partikler. Atom Ion ca 90 grunnstoffer (elementer), eks.: sølv, gull, kobber, jern (stål), kvikksølv argon, helium Atomene betegnes med sitt kjemiske symbol (Ag, Au, u, Fe, g, Ar, e) Atomene har en indre struktur: kjerne, protoner, neutroner elektroner, elektronstruktur 9 Atomers størrelse er 0,2 0,5 nm ( 10 m ). Atomenes kjerne kan ikke endres (unntatt ved kjernefysiske prosesser), dvs. for konstruksjonsmaterialer interesserer vi oss kun for elektronstrukturen Atomene i elementene har like mange elektroner som det er protoner i kjernen, og er sældedes elektrisk nøytralt. Atomer kan imidlertid avgi eller ta opp et eller noen få ekstra elektroner. Dermed får de nettoladning og kalles et ion. Molekyler Atomer kan henge sammen i bestemte grupper, som kalles molekyler. Molekylet betegnes med sin kjemiske formel. oksygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), propan ( 3 8 ) Vann ( 2 O), Bensin (egl. en blanding av mange hydrokarboner som ligner hverandre, eks heptan 7 16 ). sukker, parafinvoks, polyetylen (svært lange molekyler, lengden varierer, 3-2 - 2 -.- 3 ). Svovel (S 8 ), Glass (f.eks. SiO 2 ao). Sammensatt ion En atomgruppe kan ha overskudd av ladning og kalles da også et ion (selv om dette egl. er et sammensatt ion ). Eks. ammonium, N. Sulfat, SO. + 4 2-4
IN Industriteknikk RA 22.08.06 Side 3 av 8 Molekylære gitre I noen stoffer gjentas en formelenhet gjentas i meget stort antall i en romslig struktur. Eks.: grafitt (en type karbongitter, ), diamant (en annen type karbongitter), Kvarts (SiO 2 ). Stoffer av ioner Finnes i salter (Nal, her er det Na + og l - -ioner), (Al 2 O 3, her er det Al 3+ og O 2- -ioner) Sammensatte blandinger - Blandingsplast (f.eks. en kopolymer av polyeten og polypropen) - Plastkompositter så som GRP (kan kalles GAP på norsk, glassfiber armert plast, plasten er f.eks. polyester eller epoxy, men kan også være polypropen) - Granitt (en bergart, blanding av flere mineraler som foreligger krystallinsk, egl. en kompositt) - Betong (en blanding av herdet sement og sand og stein), armert betong (oftest armert med stål, og altså også en kompositt). - Trevirke (en komplisert blanding av cellulosefibre og naturlige limstoffer), bein, hår (andre kompliserte blandinger, og dermed en kompositt). Egentlig er ingen materialer helt rene. Plaster: Stål: Messing: erderrester og tilsettingsstoffer kommer i tillegg til den eller de kjemiske komponenter som omtales i "enklere lærebøker" Mest jern, men har også: Skadelige forurensninger f.eks. svovel, fosfor og div. andre metaller i uønsket mengde. Ønskede tilsetninger passe mye karbon, silisium, mangan mm Kobber og sink i ønsket blandingsforhold, avhenger av ønskede egenskaper Fremstillings-historikken kan være meget viktig: plast passe lang reaksjonstid trevirke rette vekstforhold metaller størknetid og varmebehandling, evt. valsing og smiing. Materialer kategorisert etter struktur Vi kan skille mellom den kjemisk / fysiske sub-mikro-oppbygningen (atomer og molekyler), denne er omtalt over, og makro / mikro-oppbygningen som nå følger: Polymermaterialer: Lange molekylkjeder kveiler seg mer eller mindre tilfeldig opp Krystallinske materialer: Metaller og keramer, atomer, ioner eller molekyler danner et relativt enkelt, strengt repetert mønster og utgjør en krystall. I et material kalles et krystall også et korn. Kornene henger sammen, møter hverandre vanligvis uten hulrom,
