Kémia | Felsőoktatás » Az anyag szerkezete és tulajdonságai

Az anyag szerkezete és tulajdonságai Az anyagok csoportosítása. Elemek, vegyületek és k everékek Anyagi halmazok Homogén rendszerek. Elegyek (oldatok, az oldódás folyamata) Inhomogén rendszerek fogalma Heterogén rendszerek, csoportosításuk a d iszperzitás foka szerint. Kolloid diszperz rendszerek Gél állapot. Durva diszperz rendszerek (keverékek), emulzió, szuszpenzió Anyagi halmazok osztályozása a kölcsönhatás erőssége szerint. Szilárd, folyadék és gáz halmazállapot. Kristályos és amorf anyagok A kristályszerkezetek jellemzése a kémiai kötés alapján. Atomrácsos és ionrácsos kristályok A fémek kristályszerkezete. Molekularácsos kristályok Az amorf anyagok általános jellemzése. Az óriásmolekulájú anyagok (műanyagok) tulajdonságai A műanyagok csoportosítása szerkezetük, előállításuk és alapanyaguk szerint. A műanyagok felhasználása és újrafeldolgozása. Az üvegek szerkezete. A szilikátüvegek Fémüvegek

Polimerüvegek Kerámiák. A legősibb kerámia – az égetett agyag Az üvegkerámiák A társított vagy kompozit anyagok (szénszálas, üvegszálas anyagok). A habarcs és a beton A fa, a gyapjú (biopolimerek Folyadékok. A víz fizikai és k émiai tulajdonságai A fázisdiagram A víz szerkezete A felületi feszültség és molekuláris magyarázata. Kohéziós és adhéziós erők Nyíróerők mozgó folyadékban, a viszkozitás. A folyadékok csoportosítása viszkozitásuk (belső súrlódásuk) szerint. Nyírásra lágyuló és keményedő anyagok A makromolekulás folyadékok tulajdonságai. A folyadékkristályok Reális gázok. Telített és telítetlen gőzök Gázok cseppfolyósítása Az anyagok csoportosítása Az élő és élettelen természetben sokféle anyag van. Ezek két nagy csoportra oszthatók: a különálló részecskékből felépülő anyagokra, illetve az erőterekre (gravitációs erőtér, elektromágneses erőtér, magerőtér). A továbbiakban a

különálló részecskékből álló anyagokkal foglalkozunk Anyagok: 1. tiszta anyagok a) elemek • fémek ( pl. réz, arany ) • nemfémek (pl. szén, kén ) b) vegyületek • szervetlen (pl. konyhasó, rézszulfát ) • szerves ( szőlőcukor, alkohol ) 2. keverékek (pl vas és kénpor, homok a vízben ) 1 A kémiai elemekből álló anyag ezért vagy azonos atomok halmazai (pl. neon, réz), vagy az azonos atomok összekapcsolódásából keletkezett azonos molekulák halmazai (pl. oxigén) Ha az elemek közvetlenül atomokból épülnek fel, akkor az azonos atomok közötti kapcsolat lehet gyenge, pl. a neon esetében, vagy erős, pl a réz, a gyémánt esetében A vegyületek vagy a különböző atomokból felépült azonos molekulák halmazai, pl. szőlőcukor, vagy az egymáshoz erősen kapcsolódó különböző atomok (atomcsoportok) halmazai, pl. NaCl A keveréket különböző molekulák vagy atomok hozzák létre. A keverékeket alkotó részecskék közötti

kapcsolat gyenge. A keverék és a vegyület közti különbség még jobban kitűnik, ha meggondoljuk azt, hogy az alkotórészek közti gyenge kapcsolat, ill. erős kapcsolat miatt : az alkotórészek a keverékekben a vegyületben 1. eredeti tulajdonságaikat Megtartják elvesztik 2. egyesítése, szétbontása 3. tömegaránya Egyszerű nem állandó nem egyszerű állandó Proust, Dalton Halmazok és homogén rendszerek Halmazok Az elemeket és a vegyületeket felépítő atomokat és molekulákat – igen kis méretük miatt – csak közvetett úton (műszerekkel) tudjuk vizsgálni. A közvetlen megfigyeléshez ugyanis sok atom, ill molekula együttes jelenléte szükséges. Az olyan rendszereket, amelyekben az atomok, ionok, molekulák száma 105-1010 darab vagy annál több, halmazoknak nevezzük. Az elemek, vegyületek tulajdonságainak vizsgálata nem más, mint az illető anyaghalmazok tulajdonságainak vizsgálata. Az atomokból és különösen a molekulákból

felépülő anyagok halmazai nem tekinthetők csupán sok atomnak, illetve molekulának, mert pl. a molekulák között – a mozgásuk következtében – bizonyos kölcsönhatások lépnek fel. Ha a molekulák közötti átlagos távolság kicsi (szilárd, cseppfolyós anyagokban), akkor a kölcsönhatás számottevő, ha az átlagos távolság nagy, akkor elhanyagolható (légnemű anyagokban). A molekulák, atomok közötti viszonylag gyengébb kapcsolatokat létrehozó másodlagos kötőerőket – gyűjtőnéven – van der Waals-féle erőknek nevezzük. 2 A van der Waals-féle erők legalább egy nagyságrenddel gyengébbek, mint a kémiai kötőerők. Ez annyit jelent, hogy míg a kémiai kötés pl. 2030 °C-on erős, addig a van der Waals-féle kötés energiáját a szobahőmérsékletnek megfelelő hőmozgás energiája már meghaladja, és így a van der Waals-féle kötés felbomlik. Ez a másodlagos kötőerő – kisebb-nagyobb mértékben – egyaránt hat az

olyan molekulák között, amelyekben a pozitív és negatív töltések tömegközéppontja nem esik egybe (poláris molekulák, pl. NH 3 , H 2 O,, H 2 S) és a z olyanok között, amelyekben egybeesik (apoláris molekulák, pl. Br 2 , N 2 , O 2 , CCl 4 , zsírok) Az előbbit dipóluskötésnek, az utóbbit diszperziós kötésnek is nevezik. Dipóluskötés: a poláris molekulák (pl. H 2 O, NH 3 , HCl ), vagyis a dipólusmolekulák közvetlenül hozzák létre a kötőerőt egymás között vagy más, szintén poláris molekulával. Ilyen poláris kölcsönhatás a poláris anyagok oldódása poláris oldószerekben, pl. a NH 3 , HCl oldódása vízben Diszperziós kötés: minden molekulára jellemző, hogy az elektronfelhő, amely az atommagokat körülveszi – az atommagokkal kialakított egyensúlyi helyzete körül – rezgőmozgást végez. Ennek következtében pl. az apoláris molekulából – átmenetileg – dipólusos molekula lesz (indukált dipólus), amely polarizál

egy szomszédos apoláris molekulát. Ebben az állapotban a molekulák kötődnek egymáshoz. Ezután az elektronfelhő – rezgőmozgása miatt – a molekula másik oldalára csúszik át, miközben az egyensúlyi állapoton áthaladva, elveszti polaritását. A másik oldalon újra kialakulnak – ellenkező töltésvégekkel – a dipólusos molekulák, amelyek aztán rövid ideig újra kötődnek egymáshoz. Tehát az elektronfelhő rezgőmozgása hozza létre átmenetileg – az egyensúlyi helyzettől legtávolabbi állapotában – a dipólust, ill. a d ipólusokat Az így kialakult molekulák közötti kötés az ún. diszperziós kötés A kötésnek különösen ott van szerepe, ahol nincsenek poláris molekulák és a dipólusok csak másodlagosan alakulnak ki. Az apoláris-apoláris molekulák közötti diszperziós kapcsolatra példa a Br 2 , CCl 4 ; vagy ha két különböző anyag kapcsolatára gondolunk, akkor a zsírok oldódása CCl 4 -ben (széntetraklorid, szerves

oldószer ). Hidrogénkötés: a van der Waals-féle, ezen belül a dipólusos kötés egy különleges formája alakul ki akkor, ha a kapcsolódó molekulák H-t tartalmaznak és a H -atom nagy elektronegativitású, valamint egy vagy több nemkötő elektronpárral rendelkező atomhoz kapcsolódik. Ezért ezt a kötést hidrogénkötésnek nevezzük. Mind az apoláris, mind a poláris kölcsönhatásokat a van der Waals-féle erő hozza létre, amely tiszta anyagokban azonos molekulák között (régiesen: kohézió), különböző elegyekben, ill. keverékekben pedig azonos és különböző molekulák között (adhézió) egyaránt létrejöhet. Nemcsak molekulák között jöhet létre van der Waals-féle kötés, hanem ion és dipólusos molekula között is. Ezt példázza sok komplex vegyület Az erős másodlagos, ill. van der Waals-kötések energiaértéke eléri a gyenge elsődleges, ill kémiai kötések energiaértékét. Pontosan ezért nem lehet éles határvonalat

húzni az elsődleges vagy kémiai kötések és a másodlagos vagy van der Waals-féle kötések közé. Teljesen önálló (ún. diszkrét) molekulák csak légnemű halmazállapotban léteznek Kisebb mértékű hőmozgás esetében, amikor a részecskék közelebb kerülnek egymáshoz, köztük mindinkább erősödnek az elektrosztatikus kölcsönhatások. Ezáltal az apoláris és a poláris molekulák nagyobb egységekké, folyékony vagy szilárd halmazokká kapcsolódnak. Igen sokszor kémiai kötéssel közvetlenül alakul ki a h almaz. Erre példa minden ionvegyület (NaCl) és s ok kovalens kötésű vegyület. Ilyenkor nincs egyetlen önálló molekula, hanem sok-sok ion, illetve atom építi fel az anyaghalmazt. 3 Homogén rendszerek. Elegyek A tiszta anyagok halmazait a k lasszikus fizika – állapotuktól függően – három csoportba sorolja, (szilárd, folyékony és légnemű halmazállapot ). Ismerünk azonban egy – a részecskék típusán, méretén és

eloszlásán alapuló – másik felosztást is, amely minden anyaghalmazra érvényes: ANYAGHALMAZ tiszta anyagok elemek elegyek keverékek vegyületek HOMOGÉN RENDSZEREK HETEROGÉN RENDSZEREK Homogén rendszerekben a szétoszlatott (diszpergált) részecskék nagysága 1 nm ( 1 nanométer, molekuláris méret ) alatt van, és a halmaz összetétele a rendszer minden részén egyforma (homöos), vagyis a r endszerben észlelhető (makroszkopikus) határfelületek nincsenek. A homogén (egynemű) rendszerek egyetlen fázisból állnak. Lehetnek egy- vagy több komponensűek. Egykomponensűek: a tiszta anyagok (elemek, vegyületek), mert bennük csak egyféle alkotórész (atom, ionpár, molekula) van. Több komponensűek: az elegyek, mert bennük többféle alkotórész található (pl. a cukoroldat) A két vagy többféle anyag homogén keverékét elegynek nevezzük. Vannak: a) b) c) d) gázelegyek, pl. a levegő folyadékelegyek, pl. etanol (etil-alkohol) és víz elegye;

gáz – folyadék-elegy, pl. O 2 és CO 2 oldódása vízben; szilárd – folyadék-elegyek, pl. NaCl-oldat Ha az egyfázisú (egy- vagy több komponensű) rendszer összetétele a halmaz különböző részén nem egyforma, akkor inhomogén rendszerről beszélünk. Pl az egyenetlenül melegedő víz, a különböző sűrűségű rétegeket tartalmazó kénsav oldat. Oldatok Az oldat két (vagy többféle) anyag homogén keveréke. Vagyis az oldat olyan két- (vagy több) komponensű elegy, amelyben az egyik komponens az oldószer, a másik (vagy a többi) az oldó anyag. Sokszor a nagyobb mennyiségben jelen levő komponens az oldószer A szűkebb értelemben vett oldatokban az oldószer folyadék, az oldódó anyag szilárd [pl. NaCl-, C 6 H 12 O 6 - (szőlőcukor-) oldat]. 4 Az oldódás folyamata Az oldódó anyag részecskéit a Coulomb-féle vonzóerő tartja össze valamilyen formában. Pl a NaCl esetében ionkötés formájában, a szőlőcukor (glükóz) esetében

van der Waals-féle kötés formájában. Ahhoz, hogy az oldódó, pl. szilárd anyag kristályai szétessenek, vagyis hogy a kristályok alkotóelemei egymástól elszakadjanak, energia szükséges. Ez a rácsenergia Hasonlóan az előbbihez, az oldószer molekulái között is van összetartó erő. Ez bizonyos mértékben akadályozza a molekulák szabad mozgását. Összetartó erő lép fel azonban az oldódó anyag és az oldószer részecskéi között is. Pl a víz(oldószer-) molekulák megkötődnek a cukormolekulák felületén, miközben alacsonyabb energiaszintű állapotba kerülnek. Így energia szabadul fel Ez a hidratációs energia Az oldódási folyamatban a felhasználódott és felszabadult energia különbsége jelenti az oldáshőt. Ennek előjele lehet negatív és lehet pozitív. Ha az oldódási folyamatban több energia szabadul fel, mint amennyi felhasználódik, akkor a folyamat hőtermelő (exoterm), és az oldat hőmérséklete emelkedik, pl. NaOH vízben

