Nom- Ceramika

Budowa atomu

Elementarne cząstki budowy atomu
Od początku dwudziestego stulecia, z informacji zawartych w pracach Ernesta Rutherforda, wiadomo, że atomy są zbudowane z jądra i krążących wokół niego elektronów. Jądro atomowe, którego promień jest rzedu ok.10-14m, skupia w sobie prawie całą masę atomu i jest obdarzone ładunkiem dodatnim. Promień atomu wynosi ok.10-10m. Ujemnie naładowane cząstki powłoki atomowej kompensuje dodatni ładunek jądra atomu. Fizycy wyróżniają około 20 cząstek elementarnych wchodzacych w skład atomów, które spełniają w nich bardzo odpowiedzialne funkcje. Aby w prosty sposób opisać budowę atomu, wystarczy poznać właściwości i rolę protonów, neutronów i elektronów w atomie.
Protony i neutrony są elementami składowymi jądra. Suma ich mas (ok.1,7*10-24g każdy) przekracza 99,9% masy całego atomu. Elektrony o małej masie (ok.9,1*10-28g każdy) rozmieszczone są wokół jądra w powłoce atomu. Protony mają ładunek dodatni, natomiast elektrony ładunek ujemny. W obu przypadkach wynosi on 1,6*10-19C. Jest to tzw. ładunek elementarny. Liczba elektronów w atomie jest równa liczbie protonów, dlatego każdy atom jest elektrycznie obojętny. Z kolei liczba protonów decyduje o rodzaju pierwiastka (liczbie atomowej) oraz o liczbie elektronów krążących po zewnętrznych orbitach atomu. Pierwszym przybliżeniem budowy orbit jest model Bohra. Neutrony nie mają ładunku elektrycznego, a masa neutronu jest w przybliżeniu równa masie protonu.
Atomy znanych dotychczas pierwiastków z chemicznego punktu widzenia stanowią podstawowe składniki makroskopowe materii. Różnią się liczbą protonów w jądrze, a więc także ładunkiem jądra i liczbą elektronów wokół jądra. Chemiczny charakter pierwiastka nie zmienia się ze względu na różną zawartość neutronów w dwóch różnych jądrach atomowych tego samego pierwiastka. Istnieją zatem atomy pierwiastka różniące się masą, ale nie różniące się ładunkiem elektrycznym. Takie atomy nazywamy izotopami.
Pierwiastki oznacza się symbolami złożonymi z jednej lub dwóch liter ich łacinskiej nazwy. Cżesto obok symbolu pierwiastka z lewej strony, u dołu podaje się liczbę protonów w jądrze, natomiast z lewej strony symbolu u góry - względną masę atomową równą sumie protonów i neutronów. Na tej podstawie bardzo łatwo mozna określić liczbę neutronów w jądrze atomu. Przykładem może tu być atom wodoru:
11H - wodór (H).
21H - deuter (D) zawierający 1 neutron.
31H - tryt (T) zawierający 2 neutrony.

W przyrodzie jest tylko 20 pierwiastków, które nie mają naturalnych izotopów. Są to tak zwane pierwiastki czyste. Należą do nich m.in. beryl, fluor, sód, glin, złoto. Pozostałe występują jako mieszanina swoich izotopów w różnym udziale procentowym, np. izotopy litu. Wzgledna masa atomowa pierwiastków jest więc średnią wartością mas atomowych poszczególnych izotopów danego pierwiastka. Z tego powodu wartość ta nie może być liczbą całkowitą. Energia wiązania cząstek elementarnych w jądrze oraz defekt masy także są tego przyczyną.

Bezwzględne masy atomów różnych pierwiastków są bardzo małe. Masa atomu wodoru, najlżejszego spośród wszystkich pierwiastków, wynosi ok.1,6*10-24g. Masa atomu sodu jest około 23 razy większa, natomiast masa atomu ołowiu ok. 207 razy większa. Jeśli odnieść masy poszczególnych atomów to otrzyma się wzgledne masy atomowe poszczególnych pierwiastków.
Główne założenia teorii Bohra
Niels Bohr wprowadził dwa założenia sprzeczne z klasyczną elektrodynamiką:
1. Emisja kwantu promieniowania o energii hn jest możliwa tylko w przypadku przeskoku elektronu z orbity o wyższej energii na orbitę o niższej energii, natomiast nie jest emitowane promieniowanie podczas krążenia elektronu po orbicie stacjonarnej.
2. Elektrony mogą w stanie stacjonarnym zajmować tylko takie orbity, aby ich moment pędu był całkowita wielokrotnoscią stałej h/2Pi (gdzie: h-stała Plancka h=6,625*10-34[J*s], Pi-stała matematyczna Pi=3,14). Postulat ten wynika bezpośrednio z mechaniki falowej, jeżeli przyjmie się, że elektron krążący po orbicie o promieniu r tworzy falę stojącą o długości l, czyli że tylko takie orbity mogą być zajmowane przez elektrony, aby 2Pr=nl (gdzie: n-liczba całkowita).
Głównym zastosowaniem i sukcesem teorii Bohra była interpretacja linii widmowych atomu wodoru. Linie te były usystematyzowane wcześcniej przez Balmera i był określony empiryczny wzór pozwalający na wyliczenie wielu linii. Okazało się, że na podstawie teorii Bohra można było wyprowadzić analogiczny wzór, a także wzory na linie widmowe innych serii. Nawet obecnie stosowane oznaczenie linii widmowych charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego oparte na modelu Bohra, zgodnie z którym promieniowanie, które powstaje w wyniku przeskoku elektronu z wyższych orbit elektronowych na orbitę pierwszą (n=1) nazywamy promieniowaniem serii K (literami K, L, M, N...oznaczono kolejne orbity). Podobnie przeskok elektronów z wyższych orbit na orbitę drugą nazywamy promieniowaniem serii L itd. W ramach danej serii rozróżnia się jeszcze linie a, b, g w zależności od różnicy numerów orbit, między którymi nastąpił przeskok. Niestety fiaskiem teorii Bohra była niemożność interpretacji na jej podstawie różnych subtelnych linii, co wykazało jej niedoskonałość. Linie te mogły zostać zinterpretowane na podstawie mechaniki falowej, zgodnie z którą stan energetyczny elektronu jest opisany za pomocą nie jednej, lecz czterech liczb kwantowych.

Rozkład poziomów energetycznych powłok elektronowych w atomie, wraz z podpowłokami.
Współczesny obraz budowy atomu
Obecnie opis budowy opiera się na mechanice kwantowej, zgodnie z którą stan energetyczny każdego elektronu jest określony czterema liczbami kwantowymi, pęd elektronu ma pewien zakres nieoznaczoności, ruch elektronów może być traktowany jako fala, a połozenie elektronów traktuje się w kategoriach prawdopodobieństwa. Głównym sukcesem mechaniki kwantowej była interpretacja subtelnych linii widmowych, których nie można było wyjaśnić za pomocą modelu atomu Bohra.
Do najważniejszych praw i równań mechaniki kwantowej (zwanej także falową) należą:
· zasada nioznaczoności Heisenberga;
· równanie de Broglie'a l=h/p (l-długość fali,h-stała Plancka, p=mv-pęd);
· równanie falowe Schroedingera;
· zakaz Pauliego;
· zasada Borna (rozpatrywanie ruchu elektronu w kategoriach prawdopodobieństwa);
· statystyka kwantowa Fermiego-Diraca.
Wiele zjawisk fizycznych (np. efekt fotoelektryczny, interferencja elektronów) wskazuje na korpuskularno-falowy charakter elektronów. Oznacza to, że nie można z jednakową dokładnością równocześnie określić połozenia elektronu wokół atomu oraz wartości jego pędu. Stwierdzenie to jest treścią zasady Heisenberga. Zachowanie się elektronu jest zatem złożoną funkcją jego odległości od jądra oraz parametrów energetycznych uwzględniających oddziaływania innych elektronów, poruszających się po podobnych lub bardziej złożonych torach. Problem ten próbowano rozwiązać za pomocą równań różniczkowych. Równanie Schroedingera najbardziej optymalnie opisuje stan energetyczny wybranego elektronu. Wyboru elektronu dokonuje się poprzez przyjęcie odpowiednich wartości brzegowych, potrzebnych do rozwiązania tego równania.


Wynik matematycznego rozwiązania równania Schroedingera nazwano orbitalem. Orbital wraz z przyjetym do jego rozwiązania zestawem liczb kwantowych opisuje stan energetyczny elektronu. Każdy elektron w atomie jest scharakteryzowany określonym orbitalem oraz zestawem liczb kwantowych. W danym atomie nie może być dwóch identycznych elektronów określonych za pomocą tego samego zestawu liczb kwantowych (zakaz Pauliego).
Wyróżnia się następujące liczby kwantowe:
· główną liczbę kwantową n, przyjmująćą wartości kolejnych dodatnich liczb całkowitych (n=1,2,3...), która ma sens fizyczny związany z odległością orbitalu od jądra;
· poboczną liczbę kwantową l, przyjmującą wartości l=n-1 kolejno aż do zera, związaną z kształtem orbitalu;
· magnetyczną liczbę kwantową m, przyjmującą wartości od -1, przez 0, do +1 (-1<=m<=+1), uwzględniającą oddziaływania wynikające z ruchu elektronu w polu elektromagnetycznym innych poruszających się elektronów;
· spinową liczbę kwantową s przyjmującą nastepujące wartości prawdopodobieństwa krętu elektronu wokół swojej osi: +1/2 i -1/2.

