Реферат: Химия радиоматериалов, лекции Кораблевой А.А. (ГУАП)

Вступление

Длясоздания электронных приборов необходим целый арсенал материалов и уникальных и тонких технологических процессов.Современная радиотехника и особенно высокочастотная техника (радиосвязь),приборы и аппаратура радиоэлектроники требуют большого количестваконструкционных и специальных радиотехнических материалов, свойства которыхдолжны удовлетворять самым разнообразным условиям их применения. Подрадиотехническими материалами принято понимать материалы, которые обладаютособыми свойствами по отношению к электрическому, магнитному и электромагнитному полям. Они разделяются на4 группы:

1)

проводники

2)

диэлектрики

3)

полупроводники

4)

магнитные материалы

Требования, которым должныудовлетворять радиоматериалы:

1)

обладать высокими электрическими (магнитными) характеристиками.

2)

нормально работать при повышенных, а иногда при низких температурах.

3)

иметь достаточную механическую прочность при различных видах нагрузки,устойчивостью к тряске, вибрации, ударам…

4)

обладать достаточной влагостойкостью, химической стойкостью, стойкостью к облучениям.

5)

не иметь заметно выраженного старения.

6)

удовлетворять технологичности, т.е. сравнительно легко обрабатываться.

7)

быть недорогими и не дефицитными.

Глава1

Классификация и основные сведения о проводниковыхматериалах

1.1 Виды проводников

Проводниками электрического тока могутслужить твёрдые тела, жидкости, а при соответствующих условиях и газы

Твёрдыми проводниками являются металлы,металлические сплавы и некоторые модификации углерода. За последнее времяполучены также органические полимеры. Среди металлических проводниковразличают:

а) материалы, обладающие высокойпроводимостью, которые используют для изготовления проводов, кабелей,проводящих соединений в микросхемах, обмоток трансформаторов, волноводов,анодов мощных генераторных ламп и т.д.

б) металлы и сплавы, обладающие высокимсопротивлением, которые применяются в электронагревательных приборах, лампахнакаливания, резисторах, реостатах.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различныеэлектролиты. Как правило температура плавления металлов высока за исключениемртути (-39°C), галлия (29,8°C) и цезия (26°C). Механизм протекания тока обусловлен движениемсвободных электронов. Поэтому металлы называются проводниками первого рода.Электролитами или проводниками второго рода являются растворы солей, кислот ищелочей. Все газы и пары, в том числе пары металлов при низкой напряженности неявляются проводниками. При высоких напряженностях может произойти ионизациягаза, и ионизированный газ, при равенстве числа электронов и положительныхионов в единице объёма, представляет собой особую равновесную проводящую среду,которая называется плазмой.

1.2 Кристаллическая структура металлов

Металлы имеют кристаллическое строение, но есть и аморфные. Всплошном куске металла кристаллы его расположены случайным образом. Ихочертания имеют неправильную форму, но путём медленного выращивания израсплавленного металла можно получить крупный кристалл, который называетсямонокристаллом.

Метод Чохральского:получение монокристалла и очистка металла.

Медленно вытягивают израсплава монокристалл, примеси остаются в расплаве. Монокристалл отличаетсямягкостью, но для его разрыва требуется большее усилие чем для разрыва металла.

Возможны 6 вариантов кристаллических решеток металлов:

1) простаякубическая Kr= 6.

2) объёмноцентрированная кубическая Kr= 8; Li, Na, K, Rb, Cs, Fe.

3) кубическая гранецентрированная, Kr= 12; Cu, Ag, Au, Cr, Mo, W, Ca, Ni, Pt, Pd, Co, Ro, Ir, Rh, Fe.

4)октаэдрическаяструктура Kr = 6.

5) тетраэдрическая Ge, Pb, α-Sn

6) гексагональная Mg, Be, Cd, Ru, Os.

Решетки металлов,принадлежащих одной подгруппе периодической системы, обычно являютсяодинаковыми. Железо может кристаллизоваться в гранецентрированную и в объёмноцентрированную.