oldódásakor Ha viszont az oldódási folyamatban kevesebb energia szabadul fel, mint amennyi felhasználódik (és ez az általánosabb), akkor a folyamat hőelnyelő (endoterm), és az oldat hőmérséklete csökken. Pl a cukor, a kálium-nitrát oldódása vízben E rács >E hidr esetén a f olyamat endoterm. E hidr >E rács esetén a folyamat exoterm Cukor oldásakor a vízmolekulák összegyűlnek a cukormolekulák felületén, és így azokat eltávolítják egymástól. Heterogén rendszerek A heterogén rendszerekben a sz étoszlatott részecskék nagysága 1 nm felett van. A rendszerben mikroszkopikus határfelületek vannak. A heterogén (különnemű) rendszerek tehát több fázisból állnak. A heterogén rendszerek sokszor több komponensűek, pl: vaspor és kénpor keveréke A szétoszlatott részecskék nagyságától (a diszperzitás fokától) függően a heterogén rendszereket két csoportra osztjuk: kolloid diszperz rendszerek Heterogén rendszerek durva

diszperz rendszerek (keverékek) A kolloid diszperz rendszerekben a diszpergált részecskék nagysága 1 - 600 nm között van. Méretük miatt a kolloid részecskék (diszpergált fázis) igen nagy felületen érintkeznek a környezetükkel. A kolloid diszperz rendszerekben a részecskék felülete – a tömegükhöz képest – 5 olyan nagy, hogy jelentőssé válnak a felületi jelenségek (pl. adszorpció), amelyek meghatározzák a rendszer viselkedését. A kolloid részecskék a nagy felületükön különböző anyagokat (ionokat, molekulákat) képesek megkötni (adszorbeálni). Diszpergáló fázis Diszpergált fázis Gáz Gáz Gáz Folyadék Folyadék Folyadék Szilárd Szilárd Szilárd Gáz Folyadék Szilárd Gáz Folyadék Szilárd Gáz Folyadék Szilárd A kolloid rendszer neve Nincs ilyen rendszer Köd Füst, por Hab Emulzoid Szuszpenzoid Szilárd hab Zárvány Zárvány Ha a kolloid rendszer hab, emulzoid és szuszpenzoid közös nevük a szol (az élő

sejtben). Jó felületi megkötőanyagok (adszorbensek) pl. a frissen leválasztott AgCl, (ezüstklorid) a különböző mesterséges szenek (vérszén, csontszén stb.) Az adszorbenseket a különféle iparágak jól hasznosítják (pl. szennyvíztisztításra) A sejt protoplazmája összetett diszperz rendszer, benne a l egfontosabb komponensek – a fehérjék – kolloidális nagyságrendűek. A durva diszperz rendszerekben (keverékekben) a diszpergált részecskék nagysága 600 nm felett van. A szilárd anyagok keverékén kívül ismerjük még a folyékony – szilárd anyag keverékét (a szuszpenziót, pl. vízben homok keverve ) és a folyékony – folyékony anyag keverékét (az emulziót, pl a víz - olaj keverék ). Ha tetszőleges anyagi halmazban a kémiai és fizikai tulajdonságok helyszerinti változását vizsgáljuk, akkor többféle esetet különböztethetünk meg: Homogén rendszerről van szó akkor, ha a rendszer bármely pontját azonos fizikai és kémiai

tulajdonságok jellemzik. Ilyen pl a tiszta desztillált víz, a nátrium-hidroxid-oldat, a paraffinolaj Inhomogén rendszernek tekintik azt a rendszert, amelyben egy vagy több tulajdonság helyről helyre folytonosan, kontinnusan változik. Pl egyik végén melegített fémrúdon a hőgradiens, vagy diffundáló sóoldatban a só koncentrációja. Heterogén rendszer esetében valamely tulajdonság egy adott helyen hirtelen, ugrásszerűen változik meg. A heterogén rendszer több fázisból áll, a fázisokat határfelületek különítik el Ilyen pl a jég-víz, vagy szilárd anyag és t elített oldata. A fázisokat elválasztó határfelületen lévő részecskék bizonyos eltérő sajátsággal rendelkeznek a fázis belsejében lévő részecskékhez viszonyítva. Az eltérés annak a következménye, hogy a f ázis belsejében minden egyes részecske azonos tulajdonságú részecskével van körülvéve, míg a határfelületen az egyik „oldalról” más tulajdonságú

részecskékkel van kölcsönhatásban. Abban az esetben, ha a határfelületen lévő részek száma elhanyagolható a fázis 6 belsejében lévők száma mellett, akkor a határfelület eltérő tulajdonsága is elhanyagolható a fázisétól a rendszer megítélése szempontjából. A heterogén rendszereknél általában ez az elhanyagolás megtehető. A homogén és a h eterogén rendszerek az an yagi halmazok határesetei, melyek között átmenetet képeznek a kolloid rendszerek. A kolloid rendszerek az atomok, molekulák, ionok olyan halmazai, melyek nem tekinthetők önálló fázisnak, mert a halmazok olyan kicsinyek, hogy a fázisfelület, a határfelület nem hanyagolható el a fázis térfogatához viszonyítva. (Nem valódi heterogén rendszer) A kolloid rendszerek egyik legszembetűnőbb sajátsága a nagy fajlagos felület. Kolloid rendszerek keletkezhetnek úgy, hogy az atomok, molekulák vagy ionok kisebb-nagyobb halmazokká kapcsolódnak. De kialakulhatnak úgy

is, hogy óriásmolekulák jönnek létre, és ezek nagysága hozza létre a homogén rendszerektől eltérő tulajdonságot. E megállapításból következik, hogy a kolloid részecske egy bizonyos halmaznagyságot jelent, egy olyan mérettartományt, amelynél a felületen lévő részecskék száma nem hanyagolható el a fázis belsejében lévő részecskék számához képest. Ezekből következik, hogy ha a részecskék mérete 1-500 nm között van, vagy ha a relatív molekulatömeg kb. 50000-nél nagyobb érték, akkor a rendszer kolloid állapotban van – Kolloid rendszer a köd, a füst, a különféle habok, a keményítő, fehérjék, szappan vizes oldata, a kocsonyák, stb. Mivel a kolloidoknak tömegükhöz képest igen nagy a felületük, ahol könnyen megköthetnek gázokat, folyadékokat vagy oldott anyagokat, jó adszorbensek. Diffúziójuk lassú, a részecskék tömegének növekedésével csökken a diffúzió sebessége. Szűrésük csak különleges, ún

kolloid szűrőkkel valósítható meg. Kolloid oldatban a fénysugár útja láthatóvá válik (Tyndall-jelenség), mert a részecskék mérete akkora, hogy a látható fény szóródik rajta. A kolloid oldatokat szóloknak nevezzük. Ha az oldott anyag részecskéinek mérete 1 n m alatt van, akkor valódi oldatról beszélünk; ha 1-100 nm közötti a r észecskeméret, akkor az oldat kolloid oldat; 500 nm-ig kolloid-rendszer, 500 nm felett heterogén rendszerről van szó. Akár a homogén, akár a heterogén rendszer felől közelítünk a kolloid rendszerhez, a méretbeli változás minőségi változás, különleges sajátságokat eredményez. Kolloid rendszereket állíthatunk elő makroszkopikus anyagok aprításával, diszpergálással. Ha szilárd anyagot diszpergálunk folyadékban, akkor szuszpenziót, ha folyadékot diszpergálunk folyadékban, akkor emulziót kapunk. Emulzió pl a víz – olaj rendszer közvetlenül összerázás után A kolloid rendszerek egyik

érdekes, ugyanakkor nagyon fontos állapota a gélállapot. A gélek (kocsonyák) az élő szervezet szempontjából jelentősek, de ismeretesek a mindennapi életben is. A bőrös húsból kifőzött zselatin, a csontokból készített enyv, egyes gyümölcskocsonyák különlegesen rugalmas és plasztikus tulajdonságú anyagok. Átmenetet képeznek a folyadékok és a szilárd anyagok között. – Géleket kolloid oldatokból nyerhetünk olyan esetben, amikor a kolloid részecske hidrofil (vízkedvelő) tulajdonságú, azaz meg tudja kötni felületén a vízmolekulákat. Hűlés közben (vagy az oldószer elpárolgása következtében) a részecskék mozgássebessége lecsökken, vízburkuk egymásba hatol, és egymáshoz „rögzíti” a részecskéket. Olyan közel azonban nem kerülhetnek egymáshoz a részecskék, mint szilárd anyagok esetében. Ez a helyzet idézi elő a szilárdhoz hasonló, de ugyanakkor rugalmas, „rezgő”, kocsonyás állapotot. Az anyagokat már

felületes szemrevételezés alapján is két csoportra, homogén és heterogén anyagokra oszthatjuk. Homogén anyagok (rendszerek) pl a víz, a k onyhasó, a gumi, a vas , az oxigén, a sárgaréz, belsejében nincsenek makroszkopikus elválasztó felületek (határfelületek). A heterogén anyagok határfelülettel elkülönített, különböző tulajdonságú homogén részekből (fázisokból) állnak. A gránitban pl már szabad szemmel is üvegszerű, kemény alkotórészeket 7 (kvarcot), átlátszatlan vörösbarna darabokat (földpátot) és ezüstös lapocskákat (csillámot) lehet megkülönböztetni. Ez a megkülönböztetés sem lehet szigorú: ha nagyon finom részecskéket vízben eloszlatunk, kezdetben mindenképpen homogénnek tűnik a rendszer, azonban bizonyos idő eltelte után a szilárd alkotórészek leülepednek, és heterogén rendszer keletkezik. Az anyagok különböző halmazállapotokban fordulnak elő. Szilárd, cseppfolyós és légnemű

halmazállapotot, továbbá (nagyon magas hőmérsékleten) plazmaállapotot különböztetünk meg. Ez a felosztás sem szigorú, pl. néhány anyagnak szilárd és cseppfolyós halmazállapota között egy további, folyadékkristály-állapota is létezik. A heterogén rendszerek egyes alkotórészei különböző halmazállapotokban fordulhatnak elő: a köd folyadék-gáz rendszer, a füst szilárd és légnemű alkotórészeket tartalmaz, a zavaros vízben pedig cseppfolyós és szilárd anyagok találhatók. A homogén rendszerek tiszta anyagokból, vagy tiszta anyagok elegyeiből (oldatok) állnak. A homogén elegyek szilárd, cseppfolyós vagy gáz halmazállapotúak lehetnek, elválasztásuk fizikaikémiai módszerekkel történik. Ennek során megkíséreljük az elegy egyes komponenseit másik fázisba vinni, majd az így keletkezett heterogén rendszert elválasztjuk. Különösen egyszerű az elválasztás az elegy hőmérsékletének megváltoztatásával. Ha például

vizes cukoroldatot felmelegítünk, a víz elpárolog (desztillál), a cukor pedig visszamarad és k ikristályosodik. Ha a h omogén elegy alkotórészeinek forráspontja egymáshoz közeli érték, akkor egymást követően többször kell desztillálni ahhoz, hogy nagymértékű elválasztást érjünk el. Fordított irányú hőmérséklet-változásra példa az oldatok lehűtése, amelynek során az egyes tiszta anyagok különböző hőmérsékleten kristályosodnak ki a rendszerből. Ha egy homogén elegyhez nem elegyedő oldószert (például vizes oldathoz szén-tetrakloridot) adunk, akkor az összekeverés után az elegy egyes alkotórészei az oldószerben különböző mértékben oldódnak; ez a f olyamat a kirázás. A folyamatot néhányszor megismételve, az oldószer (benne a feloldott anyag) elkülönül az elegy többi részétől. Ennek során az is előfordulhat, hogy a homogén elegyből egyes alkotórészeit – a homogenitás megszűnése nélkül – teljesen

kirázzuk. 8 Az anyagok szerkezete Környezetünk érzékelhető anyagait az atomok, molekulák sokasága – halmaza – alkotja. A halmazt alkotó részecskék kölcsönhatásban vannak egymással. Ez a kölcsönhatás többé-kevésbé módosítja az egyedi atomok, molekulák szerkezetét, ezért a h almazok tulajdonságai lényegesen különböznek az egyes részecskék sajátosságaitól. Az atomok, molekulák kölcsönhatása meghatározza a r észecskék egymáshoz viszonyított elhelyezkedését, mozgási szabadságát. A részecskék elrendeződésétől és mozgási szabadságától, a halmaz állapotától függenek az anyagok makroszkopikus fizikai sajátságai. Az anyagok ezek alapján csoportokba, ún. halmazállapotokba sorolhatók Szilárd halmazállapotban a részecskék közti viszonylag erős kölcsönhatás minden egyes atom helyét rögzíti. A leggyakrabban az atomok helyhez kötöttsége olyan szabályos geometriai elrendeződést eredményez, ami mindhárom