Animacja przedstawiająca zapełnienie powłok atomowych jako funkcję liczby atomowej pierwiastka.



Animacja przedstawiająca zapełnienie orbit elektronowych jako funkcję liczby atomowej.

Powyższa animacja to kwintesencja zwykłej tabeli liczb kwantowych dla pierwiastków z układu okresowego. Przedstawia zapełnienie orbit elektronowych jako funkcję liczby atomowej. Umożliwia korzystanie (w sposób graficzny) z tabeli zawierającej liczby kwantowe. Podpowłoka 3s jest zapełniana po podpowłoce 4s. Elektrony na 3d mają niesparowane spiny (kiedy jest to tylko możliwe). Te preferencje w zapełnianiu podpowłoki 3d przyczyniają się do tego, że elektrony śą wyciągane z 4s.
Prezentacja graficzna




Wiązania pomiędzy atomami

Reaktywność chemiczna pierwiastków i wynikające z niej siły wiązań chemicznych są w ścisłym związku z konfiguracją elektronową powłok wokół jądra atomu. Stabilność konfiguracji elektronowej gazów szlachetnych oraz ogólna tendencja pierwiastków pierwszej i drugiej grupy do pozbywania się elektronów, jak również skłonność pierwiastków siódmej i szóstej grupy do przyjmowania elektronów i tworzenia w związku z tym trwałej konfiguracji elektronowej najbliższego atomu gazu szlachetnego wskazuje na szczególną jej rolę w powstawaniu siły i natury wiązania chemicznego. Miarą tendencji do przyjmowania elektronów przez atomy jest powinowactwo elektronowe. Wielkość ta zmienia się także okresowo w układzie periodycznym pierwiastków. Wraz ze wzrostem masy atomowej pierwaiastka w grupie maleje jego powinowactwo elektronowe. Wzrostowi liczby porządkowej atomu w okresach towarzyszy wzrost powinowactwa elektronowego. Miarą tendencji do oddawania elektronów jest wartość energii jonizacji. Wielkość ta zmienia się także okresowo w periodycznym układzie pierwiastków.

Na podstawie znajomości wartości elektroujemności, energii jonizacji i powinowactwa elektronowego można przewidzieć typ tworzącego się wiązania chemicznego. Zasadniczo wyróżnia się cztery typy wiązań chemicznych, będących granicznymi przypadkami oddziaływań między atomami:
· wiązania jonowe (heteropolarne);
· wiązania atomowe (kowalentne, homeopolarne);
· wiązania koordynacyjne;
· wiązania metaliczne;
Za zasadę utworzenia wiązania chemicznego przyjęto taką zmianę liczby elektronów danego atomu, która ma na celu doprowadzenie do konfiguracji elektronowej najbliższego gazu szlachetnego. Zasada ta nazywana jest zasadą oktetu elektronowego.
Wiązania jonowe
Jonami nazywamy atomy lub grupy atomów obdarzone ładunkiem elektrycznym dodatnim (kationy) lub ujemnym (aniony). Mechanizm powstawania kationów polega na oddaniu przynajmniej jednego elektronu, w wyniku dostarczenia energii jonizacji do danego atomu. Liczba oddanych elektronów jest równa wartościowości jonu. Schematycznie proces ten można zapisać w postaci równania:

Mechanizm powstawania anionów polega na przyjęciu przynajmniej jednego elektronu przez atom pierwiastka elektroujemnego, w wyniku jego znacznego powinowactwa elektronowego. Liczba przyjętych elektronów jest równa wartościowości anionu. Proces ten można zapisać następująco:

Pomiędzy kationami i anionami występują siły oddziaływania typu elektrostatycznego. Różnoimenne jony przyciągają się, zgodnie z prawem Coulomba, z siłą wprost proporcjonalną do wielkości ładunków i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu ich odległości. Konfiguracja obydwu rodzajów jonów jest przeważnie typu oktetu nieczynnego gazu szlachetnego.
Substancje, w których wystepuje wiązanie jonowe, są ciałami krystalicznymi. Jony są rozmieszczone w węzłach sieci krystalicznej. Forma powstającego kryształu jonowego jest zależna od rodzaju, wartościowości i wielkości jonów. Do klasycznych przykładów związków o takiej budowie można zaliczyć : NaCl, MgO, CsF oraz BaTiO3.

Zazwyczaj promień anionu ra jest większy od promienia kationu rk. W zależności od stosunku promieni jonowych zmienia się liczba anionów łączących się z centralnym kationem (tzw. liczba koordynacyjna) oraz gemoetria zespołów (wielościanów) koordynacyjnych. Przedstawia to poniższa tabela:

Wiązania atomowe (kowalencyjne)
Pierwiastki środkowych grup układu okresowego nie tworzą na ogół związków jonowych, chociaż w pewnych warunkach mogą tworzyć naładowane jony. Energia jonizacji lub powinowactwa elektronowego jest jednak bardzo duża. Konfigurację gazu szlachetnego pierwiastki te łatwiej osiągają w inny sposób. Niecałkowicie obsadzone elektronami orbitale atomowe reagujących atomów mogą się wzajemnie przenikać (nakładać), tak że wokół każdego z jąder reagujących atomów wytwarza się układ konfiguracji elektronowej gazu szlachetnego. Powstaje w ten sposób orbital molekularny. Formalnie wiązanie to oznacza się jako parę elektronową, w której oba elektrony pochodzą od obu atomów. Taki dublet elektronowy może powstać jedynie z dwóch elektronów o przeciwnych spinach.

Reakcje, w których reagują ze sobą dwa jednakowe atomy, prowadzą do utworzenia tzw. wiązań homoatomowych. Wiązania atomowe mogą powstawać także pomiędzy różnymi atomami - noszą wtedy nazwę wiązań heteroatomowych.Azot, fluor i tlen w tych związkach przyjmują konfigurację elektronową oktetu, natomiast wodór - konfigurację elektronową helu. Utworzone dublety mogą być oznaczane za pomocą kreski, która symbolizuje pojedyńcze wiązanie atomowe. Wolne elektrony, które nie brały udziału w reakcji, są sparowane i oznaczone identycznie.
Jeżeli w atomie jest kilka nie sparowanych elektronów, to może powstać kilka wiązań atomowych, tzw. pojedyńczych, podwójnych lub potrójnych, czyli wielokrotnych. Przykładem może tu być azot, który może utworzyć trzy wiązania pojedyńcze lub jedno pojedyńcze, jedno podwójne lub jedno potrójne. Jednak nie wszystkie atomy pierwiastków mają taką konfigurację elektronową, która zapewnia osiągnięcie oktetu w wyniku sparowania elektronów. Atom wegla o konfiguracji 1s22s22p2 ma dwa nie sparowane elektrony, w wyniku utworzenia dwóch wiązań atomowych nie osiąga oktetu. Po dostarczeniu niewielkiej ilości energii atom węgla zmienia konfigurację, która zapewnia już utworzenie oktetu. Taki proces przegrupowania się elektronów po orbitalach z zamiarem utworzenia stabilnej cząsteczki związku chemicznego nazywa się hybrydyzacją.
Jeżeli wiązanie atomowe tworzą atomy o jednakowej elektroujemności, to sumaryczny ładunek elektryczny rozłożony jest symetrycznie (np. N2, O2, Cl2). Gdy wiązanie atomowe jest utworzone przez atomy różniące się elektroujemnością, maksimum gęstości elektronowej jest przesunięte w kierunku atomu bardziej elektroujemnego. W ten sposób powstaje dipol, natomiast cała cząsteczka jest polarna np. HCl. Polarne cząstki związku chemicznego zachowują ogólną naturę wiązań atomowych, ale ze względu na przesunięcie ładunku elektrycznego określa się je jako atomowo spolaryzowane.
Wiązania koordynacyjne
Wiązanie koordynacyjne charakteryzuje się również występowaniem dubletu elektronowego jako elementu wiążącego dwa różne atomy. Jednak warunek utworzenia takiego wiazania jest następujący: para wolnych elektronów musi pochodzić od jednego atomu, natomiast drugi atom musi mieć tzw. lukę elektronową. Pierwszy z atomów jest donorem dwóch elektronów. Drugi atom staje się akceptorem tych dwóch elektronów, dzieki wprowadzeniu ich w lukę elektronową.