IN Industriteknikk RA 22.08.06 Side 4 av 8 men med en uordnet overgang, kalt korngrenser. Kornstørrelse er viktig for egenskapene. Amorfe materialer Atomer og molekyler har en tilfeldig pakning. Glasser, de fleste plaster, sot 2 Kompositter Sammensetninger av de tre ovennevnte grupper, glassfiber armert plast, betong armert med stålstenger, gummi armert med ståltråder, plast med bitte små gummipartikler, naturlige kompositter så som trevirke, sener og bein. Bindingskreftene Materialenes enkeltdeler (atomer, molekyler, krystaller og partikler, fibere) henger sammen av kjemiske årsaker. En binding er å oppfatte som krefter som holder materien sammen. (Inne i atomkjernene:) Kjernekjemi, hører ikke med til materiallæra. Mellom atomkjernen og elektronene: Forståelsen av dette har betydning for forståelsen stoffenes kjemiske egenskaper og dermed også for forståelsen av materialenes egenskaper. Elektronene grupperer seg på bestemte måter (orbitaler). Noen av elektronene kan gå ut og inn av atomet eller delvis ut og inn av atomet og deltar således i kjemiske bindinger. Antallet varierer. Vi tar oss likevel ikke tid til å gå i dybden. Dette er undervist i kjemifaget. De av atomets elektroner som deltar i bindingene kalles valenselektronene. Mellom atomer, primære bindinger Primære bindinger holder atomene sammen, for eksempel i molekyler (intramolekylære krefter bindinger). De primære bindingene deles inn i 3 hovedgrupper. Ionebindinger Atomene kan avgi eller ta opp ett eller flere elektroner. u u 2+ + 2e - u u + + e - O + 2e - O 2- l + e - l - Zr Zr 2+ + 2e - Positive og negative ioner binder seg til hverandre = ionebinding eks.: ul, ul 2, ZrO, Al 2 O 3 Ag 2 O 3 2 Sot består bare av karbon og er vel ikke et material, Det nevnes som et eksempel på et ett og samme element kan opptre i meget forskjellige former. Karbon kan også danne krystallinske former: diamant og grafitt (stoffet i bla. vanlige blyanter). 3 der metallatomet danner det positive ionet, u 2+, u +, Zr 2+ osv. og ikke-metallet det negative ionet, l -, O 2- osv., se kjemifaget. Zirkon, ZrO og aluminiumoksid Al 2 O 3 kan presses og sintres til sterke konstruksjonskeramer.
IN Industriteknikk RA 22.08.06 Side 5 av 8 De elektrostatiske kreftene går i alle retninger i rommet. Stoffer med ionebindinger er ikke molekylære fordi man ikke kan si hvilke to atomer som hører sammen. Stoffer med ionebindinger danner krytstallgitre i rommet. De er således ikke molekylære. Bindingene strekker seg over hele krystallet (= et korn). Bindingen opptrer mellom konkrete atomer og må brytes dersom atomene tvinges til å bytte plass av mekaniske krefter. Dvs. stoffer med ionebindinger knuses ved forsøk på deformasjon, de er sprø. Kovalente bindinger Ionebindinger opptrer mellom metaller og ikke-metaller 4. I en kovalent binding deler to atomer elektroner. Eksempel etan: formelenhet 2 6 Strukturformel: ver prikk betyr ett elektron. To og to atomer deler elektronene mellom seg. Et slikt elektronpar kalles en kovalent (enkel-) binding. Atomene som inngår oppnår prefererte elektronkonfigurasjoner (2 elektroner for hydrogen og 8 elektroner for oksygen, jfr. oktettregelen) Etan er bygget opp av slike molekyler. Andre stoffer med kovalente bindinger kan danne kovalente gitre i rommet, og er da ikke-molekylære, eks, silisiumoksid-keram, SiO 2. En enklere måte å skrive strukturformler på er å bytte ut de to prikkene med en strek. Etan vil da se slik ut: De kovalente bindingene er opprettet mellom konkrete atomer, stoffene er derfor også sprø med mindre molekylene er svært lange kan gli i forhold til hverandre som ved polymermaterialer (plast, mykplast og gummi). :::: Etanmolekylet prikk-modell O O O:Si:O:Si: O O :Si: O :Si: Silisiumoksid, SiO 2 Et kovalent gitter Etanmolekylet strekmodell Rene kovalente bindinger opptrer mellom ikkemetaller. I praksis er det litt glidende overganger mellom ionebindinger og kovalente bindinger. Elektronladningen fordeler seg ikke jevnt mellom de impliserte atomer unntatt når de er helt like. En ren ionebinding kan betraktes som 100 % ladningsseparasjon, mens en ren kovalent binding (f.eks. i N 2 ) har 0 % ladningsseparasjon. Årsaken til ladningsseparasjonen ligger i elementenes natur (elektronegativitet). Konsekvensene er viktige, se sekundære bindinger under. 4 noen ioner kan være sammensatte. Ammonium, N 4 + er et sammensatt, positivt ion, men slike sammensatte positive ioner er uten betydning for materialer, se for øvrig kjemifaget.