térirányban szakaszosan ismétlődik – az ilyen anyagokat nevezzük kristályoknak vagy szilárdtesteknek. A kristályokban az atomok egyensúlyi helyzetük körül rezgő mozgást végezhetnek. Folyadék állapotban a részecskék szigorú helyhez kötöttsége megszűnik, bár az atomok továbbra is számottevő kölcsönhatásban vannak. A kölcsönhatás következtében a folyadékban is rendeződnek a részecskék. A közvetlen szomszédok elhelyezkedése hasonló, mint a k ristályos állapotban, az így kialakult csoportok azonban nem hosszú életűek, az erős hőmozgás miatt minduntalan felbomlanak, majd kicsit másként újjáalakulnak. A folyadék annál „hígabb”, annál kisebb viszkozitású, minél erősebb a hőmozgás, azaz minél bomlékonyabbak a kis kiterjedésű rendezett tartományok. Azokat a n agy viszkozitású folyadékokat, amelyek mechanikai értelemben már szilárdnak tekinthetők, üvegeknek nevezzük. Gáz halmazállapotban az atomok, molekulák

hőmozgása erős, a r észecskék közti átlagos távolságok olyan nagyok, hogy számottevő kölcsönhatás nem lép fel köztük. Kristályok Ha az atomok, ionok vagy molekulák szabályos és folytonos térbeli elrendeződést vesznek fel, kristályok keletkeznek. Az egyes alkotóelemeket elsősorban elektrosztatikus erők tartják össze A kristálynak azt a legkisebb építőkövét, amelyből a kristály egyszerű párhuzamos eltolással előállítható, elemi cellának nevezzük. Egy szabad szemmel még éppen látható kristálydarab sok milliárd elemi cellából áll. A kristályos állapot az anyagok leggyakrabban előforduló stabil állapota A kristály alkotóelemeinek geometriai elrendeződését kristályrácsnak nevezzük. Ennek térbeli szerkezete az egyes építőelemek minőségétől függ. Azonos atomokból álló kristályok esetén a következő négy fő rácstípust különböztetjük meg: a) Réz-típusú, lapon centrált kockarács b) Wolfrám-típusú,

térben centrált kockarács c) Magnézium-típusú, hexagonális rács d) Grafit, réteges rács A különböző atomokból felépülő kristályok legtöbbje ionrácsos. A rácstípusok száma ebben az esetben nagyon nagy; a leggyakoribb a kősórács (lapon centrált kloridkocka egy lapon centrált nátriumkockában). 9 Az ideális kristály szerkezete A környezetünkben található szilárd anyagok döntő többsége (ásványok, kőzetek, fémek stb.) kristályos szerkezetű. Kristályos szerkezetről akkor beszélünk, ha az anyagot felépítő atomok (ionok, molekulák) a tér mindhárom irányban szigorú rendben ismétlődve kapcsolódnak egymáshoz. A kristályos anyagok egy kisebb csoportja síklapokkal határolt, makroszkopikus, szabályos geometriai formájával már következtetni enged szabályos belső szerkezetre. Egy évszázaddal ezelőtt még csak ezeket az anyagokat tekintették kristályoknak. A kristályos anyagok többsége makroszkopikusan nem mutat

szabályos kristályformát. Ezek az anyagok egymással szorosan összenőtt apró kristályszemcsékből állnak. A kristályszemcséket nagyon sok, szabályosan egymás mellé rendeződött atom építi fel, az egyes szemcsék illeszkedése azonban viszonylag szabálytalan, ezért nem érzékelhető az ilyen anyagok szabályossága. A kristályos anyag szabályos belső szerkezetére utaló jelenségek A kristályok szabályos geometriai formájának vizsgálata: a k ristályok növekedésének megfigyelése alapján megállapíthatjuk, hogy egyazon anyagból, ugyanazon kísérleti körülmények között képződő kristályok alakja hasonló, a kristályok jellem-szimmetriai tulajdonságai azonosak. Gyakori eset, hogy a k ristály egyes részein a növekedést valami megzavarja, ilyenkor egyes kristálylapok mérete megnő, míg másoké lecsökken. A lapok méretarány-változása a k ristály alakját külsőleg megváltoztatja, de a megfelelő kristálylapok által bezárt

szög ilyen esetekben is az ideálisnak megfelelő. Ezt nevezik a lapszögek állandósága törvényének A kristályok szabályos belső rendezettségére következtethetünk egyszerű kísérletek, mérések tapasztalatai alapján is. A kristályok fizikai tulajdonságai a különböző irányokban lényegesen eltérőek lehetnek. (A különböző irányokat itt a kristály szabályos alakjához viszonyítva kell értenünk) A kristályoknak ezt a sajátságát anizotrópiának nevezzük. Az irány szerint változó fizikai tulajdonságok közül a belső szerkezetre legközvetlenebbül egyes anyagok hasadási tulajdonságai utalnak. Jól hasítható pl a kősó (NaCl), a kalcit (CaCO 3 ), a csillám stb. Nagyméretű, kocka alakú kősókristállyal végzett hasítási kísérletnél a kősó három egymásra merőleges irányban, a kockalapokkal párhuzamosan könnyen hasítható. Más irányú erős behatásra a kristály nem elhasad, hanem látszólag szabálytalan felület

mentén eltörik. A töretfelületen azonban nagyítóval, mikroszkóppal újból felfedezhetők a kockalapokkal párhuzamos hasadások nyomai. A kősókristály hasításokkal apró kockákra darabolható. Érdemes megemlíteni, hogy speciális körülmények között a kősó kocka forma helyett oktaéder formában kristályosodik, hasításkor azonban az ilyen test is a kockalapok mentén hasad. A hasadási tulajdonságokon túl a kristályok más mechanikai sajátságai is mutatnak irányfüggést, így pl. a különböző irányokban mások a rugalmassági állandók, más és más nagyságú feszültség kell a képlékeny alakváltozás megindításához stb. A kristályszerkezetek anizotrópiája az anyag optikai tulajdonságaiban is jelentkezik. Az átlátszó kristályok legtöbbje optikailag kettősen törő, azaz egy természetes fénynyaláb a kristályban két, síkban polarizált, eltérő sebességű nyalábra bomlik. A fény terjedési sebessége a kristály

különböző irányaiban más és más. Egyes fémek (pl. a vas) igen jól mágnesezhetők A mágnesezhetőség szintén irányfüggő tulajdonság A vas kristályszerkezete kockaszimmetriát mutat. Ha a külső mágneses tér iránya a kockalapokra merőleges, a vas könnyen mágnesessé válik, ezzel szemben a kocka térátlójának irányában nehezebben mágnesezhető. 10 A kristályszerkezetek jellemzése a kémiai kötés típusa alapján A kristály geometriai rendjét az atomok (ionok, molekulák) közötti kölcsönhatás határozza meg. A továbbiakban a kristályt felépítő részecskék közötti kémiai kötésből kiindulva megmutatjuk, hogy a kötés természete miként határozza meg a rács geometriáját, ill. a kristály jellemző fizikai tulajdonságait. A rácsot összetartó kémiai kötések szerint a kristályok négy csoportba sorolhatók: atomrácsok, ionrácsok, fémes rácsok és molekularácsok. Atomrácsok Atomrácsról beszélünk akkor, ha a

kristály rácspontjaiban atomok helyezkednek el. Az atomokat kovalens kémiai kötések kapcsolják össze. A kovalens kötések térben irányított molekulapályák kialakulásával jönnek létre. A kötések irányítottsága a kristály belső geometriáját is meghatározza. A kovalens kötés erőssége miatt az atomrácsú kristályok nagy keménységűek és magas olvadáspontúak. Az atomrács tipikus képviselője a gyémánt. A gyémánt a szén egyik kristályos módosulata (a másik a grafit). A kristály minden szénatomja négy másik szénatommal létesít kovalens kötést A négy kötés egyenértékű, a térben tetraéderesen irányított. A szénatomok ilyen összekapcsolódása csak magas hőmérsékleten és különlegesen nagy nyomáson valósulhat meg. (Közönséges körülmények között a szén grafitként kristályosodik.) A gyémánthoz hasonló szerkezetű a szilícium- és a germániumkristály is. Ez utóbbi két kristály a félvezetőgyártás

legfontosabb alapanyaga Ionrácsok Ionrácsról (ionkristályról) akkor beszélünk, ha a kristályban váltakozva pozitív és negatív ionok foglalnak helyet. Az ionrácsú kristályok belső geometriáját három döntő tényező szabja meg. a) b) c) Az ionrácsot az ellentétes töltésű ionok közti Coulomb-vonzás tartja össze. Az elektrosztatikus vonzóerő a tér minden irányában egyformán hat. Az ionkristályokban tehát nincsenek kitüntetett kötési irányok, az ionok a rácsban úgy rendeződnek, hogy az ellentétes töltésű ionok minél közelebb és mennél nagyobb számban vehessék körbe egymást. A különböző ionok mérete eltérő. Ez jelentősen befolyásolja azt, hogy a különböző ionok hogyan helyezkednek el a legtömörebben egymás körül. A kősó kristályrácsában a nagyméretű kloridionok közötti térrészben foglalnak helyet a kicsi nátriumionok. Az ionkristályok elektromosan semlegesek. Ez megköveteli, hogy a kristály

ismétlődő alapegységét, az elemi cellát felépítő pozitív és negatív ionok össztöltése nulla legyen. A kristályos anyagok jelentős része (általában a szervetlen vegyületek) ionrácsban kristályosodik. Az ionok közötti erős elektrosztatikus vonzóerő miatt az ionkristályok kemények, magas olvadáspontúak. A legtöbb ionvegyület vízben jól oldódik. Ez a következőképpen magyarázható. A víz molekulái elektromos dipólusmomentumot hordoznak A vízmolekulák dipólusuk ellentétes pólusával a kristály legszélső ionjai köré csoportosulnak. A vízmolekulák vonzása és a hőmozgás hatására egyre újabb és újabb ionok válnak le a kristályról. A rácsból kivált ionokat a víz molekulái azonnal körbeveszik, és ez által elektromosan annyira leárnyékolják, hogy az már nem épülhet be újból a kristályrácsba. Az ionkristályok mechanikai tulajdonságai nagymértékben irányfüggők. Ennek egyik szemléletes bizonyítéka a

kősókristályok könnyű hasadása a kockalapok mentén. 11 Egyes ionkristályok, mint pl. a kvarc vagy a „házilag” is könnyen növeszthető Seignette-só különösen érdekes tulajdonságot mutatnak: piezoelektromosságot. A piezoelektromos kristályokban – deformációmentes állapotban – a pozitív és a negatív ionok töltésközéppontja egybeesik. Rugalmas deformáció esetén a pozitív ionok kimozdulása az egyensúlyi helyzetüktől különböző mértékű, mint a negatív ionoké, ezért rugalmas deformáció hatására a k ét töltésközéppont különválik. Az így elektromosan polarizálódott kristály egyes lapjai között elektromos feszültség jelenik meg. Az ionvegyületek igen gyakran nagyméretű síklapokkal határolt szabályos kristályokat képeznek. A kősó példáján egyszerűen érzékeltethető a kapcsolat a rácsszerkezet és a kristály alakja között. A fémek kristályszerkezete A fématomokat kristályrácsba rendező fémes

kötés azáltal jön létre, hogy az atomok a legkülső elektronhéjukon levő elektronjaikat leadják. A leadott elektronok ezután a kristály valamennyi ionjához együttesen tartoznak, és a pozitív töltésű fémionokat kristályrácsba rendezik. A kötés kialakulása csak a k vantummechanika segítségével értelmezhető. Eszerint a kristályt alkotó fématomok együttes energiája csökken, ha a fémionok rácsba rendeződnek, miközben a legkülső elektronok a kristály egészére kiterjedően helyezkednek el (delokalizálódnak). A fémes kötés nem tüntet ki egyetlen térirányt sem, így a legtöbb esetben a fém ionjai szorosan rendeződnek egymás mellé. Ha a fématomokat jó közelítéssel golyóknak feltételezzük, könnyen megállapíthatjuk, milyen jellemző rend valósítja meg a t ökéletes térkiöltést. Egy síkban a legtöbb golyót úgy tudjuk elhelyezni, ha szorosan egymás mellé illesztjük őket. Így minden golyónak 6 közvetlen szomszédja

van A legsűrűbb térkiöltésben az ilyen ún. szoros illeszkedésű síkokat kell a legtömörebben egymásra rétegezni Ezt elérhetjük, ha a két réteget úgy illesztjük össze, hogy a felső réteg minden golyója az alsó réteg három érintkező golyója közötti mélyedésbe kerüljön. Ha két ilyen réteget már elhelyeztünk (A, illetve B helyzet), akkor a harmadik réteg atomjait vagy a l egalsó réteg atomjai fölé vagy egy harmadik fajta (C) helyzetbe illesztjük. A szoros illeszkedésű síkok egymásra rétegezésével tehát kétféleképpen is megvalósíthatjuk a tömör térkitöltést. Az első esetben a rétegek atomjai rendre ABAB helyzetben illeszkednek egymás fölé Ilyen rendben kristályosodik pl. a Zn és a Cd Az elrendezést hatszöges (hexagonális) szoros illeszkedésnek nevezzük. A második esetben az egymásra helyezett rétegek atomjai az ABCABCABC helyeket foglalják el. Ebben az elrendezésben kristályosodnak a felületen centrált köbös