1.3 Металлическая связь

Как особый вид связи осуществляется в жидком и твёрдом(кристаллическом) состояниях (имеется также и аморфное состояние металлов). Впарообразном состоянии металлические атомы имеют ковалентную связь (т.е. общуюэлектронную пару) и, следовательно, являются диэлектриками.

Элементарная решетка лития – кубическая объёмноцентрированная, следовательно, надо осуществить связь по крайней мере вэлементарной решетке Li9, авалентный электрон всего один и он должен находиться между всеми восемью «соседями»,поэтому он должен быть делокализован. МВС (методвалентных связей) не описывает металлическую связь в кристаллах, она может бытьописана только методом молекулярных орбиталей (ММО)т.е. зонной теорией твёрдого тела. Согласно зонной теории для всех металловширина запрещённой зоны = 0, например: Na…3s1, Mg…3s2, Al…3s23p1.

В зоне столько уровней, сколькоатомов объединилось в кристалле, на каждом уровне максимум 2 электрона. 100атомов – 100 уровней, на которых может быть 200 электронов, а есть только 100 электронов,следовательно, для Naидругих его аналогов, у которых содержится 1 электрон на валентном уровне,валентная зона на половину заполнена, а следовательно, внутри валентной зоныэлектрон может менять энергию, а значит участвовать в проводимости. Значитвалентная зона одновременно является зоной проводимости и ширина запрещённойзоны для таких металлов = 0.

Содержит 100 атомов,следовательно, 100 уровней, может быть 200 электронов, есть 200, следовательно,3sзона (ВЗ) полностьюзаполнена, 3p–зона проводимости ЗП получается из 3pподуровней. В случае с MgЗП накладывается на ВЗ, и поэтому электрону нетребуется большой энергии для перехода в эту зону (ΔE= 0);

ВЗполностью заполнена и ΔE= 0.

1.4 Электропроводность и теплопроводность металлов

σ–электропроводность

σ= enu[Ом-1см-1]106– 104

Электроны в металлеблагодаря ничтожной массе и размерам обладают значительной подвижностью.Обозначим эту подвижность через u[см2/(Вс)]. Поэтому если к металлу приложить некоторую разность потенциалов, электроныначнут перемещаться от отрицательного полюса к положительному, тем самымсоздавая электрический ток. Удельная проводимость σзависитот заряда электрона и концентрации носителей, которая у большинства металловпрактически одинакова.

ρ=1/σ= RS/l; [Ом м]

ρ= h/(ke2n2/3)

где:

lср–длина свободного пробега электрона

k–постоянная Больцмана

n–концентрация

h–постоянная Планка

lсрзависит от структуры металла. При одной и той жеструктуре она зависит от радиуса атомов

Чистые металлы, имеющие совершенную кристаллическую решетку,обладают наименьшим значением ρ. Дефектыкристаллической решетки увеличивают сопротивление вызывая рассеяние электронов.

ρ= ρчист+ρпримесей

При повышении температуры сопротивление увеличиваетсяи причиной этого является интенсификация колебаний кристаллической решетки.Теплопроводность изменяется параллельно электропроводности.

1.5 Влияние различных факторов на удельную электропроводность.

(1) Зависимость удельного сопротивления проводниковот температуры.

ρТ= ρо(1+αρТ)

ρТ — ρо= ρо αρТ

αρ= Δρ/(ρТ) = dρ/(ρdT)

Для большинства металлов αρ= 1/273 = 0.004 К-1. Исключение составляют металлы, относящиеся к магнетикам: Fe, Ni, Coи для них αρотличается в 1.5 – 2 раза.

Внастоящее время известно 23 металла, которые в интервале от 0.3 до 9.22 Кобладают сверхпроводимостью

Таблица 1. Положение металлов, обладающихсверхпроводимостью.

Подуровни

Период

d10

III (1)

IV (4)

V (7)

V (1)

VII (2)

В первом и втором периодах нет сверхпроводников. Нет их ив первой и второй группах.

