Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

WYKŁAD IX A.Odporność na stres mechaniczny. Materiały supertwarde i superwytrzymałe. Chemiczna produkcja diamentów. Jak pobić diament? B.Granice procesów.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "WYKŁAD IX A.Odporność na stres mechaniczny. Materiały supertwarde i superwytrzymałe. Chemiczna produkcja diamentów. Jak pobić diament? B.Granice procesów."— Zapis prezentacji:

1 WYKŁAD IX A.Odporność na stres mechaniczny. Materiały supertwarde i superwytrzymałe. Chemiczna produkcja diamentów. Jak pobić diament? B.Granice procesów redox w chemii. Odporność na utleniacze i reduktory, kwasy i zasady. C.Badania nisko- i wysokotemperaturowe, oraz wysokociśnieniowe (statyczne i dynamiczne). D.Materiały wybuchowe; ogólna zasada konstrukcji. Teoretycznie przewidziane nowe odmiany alotropowe azotu i tlenku wegla. Zapory przeciwuderzeniowe.

2 Odporność na stres mechaniczny. - wytrzymałość na ściskanie moduł ściśliwości /GPa –1 / oraz naprężenie rozkruszające R s /MPa/ - wytrzymałość na rozciąganie naprężenie rozerwania R m /MPa/ - wytrzymałość na zmianę kształtu vel sprężystość moduły sprężystości podłużnej (=Younga) Y, objetościowej B, skręcalności G /GPa/, i Poissona /bezwymiarowy/ - twardość Mohsa HM i Brinella HB /MPa/ vel wytrzymałość na zarysowanie

3 Materiały superwytrzymałe. - kryształy molekularne (słabe oddziaływania wiążące sieć przestrzenną) mają z reguły słabą wytrzymałość mechaniczną - kryształy kowalencyjne i niektore metale mają z reguły dobrą wytrzymałość mechaniczną (silne oddziaływania wiążące sieć przestrzenną) - dla niektórych substancji występuje silna anizotropia właściwości mechanicznych

4 - pierwiastki lekkie w danej grupie wykazują z reguły większą odporność mechaniczną niż pierwiastki ciężkie - w danym okresie występuje maksimum odporności dla grupy 14 (blok s,p), i zwykle dla grupy 6 (blok d)

5 Chemiczna produkcja i wykorzystanie diamentów. - jako biżuteria (RPA, Rosja) - do cięcia, borowania i wiercenia twardych metali i skał - do ściskania materii do superwysokich ciśnień Produkcja przemysłowa sztucznych diamentów z grafitu, oraz związków organicznych np. CH 4, laboratoryjna z fullerenów i diamentoidów. Najważniejsze jest złamanie monopolu RPA. Diament jest metastabilną (termodynamika) lecz długożyjącą (kinetyka!) formą węgla!

6 Jak pobić diament? Materiały supertwarde z frontu badań –60 GPa: diament - niektóre spolimeryzowane fullereny C 60 i C 70 ok o C i 13 GPa wykazują twardość zbliżoną do diamentu 130–25 GPa (Nature 1991, 350, 663), a czasami być może nawet ją przewyższającą (Adv. Phys. 1999, 48, 1) - inne materiały supertwarde to: 80–45 GPa: kubiczny BN 75 GPa: kubiczny BC 2 N 40 GPa: - Si 3 N 4 38 GPa: B 6 O 35–30 GPa: SiC, TiB 2, odmiana SiO 2, - i - Si 3 N 4, WC, Al 2 O 3 25 GPa TiN < 25 GPa: inne węgliki i azotki metali przejściowych

7 Granice procesów redox w chemii. Najlepsze reduktory. Chemia metali alkalicznych i metali ziem rzadkich.

8 (W 2+ ) CH 3 Cl C 2 H 6 + (W 3+ ) 2 (Cl –1 ) 2 Li + NH 3(c) Li + (NH 3 )(e – ) N 2 + (Tm 2+ ) 2 (Tm 3+ ) 2 (N 2 –2 ) 3 K + C 60 (K 1+ ) 3 (C 60 –3 ) AsH CH 3 OH As(OCH 3 ) H 2 2(Ni 2+ )[14]cyclam + CO 2 + H 2 O 2(Ni 3+ )[14]cyclam + CO + 2OH – NaN –3 H 2 + N +1 2 O NaN –1/3 3 + H 2 O LiAlH 4 + 3/2 HCHO 3/2 CH 3 OH + Al + LiH Wycieczka na granice ujemnych potencjałów redox.