(lapközéppontos kockarácsú) fémek, pl. az Al, a Cu, a Ni, az Ag, az Au stb A fémek többsége a szoros térkitöltésű kristályszerkezetek valamelyikében kristályosodik, vannak azonban kivételek, amelyeknek a rácsszerkezete a fentiektől eltérő. A legfontosabbak ezek közül a tércentrált köbös (térben középpontos kocka) rácsú fémek. A tércentrált köbös kristálynál az ionok egy kocka nyolc csúcsán és a kocka középpontjában helyezkednek el. Tércentrált köbös kristályszerkezetűek az alkáli fémek (K, Na stb.), a magas olvadáspontú fémek (W, V, Cr stb.) és leggyakrabban a vas is A polikristályos szerkezet A fémek, bár kristályos szerkezetűek, mégsem mutatnak síklapokkal határolt szabályos kristályformát. A fémolvadék lehűlésekor az anyag megőrzi az öntőforma alakját. A fémtárgyak ui nagyon sok, egymással szorosan összenőtt apró kristályból, ún. kristályszemcséből, más néven krisztallitból állnak Az ilyen

anyagot polikristályos szerkezetűnek mondjuk. A polikristályos szerkezet kialakulásánál a dermedő olvadékban egymástól függetlenül kialakulnak kristálycsírák, amelyek azután a növekedés törvényeinek megfelelően síklapok által határolva növekednek egészen addig, míg össze nem érnek. A szomszédos szemcsék találkozási pontján a 12 növekedés megszűnik, de a krisztallitok közötti, még olvadékkal töltött tartományokban a kristálynövekedés tovább folyatódik egészen addig, amíg a kristályok egészen összeérnek. A szomszédos krisztallitok rendszerint szabálytalan felület mentén illeszkednek egymáshoz. Sem a fémtárgy egésze, sem az egyes kristályok alakja nem tükrözi a belső szerkezet szabályosságát. Azokat a fémeket, amelyek nem polikristályos szerkezetűek, hanem egyetlen krisztallitnak tekinthetők, fémegykristálynak nevezik. A fémegykristályok előállítása különleges tisztaságú anyagokat és speciális

berendezéseket igényel. A fémek általános jellemzése Környezetünkben, mindennapi munkánkban a fémek jelentősége nagy. Előnyös tulajdonságaik alapján sok olyan eszközt, használati tárgyat készítenek belőlük, melyek közvetlenül, vagy közvetve segítik az ember tevékenységét. A fémeknek sok, jellegzetesen közös vonása van: szürke színük, fémfényük, elektromos- és hővezető képességük, rugalmasságuk, amelyek alapján többnyire egyszerűen meg lehet különböztetni őket a nemfémes elemektől. Fémek közé tartozik az ismert elemek nagy része, mintegy négyötöde. Éles határt ugyan nem vonhatunk a kétféle elemcsoport közé, de vezetőképességükben hőmérsékletemelés hatására bekövetkező változás alapján megkülönböztethetjük a fémeket és a nemfémeket. A jellegzetesen fémes tulajdonságok csak cseppfolyós és szilárd állapotban érvényesülnek. Gáz halmazállapotban az önálló, egymástól független

fématomok pl. éppen úgy nem vezetik az elektromos áramot, ahogyan a n emfémek sem vezetik. A fémek tipikus tulajdonságaira tehát szilárd- és cseppfolyós állapotuk szerkezetében kell magyarázatot keresni. A fémek szerkezetére, a fémes rácsra az a jellemző, hogy a vegyértékelektronok vagy azok egy része egyformán tartozik a fémrács minden atomjához. Az elektronok a delokalizált molekulapályákat nem töltik be teljesen, ennek következtében könnyen, kis energia hatására elmozdulnak. Ha a fémekre feszültséget kapcsolunk, az elektronok egyirányú, rendezett mozgást végeznek, és így a fémek vezetik az áramot. A fémrácsok háromféle típusba sorolhatók: 1. a laponcentrált kockarács vagy szabályos rács, koordinációs száma: 12 2. a hatszöges vagy hexagonális rács, melynek koordinációs száma: 12 3. a térben centrált kockarács, benne az atomok koordinációs száma: 8 A fémek rácsszerkezetének fontos gyakorlati jelentősége van.

Megmunkálhatóságuk attól függ, hogy kristályuk melyik rácstípusba tartozik. Legjobban megmunkálhatóak, kovácsolhatóak, nyújthatók, formálhatók a szabályos rácsot alkotó fémek. A réz, az arany, az alumínium pl jól alakíthatóak, vékony lemez is készíthető belőlük, a vas vörösen izzó állapotban kovácsolható jól, mert ezen a hőmérsékleten laponcentrált kockarácsa van. – A hexagonális rácsszerkezetű fémek ridegebbek, keményebbek, nehezebb megmunkálni őket. Ilyenek pl a magnézium, a cink, a kobalt, A térbencentrált kockarácsban kristályosodó fémeket rossz mechanikai tulajdonságok jellemzik. Vagy nagyon lágyak, mint pl. az alkálifémek, vagy igen kemények és ridegek, mint a wolfram, vanádium, króm. 13 A gyakorlatban legfontosabb fémek rácsszerkezetét foglalja össze a következő táblázat: Fémek rácstípusai Laponcentrált köbös rács Ag, Al, Au, Ca, Cu, Mn, Ni, Pb, Pd, Pt, Rh Térbencentrált köbös rács Ba,

Cr, Cs, Fe, K, Li, Na, Nb, Rb, Ta, U, V, W Hexagonális rács Be, Mg, Cd, Co, Ni, Os, Ti, Zn, Zr A fémek tulajdonságai A fémek az elektromos áramot és a hőt jól vezetik, színük szürke a vörös színű réz és a sárga színű arany kivételével. A tömör fémfelület fémfényű A jellegzetes fémfényt a felület nagy visszaverő képessége okozza. A fémporok zömében feketék, mivel ilyen körülmények között a ráeső fény a sokszoros visszaverődés folytán teljesen elnyelődik. – Kis erőhatásra rugalmasak, az erő megszűnése után visszanyerik eredeti alakjukat. Nagyobb erő hatására a kristályrács síkjai elcsúsznak egymáson, a fémek alakíthatóak. Ez a fémrácsra jellemző tulajdonság azzal magyarázható, hogy a síkok elcsúszása után sem változik meg a fém kötési állapota, ugyanolyan szomszédok közé kerülnek az atomok, ugyanaz a delokalizált elektronrendszer tartja őket össze, mint az eredeti helyzetben. Halmazállapotuk

szobahőmérsékleten szilárd, kivételt a higany képez. Olvadás- és forráspontjuk igen változó, függ a kötést létesítő elektronok számától és az atomok méretétől. Minél több elektron vesz részt a kötésben és mennél kisebb méretű az atom, annál erősebb a kötés, annál magasabb az olvadás- és forráspont. Sűrűségük változó, az 5g/cm3-nél kisebb sűrűségű fémeket a könnyűfémek közé, az 5g/cm3-nél nagyobb sűrűségű fémeket a nehézfémek közé soroljuk. A fémeknek közönséges értelemben vett oldószerük nincs. Folyékony állapotban azonban többnyire elegyednek egymással a fémek, és egynemű olvadékot képeznek. Amikor az olvadék megszilárdul, megtartja fémes jellegét, ötvözet keletkezik. A fémek korróziója A fémkohászat hatalmas energia-befektetéssel fémeket állít elő, ugyanakkor a környezet, a levegő oxigénje, a nedvesség, a különböző gázok és a talaj nedvességtartalmában oldott vegyületek

részben visszaalakítják a fémeket fémvegyületekké. A fémeszközök tehát a környezet hatására változnak, egy részük tönkremegy, korrodálódik. Korróziónak nevezzük a környezet hatására az anyagok felületéről kiinduló kémiai változást. A gyakorlatban használt fémek jelentős része sokkal ellenállóbb, mint azt kémiai jellemük, standardpotenciáljuk alapján várnánk. Az ón, ól om, cink, alumínium, magnézium negatív standardpotenciálja ellenére hosszabb időn át változatlanul eltartható, a levegő oxigénjével és nedvességtartalmával szemben passzív. Ezeknek a fémeknek a felületét tömör szerkezetű, jól tapadó fém-oxidból álló réteg fedi, mely megvédi a fémet a további oxidációtól, a fémtárgyat pedig a pusztulástól. – Ezzel szemben pl a kalcium hosszabb állás közben elporlik, a nedvesebb helyen tartott vastárgyakon pedig különösen szembetűnő és gyors a korrózió, rozsda keletkezik. A rozsdaréteg nem

nyújt védelmet a vas számára, mert laza szerkezetű, a pórusokon keresztül a nedvesség és az oxigén a fém belső rétegeihez is hozzáfér, a vasat „megeszi a rozsda”. 14 A korróziós folyamat nagymértékben meggyorsul, ha különböző standardpotenciálú fémek érintkeznek és k özös felületüket elektrolitréteg borítja. Ilyenkor ugyanis galvánelem keletkezik, a negatívabb standardpotenciálú fém oldódik (anód), a másik fémen pedig az elektrolit valamelyik ionja semlegesítődik (pl. H 3 O+-ion) Elektrolit könnyen keletkezik a fém felületére lecsapódott párarétegből, mely a levegőben lévő gázokat oldja (CO 2 , SO 2 , NO 2 ), vagy a talajban lévő vegyületek vízen való oldódásával. Galvánelem, ún. helyi elem képződik olyan esetekben is, amikor a fém szennyező atomokat tartalmaz, vagy öntés során zárvány képződik a fémben, illetve hibás megmunkálás következményeként torzult kristályok keletkeznek. Ilyen

esetekben mindig vannak a f émen aktívabb helyek, ahol oldódás következik be. A korrózió jelentős gazdasági károkat okoz, ezért a kémia egyik fontos feladata a megelőzés és a védekezés. A korrózió elleni védekezés két nagy csoportra osztható: a fém felületének védelmére és korrózióálló ötvözetek készítésére. Ez utóbbi jelenti a l eghatásosabb védelmet, de költséges eljárás, ötvözetek alkalmazása nem minden esetben kifizetődő. Ezért a felületkezelés fontos szerepet kap a korrózió elleni védelemben. Erre alkalmasak különböző festékek, lakkok, műanyag-, zománc-, vagy fémbevonatok, illetve passzív réteg kialakítása a f émfelületen, vagy a p asszív réteg vastagságának növelése. Ezek a b evonatok addig védik a f émet, amíg meg nem sérülnek – A felületvédelemhez tartoznak olyan eljárások is, amelyek alkalmazásánál a bevonat sérülésével nem szűnik meg a védőhatás. Ilyen védelmet nyújt a vasnak

pl a cink bevonat (horganyzott bádog) A korrózió során a Zn oldódik, és mindaddig a vas nem változik, amíg cinkatomok vannak a felületén. Molekularácsok Molekularácsról (molekulakristályról) akkor beszélünk, ha a kristály semleges molekulák szabályos egymás mellé rendeződésével alakul ki. A molekulák maguk is összetettek, atomokból épülnek fel, amelyeket erős kovalens kötés tart össze. A zárt elektronszerkezetű, alacsony energiájú molekulák közt erős kémiai kötés már nem jöhet létre, a molekulák ún. másodlagos kötések következtében rendeződnek kristályrácsba. A másodlagos kötések közül a van der Waals-kötés és a hidrogénhíd kötés a legfontosabb. A van der Waals-kötésű kristályok A legtöbb vegyület molekulájában az elektronok térbeli elrendeződése nem egyenletes, az atommagok pozitív és az elektronok negatív töltésközéppontja nem esik egybe. Az ilyen molekulák ellentétes töltéspárjaikkal egymás

felé fordult elektromos dipólusokként vonzzák egymást. A dipólusok között kialakuló kötés gyenge, ezért a m olekularácsos anyagok puhák, alacsony olvadáspontúak és illékonyak. Molekularácsban kristályosodik a legtöbb szerves vegyület Tipikus molekularácsos vegyület a szilárd szén-dioxid („szárazjég”). Nagyon alacsony hőmérsékleteken a nemesgázok is kristályos állapotúak. Ezek a kristályok szintén a molekularácsok közé sorolhatók. A nemesgázok atomjai egyenletes töltéseloszlásúak, ezért a közöttük ébredő dipólus-kölcsönhatás első pillanatban nehezen érthető. A nemesgázok atommagját gömbszimmetrikus elektronfelhő veszi körül. Ez a gömbszimmetria azonban csak hosszabb idő átlagában jellemzi az elektronok eloszlását, és nem zárja ki azt, hogy egy-egy időpillanatban az elektronfelhő alakja a gömbtől eltérő legyen. Az atom ezért pillanatszerűen rendelkezhet elektromos dipólusmomentummal. A pillanatról