1) Количество электронныхуровней способствует проявлению сверхпроводящих свойств.

2) Большинство сверхпроводниковотносятся к d-элементам. У p-элементов их только 7, у f– только 2, у s– нетвообще.

Сверхпроводимость наблюдается у элементов, у которыхчисло валентных электронов больше двух, но меньше шести, и отсутствуютферромагнитные свойства.

(2) Влияние деформации на удельное сопротивление.

При деформациях (упругих растяжениях и сжатиях).

ρ1= ρ(1±φσ), σ–механическое напряжение в сечении образца (в Паскалях), φ– коэффициент механического напряжения (Па-1).

Изменение ρобъясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллическойрешетки металла. Пластическая деформация увеличивает сопротивление вследствиеизменения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термическойобработки, удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначальногозначения. Сжатие при деформации может привести к снижению ρ за счет уплотнения металла, натушения оксидных пленок и т.д. Некоторые металлы привысоком давлении переходят в сверхпроводящее состояние.

(3) Размерные эффекты.

Удельное сопротивление тонких пленок, толщина которыхсоизмерима с длиной свободного пробега электрона, больше, чем удельноесопротивление в толстых слоях. R□численно равно Rучастка пленки, длинакоторого равна его ширине (при протекании тока через две его противоположные грани).

R□= ρδ/δ

ρδ–удельное сопротивление пленки толщиной δ.

Температурный коэффициент удельного сопротивления тонких металлических пленок можетбыть с “+” и с “–”. При увеличениитолщины пленки αρδстремится к αρ в монолитныхобразцах.

(4) Сопротивление проводников при высоких частотах.

При высоких частотах электромагнитное поле проникает втехнический проводник на большую глубину, большая часть тока сосредоточена уповерхности проводника. Поверхностное сопротивление RS= ρ/Δ, Δ– глубина проникновения тока.

(5) Связь между удельной теплопроводностью (λТ) и удельной проводимостью (σ)

Ониизменяются параллельно λТ/σ = aT. Прикомнатных температурах (областьIII) σ ~ Т-1, а λТне зависит от температуры. При низких температурах(ниже Θ) теплопроводность возрастает, проходитчерез… и стремится к нулю.

(6) Термо-ЭДС

при соприкосновении двух металлов возникает разностьпотенциалов. Причина ее возникновения заключается в различной концентрацииэлектронов и различной работе выхода электронов. Если температура спаеводинакова, то суммарная разность потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Еслитемпература спаев разная, то возникает термо-ЭДС,являющаяся функцией температуры.

u= A(T1– T2).

1.6 Электродные потенциалы металлов. Электродвижущие силы

(1) Возникновение электродногопотенциала на границе раздела металл – вода.

Кристаллическаярешетка металла представляет собой положительно заряженные ионы, между которыминаходятся свободные электроны. При погружении металла в воду, полярные молекулыводы извлекают, частично, ионы металла в раствор, оставляя на поверхностиметалла избыточные электроны, заряжая поверхность металла отрицательно. Большаячасть положительных ионов остаётся у поверхности металла со стороны воды,создавая адсорбционный слой, размер которого составляет радиус ионов. Отдельныеионы за счет диффузии уходят в глубь воды, составляя диффузионный слой, размеркоторого соответствует нескольким радиусам ионов. Таким образом на поверхностиметалла – отрицательный заряд, а в воде в основном положительный заряд.Получается дойной электродный слой, или говорят, что возникает электродныйпотенциал металла. Обозначается он буквой ψ.Падение его наблюдается в адсорбционном слое l1и постепеннов l2.Механизм возникновения электродного потенциала подчиняется уровнению:

Mе+mH2O→[Me(H2O)m]n++nē.

[Me(H2O)m]n+– гидратированный ион.

Вода вытаскивает ионыметалла на поверхность.

Поскольку поверхность металла заряжена отрицательно, тоговорят об отрицательномэлектродном потенциале. Величина электродногопотенциала зависит от трех энергетических факторов.