9 Zdolności redukujące nie są absolutne, i zależą od stabilności formy w jakiej znajduje się i do jakiej utleni się reduktor! G 0 : Li + ¼ O 2(g) ½ Li 2 O–280 kJ/mole Li + 1/6 N 2(g) 1/3 Li 3 N–36 kJ/mole Li + ¼ C (s) ¼ Li 4 Cbrak reakcji Al + 3/2 O 2(g) ½ Al 2 O 3 –745 kJ/mole Al + ½ N 2(g) AlN–287 kJ/mole Al + ¾ C (s) ¼ Al 4 C 3 –50 kJ/mole Be + ½ O 2(g) BeO–576 kJ/mole Yb + 3/2 O 2(g) ½ Yb 2 O 3 –817 kJ/mole Th + O 2(g) ThO 2 –1166 kJ/mole

10 Najlepsze utleniacze. Chemia fluoru i gazów szlachetnych. Fluorki Ag 3+, Ni 4+, Ag 2+, Au 5+, Pt 6+, Kr 2+, Xe 2+, hipotetyczne Au 6+, Au 7+, Hg 4+, Ar 2+. O 3. Tlenki Pb 4+, Mn 7+, Tl 3+, Cu 3+, Os 8+, Xe 8+, Xe 6+, nadtlenki i supertlenki, hipotetyczne U 12+.

11 3 AgF 3 Ag 3 F 8 + ½ F 2 2(Ag 3+ ) HF + Kr 0 2(Ag 2+ ) HF + Kr 2+ (Ni 4+ ) HF + 2 PtF 6 – (Ni 2+ ) HF + 2 PtF 6 2(Ag 2+ ) HF + Xe 0 2(Ag 1+ ) HF + Xe AgF 2 + C AgF + C 60 F 44 2/3 O 3 + CH 2 =CH 2 2 HCHO CaO 2 + CH 3 CO(OH) CaO + CH 3 CO(OOH) H 4 Xe VIII O 6 lub H 5 I VII O 6 … Wycieczka na granice dodatnich potencjałów redox.

12 Zdolności utleniające nie są absolutne, i zależą od stabilności formy w jakiej znajduje się i do jakiej zredukuje się utleniacz! G 0 : KMnO 4 + 3/2 Mg 3/2 MgO + ½ K 2 O + MnO 2 –767 kJ/mole KMnO Mg 2 MgO + ½ K 2 O + ½ Mn 2 O 3 –1028 kJ/mole KMnO 4 + 5/2 Mg 5/2 MgO + ½ K 2 O + MnO–1234 kJ/mole KMnO 4 + 7/2 Mg 7/2 MgO + ½ K 2 O + Mn–1451 kJ/mole CrO 3 + Al ½ Cr 2 O 3 + ½ Al 2 O 3 ? ½ Na 2 Cr 2 O 7 + Al NaAlO 2 + ½ Cr 2 O 3 –717 kJ/mole Na 2 CrO 4 + Al NaAlO 2 + ½ Na 2 O + Cr 2 O 3 –1142 kJ/mole CrF 6 + Al CrF 3 + AlF 3 ?

13 Utleniacze organiczne. R=CN, TCNE tetracyanoethylene i HCNBDE III. Nitryle. R=CN, TCNQ tetracyano quinodimethane, R=F, F 4 -TCNQ I. Chinony. R=H, Q p-benzochinon; R=Cl, CA chloranil, R=F, FA fluoranil; R=CN, tetracyjano- p-Q. Także nafto- i antrachinon. II. Pochodne nitrowe np. 2,4,6- triNO 2 -PhOH (kwas pikrynowy), TNT = trinitrotoluen (trotyl). III. Związki metaloorganiczne szczególnie Cu(III), Ni(III) i Co(III). Porfiryny, ftalocyjaniny, makroazacykle, saleny. IV. C 6 H 4 (COOR)(IO 2 )

14 Reduktory organiczne. I. Aminy. PPDA p-phenyldiamine (p-diamino benzen) i DMAB p-(Me 2 N) 2 C 6 H 4. II. Związki makrocykliczne siarki i selenu; tetrathiafulvalene TTF i jego pochodne, TMTSF = Me 4 -TSeF. III. Związki metaloorganiczne szczególnie Fe(II), Mn(II) i Co(II): porfiryny, ftalocyjaniny, makroazacykle, saleny... Ferrocenyl FeCp 2, ZrCp 2 itp. NR 2 Fe II