pillanatra változó dipólusmomentum hosszabb időtartamra vett átlaga zérus. A kristályrácsba rendeződött nemesgázatomok pillanatnyi dipólus jellegük miatt kötődnek egymáshoz. A szomszédos atomok dipólusmomentumának iránya pillanatról pillanatra összehangoltan változik, így az atomok közti vonzóerő állandó marad. A van der Waals-kötéssel összekapcsolódó atomok a lehető legszorosabb térkitöltéssel kondenzálódnak. A kristályos nemesgázok rendszerint lapcentrált köbös szerkezetűek A molekularács geometriai szerkezetét a molekulák mérete, alakja döntően befolyásolja. 15 A polimorfia jelensége. A gyémánt és a grafit Gyakori jelenség a természetben, hogy kémiai szempontból azonos anyagok különböző rácsszerkezetű kristálymódosulatokban találhatók. A jelenséget többalakúságnak vagy polimorfiának nevezik Egy anyag többféle kristálymódosulata között adott körülmények között mindig csak egy a stabil

szerkezet, a többi módosulat metastabil, ez utóbbiak azonban gyakran nem tudnak stabil kristályszerkezetűvé alakulni, mintegy „befagyottnak” tekinthetők. A kristályszerkezet és a kémiai kötés típusa A gyémánt és grafit példáján szemléletesen illusztrálhatjuk, hogy az eltérő kristályszerkezet milyen lényeges különbségeket okoz a f izikai tulajdonságokban. A rendkívül kemény, átlátszó, magas olvadáspontú, elektromosan szigetelő tulajdonságú anyag a gyémánt. A közönséges szén a grafit A grafit a gyémánthoz hasonlóan magas olvadáspontú, de nem rendelkezik a gyémánt keménységével. A grafit könnyen rétegekre hasítható, egyszerű dörzsöléssel elkoptatható. A grafit fémesen csillogó, szürkés színű, az elektromosságot a fémekhez hasonlóan vezeti. A grafit tulajdonságait a rácsszerkezet segítségével értelmezhetjük. A grafitrácsban minden szénatom három másik szénatomhoz kapcsolódik, kovalens kötéssel. Az

atomok közti kötést kialakító molekulapályák egy síkban fekszenek, és p áronként 120-os szöget zárnak be. Ily módon hatszöges szimmetriájú rétegek alakulnak ki. Egy-egy ilyen réteg egy óriásmolekulának tekinthető, amelynek különös sajátossága, hogy szénatomonként egy-egy elektron az egész rétegre kiterjed. A réteg mentén delokalizálódott elektronfelhő könnyen gerjeszthető, ezzel magyarázható a grafit fényes szürke színe és jó elektromos vezetőképessége. A grafitkristály a hatszöges óriásmolekula-rétegek egymásra épülésével alakul ki. A rétegek viszonylag távol, egymáshoz képest kicsit eltolva helyezkednek el A rétegeket gyenge másodlagos kötések tartják össze. A rétegek közötti gyenge kötőerő magyarázza a grafit „puhaságát”, koptathatóságát. A rétegeken belül az atomokat összekapcsoló erős kovalens kötések biztosítják a grafit magas olvadáspontját. A polimorfia nemcsak a „befagyott”,

instabil kristálymódosulatok esetén jelentkezik. Sok esetben átkristályosodás is megfigyelhető. Egyszerű példa erre a közönséges körülmények között tércentrált köbös szerkezetű vas. A tiszta vas légköri nyomáson egészen 911 C-ig tércentrált köbös szerkezetű, ha azonban e kritikus hőmérséklet fölé hevítjük, kristályszerkezete átalakul szoros térkitöltésű, lapközéppontos kockaráccsá. A kristályszerkezet-változást jellegzetes térfogatcsökkenés kíséri, és teszi megfigyelhetővé. A műanyagok A műanyagok makromolekulákból felépülő anyagok; tulajdonságaikat a lánc alakú molekulák szokatlanul nagy mérete, illetve hosszúsága, valamint a f unkciós csoportok (észterek, amidok, uretánok) határozzák meg. A műanyagok relatív molekulatömege 10000 és 100000 között van Polimerizációt először E. Simon figyelt meg 1839-ben; megfigyelése vezetett később a polisztirol felfedezéséhez. Elnevezések: Használati

tulajdonságaik alapján a műanyagok a következő csoportokra oszthatók: A hőre lágyuló műanyagok (termoplasztok) üvegesedési hőmérsékletük fölött kemény állapotból képlékeny, alakítható állapotba mennek át. A makromolekulák nem vagy csak kis mértékben térhálós szerkezetűek. Az elasztomerek lazán térhálós szerkezetű molekulákból épülnek fel. Üvegesedési hőmérsékletük (kb. –50 °C) fölött ezek a polimerek kaucsukszerű, rugalmas állapotba kerülnek, és csak korlátozott mértékben alakíthatók. 16 A hőre keményedő műanyagok (duroplasztok) rendkívül sok térhálósodási hellyel rendelkező molekulákból állnak. Egy meghatározott hőmérséklet fölött képlékenységük megszűnik A műanyagok tulajdonságai rendkívül nagy mértékben különböznek egymástól, ennek ellenére lehetővé teszik a szilárd műanyagok négy nagy csoportra történő durva felosztását: 1. Az üvegszerű műanyagok összegombolyodott

vagy térhálós láncokból állnak 2. A kristályszerkezetű műanyagok térben szabályosan rendezett láncokból állnak 3. A szálas műanyagokban az egyes láncrészletek legtöbbször párhuzamosan rendeződnek 4. A gumirugalmas műanyagokban a láncok a külső feszültség megszűnése után azonnal önként összegombolyodnak. A műanyagok szerkezete A műanyagok felépítésében célszerűségi szempontok alapján elsődleges, másodlagos és aggregációs szerkezeteket különböztetünk meg: A műanyagok elsődleges (primer) szerkezete a monomerek fajtáit és polimerláncon belüli elhelyezkedését jelenti. Hosszúsága miatt a láncnak mindig csak egy része, ezenkívül mindig csak az ideális állapot ábrázolható. A hibahelyek fellépése viszont nem ritkaság Az elsődleges szerkezetnek a műanyag tulajdonságaira döntő hatása lehet. A homopolimerek azonos monomerekből állnak, míg a kopolimerek különböző monomerekből épülnek fel. A monomerek

sorrendje váltakozó, statisztikus vagy blokkszerű lehet A lineáris vagy térhálós polimerláncok hálózatokat képeznek, amelyek térbeli elhelyezkedése egyébként azonos láncfelépítés esetén különböző lehet. A műanyagok másodlagos szerkezete az egyes polimerláncok hosszát, alakját és m ozgékonyságát foglalja magában. A műanyag makroszkopikus tulajdonságait a másodlagos szerkezet is nagymértékben befolyásolja. A molekula szilárdsága a molekula hosszúságának növekedésével nő, de a megmunkálás is nehezebbé válik az olvadék növekvő viszkozitása miatt. Az optimális lánchosszat a felhasználás célja határozza meg. A lánchossz a viszkozitás mérésével határozható meg A műanyaglánc legtöbbször gombolyag alakú, mivel a molekula entrópiája ebben az esetben a legnagyobb. A gombolyag méretét a fényszóródás vagy a viszkozitás mérésével határozzák meg. Példa: A széles tartományban használható olajok hosszú

láncú kopolimerek, amelyek alacsony hőmérsékleten erősen összegombolyodnak, viszkozitásuk tehát kicsi. Az olaj hőmérsékletének növekedésével a gombolyagok átmérője és ezzel – a célnak megfelelően – az olaj viszkozitása is növekszik. A polimerlánc mozgékonyságán a lánc egyes részleteinek láncon belül való mozgását értjük, azaz elsősorban a C – C-kötés körüli szabad forgás lehetőségét. A szubsztituensek a lánc mozgékonyságát térben akadályozzák. Az üvegesedési hőmérséklet alatt a mozgékonyság megszűnik A műanyagok aggregációs szerkezete az egyes polimerláncok egymáshoz viszonyított rendeződését jelenti. Négy állapotot különböztetünk meg: 1) Gélállapotban a polimergombolyag rendelkezésre álló térfogatát oldószer tölti ki, óriásgombolyag keletkezik. 2) A gumirugalmas állapot a polimerláncok térbeli hálózatának eredménye. A pontos állapotot a térhálósodási pontok sűrűsége és a

polimerizáció foka határozza meg. Pl: ipari gumi. 3) A műanyagok üveges állapota az üvegesedési hőmérséklet alatt jelenik meg. Az egyes polimergombolyagok kölcsönösen áthatolnak egymáson. Pl: polisztirol, polikarbonát Az üvegesedési hőmérséklet alatt a műanyag üvegszerű, szilárd állapotban van. A molekulaláncok ebben az állapotban rendezetlenek maradnak. 17 4) Kristályos állapot a polimerláncok szabályos elrendeződése esetén lép fel. A legtöbb ilyen állapot csak részben kristályos. Pl: polietilén, poliamidok, poliészterek A műanyagok makromolekuláris szénvegyületek, melyek kémiai eljárás során keletkeznek és jól megmunkálhatók. Csoportosításuk sokféle szempont szerint történhet Aszerint, hogy milyen alapanyagból készült a műanyag, megkülönböztetünk természetes alapanyagú és mesterséges műanyagot. a. Természetes alapanyagú műanyagok A természetes alapanyagú műanyagoknak a kiindulási vegyületei a

természetben megtalálható óriásmolekulák vagy összekapcsolódásra képes kisebb molekulák. Ilyenek pl.: i. A kaucsuk, mely a Brazíliában honos kaucsukfa nedvében található meg legnagyobb mennyiségben, belőle készül a gumi, az ebonit. ii. A cellulóz, amelyből műselymet, celofánt, celluloidot gyártanak. A facellulóz rövid rostokat tartalmaz, mely nem alkalmas textíliák készítésére. Ezért a cellulózt nátrium-hidroxid és sz énkéneg segítségével „oldhatóvá” teszik (nátrium-xantogenát képződik). Az így nyert „oldat” nagy viszkozitású folyadék, melyet szálképző fejen kénsavas kicsapó fürdőbe préselnek. A kicsapódó cellulózból így hosszú szálak képződnek, ebből készül a műselyem. Ha nem szálhúzó fejen, hanem vékony résen át préselik a viszkózus folyadékot a kicsapó fürdőbe, akkor kapják a celofánt. – Magyarországon a nyergesújfalui viszkóza gyárban dolgoznak fel facellulózt. iii. A

fehérje, melyből pl. műszaru készülhet A tejben található kazeint kicsapják, megszárítják, megőrlik, és különböző adalékanyagokkal keverik. Szép áttetsző műanyagot nyernek belőle, melyből gombok, fésűk, egyéb dísztárgyak készülnek. 2.) Mesterséges alapanyagú műanyagok A mesterséges alapanyagú műanyagok kiindulási vegyületei, monomerjei is vegyipari termékek. A makromolekulát kétféleképpen állítják elő belőlük: polimerizációval és polikondenzációval. A kondenzáció olyan reakció régi elnevezése, melyben két vagy több molekula úgy kapcsolódik össze, hogy közben víz- vagy más kisebb molekula keletkezik. Ilyen pl az észterképzés vagy az aminosavak összekapcsolódása a. Polimerizációs műanyagok A makromolekula képződéséhez olyan monomerekre van szükség, melyekben legalább egy kettős kötés van. Polimerizációval készül pl a teflon, a polibutadién, a „szilánkmentes” üveg vagy plexiüveg, a

polietilén, a polivinilklorid (PVC), a polisztirol. A polimerizációs műanyagok hő hatására lágyulnak, képlékennyé, formálhatóvá válnak. b. Polikondenzációs műanyagok Polikondenzációra azok a molekulák képesek, amelyeknek kétféle funkciós csoportjuk van. Így az első lépés után keletkező molekula ismét kétféle funkciós csoporttal rendelkezik, tehát további kondenzációra képes. Óriási, fonal alakú molekulák keletkeznek, ilyen pl. a nylon, vagy a terilén 18 Térhálós szerkezet is kialakulhat olyankor, ha a molekulának három funkciós csoportja van. Ezek a műanyagok hő hatására keményednek, mert a vízmolekulák kilépésével kialakul a térhálós szerkezet. Ilyen pl. a bakelit, mely fenolból és formaldehidből keletkezik A fenolból és formaldehidből készülő műanyagokat, melyeknek viselkedése pl. a keverés arányától is függ, fenoplasztoknak nevezik A fenoplasztok mellett ismeretesek még az aminoplasztok, amelyek

karbamidnak és formaldehidnek a polikondenzációja során keletkező térhálós anyagok. Az óriásmolekulájú anyagok (műanyagok) tulajdonságai A korábbi fejezetekben tárgyalt kristályos anyagok és folyadékok szerkezeti alapegységeit atomok vagy néhány atom összekapcsolódásával kialakult molekulák képezték. Az ilyen szerkezetű anyagoktól lényegesen eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek az ún. óriásmolekulájú (makromolekulájú) anyagok. Ezek alapegységei, molekulái több tízezer atom összekapcsolódásával jönnek létre. Az óriásmolekulájú anyagok közé sok természetes anyag (pl a természetes gumi, a növényi rostok anyagát adó cellulóz, a gyapjú és a hernyóselyem anyaga stb.) és szinte megszámlálhatatlanul sok mesterségesen előállított, ún. műanyag tartozik Valamennyi óriásmolekula közös sajátossága, hogy egyszerűbb szerkezeti egységek, ún. monomermolekulák összekapcsolódásával – polimerizációjával

