Базанов М.И.
Доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Материаловедение» ЭТИ (филиал) СГТУ им. Гагарина Ю.А.
Артеменко А.А.
Доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ им. Гагарина Ю.А.
Игнатьев А.А.
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А.
Дмитриенко Т.Г.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
/Т.Г. Дмитриенко. – Саратов: Издательство Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., 2012. – 851 с.
ISBN
Учебное пособие посвящено физико-химическим основам материаловедения и ставит своей задачей рассмотрение физико-химических процессов при получении веществ с заранее заданными свойствами.
Получение новых материалов строится на основе свойств исходных компонен-тов и теории строения вещества, кристаллического строения, теории химической связи, квантовохимической теории, вопросах химической термодинамики и фазовых равновесий.
В учебнике также затрагиваются вопросы электрохимических и фотохимических процессов для рассмотрения особенностей создания электро- и фотоактивных матьериалов. Рассмотрены физико-химические методы исследования биологически-активных материалов: ИК – спектроскопия, абсорбционная спектроскопия в УФ и видимой областях, хроматографические и электрохимические методы анализа.
Особое внимание в учебнике уделено поверхностным явлениям и дисперсным системам при решении материаловедческих задач – явлениям смачивания и растекания на поверхности твердых тел, адсорбции на твердой поверхности, а также конденсационным методам получения дисперсных систем, их оптическим и электрическим свойствам. Рассмотрены способы получения наноструктурированных материалов.
Учебник предназначен для специалистов в области материаловедения, физической химии, физико-химических методов анализа и может быть полезен не только студентам и магистрантам, нои аспирантам и преподавателям вузов, специализирующимся в области создания новых материалов.
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
СТРОЕНИЕ АТОМА И ЯДРА
1.1. Модель Бора 18
1.2. Строение ядра атома 19
1.2.1. Протон 19
1.2.2. Нейтрон 20
1.3. Свойства электрона 22
1.3.1. Корпускулярно-волновой дуализм. 22
1.3.2. Электронное облако 25
1.3.3. Главное квантовое число n 26
1.3.4. Орбитальное квантовое число l 27
1.3.5. Магнитное квантовое число ml 30
1.3.6. Спиновое квантовое число ms 31
1.4. Принцип Паули 32
1.4.1. Возможное число электронов на энергетических уровнях и подуровнях 33
1.5. Электронные формулы. 35
1.5.1. Буквенно-цифровые электронные формулы. 35
1.5.2. Графические электронные формулы. 36
1.6. Правило Гунда 38
1.8. Последовательность заполнения электронами электронной оболочки атома 40
2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА. 43
2.1. Периодический закон Д.И. Менделеева и его значение 43
2.2. Структура периодической системы элементов Д.И. Менделеева 47
2.2.1. Закономерности изменения свойств элементов в периодах 48
2.2.2. Энергия ионизации. Сродство к электрону 49
2.2.3. Электроотрицательность 51
2.2.4. Закономерности изменения свойств элементов в группах 52
2.2.5. Основные закономерности элементов главных подгрупп
0, 2, 4 53
2.2.6. Основные закономерности элементов побочных подгрупп 54
2.2.7. Основные закономерности элементов вторых побочных подгрупп 54
2.2.8. Характеристика элемента по его положению в периодической системе Д.И. Менделеева 55
3. СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА. 56
3.1. Газообразное состояние вещества 56
3.1.1. Молекулярно-кинетическая теория газов 57
3.1.2. Основные газовые законы. 58
3.1.3. Реальные газы. 62
3.1.4. Газовые смеси 64
3.2. Твердое состояние вещества 65
3.2.1. Признаки твердого состояния 65
3.2.2. Внутреннее строение кристаллов и основные типы. 68
кристаллических решеток 68
3.2.3. Кристаллическое строение металлов 73
3.2.3.1. Точечные дефекты. 78
3.2.3.2. Линейные дефекты. 79
3.2.3.3. Поверхностные дефекты. 85
3.2.4. Полиморфизм и изоморфизм. 88
3.3. Плазменное состояние вещества 89
4. ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ. 92
4.1. Общие положения учения о химической связи. Ковалентная связь 92
4.1.1. Метод валентных связей 93
4.1.2. Основные характеристики ковалентной связи 96
4.1.2.1. Энергия связи 97
4.1.2.2. Длина связи 97
4.1.2.3. Направленность связи 98
4.1.2.4. Полярность химической связи 100
4.1.2.5. Поляризуемость химической связи 102
4.1.3. Понятие о диэлектрических свойствах молекул. Поляризация молекул 103
4.1.4. Молярная рефракция и установление строения молекул 115
4.1.5. Гибридизация орбиталей. Геометрические формы ковалентных молекул 118
4.2. Химическая связь в комплексных соединениях 126
4.3. Ионная связь 128
4.4. Металлическая связь 131
4.5. Силы межмолекулярного взаимодействия 132
4.5.1. Ориентационное взаимодействие 133
4.5.2. Индукционное взаимодействие 133
4.5.3. Дисперсионное взаимодействие 134
4.6. Водородная связь 134
4.7. Валентность и степени окисления атомов 137
4.7.1. Квантовохимическая теория валентности 137
4.7.2. Степень окисления атомов 143
4.8. Метод молекулярных орбиталей 146
4.8.1. Основные положения метода молекулярных орбиталей 147
