Виды химической связи

Задача №1

1. Какие существуют виды химической связи?

  ковалентная, ионная, водородная, металлическая

2. Что понимают под мягкими и твердыми припоями?

Мягкими называются припои, температура плавления которых  лежит ниже 400°С

Температуры плавления  твердых припоев, обычно лежащие  выше 600° С, должны быть всегда по крайней мере на 50° С ниже температуры плавления наиболее легкоплавкого из спаиваемых металлов

3. Приведите основные виды поляризации диэлектриков?

В зависимости  от механизма поляризации, поляризацию  диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10-15 с). Не связана с потерями.

Ионная — смещение узлов кристаллической структуры  под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время  протекания 10-13 с, без потерь.

Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление  сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.

Электронно-релаксационная — ориентация деффектных электронов во внешнем электрическом поле.

Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.

Структурная —  ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.

Самопроизвольная (спонтанная) — благодаря наличию  этого типа поляризации в диэлектрике  проявляются нелинейность свойств, то есть явление гистерезиса. Отличается очень высокими значениями диэлектрической  проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых  видов конденсаторной керамики). Введение спонтаной поляризации, как правило, увеличивет тангенс угла потерь материала (до 10-2)

Резонансная —  ориентация частиц, собственные частоты  которых совпадают с частотами  внешнего электрического поля.

4. Назовите важнейшие характеристики магнитотвердых материалов?

 

Магнитные свойства материалов характеризуется  петлей гистерезиса, кривой намагничивания, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании. 

Задача  №3

Проводниковые материалы  Никель и Натрий.

1. Укажите свойства заданных проводниковых материалов, области их применения, кратко опишите материалы.
2. Приведите основные параметры проводников, поясните их физически смысл и укажите численные значения параметров заданных материалов.

Никель

Ни́кель — элемент побочной подгруппы восьмой группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28. Обозначается символом Ni (лат. Niccolum). Простое вещество никель (CAS-номер: 7440-02-0) — это пластичный ковкий переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой защитной пленкой оксида. Химически малоактивен. Название своё этот элемент получил от злого духа гор Ника, который, согласно французской мифологии, подбрасывал искателям меди минерал, похожий на медную руду.

Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком, очень тверд, вязкий и ковкий, хорошо полируется, притягивается магнитом, проявляя магнитные свойства при  температурах ниже 340 °C.

Атомы никеля имеют  внешнюю электронную конфигурацию 3d84s2. Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления Ni(II).

Никель образует соединения со степенью окисления +2 и +3. При этом никель со степенью окисления +3 только в виде комплексных солей. Для соединений никеля +2 известно большое  количество обычных и комплексных  соединений. Оксид никеля Ni2O3 является сильным окислителем.

Никель характеризуется  высокой коррозионной стойкостью —  устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот. Химическая стойкость  обусловлена его склонностью  к пассивированию — образованию  на его поверхности плотной оксидной пленки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в азотной  кислоте.

С оксидом углерода CO никель легко образует летучий  и весьма ядовитый карбонил Ni(CO)4.

Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе).

Никель горит  только в виде порошка. Образует два  оксида NiO и Ni2O3 и соответственно два гидроксида Ni(OH)2 и Ni(OH)3. Важнейшие растворимые соли никеля — ацетат, хлорид, нитрат и сульфат. Растворы окрашены обычно в зеленый цвет, а безводные соли — желтые или коричнево-желтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зеленые), три сульфида NiS (черный), Ni2S3 (желтовато-бронзовый) и Ni3S4 (черный). Никель также образует многочисленные координационные и комплексные соединения. Например, диметилглиоксимат никеля Ni(C4H6N2O2)2, дающий четкую красную окраску в кислой среде, широко используется в качественном анализе для обнаружения никеля.

Применение

Сплавы

Никель является основой большинства суперсплавов — жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

монель-металл (65 — 67 % Ni + 30 — 32 % Cu + 1 % Mn), жаростойкий до 500 °C, очень коррозионно-устойчив;

белое золото (например 585 пробы содержит 58.5% золота и сплав (лигатуру) из серебра и никеля (или палладия));

нихром, сплав сопротивления (60 % Ni + 40 % Cr);

пермаллой (76 % Ni + 17 %Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), обладает высокой магнитной восприимчивостью при очень малых потерях на гистерезис;

инвар (65 % Fe + 35 % Ni), почти не удлиняется при нагревании;

Кроме того, к сплавам  никеля относятся никелевые и  хромоникелевые стали, нейзильбер и  различные сплавы сопротивления  типа константана, никелина и манганина.[3]

Никелирование

Никелирование —  создание никелевого покрытия на поверхности  другого металла с целью предохранения  его от коррозии. Проводится гальваническим способом с использованием электролитов, содержащих сульфат никеля(II), хлорид натрия, гидроксид бора, поверхностно-активные и глянцующие вещества, и растворимых никелевых анодов. Толщина получаемого никелевого слоя составляет 12 — 36 мкм. Устойчивость блеска поверхности может быть обеспечена последующим хромированием (толщина слоя хрома 0,3 мкм).

Бестоковое никелирование проводится в растворе смеси хлорида никеля(II) и гипофосфита натрия в присутствии цитрата натрия:

NiCl2 + NaH2PO2 + H2O = Ni + NaH2PO3 + 2HCl

Процесс проводят при рН 4 — 6 и 95 °C.[3]

Производство аккумуляторов

Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.

Радиационные технологии

Нуклид 63Ni, излучающий β+-частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах.