Wiazanie koordynacyjne jest więc również odmianą wiązania atomowego. Istnieje wiele związków chemicznych, w których wystepuje kootdynacyjne. Obecność wiązania koordynacyjnegow cząsteczce oznacza także obecność wiązania atomowego pomiędzy innymi elementami składowymi tej cząsteczki. Jednakże w skutek występowania tzw. rezonansu wiązań poszczególne ich rodzaje są nierozróżnialne, a przez to równocenne.
Wiązania metaliczne
Metale róznią się od innych pierwiastków zdolnoscią dobrego przewodzenia prądu elektrycznego i ciepła oraz metalicznym połyskiem. Cechy te przypisuje się specyficznemu stanowi, nazywanemu metalicznym. Atomy metali rozmieszczone są w węzłach sieci krystalicznej. Elektrony walencyjne poruszają się swobodnie w przestrzeni pomiędzy drgającymi atomami w węzłach sieci. Stanowią one tzw. gaz elektronowy. Stan taki nie pozwala na konkretną lokalizację poszczególnych elektronów na orbitalach atomów metalu, znajdujących się w węzłach sieci krystalicznej, na ogół bardzo blisko siebie. Orbitale atomowe tak ciasno ułożonych atomów przenikają się jednak wzajemnie, tworząc w ten sposób orbitale cząsteczkowe z pasmem elektronowym swobodnych elektronów. Elektrony te nie zajmują wszystkich orbitali, ze względu na sparowanie elektronów na orbitalach cząsteczkowych. W ten sposób wytwarza się więź, określana jako wiązanie metaliczne.
Porównawcza charakterystyka wiązań chemicznych
Wszystkie dotychczas poznane wiązania chemiczne charakteryzowały się koniecznoscią utworzenia orbitalu molekularnego. W zależności od wielkości asymetrycznego rozłożenia ładunku molekularnego w cząsteczce wytwarzały się wiązania mniej lub bardziej spolaryzowane lub granicznie jonowe. Wskazywałoby to na możliwość "płynnego przejścia" od wiązań jonowych do atomowych. Zmiana charakteru wiązania z atomowego na jonowy odbywa się kosztem wzrastającej polaryzacji ładunku, co w ostateczności prowadzi do jego całkowitego przekazania i powstania jonów [A+] oraz [B-]. W praktyce o typie wiązania decyduje różnica elektroujemności pomiędzy poszczególnymi pierwiastkami.

Tabela elektroujemności wg.Paulinga


Wiązania jonowe i metaliczne występują w ciałach krystalicznych. Wiązanie koordynacyjne jest typem pośrednim między nimi, ze względu na szczególną rolę wiążącego dubletu elektronowego. Jeżeli ten dublet elektronowy będzie miał możliwość swobodnego oderwania się od swoich atomów, to między nimi wystąpi wiązanie typu metalicznego [A]+:[B]+. Zdolność przewodzenia na sposób elektronowy zmniejsza się od metali, poprzez "półmetaliczne przewodniki" (np.krzem), w których pasmo przewodnictwa elektronowego współistnieje z indukowanymi ładunkami dodatnimi. Zdolność ta zanika w miarę wzrostu niemetalicznego charakteru pierwiastka. Podobną współzależność wiązań chemicznych mozna zaobserwować na przykładzie atomów pierwiastków innych okresów. Na tej podstawie można stwierdzić, że występuje bardzo niewiele tzw. czystych wiązań chemicznych. Na ogół więź chemiczna pomiędzy atomami może być scharakteryzowana różnymi udziałami procentowymi poszczególnych rodzajów wiązań.
Rodzaj atomów i rodzaj wiązania między nimi w sposób jednoznaczny określają wielkość i kształt cząsteczki. Cząsteczka jest trójwymiarowa, natomiast wiązania chemiczne są ukierunkowane w przestrzeni. Badania widm w podczerwieni oraz badania rentgenowskie struktury cząsteczek wraz z wynikami innych badań dostarczają informacji o przestrzennym rozmieszczeniu atomów w sieci krystalicznej oraz ich orientacji, a także o rodzaju wiązań chemicznych wystepujących między nimi.
Związki jonowe tworzą sieć krystaliczną, w której przeciwnie naładowane jony oddziaływują na siebie siłami przyciągania elektrostatycznego. Ponieważ pojedyńcze cząsteczki związku np. NaCl, nie wystepują w sieci krystalicznej, właściwości fizyczne krystalicznych związków jonowych są podobne. Cechują je na ogół wysokie temperatury topnienia, dobra wytrzymałość mechaniczna i niska prężność par.
Związki chemiczne, w których wystepują niepolarne wiązania atomowe lub momenty dipolowe wiązań wzajemnie się kompensują, tworzą małe cząsteczki. W większosci charakteryzuje je wysoka prężność par, natomiast w przypadku niewielkich mas molowych, w warunkach normalnych występują w postaci gazów. Cząsteczki, w których wystepują spolaryzowane wiązania atomowe, oddziaływują z innymi dipolami lub jonami. W wyniku asocjacji bardzo wyraźnie wzrasta ich wielkość, co powoduje zmniejszenie się prężności ich par i podwyższenie temperatury wrzenia. Niemetale wyższych okresów układu okresowego pierwiastków tworzą cząsteczki w stanie stałym, np. biały fosfor P4 oraz siarka S8


Struktura diamentu, grafitu i sfalerytu

Diament
Diament jest jedną z trzech alotropowych odmian węgla. Strukturę diamentu tworzą atomy węgla, z których każdy tworzy po cztery wiazania kowalencyjne (kierunkowe) o kątach pomiędzy nimi wynoszącymi 109028'. Stopień wypełnienia przestrzeni wynosi 34%. Ma najczęściej postać ośmiościanu, dwunastościanu rombowego lub sześcianu. Występuje w formie mono- lub polikrystalicznej. Jest chemicznie obojetny i wykazuje bardzo dobre przewodnictwo cieplne. Odznacza się wysokim współczynnikiem załamania światła. Jest dobrym izolatorem elektrycznym. Przeważnie jest bezbarwny, ale może także wyróżniać się barwą niebieską lub błękitną, może również być zółty, różowofioletowy, brunatny, nawet czarny. Jednocześnie posiada silny, diamentowy połysk oraz ma bardzo duży współczynnik załamania światła i silną dyspersję światła, co powoduje piekna grę barw (tzw. ognie). Jest bardzo twardy (10 wg skali Mohsa) i kruchy. Diament jest odporny na działanie kwasów i agresywnych czynników atmosferycznych. Spala się w wysokich temperaturach. Ponadto posiada właściwości półprzewodnikowe. Sztuczne diament syntetyczne do celów przemysłowych powstają w warunkach bardzo dużego ciśnienia i wysokich temperatur. Diamenty techniczne tzw. bort, ballas i karbonado, często zawierają domieszki innych minerałów np. grafitu.
Zastosowanie diamentu: narzędzia skrawające i ścierne, proszki scierne, narzędzia wiertnicze, obróbka szkła, ceramiki i skał, w złotnictwie i jubilerstwie (jako tzw. brylanty).

Diament częściowo oszlifowany. Brylanty jubilerskie.

Kryształy diamentów mają najczęściej kształt ośmiościanów, sześcianów, dwunastościanów lub czworościanów. Krawędzie kryształów są zwykle zaokrąglone, a ściany wypukłe. Diamenty bezbarwne są rzadkie. Najczęściej spotyka się odmiany zabarwione (zwykle żółtawe lub brunatne). Wśród zbitych, drobnokrystalicznych skupień diamentów wyróżnia się odmiany bort i karbonado. Największy ze znanych dotąd diamentów (tzw. Cullinan) o masie 3106 karatów (co odpowiada 621 g), wydobyto w 1905 roku w kopalni Premier Mine w Pretorii (RPA). Z kopalń południowoafrykańskich pochodziły również inne wielkie diamenty, np. Excelsior (995, 2 kr) i Jonker (726 kr), a z Brazylii diament Prezydent Vargas (726, 6 kr).





Struktura komórki elementarnej diamentu.

Grafit
Grafit jest heksagonalną odmianą pierwiastka węgla. Na każdą komórkę grafitu przypadają cztery atomy węgla. Wiązania w sieci grafitu są niejednakowe, trzy elektrony łączą się z trzema elektronami tworząc wiązania o wiele silniejsze niż w diamencie. Czwarty elektron znajduje się w rezonansie tworząc wiązanie podwójne, dotyczy to wiązania z atomami - jest długie i dlatego słabe, podobne do wiązania molekularnego. Stopień wypełnienia przestrzeni w komórce grafitu wynosi ok. 17%. Krystalizuje w układzie heksagonalnym, tworzy warstwy, które mogą łatwo przesuwać się względem siebie. Grafit ma zwykle postać ziarnistych lub ziemistych skupień. Jest czarny ze srebrzystym odcieniem lub stalowoszary z połyskiem zbliżonym do metalicznego. Ponadto jest bardzo miękki (1 wg skali Mohsa), tłusty w dotyku i nieprzeźroczysty. Odznacza się dobrym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym oraz wysoką odpornością na działanie czynników chemicznych. Grafit spala się bardzo trudno w strumieniu tlenu, topi się w łuku elektrycznym, w kwasach jest nierozpuszczalny. Grafit jest też otrzymywany sztucznie przez ogrzewanie do wysokiej temperatury substancji bogatych w węgiel.
Zastosowanie grafitu (naturalnego i sztucznego) - jest stosowany do wyrobu tygli i retort, elektrod, jako moderator i reflektor oraz składnik (wraz z borem) prętów regulacyjnych w reaktorach jądrowych, także do produkcji ołówków, farb, tuszu oraz jako suchy smar.