15 +0.08 Q –0.26 Me 4 Q PPDA –0.16? DMAB Cl-Q Cl 2 -Q CA FA TCNQ TCNE TCNQ –1 –0.17 TCNE –1 Reduktory ! O 2 ! Utleniacze ! H 2 O ! FeCp TTF & PhNH 2 (CN) 4 -Q? C 6 H 2 (NO 2 ) 3 OH C 6 H 3 (NO 2 ) E 0 /V F 4 -TCNQ ,4-Ph(OH) HCNBDE Cl 2 CN 2 -Q

16 Odporność na utleniacze i reduktory, kwasy i zasady. CH 4(g) + 8 AgF 2 CF 4(g) + 4 HF (g) + 8 AgF,–940 kJ/mole CF 4 + AgF 3 brak reakcji TEFLON CF Mg C + 2 MgF 2,–116 kJ/mole CH Mg C + 2 MgH 2 (brak reakcji)+3 kJ/mole POLIETYLEN Odporność na kwasy – brak centrów zasadowych lub silne związanie takich centrów TEFLON Odporność na zasady – brak centrów kwasowych lub silne związanie takich centrów POLIETYLEN

17 Odporność środowiska wodnego na utlenianie i redukcję. Czy można utlenić tlen? H 2 O (–2) HO 2 (–1/2) H 2 O 2 (–1) O 2 (0) O 2 +(+1/2) H (+1) 2 O H 2 (0)

18 Badania nisko- i wysokotemperaturowe, oraz wysokociśnieniowe (statyczne i dynamiczne). T /K p /bar x 10 –7 K Najzimniejsze atomy K (2002) 4 x 10 9 K Najwyższa temperatura osiągnięta w laboratorium < 1 x 10 –14 bar Najlepsza próżnia osiągana w laboratorium (spektrometry do badań powierzchni) 5.6 x 10 9 bar (1992) Najwyższe ciśnienie statyczne osiągnięte w laboratorium >6 x 10 9 bar dynamiczne (shock waves) 10 –12 bar UHV 4 x 10 8 K wnętrze bomby H

19 - Wysoką temperaturę wytwarza się albo przepuszczając prad, albo grzejąc laserem ( o C) - Forma H 2 + H 2 – czy H + H – stałego wodoru - Metalizacja ciekłego wodoru (metal alkaliczny) - CO 2 – zamienia się w związek o strukturze podobnej do SiO 2 ! - N 2 – półprzewodniki zawierające oligomery N x - Studia tworzenia się minerałów - P 3 N 11 GPa – fosfor w otoczeniu O h, rzadkość - Badania biochemiczne Percy Bridgman, Harvard University (NN 1946) Zastosowanie wysokich ciśnień: - Metalizacja pierwiastków: Xe, O, S, Br, I, Se, Te, B - Nowe formy lodu (lód VII topi się w 100 o 8 GPa) - Ca przekształca się w metal bloku przejściowego pod 20 GPa - Synteza i badania nowych związków, niedostępnych innymi metodami

20 Materiały wybuchowe, paliwa odrzutowe i materiały pirotechniczne: ogólna zasada konstrukcji. G r 0 = H r 0 – T S r 0 H r 0 H bar 0 S r 0 jest duże, gdy produkowane są duże ilości gazów Znaczenie scieżki reakcji: spalanie vs wybuch

21 Utleniacz i reduktor w różnych związkach: NH 4 NO 3 + 2/3 Al 1/3 Al 2 O 3(s) + 2 H 2 O (g) + N 2(g) Utleniacz i reduktor w tym samym związku: Pb(N 3 ) 2 Pb + 3 N 2(g) Na 2 [Si IV (N 3 ) 6 2– ] Na 2 SiN 2(s) + 8 N 2(g) Materiał wybuchowy rozkładający sie wyłącznie do produktów gazowych: NI 3 NH 3 3 HI (g) + N 2(g) Materiał pirotechniczny rozkładający sie wyłącznie do produktów stałych: 3 FeS Al 3 Fe + 2 Al 2 S 3 Materiały wybuchowe i paliwa odrzutowe produkują duże ilości gazów, materiały pirotechnicznie nie.