Медицина

Применяется при  изготовлении брекет-систем.

Протезирование

Натрий

На́трий — элемент главной подгруппы первой группы, третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 11. Обозначается символом Na (лат. Natrium). Простое вещество натрий (CAS-номер: 7440-23-5) — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

Натрий — серебристо-белый  метал], в тонких слоях с фиолетовым оттенком, пластичен, даже мягок (легко  режется ножом), свежий срез натрия блестит. Величины электропроводности и теплопроводности натрия достаточно высоки, плотность равна 0,96842 г/см³ (при 19,7° С), температура плавления 97,86° С, температура кипения 883,15° С.

Под давлением  становится прозрачным и красным, как  рубин.

Щелочной металл, на воздухе легко окисляется. Для  защиты от кислорода воздуха металлический  натрий хранят под слоем керосина. Натрий более активный чем литий. С азотом реагирует крайне плохо в тлеющем разряде, образуя очень неустойчивое вещество — нитрид натрия (в противоположность нитриду лития):

6Na + N2=2Na3N

При большом избытке  кислорода образуется пероксид натрия

2Na + O2 = Na2O2

В воде натрий ведет  себя почти так же, как литий: реакция  идёт с бурным выделением водорода, в растворе образуется гидроксид натрия.

Применение

Металлический натрий широко используется в препаративной химии и промышленности как сильный восстановитель, в том числе в металлургии. Натрий используется в производстве весьма энергоёмких натриево-серных аккумуляторов. Его также применяют в выпускных клапанах грузовиков как теплоотвод. Изредка металлический натрий применяется в качестве материала для электрических проводов, предназначенных для очень больших токов.

В сплаве с калием, а также с рубидием и цезием используется в качестве высокоэффективного теплоносителя. В частности, сплав  состава натрий 12 %, калий 47 %, цезий 41 % имеет рекордно низкую температуру  плавления −78 °C и был предложен  в качестве рабочего тела ионных ракетных двигателей и теплоносителя для  атомных энергоустановок.

Натрий также  используется в газоразрядных лампах высокого и низкого давления (НЛВД и НЛНД). Лампы НЛВД типа ДНаТ (Дуговая Натриевая Трубчатая) очень широко применяются в уличном освещении. Они дают ярко-жёлтый свет. Срок службы ламп ДНаТ составляет 12-24 тысяч часов. Поэтому газоразрядные лампы типа ДНаТ незаменимы для городского, архитектурного и промышленного освещения. Также существуют лампы ДНаС, ДНаМТ (Дуговая Натриевая Матовая), ДНаЗ (Дуговая Натриевая Зеркальная) и ДНаТБР (Дуговая Натриевая Трубчатая Без Ртути).

Металлический натрий применяется в качественном анализе  органического вещества. Сплав натрия и исследуемого вещества нейтрализуют этанолом, добавляют несколько миллилитров  дистиллированной воды и делят на 3 части, проба Ж. Лассеня (1843), направлена на определение азота, серы и галогенов (проба Бейльштейна)

Хлорид натрия (поваренная соль) — древнейшее применяемое  вкусовое и консервирующее средство.

Азид натрия (NaN3) применяется в качестве азотирующего средства в металлургии и при  получении азида свинца.

Цианид натрия (NaCN) применяется при гидрометаллургическом способе выщелачивания золота из горных пород, а также при нитроцементации стали и в гальванотехнике (серебрение, золочение).

Хлорат натрия (NaClO3) применяется для уничтожения  нежелательной растительности на железнодорожном  полотне.

Задача  №4

Полупроводниковые материалы  Фосфор и Арсенид галлия

1. Укажите свойства заданных проводниковых материалов, области их применения, кратко опишите материалы.
2. Приведите основные параметры проводников, поясните их физически смысл и укажите численные значения параметров заданных материалов.

Фосфор

Фосфор — один из самых распространённых элементов  земной коры, его содержание составляет 0,08—0,09 % её массы. Концентрация в морской  воде 0,07 мг/л[4]. В свободном состоянии  не встречается из-за высокой химической активности. Образует около 190 минералов, важнейшими из которых являются апатит Ca5(PO4)3(F,Cl,OH) фосфорит Ca3(PO4)2 и другие. Фосфор содержится во всех частях зелёных растений, ещё больше его в плодах и семенах (см. фосфолипиды). Содержится в животных тканях, входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ), является элементом жизни.

Физические свойства

Элементарный фосфор в обычных условиях представляет собой несколько устойчивых аллотропических  модификаций; вопрос аллотропии фосфора  сложен и до конца не решён. Обычно выделяют четыре модификации простого вещества — белую, красную, черную и  металлический фосфор. Иногда их ещё  называют главными аллотропными модификациями, подразумевая при этом, что все остальные являются разновидностью указанных четырёх. В обычных условиях существует только три аллотропических модификации фосфора, а в условиях сверхвысоких давлений — также металлическая форма. Все модификации различаются по цвету, плотности и другим физическим характеристикам; заметна тенденция к резкому убыванию химической активности при переходе от белого к металлическому фосфору и нарастанию металлических свойств.

Химические свойства

Химическая активность фосфора значительно выше, чем  у азота. Химические свойства фосфора  во многом определяются его аллотропной модификацией. Белый фосфор очень активен, в процессе перехода к красному и чёрному фосфору химическая активность резко снижается. Белый фосфор на воздухе светится в темноте, свечение обусловлено окислением паров фосфора до низших оксидов.