Sfaleryt
Sfaleryt (blenda cynkowa, ZnS) krystalizuje w układzie regularnym. Kryształy są najczęściej czworościenne, często występują bliźniaki. Tworzą skupienia zbite, ziarniste. Jest izometryczny - wymiary kryształu sa identyczne lub zbliżone w trzech kierunkach. Sfaleryt może być bezbarwny, żółty, miodowy, brunatny, intensywnie czerwony (blenda rubinowa), ciemnozielony do czrnego (mermatyt). Posiada tłusty, diamentowy połysk. Jest kruchy i średnio twardy (3,5 - 4 wg skali Mohsa). Ponadto jest dobrze łupliwy oraz fosforyzuje przy tarciu i rozbijaniu. Jest rozpuszczalny w stężonym kwasie azotowym i solnym. W temperaturze ok. 10200 przechodzi w wurtzyt.
Zastosowanie sfalerytu: produkcja cynku metalicznego, otrzymywanie rzadkich metali (german, ind, gal, kadm) produkcja ekranów fosforyzujących, produkcja farb, zdobnictwo.

Sfaleryt (blenda cynkowa)


Sfaleryt (blenda skorupowa) - ze złóż kopalnii rud cynku i ołowiu Pomorzany k.Olkusza.


Sfaleryt - druza idiomorficznych kryształów na kwarcu, Rumunia.


Sfaleryt występuje w Polsce (głównie w rejonie Olkusza, Zawiercia i Bytomia
oraz na Dolnym Śląsku).




Struktury diamentopodobne

Do materiałów o strukturach diamentopodobnych zaliczają się głównie półprzewodniki. Podstawową grupą półprzewodników śą monokryształy i warstwy krzemu oraz germanu, a także związki pierwiastków z III i V grupy układu okresowego (np. GaAs, GaP, PbTe, itd.). Krystaliczny krzem ma strukturę diamentu, a pozostałe wymienione związki krystalizują w większości w strukturę sfalerytu, która wywodzi się ze struktury diamentu, z tym, że węzły sieci obsadzone są na przemian pierwiastkami grupy III i V. Kryształy mieszane jak np. GaxIn1-xAs, GaPxAs1-x łatwo tworzą strukrury diamentopodobne.
Krzem
Krzem (Si, silicum) jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 14. Należy do grupy węglowców, jest półprzewodnikiem. Występuje w postaci szarych, twardych i kruchych kryształów. Jego temperatura topnienia to 14100C, a gęstość 2,33 g/cm3. Jest rozpuszczalny w zasadach, lecz odporny na działanie kwasów (z wyjatkiem azotowego i fluorowodorowego). Krzem jest jednym z podstawowych składników skorupy ziemskiej (ok. 27% masowych). Należy do najpospolitszych pierwiastków po tlenie. Występuje w postaci związków we wszystkich niemal skałach, głównie w postaci glinokrzemianów, krzemianów i dwutlenku krzemu. Jest jednym z podstawowych pierwiastków w organizmach pierwotniaków, występuje też w roślinach, w śladowych ilościach w tkankach ssaków. Krzem otrzymywany jest przez redukcję dwutlenku krzemu glinem albo magnezem, a w postaci stopu z żelazem (tzw. żelazokrzem) w wyniku prażenia rud żelaza, piasku kwarcowego i węgla. Krzem o dużym stopniu czystości otrzymuje się metodą tzw. topienia strefowego (SiO2+2Mg -—> Si + 2MgO lub 3SiO2+4Al -—> 3Si +2Al2O3).

Krzem otrzymany w wyniku reakcji krzemionki
(dwutlenku krzemu) z dwutlenkiem węgla w piecu.
Zastosowanie krzemu: jako półprzewodnik w przemyśle mikro- i optoelektronicznym, produkcja stali stopowych, produkcja rdzeni transformatorowych, produkcja szkieł metalicznych oraz jako dodatek do produkcji stali kwasoodpornych, wysokowytrzymałych i odpornych na korozję.

Budowa atomu krzemu.
Oczyszczanie i otrzymywanie krzemu
Krzem występuje w ilości około 28% w skorupie ziemskiej w postaci utlenionej jako składnik piasku i skał (krzemionka). Czysty krzem jest drogi ze względu na koszt złożonego procesu oczyszczania. Etapy oczyszczania krzemu:
· Oczyszczanie chemiczne - jest to reakcja redukcji z węglem w wysokiej temperaturze. Po tym procesie otrzymuje się materiał zawierający 99.9% krzemu.
· Oczyszczanie strefowe - pręt przesuwa się powoli w piecu w atmosferze gazu obojętnego (helu lub argonu).

Oczyszczanie strefowe.
Wskutek lokalnego ogrzewania indukcyjnego na krótkim odcinku pręta jest uzyskiwana temperatura wyższa od punktu topnienia krzemu, powstaje lokalna strefa roztopionego materiału, która nie wycieka. Dzięki działaniu napięcia powierzchniowego ruch pręta lub ruch zwojnicy powoduje przesuwanie się roztopionej strefy. Unosi ona ze sobą zanieczyszczenia gdyż mają większą rozpuszczalność w fazie ciekłej nie stałej. Po kilku przejściach strefy ciekłej wzdłuż pręta zanieczyszczenia zostają zebrane w jednym końcu pręta.

Otrzymywanie monokrystalicznego krzemu. W tyglu grafitowym lub kwarcowym umieszcza się czysty krzem (german).

Metoda Czocharskiego - wyciągania z fazy ciekłej.
German
German (Ge, germanium) jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 32. Należy do grupy węglowców, jest półprzewodnikiem. Występuje w postaci szarobiałych, twardych i kruchych kryształów. Jego temperatura topnienia to 9370C, a gęstość 5,35 g/cm3. Ponadto jest odporny na czynniki atmosferyczne, zasady oraz kwasy nieutleniające. Ulega działaniu chloru, bromu, kwasu azotowego oraz siarkowego. Wykazuje właściwości metalu i niemetalu (większość związków), występuje na stopniach utlenienia IV i II (połączenia nietrwałe). German tworzy germanowodory (germany) analogiczne do krzemowodorów. W przyrodzie jest pierwiastkiem silnie rozproszonym, rzadko w postaci własnych minerałów (głównie germanitu i argyrodytu) oraz w niektórych węglach kopalnych i w ropie naftowej.

Zastosowanie germanu: dawniej w układach elektroniki półprzewodnikowej, obecnie w spektroskopach, ultraczułych detektorach podczerwieni (przepuszcza promieniowanie podczerwone) oraz jako składnik stopów specjalnych, luminofor, a jego tlenek jest składnikiem szkieł optycznych.

Elementy półprzewodnikowe.
Węglik krzemu
Węglik krzemu (SiC) jest bezbarwną substancją krystaliczną o bardzo wysokiej twardości (9,5-9,7 w 10-stopniowej skali Mohsa). Ponadto wykazuje dużą stabilność termiczną, nie ulega stopieniu, a jedynie sublimacji. Zachowuje swoje włąściwości w podwyższonych temperaturach. Odznacza się dobrą odpornością na działanie agresywnych czynników chemicznych. Nie reaguje z kwasami, ale wykazuję pewną wrażliwość na działanie zasad. Posiada właściwości półprzewodnikowe. Węglik krzemu nie występuje w przyrodzie, ale jest otrzymywany sztucznie. Techniczny węglik krzemu (tzw. karborund) ma zwykle barwę ciemną (zanieczyszczenie tlenkami metali). Karborund jest otrzymywany w piecach elektrycznych z piasku kwarcowego i koksu (na drodze reakcji SiO2 + 3C -—> SiC + 2CO).

Zastosowanie węglika krzemu: stosowany do produkcji materiałów ściernych, ogniotrwałych, elementów oporowych do pieców elektr. (tzw. sylit), materiałów opto- i mikroelektronicznych. Jest również wykorzystywany przy produkcji włókien węglika krzemu wzmacnijących konstrukcję kompozytów.
Węgliki spiekane
Węgliki spiekane to spieki sproszkowanych trudno topliwych węglików metali (np. węglików: wolframu, molibdenu, tytanu, tantalu lub wanadu) z metalem wiążącym (spoiwem - zwykle kobaltem lub niklem). Węgliki spiekane odznaczają się dużą twardością, którą zachowują do temp. 10000C (niektóre do 12000C) oraz dobrą odpornością na ścieranie. Ich wadą jest jednak znaczna kruchość. Węgliki spiekane otrzymywane są poprzez wymieszanie proszku węglika z proszkiem metalu, formowanie i spiekanie. Najbardziej popularny węglik wolframu jest otrzymywany na drodze następującej reakcji chemicznej: WO3 + 4C -—> WC + 3CO.