IN Industriteknikk RA 22.08.06 Side 6 av 8 Metallbindinger Bindingsformen oppstår i metaller. Ett eller flere + + + + + + av hvert metallatoms valenselektroner avgis til en elektronsky eller gass. Denne flyter fritt + + + + + mellom ionene (metallatomer som har avgitt ett + + + + + + eller flere elektroner til denne gassen). Den minste elektriske spenningsforskjell kan flytte elektrongassen (metallene leder elektrisk strøm). Elektrongassen kan svinge i takt med lys av alle farger (bølgelengder), metallene reflekterer lys av alle farger uten inntrengning, hvilket gir dem metallglans. Bindingene har ingen bestemte retninger. Atomene kan derfor flyttes av mekaniske påvirkninger i forhold til hverandre og likevel henge sammen, metallene kan være duktile, dvs. de har evnen til å formes plastisk uten å miste sammenhengsevnen. Duktilitet er et helt spesielt fenomen for metaller. Elementene deles inn i metaller og ikke-metaller. Noen av metallene har meget sterk metallkarakter. Andre har også egenskaper som ligner på ikkemetallenes. Mellom molekyler, sekundære bindinger Molekylkrefter. Finnes i større eller mindre grad mellom alle molekyler, som et slags lim som holder stoffet sammen. I molekylære gasser overvinnes molekylkreftene mellom molekylene av de termiske bevegelsene, og molekylene forlater hverandre, de henger ikke sammen. Ved lavere temperatur kondenseres gassene til væsker. I væsker er de termiske bevegelser fortsatt for store til at molekylene kan låses i bestemte posisjoner, men de holdes tett mot hverandre av generell tiltrekning som betegnes Van der Waalske krefter. Utsnitt av to polyetylenmolekyler (PE). Kovalente bindinger internt i molekylene. Van der Waalske krefter mellom molekylene. l Repeterende enhet i hhv. PE og PV
IN Industriteknikk RA 22.08.06 Side 7 av 8 I faste stoffer låses molekylene fast i forhold til hverandre av molekylkreftene, som danner bindinger. Disse er sekundære eller intermolekylære bindinger, som også kalles Van der Waalske bindinger. De sekundære bindingene kan deles i to typer. Den første forklares som små, fluktuerende ladningsforskyvninger, som gir en generell tiltrekning mellom alle orbitaler. Den andre typen skyldes permanent ladningsforskyvning, som oppstår når kovalente bindinger opprettes mellom stoffer som fordeler elektronene ulikt mellom seg. Bindingen mellom atomene betegnes da polar kovalent og har som konsekvens at de Van der Waalske bindingene blir l sterkere enn de ellers ville ha vært. PV er et eksempel. +d PV har både klor og hydrogen. Disse danner polarkovalente bindinger, som gjør at ren PV-plast -d blir hard og sprø. I praksis blir PV tilsatt mykner 5 l. PE-plast har kun upolare bindinger og beholder sin mykhet også ved relativt lave temperaturer. +d -d Polarkovalent binding i PV fører til forsterket intermolekylær binding vis stoffet har kovalente bindinger der det inngår både hydrogen og minst ett av elementene N, O, F, blir den polare virkning spesielt sterk. ydrogenatomet vil da danne en bro mellom to naboatomer. Dette er en spesielt sterk type sekundær binding. Styrken er omtrent 10% av en primærbinding (kovalentbinding). Den har eget et navn og kalles hydrogenbinding. Vi finner den i f. eks. is, i polyamidplast ( nylon-typer ) og i polyestere. Videre har hydrogenbindinger en vesentlig rolle i flere termoplastiske 6 elastomerer (elastoplaster, smeltbare gummier). 5 En myker for plast er et lavmolekylært, polart stoff som legger seg mellom molekylene se tema Plast og polymerer som kommer senere. 6 kan smeltes
IN Industriteknikk RA 22.08.06 Side 8 av 8 Spørsmål: 1) vilke hovedgrupper av konstruksjonsmaterialer har vi? 2) Dette skal du lære senere, prøv likevel å se om du kan si noe fornuftig : va menes med seighet og hva menes med fasthet av et materiale. 3) Er disse materialene atomære, molekylære, ioniske, kompositter, blandinger: Plast, papir, titan, PV, støpejern, trevirke, leca. 4) vilke bindingstyper finner vi i kobber, bordsalt (Nal), SiN-keram, polypropen (polypropylen), glassfiberarmert polyester, beinvev, PV, støpejern. (Spørsmål 4 var ikke bare lett på nåværende tidspunkt. Bruk tabeller og evt. oppslagsverk og se hva du kan finne ut. Det er ikke detaljene som er viktige. Men det vil være svært nyttig hvis du kan finne noen knagger å henge kunnskapen på og så resonnere ut fra dette.)