1)

Энергияионизации Eи(та энергия, которую надо затратить, чтобы оторватьэлектрон от нейтрального атома и превратить атом в положительно заряженный ион)Me– ē → Me+– Eи

2)

Eкристаллической решетки. Eкр(это та энергия,которую затратить, чтобы разорвать химические связи в кристаллической решетке иудалить частицы друг от друга на бесконечно большое расстояние).

3)

Егидратации (активации) Eгидр(энергия, которая выделяется привзаимодействии положительно заряженных ионов с нейтральными молекулами воды) Men++ mH2O→[Me(H2O)m]n++Eгидр

Все эти энергии измеряются в кДж/моль

Чем меньше Eи, чемменьше Eкр, и чем больше Eгидр, темболее отрицательный электродный потенциал возникает на металле. Все металлы приконтакте с водой качественно ведут себя одинаково, а количественно по-разному.В частности щелочные металлы полностью переходят в ионное состояние, потому чтоEи, Eкрмалы, а Eгидрвыделяется много, следовательно, происходит практически реакция с водой. Чтокасается благородных металлов, то они посылают ионы в раствор, но в оченьнезначительном количестве. Промежуточные металлы (Pb, Hg…)посылают большие количества ионов в раствор.
(2) Возникновение электродного потенциала на границе раздела металл –электролит.

Чаще всего металл контактирует с растворомэлектролита. Даже в атмосферных условиях в пленке влаги растворены различныегазы: O2, H2S, SO2, CO2… Частныйслучай: контакт металла с раствором, содержащим его ионы (металл в растворесоли металла)

Me|Men+

Zn|ZnSO4

Zn|Zn2+

Cu|Cu2+…

В этом случае все металлыможно разделить на две группы: одна группа – так называемые активные металлы,качественно ведут себя как в воде т.е.

Mе+mH2O↔[Me(H2O)m]n++nē.

(возникает динамическое равновесие (↔))

Но возникает менее отрицательный электродныйпотенциал, т.к. ионы из раствора могут входить в кристаллическую решетку (Ni, Fe…).Пассивные металлы (Cu, Hg, Ag…) не переходят в ионное состояние при контакте с раствором их соли, анаоборот, ионы металла из раствора восстанавливаются на поверхность металлаположительно.

[Me(H2O)m]n++nē↔ Me +nH2O

Cu2++2ē→Cu0

Возникает положительныйэлектродныйпотенциал, а избыточные анионы соли создают отрицательный заряд у поверхностиметалла. Измерить абсолютное значение электродного потенциала практическиневозможно, измеряют ЭДС гальванического элемента в котором один электродисследуемый, а другой – электрод сравнения, чаще всего водородный электрод,потенциал которого условно принят за 0. И это ЭДС считается электроднымпотенциалом данного электрода (по водородной шкале) и называется стандартным(нормальным) электродным потенциалом. Этот ряд водорода называется ещё рядомнапряжений или рядом активности металла.

Li|Li+

Rb|Rb+

K|K+

Cs|Cs+

Al|Al3+

Mg|Mg2+

Zn|Zn2+

Fe|Fe2+

Ni|Ni2+

Sn|Sn2+

Pt,H2|2H+

Cu|Cu2+

Ag|Ag+

Au|Au3+

-3.045

-2.925

-2.923

-1.662

-1.18

-0.763

-0.44

-0.25

-0.126

+0.34

+0.8

+1.5

Измеряется в Вольтах

Чем больше положительныйэлектродныйпотенциал, тем устойчивее металл в контакте с другими металлами, следовательно,он труднее окисляется, а его положительные ионы легче восстанавливаются израстворов электролитов, следовательно, легче получить этот металл из вольтных растворов на катоде в случае электролиза.

Используяэлектродные потенциалы можно говорить о коррозионной стойкости металлов иметодах защиты от коррозии. Используя электродные потенциалы можно осуществлятьочистку металлов от различного рода примесей, более или менее активных, чем самметалл и т.д.