Zastosowanie węglików spiekanych: węglików spiekanych używa się do wyrobu ostrzy narzędzi skrawających (w postaci płytek nakładanych na stalowe trzonki), narzędzi do obróbki plast. (np. oczka ciągadeł, wkładki do matryc) oraz narzędzi górniczych i na nakładki końcówek narzędzi pomiarowych. Narzędzia skrawające z ostrzami z węglików spiekanych umożliwiają stosowanie największych prędkości skrawania i mogą obrabiać tak twarde materiały, jak: żeliwo białe, stal hartowana, szkło


Kwarc. Polimorfizm kwarcu. Zastosowanie kwarcu. Krzemiany

Kwarc
Kwarc to minerał, polimorficzna odmiana dwutlenku krzemu SiO2. W temperaturze powyżej 5370C krystalizuje w układzie heksagonalnym (alfa-kwarc), poniżej tej temperatury w układzie trygonalnym (rozpowszechniony w przyrodzie beta-kwarc). Kwarc występuje w postaci prawidłowych kryształów, skupień ziarnistych lub skrytokrystalicznych (chalcedon). Jest najczęściej bezbarwny (kryształ górski) lub zabarwiony na kolor mlecznobiały i szary. Tworzy odmiany przezroczyste lub przeświecające. Do przeźroczystych i półprzeźroczystych należą: kryształ górski, ametyst, cytryn, agat, i onyks. Wszystkie są cenione jako kamienie półszlachetne: fioletowy ametyst, żołty cytryn, ciemnobrunatny kwarc zadymiony, czarny morion i inne. Kwarc przepuszcza promieniowanie nadfioletowe, a jego połysk jest szklisty.Ponadto jest twardy, kruchy i wykazuje właściwości piezoelektryczne. Należy do najpospolitszych minerałów na powierzchni ziemi - jest głównym składnikiem wielu skał magmowych (np. granitów), osadowych (np. piasków, piaskowców) i metamorficznych (np. kwarcytów, gnejsów).Jest również rozpowszechniony jako produkt procesów hydrotermalnych (tworzy żyły, druzy).
Zastosowanie kwarcu: jest stosowany w przemyśle szklarskim i ceramicznym (piaski,kruszywo kwarcowe), w optyce (wyrób soczewek, pryzmatów, szkła kwarcowego). Służy również do wyrobu kwarcytowych materiałów ogniotrwałych. Odmiany szlachetne są używane w jubilerstwie, a wytwarzane syntetycznie monokryształu kwarcu są stosowane m.in. do wyrobu rezonatorów piezoelektrycznych i generatorów wysokich częstotliwości (tzw. piezokwarc). Ponadto wykorzystuje się go w mechanice precyzyjnej np. w zegarkach.
Polimorfizm kwarcu
Polimorfizm, czyli wielopostaciowość jest zjawiskiem polegającym na występowaniu tej samej substancji (o tym samym składzie chem.) w kilku odmianach krystalograficznych, różniących się budową wewnętrzną, postaciami krystalograficznymi, właściwościami fizycznymi i niektórymi właściwościami chemicznymi. Poszczególne odmiany polimorficzne są trwałe w określonych warunkach termodynamicznych. Przemiana jednej odmiany w drugą może być odwracalna (polimorfizm monotropowy). Odmiany polimorficzne tworzą zarówno pierwiastki, jak i związki chemiczne, przy czym polimorfizm pierwiastków chemicznych jest zwany alotropią. Przykładami substancji wykazujących polimorfizm są: węgiel (2 odmiany: grafit i diament), węglan wapnia CaCO3 (3 odmiany: aragonit, kalcyt i vateryt), dwutlenek tytanu TiO2 (3 odmiany: rutyl, anataz i brukit).
Taką substancją wykazującą polimorfizm jest również kwarc. Polimorficznymi odmianami kwarcu są trydymity (alfa, beta, gamma) i krystobulity (alfa, beta). Występują tu również kryształy słupowe, rzadziej bipiramidalne i tabliczkowe, rozróżnia sią kwarce prawe i lewe. Bardzo częste są bliźniaki: delfinackie, brazylijskie, japońskie itp.
Krzemiany
Krzemiany to substancje krystaliczne będące solami kwasów krzemowych (słabych kwasów o ogólnym wzorze xSiO2*yH2O). Elementem budowy wszystkich krzemianów są tetraedry odpowiadające grupie krzemotlenowej SiO4, w których krzem ma względem tlenu liczbę koordynacyjną 4. W sieci przestrzennej krzemiany mogą występować jako proste (monomeryczne) jony [SiO]-4 (krzemiany wyspowe) lub polianiony (krzemiany grupowe, pierścieniowe, wstęgowe, warstwowe i przestrzenne). Krzemiany są związkami trwałymi, nierozpuszczalnymi w wodzie (oprócz krzemianów litowców). Od przestrzennego układu tetraedrów krzemotlenowych zależy skład chemiczny i właściwości krzemianów (np. twardość, łupliwość, właściwości opt.). W krystalicznej sieci krzemianów jony krzemu mogą być zastępowane innymi jonami, najczęściej jonami glinu (glinokrzemiany). Krzemiany litowców powstają przez stapianie krzemionki z wodorotlenkami lub węglanami litowców. Krzemiany występują w przyrodzie jako liczne minerały skałotwórcze (należą do głównych składników skorupy ziemskiej). Krzemianami są m.in.: oliwiny, pirokseny, amfibole, serpentyny, łyszczyki, chloryty, kaolin, montmorillonit.

Zastosowanie krzemianów: krzemiany nierozpuszczalne w wodzie stanowią surowiec do produkcji materiałów ceramicznych, cementu portlandzkiego oraz szkła. Roztwory wodne krzemianu sodu i potasu tworzą tzw. szkło wodne.

Odmiana polimorficzna glinokrzemianu potasu - ortoklaz K(AlSi308).
Perowskit. Tytanian baru. Przyczyny jego właściwości ferroelektrycznych.

Perowskit
Perowskit to minerał, tlenek wapnia i tytanu CaTiO3, zawierający często domieszki rzadkich metali, np. cezu, niobu, toru. Posiada barwy w wielu odcieniach, od szarej i zółtobrunatnej poprzez ciemnobrunatną do szarawoczarnej i czarnej. Ma diamentowy połysk. Krystalizuje w układzie regularnym. Jest średnio twardy (5,5 w skali Mohsa). Występuje w skałach magmowych i metamorficznych, bogatych w wapń i tytan, a ubogich w krzemionkę. Jego nazwa pochodzi od nazwiska rosyjskiego mineraloga Perowskiego.
Tytanian baru
Tytanian baru jest przedstawicielem związków typu ABO3 o strukturze perowskitu. Struktura kryształu jonowego BaTiO3 w temperaturze powyżej temperatury Curie ma symetrię układu regularnego (sześcianu). Budowa BaTiO3 charakteryzuje się występowaniem Ba+2 w narożach komórki elementarnej, O-2 na środkach ścian oraz Ti+4 w środku sześcianu. Podczas ochładzania BaTiO3 komórka elementarna ulega deformacji tzn. jony Ba+2 i Ti+4 przesuwają się w jednym kierunku względem O-2., a górne i dolne jony przesuwają się w kierunu przeciwnym. W wyniku tej deformacji w komórce krystalicznej BaTiO3 wytwarza się elektryczny moment dipolowy i zmienia się symetria układu krystalograficznego z regularnego na trygonalny.

Tytanian baru powstaje w wyniku reakcji BaCO3 + TiO2 -—> BaTiO3 + CO2
Przyczyny ferroelektrycznych właściwości tytanianu baru
Tytanian baru wykazuje szczególne własciwości elektryczne, a dokładniej mówiąc ferroelektryczne. Jest to spowodowane następującymi czynnikami:
· występowaniem uporządkowanej struktury elementarnych momentów elektrycznych w małych obszarach tzw. domenach;
· tytanian baru jest kryształem jonowym, w którym każda komórka elementarna kryształu ma wypadkowy moment elektryczny;
· momenty sąsiednich komórek są ustawione równolegle;
· domeny są na ogół bezładnie zorientowane i w przypadku nieobecności pola elektrycznego ich wypadkowy moment może być równy zeru (ciało jako całość pozostaje niespolaryzowane);
· umieszczenie ciała w zewnętrznym polu elektr. powoduje uporządkowanie domen i polaryzację całego ciała;
· tytanian baru charakteryzuje duża przenikalność elektryczna (zależna od temperatury, ciśnienia, natężenia pola elektrycznego i innych czynników zewnętrznych);
· spełnieniem prawa Curie-Weissa dla temperatur powyzej temperatury Curie;
· występowaniem wyraźnej pętli histerezy dielektrycznej;
· tytanian baru wykazują także silną piezoelektryczność, a także wiele anomalii we właściwościach sprężystych i optycznych.
Stan ferroelektryczny BaTiO3 wiąże się z określoną strukturą krystaliczną, a jego zanik z przemianą fazową do struktury o wyższym stopniu symetrii. Do innych popularnych ferroelektryków należą: sól Seignette'a, tytanian strontu, ołowiu, wodorofosforan wapnia. Są one stosowane m.in. do produkcji kondensatorów ceramicznych oraz elektromechanicznych przetworników piezoelektrycznych.