– jönnek létre. A makromolekulák kialakulására utalva nevezik az ilyen anyagokat gyakran polimeranyagoknak. A polimerek, elsősorban a mesterségesen előállított műanyagok, ipari jelentősége rohamosan növekszik. Széles körű felhasználhatóságuk döntően sajátos mechanikai tulajdonságaiknak köszönhető. Ezen anyagok érdekes sajátsága, hogy mechanikai tulajdonságaikat (de a többi fizikai tulajdonságukat is) nem annyira a kémiai összetétel, mint inkább a molekulák geometriai alakja és összekapcsolódásának módja határozza meg. Gyakran kémiailag igen különböző anyagok mutatnak azonos tulajdonságokat, így például a természetes gumi és a szilikongumi, a selyem és a különböző műselymek stb. Az óriásmolekulák morfológiai szempontból két nagy csoportba sorolhatók. Megkülönböztethetünk láncmolekulájú anyagokat és térhálós szerkezetű polimereket. A láncmolekulájú anyagok hosszú sorban – láncszerűen –

összekapcsolódó monomer egységekből épülnek fel. (A hosszú láncok gyakran leágazásokat is tartalmaznak.) Az ilyen anyagok melegítés hatására fokozatosan lágyulnak (hőre lágyuló műanyagok vagy elasztomerek), oldószerekkel oldhatóak. Ebbe a csoportba tartozik például a polietilén, polipropilén. A térhálós szerkezetű anyagok a tér minden irányába erős kovalens kötéssel összekapcsolódó egységekből épülnek fel. Az ilyen műanyag melegítéssel nem lágyítható, oldószerek hatására legfeljebb megduzzad (oldószert fogad magába), de nem oldódik fel. Térhálós szerkezetűek a különböző műgyanták. A molekulalánc tulajdonságai A hosszú molekulalánc összeilleszkedő egységei közt nincs merev kapcsolat. A monomerek, egy valódi lánc szemeihez hasonlóan, többé-kevésbé szabadon elfordulhatnak egymáshoz képest. Az elforduláshoz szükséges energiát a termikus fluktuációk biztosítják, így egy-egy molekulán belül hol

egyik, hol másik „láncszemnél” következik be véletlenszerű elfordulás. A molekula tehát gyakorlatilag sohasem egyenes lánc, hanem egy pillanatról pillanatra változó alakú láncgombolyag. A molekulagombolyagot azzal a l 0 távolsággal jellemezhetjük, ami két szabad vége között mérhető. A láncmolekulák véletlenszerű felgombolyodása alapvető a polimerek fizikai tulajdonságainak kialakításában. Egyetlen óriásmolekula tulajdonságainak ismerete azonban kevés a makroszkopikus anyag viselkedésének megértéséhez. Ehhez ismernünk kell, hogy a láncmolekulák hogyan szerveződnek anyaggá, vagyis a szomszédos molekulák közt milyen a kapcsolat. 19 Kristályos polimerek A hosszú molekulaláncok közt fellépő kötés általában a gyenge van der Waals-kötés. Ha a láncot alkotó atomcsoportok mérete olyan (általában kicsi), hogy sok atom kerülhet egymás közelébe, akkor az egyenként gyenge másodlagos kötések megsokszorozódó hatása

szilárd kapcsolatot hoz létre a molekulaszakaszok között. Ekkor a molekulaláncok szorosan egymás mellé illeszkedve rendeződnek A rendeződés általában egy-egy lánc fölhajtogatódásával indul meg, majd más láncok csatlakozásával gyakorlatilag az egész anyagra kiterjedhet. A láncmolekulák ilyen rendeződését a kristályosodás egy típusának tekinthetünk. A „kristályos” szerkezetű műanyagokban a molekulaláncok rendezettsége azonban sohasem tökéletes. A rendezett láncok közt viszonylag nagy tartományokat kuszált molekulaláncok töltenek ki. A molekulák rendezettsége következtében az ilyen anyagok fizikai tulajdonságai irányfüggést mutatnak. Az anyag tulajdonságait azonban a rendezetlen tartományok is befolyásolják. Ezeknek tulajdonítható például, hogy az ilyen műanyagokból készült tárgyak (pl polietilénből, polipropilénből készült edények, játékok) „törhetetlenek”. Az anyagot érő hirtelen ütésre ugyanis a

rendezetlen molekulaláncok szinte akadálytalanul mozdulnak el, és ezzel felemésztik az ütés energiáját. Az óriásmolekulájú „folyadékok” A láncmolekulájú anyagok kristályosodásának feltétele az, hogy a m olekulákat alkotó atomcsoportok mérete és alakja lehetővé tegye a láncok szoros egymás mellé simulását. Amennyiben a molekulaláncokhoz oldalcsoportok is kapcsolódnak, a láncok rendeződési készsége csökken. Az oldalcsoportok miatt csak néhány pontban érintkeznek a molekulák, ezért a közöttük kialakuló kötés gyenge. Míg a rendezett polimerláncok kötéseinek felszakításához szobahőmérsékleten a termikus energia nem elég (az anyagot ehhez fel kell melegíteni), addig az oldalcsoportokat is tartalmazó láncok közti kötések felszakítására gyakran már a szobahőmérsékletre jellemző hőmozgás is elegendő. Az ilyen anyag a szabad molekulához hasonlóan láncgombolyagokból áll, a különböző láncok azonban

többszörösen is egymásba gubancolódnak. Mivel a molekulaláncok már kis nyíróerők hatására is elcsúszhatnak egymáson, az ilyen anyagok viszkózus folyadékok. (Szobahőmérsékleten ilyen pl. a szurok, a vulkanizálatlan nyersgumi, a nagy molekulájú szilikonolajok stb.) Ha ezeket az erősen viszkózus folyadékokat lehűtjük, az összekuszálódott láncok hőmozgása befagy, a molekulák megmerevednek. Az ilyen anyag az üveghez hasonlóan rideggé, törékennyé válik (Ilyen pl. a közismert plexiüveg) Gumiszerűen rugalmas anyagok A gumiszerűen rugalmas polimerek a makromolekulájú folyadékokhoz hasonlóan felgombolyodott és egymásba kuszálódott láncmolekulából épülnek fel. A láncmolekulák azonban egy-egy ponton erős kémiai kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. Ezek a kötések nem befolyásolják a közéjük eső láncszakaszok szabad hőmozgását, a molekulák egymástól való elszakadását azonban meggátolják. Az ilyen anyagok tehát nem

folynak szét, állandó határozott alakkal rendelkeznek Erő hatására a gumiszerű anyagok rugalmasan deformálódnak. Ez az alakváltozás rendszerint nagymértékű, és nem követi a kristályos anyagok rugalmas deformációját leíró Hooke-törvényt. A mikroszerkezeti kép alapján könnyen megérthető a gumi rugalmas viselkedése. Egyszerű befőttesgumi nyújtásával is tapasztalhatjuk, hogy a gumiszál aránylag könnyen, eredeti hosszának többszörösére nyújtható. Ezután azonban a további nyújtáshoz szükséges erő ugrásszerűen megnő, és a szál hamarosan elszakad. A kezdeti (kis feszültség hatására bekövetkező) nagy relatív alakváltozásnak az az oka, hogy a hőmozgás miatt felgombolyodott molekulák a húzás hatására könnyen kiegyenesednek. Az erőhatás megszűntével a hőmozgás újra összekuszálja a láncokat Ha a molekulaláncok már kiegyenesedtek, további alakváltozás már csak akkor lehetséges, ha a szénatomok közötti

kötéstávolságot növeljük. Ekkor a gumiszál „felkeményedik” 20 Az üvegek szerkezete A szilárd állapotú anyagok alakja, térfogata állandó, ill. csak nagy erő hatására változik A mechanikai értelemben szilárd anyagok azonban szerkezeti szempontból erősen különbözhetnek egymástól. A mechanikai értelemben szilárd anyagok többsége kristályos szerkezetű, de vannak olyanok is, amelyek nem kristályosak. Ez utóbbiak az üvegek Az „üveg” szó itt nem kizárólag a k öznapi értelemben vett üveget (szilikátüveg) jelenti, hanem a nemkristályos szerkezetű fémeket (fémüveg) és a műanyagokat is. Az üvegek – szerkezeti szempontból – folyadékok, amelyekben olvadékuk gyors lehűlése miatt nem következik be kristályosodás. A továbbiakban az üvegek tulajdonságaival és sz erkezetével, az üvegállapot létrejöttével foglalkozunk. Az üvegek fizikai tulajdonságai Az üvegek tulajdonságait a k ristályok és a f olyadékok

sajátosságai összehasonlításának tükrében érdemes összefoglalni. A kristályos anyagok fizikai jellemzői (keménység, rugalmasság, törésmutató, permittivitás stb.) általában irányfüggő mennyiségek. Röviden: a kristályos anyagok anizotropok Az üvegek fizikai tulajdonságai azonban nem függenek az iránytól, az üvegek izotrop anyagok. Az anizotrópia a kristályszerkezetről, az izotrópia ennek hiányáról tanúskodik. Az üvegek és a kristályok különbözősége jól mutatkozik abban is, hogy az egyes fizikai tulajdonságaikat jellemző paramétereik hőmérsékletfüggése erősen eltérő. A kristályok térfogata egy határozott T 0 hőmérsékleten (az olvadásponton) ugrásszerűen megváltozik. (Hirtelen változást mutatnak az olvadásponton a kristály más fizikai tulajdonságai is.) A gyors változás azt jelzi, hogy az olvadással lényegesen megváltozott az anyag szerkezete. Az üvegeknek nincs meghatározott olvadáspontjuk, így

térfogatváltozásuk sem ugrásszerű. A határozott T 0 olvadáspont helyett itt egy T 2 -T 1 hőmérséklet-tartomány, az ún. lágyulási hőmérséklet-intervallum figyelhető meg (Ez a tartomány az anyagi minőségtől függően tíz vagy száz fok nagyságrendű lehet.) A melegítés során az üvegek ebben az intervallumban egyre képlékenyebbek, lágyabbak lesznek, és a tartomány felső határán már sűrű folyadékként viselkednek. Az üvegek tulajdonságainak folyamatos változása arra mutat, hogy az üveg részecskéinek helyhezkötöttsége nem egy határozott hőmérsékleten következik be, ill. szűnik meg Az anyag szerkezeti felépítéséről a diffrakciós vizsgálatok adják a legközvetlenebb információt. Az üvegekről készített diffrakciós felvételeken a folyadékokra jellemző elmosódó gyűrűs rendszer figyelhető meg. A diffrakciós mérések egyértelműen igazolják, hogy az üvegek szerkezete a folyadékokéhoz hasonló. Az olvadék

túlhűtése; az üvegállapot kialakulása A melegített kristályos anyag olvadása azonnal megindul, amint a kristály hőmérséklete az olvadáspontot eléri. További melegítés hatására a hőmérséklet mindaddig nem változik, míg az egész anyag meg nem olvadt. Ha fordított irányban járunk el – vagyis, ha az olvadékot hűtjük –, akkor viszont az olvadáspontot elérve általában nem indul meg azonnal a kristályosodás. Az olvadékot mindig az olvadáspont alá kell hűteni ahhoz, hogy megjelenjenek benne az első kristályok. Azonban, ha a kristályosodás már megindult, akkor az anyag hőmérséklete az olvadáspontra emelkedik, s mindaddig nem csökken, amíg az egész anyag kristályos állapotba nem jutott. A legtöbb olvadékban már néhány fokkal az olvadáspont alatt megindul a kristályosodás. Néhány anyag olvadéka azonban (pl. timol, fixírsó) jóval az olvadáspont alá hűthető, és ezen az alacsony hőmérsékleten is tartósan

folyadékállapotban tartható. A túlhűtött folyadék kristályosodását egy apró kristálydarab bedobásával (esetleg az edény rázásával) indíthatjuk meg. A folyadékok túlhűtését a következőképpen értelmezhetjük. 21 A folyadékban, mint ahogy azt már láttuk, a r észecskék kölcsönhatása nem nagyon különbözik a kristályos anyagra jellemzőtől. A lényeges eltérés abban van, hogy míg a kristályok egész térfogatában rendezettek a részecskék, addig a folyadékban az erős hőmozgás miatt ez a rendeződés csak kis tartományokra terjed ki. Ezek a t artományok csak a másodperc tört részéig változatlanok, minduntalan felbomlanak és újjáalakulnak. Az olvadékot hűtve a hőmozgás intenzitása csökken, a csoportok átlagos élettartama és mérete nő. Az olvadáspontra hűtött olvadékban azonban még a legnagyobb molekulacsoportok sem tekinthetők kristályoknak. Ezek a csoportok még mindig állandó változásban vannak. A

folyadékot tovább hűtve egyes molekulacsoportok a kedvező véletlenek folytán akkorára nőhetnek, hogy a környező molekulák állandó „bombázása” már nem képes széttördelni őket. Ezeket a kritikus méretet meghaladó méretű molekulacsoportokat, mivel szerkezetük állandó, már apró kristályoknak, ún. kristálykezdeményeknek, „csíráknak” tekinthetjük. Ha az olvadék csak kicsit hűlt az olvadáspont alá, akkor csak a különlegesen nagy molekulacsoportokból válik kristálycsíra. A túlhűlés mértékének fokozásával a kristálycsíra kritikus mérete csökken. Ha a k ristálycsírák átalakultak az olvadékban, az anyag kristályosodása ezek növekedésével már gyorsan végbemegy. A kristályosodás döntő feltétele tehát a kristálycsírák képződése. A folyadék hőmérsékletének csökkenésével a viszkozitás rohamosan növekszik. A kristályosodás nélkül erősen lehűlt olvadékok viszkozitása olyan nagy, hogy az anyag