4.8.2. Молекулярные орбитали двухатомных гомоядерных молекул элементов II периода 154
4.8.3. Молекулярные орбитали двухатомных гетероядерных молекул 159
5. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ И КВАНТОВОЙ ХИМИИ. 163
5.1. Основные задачи, решаемые с помощью методов квантовой механики и квантовой химии 163
5.2. Математический аппарат квантовой механики 171
5.2.1. Операторные уравнения 173
5.2.2. Теоремы квантовой механики 174
5.2.3. Основные операторы квантовой механики 175
5.3. Волновая функция 178
5.4. Принципы квантовой механики 182
5.5. Уравнение Шредингера 185
5.5.1 Решение F-уравнения 187
5.5.2. Решение Q-уравнения 187
5.5.3 Решение R-уравнения 188
6. ТЕРМОДИНАМИКА И ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ. 194
6.1. Первый закон термодинамики и основные понятия химической термодинамики 195
6.1.1. Основные понятия и определения химической термодинамики 195
6.1.2. Первый закон термодинамики и его аналитические выражения. Теплота процесса при постоянном объеме и постоянном давлении 197
6.2. Закон Гесса и методы расчета тепловых 203
эффектов химических реакций 203
6.2.1. Метод составления цикла 206
6.2.2. Метод комбинирования термохимических уравнений 208
6.2.3. Расчет теплот химических реакций по справочным данным. 209
6.3. Теплоемкость и ее связь с термодинамическими функциями 214
6.3.1. Связь теплоемкости с термодинамическими функциями 214
6.3.2. Зависимость теплового эффекта от температуры. 223
Уравнения Кирхгоффа 223
6.4. Энтропия и ее свойства 227
6.4.1. Второй закон термодинамики и энтропия 228
6.4.2. Основное уравнение термодинамики для равновесных процессов. Вычисление энтропии 238
6.4.2.1. Изотермический процесс 239
6.4.2.2. Изменение энтропии при смешении химически 241
невзаимодействующих идеальных газов 241
6.4.2.3 . Изменение энтропии в химических реакциях 242
6.4.3. Постулат планка. Абсолютные энтропии веществ 242
6.4.3.1. Расчет абсолютных значений энтропии 244
6.5. Характеристические функции в термодинамике. Энергия Гиббса и энергия Гельмгольца 248
6.5.1. Энергия Гиббса. Энергия Гельмгольца 249
6.5.1.1. Изменение энергии Гиббса в химических процессах 253
6.5.2. Характеристические функции. Уравнения Гиббса-Гельмгольца 254
6.6. Основные понятия химического равновесия 259
6.6.1. Химический потенциал 261
6.6.2. Химическое равновесие и его основные черты. 264
6.6.3. Термодинамический вывод константы равновесия 267
6.7. Влияние внешних факторов на химическое равновесие 272
6.7.1. Уравнение изотермы Вант – Гоффа 272
6.7.2. Зависимость константы равновесия от температуры. 275
6.7.3. Влияние давления на химическое равновесие 280
6.8. Термодинамический расчет химического равновесия 282
6.8.1. Химическое равновесие в гетерогенных системах 283
6.8.2. Термодинамический расчет химического равновесия 285
6.8.3. Расчет равновесного состава для гомогенных систем. 288
6.8.3.1. Константа равновесия с учетом числа прореагировавших моль вещества 289
6.8.3.2. Константа равновесия и состав равновесной 293
смеси с учетом степени диссоциации 293
6.8.3.3. Константа равновесия и состав равновесной 294
смеси с учетом степени превращения и глубины реакции 294
6.8.3.4. Константа равновесия и состав равновесной 295
смеси с учетом выхода продукта в мольных долях 295
(или глубины превращения) 295
6.9 Фазовые равновесия, фазовые переходы и их влияние на структуру и свойства материалов. 297
6.10. Закономерности гетерогенного равновесия 297
6.11. Основные понятия и условия межфазового 297
равновесия. Правило фаз 297
6.12. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса, применение его к однокомпонентным системам. 302
6.13. Законы разбавленных растворов 309
6.14. Закон Генри. Закон Рауля 311
6.15. Температура кипения растворов нелетучих веществ. Эбуллиоскопический закон 314
6.16. Равновесие в ситеме жидкость – жидкость. 318
6.17. Ограниченно растворимые летучие смеси. 319
Фазовая диаграмма растворимости 319
6.18. Взаимно-нерастворимые летучие смеси. 326
Перегонка с водяным паром. 326
6.19. Равновесие пар – жидкий раствор в системах с неорганической взаимной растворимостью жидкостей. 329
6.20.1. Давление насыщенного пара в идеальных и 330
неидеальных смесях 330
6.20.2. Диаграммы состояния пар – жидкий раствор 333
6.20.3. Перегонка жидких смесей. Законы Коновалова 336
6.21. Равновесие кристалл – жидкость в бинарных системах. 340
6.21.1. Термический анализ и построение диаграмм
плавкости 341
6.21.2. Основные типы диаграмм плавкости и их значение 343
6.21.3. Диаграмма плавкости системы, компоненты которой
частично взаимно растворимы (Sn – Pb) 345
6.21.4. Диаграмма плавкости систем, образующих химические
соединения 346
6.21.5. Диаграммы плавкости веществ, образующих твердые
растворы. 349
6.22. Равновесие в трехкомпонентных системах 351
6.22.1. Графическое изображение состава
трехкомпонентной системы. 352
6.22.2. Диаграммы плавкости трехкомпонентных систем. 355
6.22.3. Правило рычага для трехкомпонентных систем. 356
6.22.4. Равновесие жидкость-жидкость в трехкомпонентных системах 359
6.22.5. Закон распределения. Экстракция 361