Spinel. Ferryty o strukturze spinelu. Zastosowania ferrytów.

Spinel
Spinel (spinel właściwy) to minerał, tlenek glinu i magnezu o wzorze sumarycznym Al2MgO4. Spinel właściwy występuje w przyrodzie, lecz nie jest ferrytem i nie posiada właściwości magnetycznych. Ma za to liczne odmiany, krystalizuje w układzie regularnym (kryształy ośmiościenne, czesto bliźniaki). Tworzy skupienia zwięzłe, ziarniste. Spinel właściwy zwykle jest bezbarwny, ale także może być: czerwony, rdzawy, różowy, zielony, niebieski lub fioletowy. Posiada szklisty połysk i jest trudno topliwy (temp. topnienia 21500C). Może być wytwarzany syntetycznie.
Zastosowanie spinelu właściwego: jako surowiec do produkcji materiałów ściernych i ogniotrwałych oraz w jubilerstwie (przezroczyste i barwne odmiany spineli szlachetnych).
Spinele
Spinele to grupa minerałów o wzorze ogólnym (Mg, Fe2+, Zn, Be...)(Al, Fe3+, Cr)O3+. Są izomorficznymi tlenkami metali dwu- i trójwartościowych: M2-M23-O4, gdzie M2- = Mg2-, Fe2-, Mn2-, Ni2-, zaś M3- = Al3-, Cr3-, Fe3-. Pierwiastki dwuwartościowe (z wyjatkiem Ba), podobnie jak i pierwiastki trójwartościowe mogą zastępować się wzajemnie w szerokich granicach. Stąd, uwzględniając domieszki duża zmienność składu chemicznego spineli. Spinele krystalizują w układzie regularnym, zwykle w postaci ośmiościanu. Do minerałów z grupy spineli można zaliczyć niektóre rudy i tlenki metali. Przykładem może być tu magnetyt lub hematyt.
Ponadto można wyróżnić spinele glinowe (do których należą spinel właściwy, hercynit i inne), spinele tytanowe i chromowe (m.in. chromit i pikotyt) oraz spinele żelazowe (głównie magnetyt).
Spinele glinowe
Do tej grupy spineli zaliczyć należy przede wszystkim galnit ZnAl2O4 oraz hercynit FeAl2O4. Są odporne na działanie czynników atmosferycznych. Przeźroczyste spinele glinowe pozbawione skaz sa wykorzystywane w mechanice precyzyjnej (np. na łożyska) oraz jako kamienie szlachetne.
Spinele chromowe
Spinele chromowe to grupa minerałów o ogólnym wzorze sumarycznym (Mg, Fe)(Cr, Al, Fe)2O4. Ponadto spinele te mogą zawierać 18-62% Cr2O3, 0-18% FeO, 6-16% MgO, 0-33% Al2O3, 2-30% Fe2O3. W zależności od składu wyróżnia się chromit właściwy FeCr2O4, rzadko spotykany chromit magnezowy (MgFe)Cr2O4, chromit glinowy Fe(CrAl)2O4. Chromit własciwy FeCr2O4 krystalizuje w układzie regularnym. Jest czarny, na ogół nieprzeźroczysty i posiada połysk zbliżony do metalicznego. Występuje głównie w zasadowych skałach magmowych (dunitach i perydotytach), także w powstałych przez przeobrażenie tych skał serpentynitach. Chromity właściwe są jedynymi rudami chromu o znaczeniu przemysłowym (w Polsce były eksploatowane w Tąpadłach na stoku Ślęży). Odmiany zawierająe FeO lub Fe2O3 wykazują właściwości paramagnetyczne. Chromity stosowane są do wyrobu materiałów ogniotrwałych, farb, także w metalurgii (do produkcji żelazochromu).
Ferryty
Ferryty to roztwory stałe Fe2O3 z tlenkami metali, często o składzie niestechiometrycznym. Ferryty otrzymuje się przez spiekanie mieszaniny tlenków w wysokiej temperaturze. Ferryty metali dwuwartościowych (np. Fe2+, Ni2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+) krystalizują w układzie regularnym (sieć przestrzenna spinelu normalnego lub odwróconego). Ferryty o sieci spinelu odwróconego posiadają własności ferrimagnetyków i znajdują zastosowanie jako magnesy ceramiczne. Ferryt barowy krystalizuje w układzie heksagonalnym i jest ferromagnetykiem.
Pod względem właściwości magnetycznych rozróżnia się ferryty magnetycznie miękkie (struktura głównie spinelowa) i ferryty magnetycznie twarde (struktura heksagonalna). Pierwsze z nich są stosowane do wyrobu rdzeni cewek indukcyjnych głowic magnetycznych,a ferryty magnetycznie twarde do wyrobu magnesów trwałych. Znane są również ferryty o prostokątnej pętli histerezy, stosowane do wyrobu m.in. elementów pamięci komputerów.

Ferryty magnetycznie miękkie 1 i magnetycznie twarde 2.
Ferryty łączą właściwości magnetyczne z właściwościami izolatorów. Nie płyną w nich prądy wirowe. Nadają się do pracy przy bardzo wysokich częstotliwościach. Większość ferrytów ma strukturę spinelu Fe3O4, MgFe2O4, CoFe2O4, NiFe2O4, CuFe2O4, ZnFe2O4, MoFe2O4 lub LiFe5O8.
Zastosowanie ferrytów
Zastosowania ferrytów magnetycznie miękkich (technika stałoprądowa):
· rdzenie pamięciowe;
· transformatory impulsowe;
· wzmacniacze magnetyczne;
· szybkie przekaźniki;
· rdzenie cewek;
· rdzenie transformatorów średnich częstotliwości;
· pręty antenowe;
· głowice magnetofonowe;


Materiały magnetyczne
Magnesy ferrytowe twarde
Ferryty barowe i strontowe są spiekami tlenków BaO2 i SrO2 z Fe2O3. Materiały są powszechnie dostępne i tanie. Ferryty twarde są najpowszechniej stosowane do wyrobu magnesów stałych. Produkowane są w układzie izotropowym i anizotropowym.
Magnesy izotropowe - posiadają we wszystkich kierunkach w przybliżeniu takie same właściwości magnetyczne. Proces magnetyzacji jest jednorodny we wszystkich kierunkach osiowych. Magnesy izotropowe posiadają nieznaczną gęstość energii.
Magnesy anizotropowe - w polu magnetycznym otrzymują najkorzystniejszy kierunek namagnesowania. W przeciwieństwie do magnesów izotropowych, magnesy anizotropowe posiadają o 300% wyższą gęstość energii. Natężenie pola koercji jest wyższe w stosunku do remanencji (magnetycznej indukcji resztkowej). Ferryty twarde mają względnie wysoki współczynnik temperaturowej remanencji 0,2% na 0C i mogą być stosowane w zakresie od -400C do +2000C. Podobnie jak materiały ceramiczne magnesy ferrytowe są twarde i kruche, ale odporne na utlenianie (korozję) i warunki atmosferyczne. Są trwałe wobec wielu chemikaliów, a nawet skoncentrowanych kwasów. Obróbka możliwa jest tylko przy użyciu narzędzi diamentowych.
Magnesy ferrytowe opisuje norma DIN 17 410.
Magnesy AlNiCo aluminiowo-niklowo-kobaltowe
Magnesy stopów metalicznych: aluminium, niklu, kobaltu, jak również: żelaza, miedzi, tytanu. Produkcja odbywa się poprzez odlew: piaskowy, kokoliowy, precyzyjny, próżniowy i spiekanie. Stop AlNiCo został odkryty 50 lat temu i jest najstarszym używanym do tej pory materiałem magnetycznym. W porównaniu z obecnie stosowanymi magnesami stop AlNiCo ma niewielkie natężenie pola koercji przy wysokiej remanencji. Oznacza to, że magnesy te muszą mieć wydłużony w kierunku magnetyzacji kształt sztabkowy, żeby nie ulec rozmagnesowaniu. Zaletą magnesów AlNiCo jest niska wartość współczynnika temperaturowego 0,02 na 0C i szeroki obszar zastosowań od -2700C do +4000C. Z uwagi na to magnesy te stosowane są wszędzie tam, gdzie wymaga się stałego pola magnetycznego przy dużych skokach temperatur. Wymagany kształt sztabkowy, a przez co duży odstęp między biegunami korzystny jest przy uruchamianiu np. zestyków hermetycznych. Magnesy AlNiCo produkowane są przede wszystkim jako anizotropowe. Przez niską koercję i drogi kobalt magnesy te stosowane są coraz rzadziej.
Magnesy z wypełniaczami syntetycznymi
Magnesy mieszane z tworzywami syntetycznymi są obecnie powszechnie stosowane, poprzez co poleca się je Państwa uwadze. Materiały magnetyczne są proszkowane i mieszane z syntetykami, a następnie poprzez kalandrowanie, ekstrudację, prasowanie lub wtryskiwanie otrzymuje się gotowe magnesy. Z elastycznego tworzywa sztucznego i proszku ferrytowego produkowane są płytki i taśmy magnetyczne o grubości od 0,5 do 2 mm. Poprzez laminację białym PCV produkowane są oznaczenia. W trakcie wytwarzania cząstki magnetyczne w elastycznych płytkach lub taśmach są w rozkładane równomiernie i ustawiane w polu magnetycznym, dzięki czemu powstaje pole jednorodne i anizotropowe.
Magnesy wysokoenergetyczne
Są to magnesy stałe z grupy ziem rzadkich. Produkt wysokoenergetyczny (gęstość energii ponad 280 kJ/m3, lub 35 MGOe) umożliwia nowe rozwiązania techniczne. Zmniejszenie rozmiarów magnesu, lub wielokrotnie wyższa siła magnetyczna przy tych samych rozmiarach, w porównaniu z dotychczas stosowanymi magnesami ferrytowo - borowymi lub AlNiCo, stało się możliwe. Przy tej samej gęstości energii magnes ferrytowo - borowy musiałby być 6-krotnie większy, a żeby z odległości 1mm od powierzchni bieguna wytwarzał pole 100 mT (1000 Gaussów) jego rozmiary musiałyby być 25-krotnie większe w porównaniu z magnesem samarowo-kobaltowym. Nowy magnes neodymowo-ferytowo-borowy posiada o 40% wyższą gęstość energii od opisanego w przykładzie magnesu samarowo-kobaltowego.
Poniżej przedstawiono porównanie niektórych materiałów magnetycznych.