mechanikai szempontból már szilárdnak tekinthető. Ilyen anyagok az üvegek Az üvegek tehát nem különleges anyagok. Elvileg minden anyag olvadékából keletkezhet üveg, ha az olvadékot elegendően nagy sebességgel hűtjük. A mindennapi életben üvegként ismert anyag a szilikátüveg. Előállítása könnyű, mert lassú hűtés során sem kristályosodik ki. Ugyancsak könnyen dermeszthető üveggé számos műanyag is Ezzel szemben a fémolvadékokból készült ún. fémüvegek előállítása különlegesen nagy hűtési sebességet, bonyolult gyártási technológiát kíván. Fémüvegek Igen gyors (105106 °C/s hűtési sebességgel a fémolvadékok is üveggé dermeszthetők. Az üvegállapotban előállítható fémek leginkább a többkomponensű ötvözetek. Az ilyen anyagok kristályosodási sebessége ugyanis – éppen összetettségük miatt – viszonylag kicsi, ezért olvadékuk túlhűtése könnyebb, mint a színfémeké. Az üvegfémek külső

megjelenése a kristályos fémekéhez hasonló. Fémes csillogásuk, jó elektromos vezetőképességük bizonyítja, hogy atomjaikat fémes kötés kapcsolja össze. Az üvegállapotú fémek azonban egy sor lényeges tulajdonságukban eltérnek a kristályos fémektől. Szerkezetük instabilitását mutatja, hogy egyes fémüvegek, ha meggyújtják őket, lángolva égnek. Mechanikai tulajdonságaik (kopásállóság, nagy rugalmasság, nagy szakítószilárdság) és mágneses tulajdonságaik miatt a fémüvegek az elkövetkező évtizedekben várhatóan fontos ipari alapanyagokká válnak. Polimerüvegek A műanyagok óriásmolekuláinak szerkezete annyira bonyolult, hogy az óriásmolekulák csak rendkívüli körülmények között rendeződnek kristályos alakzatba. Ez az oka annak, hogy a műanyagok általában kristályosodás nélkül szilárdulnak meg. Elegendően alacsony hőmérsékleten minden műanyag üvegállapotú, rideg, törékeny. A hőmérséklet emelésével a

legtöbb műanyag fokozatosan elveszti ridegségét, és egyre rugalmasabbá válik. 22 A folyadékkristályok A folyadékkristályok szerkezete és fizikai sajátosságai jellegzetes átmenetet mutatnak a sz ilárd kristályos anyagok és a folyadékok szerkezete és tulajdonságai között. Folyadékkristályok alkotják pl a szappanbuborék belső és külső határrétegét és a sejtmembránokat is. Folyadékkristályok keletkezhetnek pl. nagy, hosszúkás, a hossztengelyük irányában poláros molekulákból. A molekulák tömegközéppontjai ezekben a kristályokban a folyadékokhoz hasonlóan véletlenszerűen oszlanak el, elhelyezkedésüket a folyadékokra jellemző rövidtávú rend jellemzi. Ugyanakkor a molekulák tengelye viszonylag nagy tartományokban többé-kevésbé rendezetten áll be. Ez a m olekulák elhelyezkedésében tapasztalható rendezetlenség, ill. a tengelyállás irány szerinti rendezettsége határozza meg a folyadékkristályok tulajdonságait.

Ennek megfelelően viszkozitásuk a folyadékokhoz hasonlóan széles tartományban változik, optikailag pedig a kristályos anyagokhoz hasonlóan anizotropok. Kerámiák A köznapi ember számára a kerámia közismert használati tárgyak – a porcelán tányér, a virágcserép vagy a fürdőszobacsempe – anyagát jelenti. A szaktudósok, akik a közös és jellemző anyagszerkezeti tulajdonságok alapján próbálják az anyagokat csoportosítani, a k erámiák esetén nehéz helyzetben vannak, mert nemigen találni olyan szerkezeti sajátságot, amely a so kféle kerámia anyagra egyaránt jellemző, s amelyek segítségével egyértelműen eldönthető, hogy mely anyagok sorolhatók ide. Akadnak olyanok, akik szerint minden olyan szilárd anyag, ami nem fém és nem makromolekulákból áll, kerámiának tekinthető. Ez azonban nyilvánvaló túlzás A kerámia szó görög, égetett agyagot jelent. A kerámia anyagok használható definíciójához talán úgy juthatunk el,

ha visszanyúlunk a sz ó szerinti jelentéséhez, ami inkább a g yártási eljárásra, mint anyagfajtára utal. A továbbiakban kerámián olyan mesterségesen előállított szilárd anyagokat értünk, amelyek porokból vagy szuszpenziókból (finom por és folyadék keveréke) formáznak, majd magas hőmérsékleten egybefüggő anyaggá égetik. A kerámiák alapanyaga fém-dioxid vagy fém-oxid tartalmú ásvány, amelyet a gyártás első szakaszában finom kristályporrá őrölnek. A kerámiák döntő többségénél a kiindulási anyag kémiailag nem egyszerű, hanem különböző összetételű és kristályszerkezetű porkeverék. Az összepréselt porszemcsék között az égetés magas hőmérsékletén alakul ki a kémiai kötés. Ez a folyamat az egyes kerámiaanyagok esetén lényegesen különböző. Van, ahol az érintkezői kristályok egymásba diffundálnak, és í gy forrasztják össze a k ét szemcsét, máshol a h atásfelületen kémiai változások,

szilárd fázisú kémiai reakciók mennek végbe, és így jön létre a kötés, ismét másutt egyes összetevő anyagok megolvadnak, és a porszemcséket körbefogva „ragasztják” össze azokat. A kerámia anyagok fizikai, kémiai tulajdonságai igen sokfélék, néhány általánosan jellemző tulajdonságukat azonban érdemes kiemelni. Mechanikai szempontból a kerámiák nagy szilárdságú, kopásálló anyagok. Keménységük az at omokat összetartó kovalens és ionos kötések erősségének következménye. Jellemző, hogy nyomási szilárdságuk jóval nagyobb a húzó vagy nyíró szilárdságuknál (mintegy tízszerese annak). A kerámiák ridegek, törékenyek, képlékenyen nem alakíthatók. A gyártás során az anyagban igen gyakran maradnak üregek, mikrorepedések Ha a terhelés hatására ébredő belső feszültségek egy kritikus értéket elérnek, a mikrorepedések hirtelen makroszkopikus méretűvé nőnek, és az anyag eltörik. Összenyomás esetén a

kritikus feszültség nagyobb, mint a h úzás vagy a n yírás esetén. A repedés kialakulását kerámiák esetén a Griffith-féle elmélettel értelmezik. Sok kerámiaanyag magas hőmérsékleten is megőrzi kedvező szilárdságát, kopásállóságát. Ez teszi alkalmassá ezeket tüzeléstechnikai berendezések, magas hőmérsékleten koptató hatásnak kitett gépalkatrészek előállítására. Japánban, Amerikában sikeres kísérletek folynak arra vonatkozólag, hogy a robbanómotorokban kerámia alkatrészeket használjanak. A kísérletektől azt várják, hogy a motorok hatásfoka a magasabb üzemi hőmérséklet miatt, illetve a kisebb önsúly 23 következtében javuljon. További előny, hogy a jó kopásállóság miatt a kerámia alkatrészek olajozást is alig igényelnek. A kerámiák kémiai hatásokkal szemben is ellenállók. E tulajdonság elsődleges magyarázatát a kerámiák kémiai anyagában kell keresnünk. Az alapanyag fémoxid, ami további

oxidációra, korrózióra már „képtelen”. A magas hőmérsékleten stabilizált kémiai kötések kémiailag szinte megbonthatatlan, erős kovalens, ionos kapcsolatot hoznak létre az atomok között. A vegyi hatásokkal szembeni ellenállás, a k orrózióállóság a kerámiát a vegyipari létesítmények értékes szerkezeti anyagává teszi. A kerámiák általában elektromosan szigetelők, de vannak közöttük félvezetők is. Külön érdekességként kell kiemelni, hogy kerámia anyagban sikerült először megvalósítani magashőmérsékleti szupravezetést. Ez napjaink egyik legérdekesebb fizikai kutatási területe Miből áll az agyag? Az agyag úgynevezett másodlagos kőzet, amely vulkáni eredetű, vagy üledékes kőzetek lebomlásával keletkezik. Az agyag sem kémiai, sem fizikai szempontból nem egységes, különböző vegyületek, különböző kristályos fázisok keveréke. Az egyes agyagok összetétele és ettől függően tulajdonságai a

lelőhelytől függően is változnak, általánosan jellemző azonban, hogy az agyag különböző kristályszemcséi igen aprók, 0,01 mm-nél kisebbek. Az agyagok döntő részét az ismert „agyagásványok” gyűjtőnév alatt, három anyag, kaolinit, monmorillonit és illit adja. Ezek mellett található még az agyagokban több-kevesebb kvarchomok, csillám és néhány vastartalmú ásvány. Az agyagok közös jellemző tulajdonsága, hogy vizet képesek megkötni. A felvett víz hatására az agyag megduzzad és k éplékennyé válik. A sajátos viselkedés az agyagásványok szerkezetével magyarázható. Ezek az anyagok rétegrácsos szerkezetű alumínium-szilikátok A kaolinit, amely tisztított formában a porcelángyártás alapanyaga, kettős rétegszerkezetű. Egy szilícium- és oxigénatomokat tartalmazó réteg és egy alumíniumot, oxigént és hidroxil-atomcsoportotkat tartalmazó réteg az oxigénatomokon keresztül kapcsolódik össze. Az így létrejött

kettős rétegeket, az OHcsoportok révén, másodlagos kötések, H-hidak kötik össze A montmorillonit hármas rétegekből épül fel. A réteghármasok köré vízmolekulák épülnek be, és H -hídkötésekkel összekapcsolják azokat Száraz állapotban a rétegek közötti vízmolekulák száma kicsi. Ha az agyaghoz vizet adunk, akkor a rétegek közé egyre több H2O molekula épül be, így a rétegek távolsága nő. Ezzel magyarázható az agyag erős duzzadása víz hatására. Az illit a sz intén hármas rétegszerkezetet mutató csillámokból keletkezett úgynevezett hidrocsillám. Rendkívül apró lemezkristályaiban az eredeti csillámokhoz képest megnőtt a víztartalom és lecsökkent az eredeti csillámszerkezet rétegeinek összetartásában szerepet játszó alkáliionok mennyisége. Az agyag mechanikai tulajdonságai a víztartalomtól függnek. A száraz agyagkő kemény, rideg anyag Víz hozzáadására megduzzad, ridegsége csökken, majd képlékennyé

gyúrható masszává válik. Tovább vizezve az agyagot először sűrű péppé lesz, majd hígfolyós iszapot, úgynevezett agyagszuszpenziót alkot. A vizes agyag képlékeny viselkedését az alakváltozás sebességének (folyási sebesség) és a deformáció feszültségének a viszonya jellemzi. Az agyag formálhatósága a k ristályszerkezet és a víz kölcsönhatásának eredménye. Az agyag tömegének döntő részét kitevő agyagásványok, mint ahogy már tárgyaltuk, réteges szerkezetű kristályok. A híg agyagiszap önthető folyadék. Érdekes tulajdonsága, hogy ha hosszabb ideig állni hagyjuk és mechanikai hatás nem éri, akkor viszkozitása erősen megnő, rázás, felkeverés után azonban ismét lecsökken. A tixotrópiának nevezett jelenség szerkezeti magyarázata a következő: a vízben a kristálylemezek szabálytalanul, egymástól távol helyezkednek el. Ha az anyag nyugalomban van, a vízben lebegő kristálylemezek Brown-mozgást végezve

változtatják helyüket és elhelyezkedésük irányát. Ennek során a rétegek közel kerülhetnek egymáshoz és k ötések alakulhatnak ki közöttük Hosszú állás alatt az agyagiszap lemezei laza térhálóba kapcsolódnak, a k ristályrétegek egymáshoz viszonyított helyzete rögzül. Kis erőhatásokkal szemben ez a térszerkezet stabilis és a játékkártyából építhető kártyavárhoz hasonlítható. Amint a kártyavár összeomlik az asztal erős megrázásakor, a kristálylapocskákból álló térszerkezet is felbomlik a nagyobb mechanikai igénybevétel hatására. 24 A beton A XX. század legjellegzetesebb és talán legnépszerűbb építőanyaga a beton Bizonyára sokan készítettek betonból járdát, házalapot vagy vasbeton kerítésaljzatot. Betonkeveréskor többnyire jól bevált recepteket használunk, s n em gondolunk a víz, cement, homok és k avics keverékében végbemenő bonyolult folyamatokra. A kerámia és társított anyagok