(3) Электрохимическая коррозияметаллов и методы защиты от нее.

Коррозияметаллов это самопроизвольное разрушение металлов под действием окружающейсреды. По механизму коррозионного разрушения различают:

1)

Химическаякоррозия, т.е. окислительно-восстановительное взаимодействие или гетерогеннаяхимическая реакция без возникновения электрического тока. Она осуществляется вгазах при высоких температурах или в жидкостях не электролитах.

2)

Электрохимическая коррозия. Происходит ватмосферных условиях и в жидкостях электролитах с возникновением электрическоготока в результате работы микро и макро гальванических пар. Микрогальваническиепары создаются в результате наличия примесей в металле, а макрогальванические– в результате контакта металлов друг с другом. Поскольку на поверхностиметалла всегда есть плёнка электролита, то возникает гальвано электричество.

Чтобы избежать коррозии:

1)

Использоватьчистые металлы, они практически не подвергаются коррозии

2)

Катоднаязащита: подсоединить к источнику постоянного тока к отрицательно заряженномуэлектроду.

3)

Протекторнаязащита: более активный металл присоединить к корпусу и он (металл) будетподвергаться разрушению, а основной металл (корпус) при этом разрушению не подвергаетсяпока не разрушится протектор.

4)

Металлическиепокрытия, которые классифицируются на анодные и катодные. Анодные – болееактивный металл, катодные – менее. И те, и другие в равной степени защищают откоррозии, если не нарушена целостность покрытия. В случае нарушения покрытия(трещины, неплотное покрытие) наиболее эффективны анодные покрытия.

1.7 Классификация металлов

(1)физические свойства металлов

группа и название металлов

dкг/м3плотность при 20°С

Температура °С

теплопроводность, Вт/мК при 20°С

ρудельное сопротивление *106

плавления

кипения

лёгкие цветные металлы

2699

660

2060

211.0

0.0265

1740

650

1107

157.4

0.047

4540

1800

3400

14.9

0.47

тяжелые цветные металлы

8900

1455

2730

58.6

0.068

7140

419

907

111.1

0.059

7300

232

2270

63.1

0.115

8960

1083

260

385.2

0.0167

11340

327

1740

34.6

0.2065

малые цветные металлы

10200

2625

4800

140

0.0517

19350

3377

6000

160

5.03

благородные цветные металлы

19320

1063

2600

311

0.0225

10490

960

2210

421

0.0159

21450

1773

4410

69.9

0.109

редкие металлы

5360

958

1760

—

0.89 (при 0)

8570

2420

3700

—

0.131

11600

2850

5050

54.4

0.124

(2) Металлы высокой проводимости Cu, Ag, Al.

Медь (Cu), достоинства

1)

малоеудельное сопротивление (уступает только серебру)

2)

достаточновысокая механическая прочность

3)

удовлетворительнаястойкость к коррозии

4)

хорошаяобрабатываемость (прокатывается в листы, в ленту, протягивается в проволоку)

5)

относительнаялегкость пайки и сварки

Содержание примесей влияет на различные свойства меди.Медь марки М1 содержит 99.90% меди, примеси 0.10%, медь марки М0 содержит99.95% меди, примеси 0.05%. Если в примесях Zn, Cd, Ag, то они снижают электропроводность на 5%, а Ni, Snили Al– на 25 – 40%. Еще болеесильное влияние оказывают примеси Be, As, Fe, Siи P, которые снижают электропроводность на 55% иболее. Поэтому медь очищают различными способами: до 99.97% электролитическимспособом.

В вакуумных печах получают медь, содержащую 99.99% меди. Этамедь имеет электропроводность примерно равную электропроводности Ag. Изспециальной ме

еще рефераты

Еще работы по химии

Реферат по химии

Экзаменационные билеты по химии (Ангарск, 2003г.)

Механические свойства элементов Периодической системы Менделеева

15 Июля 2015

Реферат по химии

Как правильно выбрать весы для работы в лаборатории (аналитические и лабораторные весы Госметр)

15 Июля 2015