Czym są "ziemie rzadkie" ?
Ziemie rzadkie, zwane tez lantanowcami, są 15 pierwiastkami z liczbą atomową 57-71 w układzie okresowym pierwiastków. Stanowią siódmą część wszystkich pierwiastków występujących w naturze. "Ziemie rzadkie" nie są więc w żadnym razie rzadkie. Znaczenie praktyczne mają np.cer (Ce) - do produkcji szkła lub stali; Lantan (La)-do produkcji klisz rentgenowskich i katalizatorów do redukcji spalin; Europa (Eu) do otrzymywania barwy czerwonej w lampach kineskopowych; Samar (Sm) i Neodym (Nd) do produkcji wysokoenergetycznych materiałów magnetycznych. Samar zawarty jest w niewielkich ilościach w ziemiach rzadkich, w przeciwieństwie do neodymu. Uzyskanie odpowiednio wysokiego stopnia czystości i obróbka są powodem wysokiej ceny w porównaniu z konwencjonalnymi magnesami stałymi. W przypadku magnesów samarowo-kobaltowych dochodzi jeszcze drogi materiał jakim jest kobalt (Co).
W jaki sposób są produkowane magnesy wysokoenergetyczne ?
Produkcja magnesów SmCo i NdFeB polega na wytopie odpowiedniego stopu. Tak otrzymane wlewki materiału są następnie kruszone i mielone na drobny proszek, po czym prasowane w polu magnetycznym i w końcu spiekane. Firma Delachaux obrabia sprasowane izostatycznie i spiekane surowe wlewki materiału o przekroju 100x50 mm i długości ok. 200 mm w kierunku magnetyzacji. Przy użyciu narzędzi diamentowych wycina się z otrzymanych wlewek formy tarczowe i pierścieniowe.
Magnetyzacja
Po nadaniu formy następuje magnetyzacja, aż do nasycenia. Stosuje się tutaj silne pola magnetyczne. Do wytworzenia takich pól używane są naładowane baterie kondensatorowe, które są rozładowywane w cewkach bezrdzeniowych. Element magnetyczny umieszczony w otworze wewnętrznym niskooporowej cewki bezrdzeniowej jest magnetyzowany, aż do nasycenia przez wyindukowane wewnątrz silne pole magnetyczne. Zasadniczo magnetyzacja możliwa jest w uprzywilejowanym kierunku wyznaczonym w czasie produkcji. Firma Delachaux dostarcza magnesy standardowe nasycone magnetycznie. Na życzenie klienta dostarczane są magnesy w stanie magnetyzacji, a późniejsze nasycenie dokonywane jest w systemie klienta.
Właściwości
Magnesy SmCo są bardzo twarde i kruche. Magnesy NdFeB są również twarde, ale już nie tak kruche. Umieszczone w przeciwnych polach nie tracą zdolności magnetycznych. SmCo i NdFeB nie są odporne na działanie kwasów nieorganicznych i zasad. Stały kontakt z woda prowadzi do korozji. Magnesy NdFeB ulęgają powierzchniowemu utlenianiu nawet w kontakcie z wilgotnym powietrzem, dlatego najczęściej umieszczane są w obudowach ze stali nierdzewnych. Środki organiczne i suche powietrze o temperaturze pokojowej nie powodują żadnych niekorzystnych zmian.



Defekty struktury i ich wpływ
na właściwości materiałów

Defektem, czyli niedoskonałością kryształu, jest każde odchylenie od doskonałości periodycznej sieci lub struktury w krysztale. Zwykłymi defektami punktowymi są domieszki chemiczne, puste węzły sieci oraz atomy międzywęzłowe (dodatkowe atomy znajdujące się poza regularnymi węzłami sieci). Defekt punktowy zlokalizowany jest w pobliżu węzła sieci, czyli atomu w krysztale, w przeciwieństwie do linii defektów lub płaszczyzny defektów. Płaszczyzny defektów mogą tworzyć się w początkowych stadiach powstawania nowej struktury krystalicznej w obrębie istniejącego kryształu. Wszystkie rzeczywiste kryształy są zawsze w pewnym stopniu niedoskonałe. W niektórych ciałach stałych niedoskonałosci te są dosyć dobrze poznane. Wiele prac badawczych poświęcono germanowi, krzemowi, miedzi oraz stopom, bowiem w stopach występuje szczególnie wysoka koncentracja niedoskonałości punktowych. Wiele podstawowych właściwości ciał stałych zależy w równym stopniu od ich niedoskonałości struktury, jak i od natury właściwego kryształu, który może spełniać tylko rolę nosicela niedoskonałości lub ośrodka, w którym one się rozwijają. Przewodnictwo elektryczne niektórych półprzewodników zależy całkowicie od śladowych ilości domieszek chemicznych. Barwa wielu kryształów wywołana jest obecnością defektów. Luminescencja kryształów związana jest prawie zawsze z obecnością domieszek. Domieszki lub niedoskonałości mogą ogromnie przyspieszać dyfuzję atomów w ciałach stałych. Od defektów zależą zazwyczaj właściwości mechaniczne i sprężyste ciał stałych.
Klasyfikacja defektów
Defekty struktury można podzielić na : defekty subatomowe oraz defekty atomowe (właściwe). Do pierwszej grupy defektów subatomowych można zaliczyć:
· elektrony nadmiarowe;
· wolne poziomy (dziury);
· ekscytony (pary elektron dziura związane oddziaływaniem elektrostatycznym);
· plazmony (zespołowe wzbudzenia Coulombowskie).

Do drugiej grupy defektów atomowych można zaliczyć:
· atomowe defekty punktowe;
· defekty liniowe (dyslokacje);
· defekty płaskie (płaszczyznowe, dwuwymiarowe);
· defekty objętościowe.
Atomowe defekty punktowe
Defektami punktowymi nazywa się zaburzenia idealnej struktury krystalicznej, których zasięg ogranicza się do wymiarów jednego atomu (jonu). W przypadku kryształu złożonego z jednego rodzaju atomów defektami takimi są wakancje, powstające w wyniku opuszczenia przez atom swej normalnej pozycji w strukturze, tj. węzła sieci przestrzennej i jego przejścia na przykład na powierzchnię kryształu, która również może byc traktowana jako zaburzenie periodyczności. Może to nastapic również w wyniku przejścia atomu do progu linii dyslokacji. W każdym przypadkuproces powstawania wakancji można ująć ogólnie jako proces wymiany pustego węzła z powierzchni kryształu lub na progu dyslokacji z atomami wnętrza struktury. W tym sensie powierzchnie kryształu lub dyslokacje można nazwać "źródłami" wakancji lub też "studniami" wakancji, jeśli zachodzi proces odwrotny. Innym rodzajem defektu punktowego jest jon międzywęzłowy, którego powstanie opisać można jako wynik prześca jonu z węzła sieci do pozycji międzywęzłowej. W przypadku kryształów związków typu MnXm dochodzi jeszcze możliwość występowania atomów M w węzłach podsieci atomów X i na odwrót. W szczególnym przypadku kryształów związków jonowych, przy powstawaniu defektów punktowych musi być zachowany warunek elektroobojętności, zgodnie z którym kryształ jonowy nie może zawierać niezrównoważonyvh ładunków elektrycznych jednego rodzaju. Oznacza to brak swobodnych nośników w kryształach jonowych oraz możliwość przemieszczeń defektów.
Najprostszym defektem w sieci jest luka w sieci, zwana defektem Schottky'ego, która jest wywołana brakiem atomu lub jonu w węźle sieci. Defekt Schottki'ego w doskonałym krysztale można wyobraźić sobie jako przeniesienie atomu z węzła sieci leżącego w głębi kryształu do węzła, który leży na jego powierzchni.