22 Materialy wybuchowe Niskiej wybuchowości (paliwa) Średniej wybuchowości (inicjatory, spłonki) Wysokiej wybuchowości (właściwe materiały wyb.) 1.Azotan celulozy 2.Proch strzelniczy 3.Paliwa rakietowe 4.H 2, B 2 H 6 1.Azydek ołowiu, PbN 6 LA 2.Izocyjanian rtęci, Hg(ONC) 2 MF 3.Diazodi-NO 2 -Ph DDNP 1.cyklotrimetylenotrinitramina (RDX) 2.2,4,6-trinitrotoluen (TNT) 3.cyklotetrametyleno tetranitramina (HMX) 4.pikrynian amonu (AP) 5.trinitrofenylometylonitramina (Tetryl), 6.nitroceluloza (NC) 7.nitrogliceryna (NG) i dynamit 8.Nitrometan i pentaerytrytol PETN. Wymagają gwałtownej inicjacji, w przeciwnym wypadku spalają się niewybuchowo Związki łatwo wybuchowe Duża energia spalania, duża bariera, mała szybkość detonacji Duża energia spalania, mała bariera, duża szybkość detonacji

23 LAMFDDNPNGTNTAPRDXHMXTetr y l Gestosc materialu g cm – Cieplo spalania /MJ kg – Cieplo wybuchu /MJ kg – Objetosc gazow /cm 3 g – Szybkosc detonacji /km s – Cisnienie detonacji /GPa Szybkość detonacji TNT = 6930 m/s, szybkość płomienia benzyna-powietrze 0.34 m/s, różnica ponad 20 tysięcy razy

24 Trotyl: H 3 C-C 6 H 2 (NO 2 ) 3 5/2 H 2 O (g) + 3/2 N 2(g) + 7/2 C (s) + 7/2 CO (g) ZwiazekObjetosc gazow /cm 3 /g Cieplo reakcji /MJ kg –1 Temp. zaplonu / o C 3:4:3 Ba(NO 3 ) 2 :Al:KClO TNT ANFO: 94 % NH 4 NO 3 / 6% benzyna – Oklahoma City 1800 kg ANFO Zaprojektujmy nowy materiał: 5 LiN –1/3 3 + LiN +5 O 3 3 Li 2 O (s) + 8 N 2(g) –598 kJ/mole = 1.9 MJ/kg

25 Teoretycznie przewidziane nowe odmiany alotropowe azotu i tlenku wegla. | N N | kJ/mole + | O C | – kJ/mol N NN N CC OO :: :: : head-to-tail head-to-head : : C C C O C O OO Sb tworzy taką formę

26 nienasycony eter bezwodnik nienasyconego kwasu tetrakarboksylowego hexaketon Hipotetyczne i znane cykliczne formy CO head-to-tailhead-to-head znany w postaci hexawodzianu (alkohol) znany w roztworach wodnych w postaci kwasu nieznany mieszany

27 Hipotetyczne i znane formy azotu nieznany N 5 +, znany w postaci wybuch. soli AsF 6 – (1999) Znany w postaci wybuchowego kwasu i jego soli nieznany Przewidziany teoretycznie, nietrwały, wykryty w formie soli Zn 2+ ; także N 7 3– ? Znany w postaci soli kanapkowych Tm 3+ N 7 + nieznany

28 CO & N 2 Znany, wybuchowy NTO C 2 H 2 N 4 O 3 = 2CO+2N 2 +H 2 O Przewidziane teoretycznie, dwie formy (CO) 4 (N 2 ) 2 Przewidziane teoretycznie, dwie formy (CO) 2 (N 2 ) 2 : zaw. –O–C N i –N=C=O oraz same di-pseudohalogeny (CO) 2 (N 2 )

29 Zapory przeciwuderzeniowe. Forma energii Strefa wydajnej i szybkiej absorpcji energii (rezonans) Strefa bezpieczna Izolacja termiczna Forma energii vs czynnik ochronny: X-ray – Pb; mikrofale – H 2 O lub fulleren; VIS – lustro; zapory odbijające energię ataku…


Pobierz ppt "WYKŁAD IX A.Odporność na stres mechaniczny. Materiały supertwarde i superwytrzymałe. Chemiczna produkcja diamentów. Jak pobić diament? B.Granice procesów."

Podobne prezentacje


Reklamy Google