Defekt Schottky'ego.
Innym typem niedoskonałości kryształów są defekty Frenkla, w których atom ulega przesunięciu z węzła sieci do położenia międzywęzłowego, czyli położenia nie będącego normalnie zajmowanym przez atomy.

Defekt Frenkla.

Stężenie defektów punktowych jest użależnione przede wszystkim od temperatury.

Koncentracja luk w stanie równowagi maleje w miarę obniżania temperatury. Rzeczywista koncentracja luk jest większa od wartości odpowiadającej równowadze, gdy kryształ wzrasta w podwyższonej temperaturze, a następnie zostaje nagle oziębiony przez co luki ulegają zamrożeniu.
Na podstawie badań przewodnictwa jonowego oraz pomiarów gęstości wiadomo, że w czystych halogenkach (fluorkach, chlorkach, bromkach itp.) alkaicznych najczęstszymi typami luk w sieci są defekty Schottky'ego, a w halogenkach srebra - defekty Frenkla. Wytwarzaniu defektów Schottky'ego towarzyszy zmniejszenie gęstości kryształu, ponieważ zmniejsza się objętośc kryształu bez zmiany masy. Podczas powstawania defektów Frenkla objętośćc kryształu nie ulega zmianie, a więc nie ulega zmianie jego gęstoęć. Mechanizm przewodnictwa elektrycznego w kryształach jonowych polega zazwyczaj na ruchu jonów, a nie elektronów. Fakt ten został ustalony na drodze porównania przenoszonego ładunku elektrycznego z masą substancji, która wydziela się na elektrodach będących w kontakcie z kryształem. Przewodnictwo prądu elektrycznego za pośrednictwem ruchu jonów nazywa się przewodnictwem jonowym. W niezbyt wysokich temperaturach przewodnictwo jonowe jest wprost proporcjonalne do ilości dodawanych jonów dwuwartościowych.
Obecnie do zapisu defektów wykorzystywana jest symbolika Krgera-Vinka.
Defekty liniowe (dyslokacje)
Inny podstawowy rodzaj zaburzeń struktury krystalicznej stanowią zaburzenia liniowe, rozciągające się wzdłuż określonych linii w krysztale. Obecność tych zaburzeń, nazywanych także dyslokacjami, nie powoduje wzrostu entropii konfiguracyjnej kryształu, ponieważ są one pewnym rodzajem uporządkowanych podstruktur. Obecność dyslokacji zwiększa jednocześnie energię wewnętrzną kryształu, a więc nie powstają one samorzutnie i w odróżnieniu od defektów punktowych nie są one wynikiem ustalania się równowagi termodynamicznej. Źródłem dyslokacji mogą być naprężenia mechaniczne występujące w wyniku odkształcania kryształów, w toku krystalizacji i wzrostu kryształów.
Spotyka się kilka podstawowych typów dyslokacji. Do jednego z nich należy dyslokacja krawędziowa.

Dyslokacja krawędziowa EF w płaszczyźnie poślizgu ABCD.
Rysunek przedstawia prosty kryształ nalężący do układu regularnego, w którym poślizg o jedną odległość międzyatomową nastąpił w lewej połowie płaszczyzny poślizgu, lecz nie nastąpił w prawej. Dyslokacją nazywa się granicę między obszarem przesuniętym i nieprzesuniętym. Jej położenie odpowiada zakończeniu dodatkowej półpłaszczyzny wciśniętej w górną połowę kryształu jak na poniższym rysunku.

Dyslokacja krawędziowa doskonała.
W pobliżu dysokacji kryształ jest silnie odkształcony. Prosta dyslokacja krawędziowa rozciąga się nieskończenie w płaszczyźnie poślizgu w kierunku prostopadłym do kierunku poślizgu. Mechanizm, dzięki któremu dyslokacja może się poruszać jest przedstawiony poniżej.

Ruch dyslokacji pod wpływem naprężenia ścinającego.
Ruch dyslokacji w krysztale podobny jest do przesuwania się fałdy lub zmarszczki na dywanie. Fałda przesuwa się łatwiej niż cały dywan, lecz przemieszczenie się fałdy wzdłuż dywanu daje w wyniku przesunięcie całego dywanu po podłodze. Jeżeli atomy po jednej stronie płaszczyznuy poślizgu przesuneły się względem atomów po drugiej stronie, to atomy leżące w płaszczyźnie poślizgu będą doznawały siły odpychającej, pochodzącej od innych, które znajdują się po drugiej stronie płaszczyzny poślizgu. Obliczono, że wewnętrzne naprężenie potrzebne do przesuwania się dyslokacji jest zupełnie małe, pod warunkiem, że siły wiązań w krysztale nie zależą bardzo od kierunków. Dyslokacje mogą więc powodować, że kryształ może być bardzo plastyczny. Przejście dyslokacji przez kryształ jest równoważne przemieszczeniu się w poślizgu jednej części kryształu względem drugiej. Drugim prostym typem dyslokacji jest dyslokacja śrubowa.

Rysunek obrazujący powstawanie: b)dyslokacji krawędziowej, c)dyslokacji śrubowej.
Dyslokacja śrubowa oznacza granicę między przesuniętą, a nieprzesuniętą częścią kryształu. Granica ta biegnie równolegle do kierunku poślizgu, a nie prostopadle, jak to zachodzi w przypadku dyslokacji krawędziowej. Można to sobie wyobrazić, że dyslokacja śrubowa powstaje przy częściowym nacięciu kryształu nożem i przesunięciu części naciętej o jeden odstęp atomowy równolegle do przegów nacięcia. Dyslokacja śrubowa przekształca kolejne płaszczyzny atomowe w powierzchnie śrubowe, z czego wywodzi się nazwa tej dyslokacji. Do określenia dyslokacji stosowane są dwa wektory:
· wektor Burgersa oznaczany jako b;
· wektor określający kierunek dyslokacji, równoległy do linii dyslokacji oznaczany jako t.
Wektor Burgersa b jest wektorem przesunięcia, który określa wielkość i kierunek przesunięcia atomów w sieci leżących powyżej płaszczyzny poślizgu w stosunku do atomów leżących poniżej tej płaszczyzny. Wyznaczenie wektora Burgersa wymaga wykreślenia tzw. obwodu (konturu) Burgersa, czyli zamknietej linii wokół wycinka struktury zawierającego linię dyslokacji. Istnienie wektora Burgersa oznacza, że do przywrócenia periodycznej budowy konieczne są zmiany w całym krysztale zawierającym dyslokacje. W idealnym przypadku wektor Burgersa powinien być równy odstępowi międzypłaszczyznowemu lub jego wielokrotności. Dyslokacje o tej charakterystyce nazywane są dyslokacjami doskonałymi.
Animacja przedstawiająca dyslokację krawędziową doskonałą.

Animacja przedstawiająca dyslokację śrubową doskonałą.
W przypadku dyslokacji krawędziowych wektor Burgersa jest prostopadły do wektora t (linii dyslokacji), co zapisuje się symbolicznie jako b_I_t. Natomiast w przypadku dyslokacji śrubowej wektor Burgersa oraz wektor określający kierunek linii dyslokacji są wektorami równoległymi, co zapisujemy symbolicznie bIIt. Zarówno całkowicie idealne dyslokacje krawędziowe, jak i śrubowe są przypadkami skrajnymi. W rzeczywistych kryształach występują dyslokacje mieszane (np. wielokrotne, częściowe) wykazujące cechy pośrednie pomiędzy dyslokacjami krawędziowymi, a śrubowymi.
Defekty płaskie (dwuwymiarowe)
Do tej grupy zaburzeń sieci krystalicznej zaliczyć można : niskokątowe granice skośne (daszkowe), niskokątowe granice skręcenia, granice bliźniacze, błędy ułożenia, granice domen antyfazowych. Zbiór dyslokacji krawędziowych uszeregowanych jedna nad drugą tworzy płaskie zaburzenie, rozdzielające kryształ na dwie części o płaszczyznach sieciowych nachylonych względem siebie pod niewielkim kątem. Tego rodzaju zaburzenie płaskie nosi nazwę niskokątowej granicy skośnej (albo daszkowej). Podobne zaburzenia płaskie - niskokątowe granice skręcenia - mogą tworzyć przez uszergowanie zbioru dyslokacji śrubowych. Niskokątowa granica skręcenia oddziela dwie części kryształu względem siebie o niewielki kąt (kilka sekund do kilku minut w mierze stopniowej), równolegle do płaszczyzny skrzyż