tárgyalása után érdemes kissé részletesebben foglalkozni a b etonnal (és alapanyagával, a cementtel), mert ez az anyag bizonyos mértékben mindkét előbb említett csoporttal kapcsolatba hozható. A beton alapanyaga, a cement A téglaégetéshez hasonlóan tulajdonképpen ez az anyag is ősidők óta ismert, bár nem egészen a mai formájában. Már az etruszkok készítettek betont oltott mész, homok és kavics keverékéből A rómaiak vulkáni hamu és mészkő keverékéből égettek cementet. A cement diadalútja mégis csak 1824-ben kezdődött, amikor Joseph Aspidin szabadalmaztatta a „Portland” cementet. Az elnevezés onnan származik, hogy a dél angliai Portlandban sok kőépület színe emlékeztet a cement színére. Aspidin eredeti receptje szerint égetett meszet és agyagot kell vízben péppé keverni. Ezután ezt a cementiszapot annyira fel kell melegíteni, hogy a víz elpárologjon és a k everék részben meg is olvadjon. A hűtés után

visszamaradó anyagot porrá őrölve kapjuk a portlandcementet vagy portlandklinkert. Ma a klinkerégetés alapanyagát a mészkő, agyag, homok és ál talában némi vas-oxid (piritporok) képezi. Ehhez az égetés és őrlés után még kevés gipszet is adalékolnak A kész cementpor végül igen bonyolult sok összetevőjű anyag. Legfontosabb részeit a speciális elnevezésekkel jelölik Ezek az alit (trikalcium-szilikát), a belit (dikalcium-szilikát), a trikalcium-aluminát, a k öztes anyagnak nevezett alumínium-ferrit fázis és a gipsz. Az égetési eljárás, továbbá az alit és a b elit SiO2 tartalma jellegzetesen emlékeztet a k erámiák gyártástechnológiájára és alapanyagára. Egyes kerámiaszakértők ezért a cementet is kerámiának tekintik. Ez azonban számunkra nem jelent mást, mint azt, hogy az anyagok csoportba sorolása mindig bizonyos fokig önkényes és rendszerint nem tehető meg olyan egyértelműen, hogy minden lehetséges nézőpontnak

egyformán megfeleljünk. A habarcs és a beton A gyakorlatban sohasem használunk tisztán csak cementet, hanem azt homokkal vagy sóderrel keverjük. Az előbbi az úgynevezett cementhabarcs, az utóbbi a beton A kaviccsal kevert cementből készült beton kedvező tulajdonságait lényegében a kompozit anyagoknál tárgyalt szilárdító mechanizmussal magyarázhatjuk. A cement közé kevert kavics szerepe kettős: egyrészt nagy szilárdságával javítja a v égtermék mechanikai tulajdonságát, másrészt olcsóságával jelentősen csökkenti az anyag árát. A beton rendkívüli szilárdságát annak köszönheti, hogy a cementből keletkező szilárd fázis és a kődarabok között igen erős kötések jönnek létre. Bár a betonkompozitban nincsenek kitűntetett irányok, mint a szálerősítésű anyagokban, a tapasztalat szerint a beton mégis sokkal jobban bírja a nyomó terhelést, mint a húzó igénybevételt. A jelenség magyarázatát a betonban mindig

jelenlévő pórusok és a makroszkopikus repedések kialakulásában és terjedésében kell keresni. A törés szempontjából a r epedés csúcs környezetében fellépő nyíróerők a kritikusak. Ha ez a nyírófeszültség egy kritikus értéket meghalad, a repedés gyorsan növekszik. A nyújtási terhelhetőség javítására a betonba mintegy szálerősítőként vasszálakat szokás beépíteni. Ennek igen lényeges feltétele, hogy a cem ent jól köt a v ashoz, továbbá, hogy a v as és a b eton hőtágulása közel azonos. A „szálerősítésű” vasbeton a húzó igénybevétellel szemben is nagy ellenállást tanúsít. Ez a tulajdonság tovább javul az úgynevezett feszített betonokban. Ezekben az anyagokban a betonmasszát erős húzófeszültségeknek kitett, rugalmasan nyújtott vashuzal váz köré öntik. A 25 megszilárdulás után a vashuzalok terhelését megszűntetik. Az összehúzódó huzalok a betont összenyomják, s így még a

húzófeszültségnek kitett vasbeton is tulajdonképpen összenyomott állapotban, azaz a beton nagyobb teherbírású tartományában kerül felhasználásra. Biopolimerek A polimer óriásmolekulák nemcsak a szintetikusan előállított műanyagok építőkövei, hanem a természetben is előfordulnak. Azt is mondhatnánk, az óriásmolekulák az élet molekulái A növényi és állati szervezet óriásmolekulákból áll. Ezek alkotják a sejtfalakat, a növények rostanyagát, ott vannak az állatok szőrében, a csontokban, izmokban, kötőszövetekben, de még a vérben is. Óriásmolekulák biztosítják az élet önreprodukáló fennmaradását, megsokszorozódását. A fa hosszú évezredek óta egyik legfontosabb anyaga az emberiségnek. Alapvető jelentőségét még ma is tartja. Sokféle felhasználását kedvező tulajdonságai indokolják Szilárd, rugalmassága nagy, ütésálló, könnyű, sűrűsége kisebb a víznél (0,2-0,8 g/cm3), könnyen megmunkálható;

tartós, jól ellenáll a környezet roncsoló hatásainak stb. Kémiai-fizikai értelemben a fa nem egységes anyag. Különböző kémiai összetételű, eltérő mikroszerkezetű anyagokra választható szét. A fa előnyös tulajdonságai nem tulajdoníthatók kizárólag egyik vagy másik komponensnek, hanem azok sajátos együttesének. Az ilyen agyagokat akár természetes, akár mesterséges eredetűek, a tudomány kompozit anyagoknak nevezi. Az élő fa szöveteiben a sejtek fala szilárd. A kivágott és e lhalt fában a sejtfalak szilárd rendszere tartósan megmarad, ez határozza meg a f ának, mint szerkezeti anyagnak a t ulajdonságait. A sejtfalak párhuzamosan rendeződött hosszú rostokból állnak. A rostok anyaga láncmolekulájú cellulóz A cellulózrostok a l ignin és a kémiailag nem egészen egységes ún. hemicellulózfélék amorf állapotú óriásmolekulái közé ágyazódnak be. A fa mechanikai sajátságai irányfüggőek A legfontosabb ezek közül a

hasíthatóság: a fa „szálirányban” könnyen hasítható, erre merőleges irányban azonban nem. Érdekes, hogy a cellulóz-láncmolekulák éppen a könnyű hasítás irányába rendeződtek. Mi lehet az oka a molekulalánc eddigiekben sohasem tapasztalt merevségeinek? A kérdésre a magyarázatot a molekulagyűrűkhöz oldalról kapcsolódó -OH-csoportok adják. Az erősen poláros – OH-csoportok közt, mint ahogy ezt a v íz, illetve a jég szerkezetének esetében láttuk, H-hídkötések alakulnak ki. A cellulózlánc egyenes alakját a sz omszédos láncszemek közt kialakuló H-hídkötések rögzítik. A kötések kialakulásával a molekulalánc energiája lényegesen lecsökken (Cellulózrostok a fán kívül minden növényben találhatók. A gyapot szálai színtiszta cellulózból állnak, de cellulóz adja a len és a kender rostjait is.) A fa közvetlen felhasználási területe az utóbbi évtizedekben csökkent, kiszorították a műanyagok, a mesterséges

kompozitok. Nem csökkent azonban a fának, mint alapanyagnak a jelentősége A papíripar, a vegyipar, a műanyagipar egyre több fát dolgoz fel. A feldolgozás során leggyakrabban a fa cellulóztartalmát hasznosítják. A fában található cellulózrostok sok-sok szorosan egymás mellé simuló láncmolekulából állnak. A szomszédos molekulák közt szintén H-hídkötések révén alakul ki erős kötés. A fa nagy szilárdsága a rendeződött cellulózrostok következménye, a felhasználás szempontjából azonban lényeges a f a rugalmassága, szívóssága is. Ezek a t ulajdonságok a cel lulózrostok közti tartományokat kitöltő amorf anyagnak köszönhetők. Ennek döntő része lignin A lignin molekulaszerkezete jóval bonyolultabb, mint a cellulózé. Óriásmolekulái a tér mindhárom irányába többszörösen elágazó láncok, amelyek sok nagy térigényű benzolgyűrűt tartalmaznak. A molekula bonyolult térszerkezete miatt lehetetlen bármilyen

rendeződés. A cellulózrostokat minden kémiai változtatás nélkül használják fel a papírgyártásban. A papír vékony rétegben kiterített, összekuszált cellulózrostokból áll, amelyeket összeragasztanak, miközben a rostok közti hézagokat különböző adalék- és festékanyagokkal töltik ki. A műanyagiparban a fából kinyert cellulózmolekulák szerkezetét kémiailag többé-kevésbé átalakítják. Az átalakítás célja az, hogy a vízben és más oldószerekben oldhatatlan óriásmolekulát átmenetileg oldhatóvá tegyék. Az így nyert anyagból műszálakat, fóliákat készítenek oly módon, hogy a sűrű oldatot lyukakon vagy résen préselik át, majd vegyi kezeléssel azonnal visszaalakítják oldhatatlan 26 szilárd anyaggá. Így készülnek pl a különböző műselymek (acetátselyem, rézselyem, viszkózselyem), az acetátfilm, a cellofán. A cellulóz mellett a lignin is hasznosítható része a fának. Az úgynevezett száraz lepárlás

során a fát levegőtől elzárva hevítik. Ilyen körülmények közt a lignin molekulái részlegesen elbomlanak, miközben számos, a vegyipar számára igen fontos anyagot szolgáltatnak. Az élő anyag legfontosabb anyagai a fehérjék. A fehérje elnevezés gyűjtőfogalom, igen sokféle molekulaszerkezetű fehérjét ismerünk. A tojásfehérje több különböző molekulájú, de rokon szerkezetű vegyület keveréke, a keratin nevű fehérje a haj és a gyapjú, a kollagén a bőr és a csontok alkotórésze. Fehérjék alkotják az izmok anyagát (miozin, aktin), fehérje a vér hemoglobinja, az inzulin, a különböző enzimek stb. ezekben a vegyületekben az a közös, hogy valamennyi többé-kevésbé hasonló tulajdonságú kisebb molekulák, aminosavak összekapcsolódásával épül fel. A különböző fehérjék húszféle aminosavat tartalmaznak. Ezek közül az eg yes fehérjékben több-kevesebb fordul elő egyszerre. Az óriásmolekulákat az aminosavak

periodikusan ismétlődve építik fel Egy-egy óriásmolekula kb. száz aminosavegységet tartalmaz Az egyes fehérjék tulajdonságait a felépítő aminosavak minősége és kapcsolódási sorrendje határozza meg. A gyapjú és a haj építőanyaga: a keratin.Az emberi haj és az állatok gyapja közel azonos szerkezetű. A szálak keratin nevű fehérjemolekulákból épülnek fel A molekula közel húszféle aminosavat tartalmaz. A molekula α-hélix szerkezetű A spirál alakú molekulák sajátosan rendeződnek egymás mellé. Először a molekulák hármasával épülnek össze, a három spirális molekula egymásba tekeredik, hasonlóan egy háromerű sodrott kábelhez. Az így kialakult szálak kötegekbe rendeződnek. Egyetlen vékony hajszálunk sok-sok ilyen kötegből áll Az összetekeredett hélixeket, illetve ezeket szálakká, majd kötegekké H-hídkötések, illetve ún. kénhidak rögzítik A gyapjúszál az egyik legértékesebb alapanyaga a textiliparnak. A

gyapjúholmik melegek, rugalmasak, nem gyűrődnek. Ezek az értékes tulajdonságok a szálak molekulahélixekből álló szerkezetének köszönhetők. A gyapjúnak van azonban egy kellemetlen tulajdonsága is, a mosásban, ha a mosószer túl „erős”, vagy ha a víz túl meleg, a gyapjúholmi könnyen összemegy. Mi történik ilyenkor? A szál bonyolult szerkezetét rögzítő kötések a meleg, illetve az erős mosószerek kémiai hatására tömegesen felszakadnak. A hélixeket alkotó molekulaláncok szabályos nyújtott spirálszerkezete megszűni, és a láncok összegubancolódnak. A lehűléskor, öblítéskor ismét kialakuló kötések ezt a szabálytalan molekulaszerkezetet rögzítik, az anyag többé már nem nyeri vissza eredeti szerkezetét és az ezzel járó előnyös tulajdonságokat. Az emberek, különösen a hölgyek megjelenését döntően meghatározza a hajviseletük is. A frizurának egyik leglényegesebb része a haj megfelelő esését biztosító

hullámosság. A hajszálak természetes hullámossága a m olekulahélix-kötegek összekapcsolódásától függ. Ezt azonban könnyen meg lehet változtatni. A legegyszerűbb módja ennek a haj „besütése” Ilyenkor felmelegített sütővassal a kívánt alakú hullámokat belenyomják a hajba. A meleg hatására a fehérjemolekulákat egymáshoz rendező kötések egy része felszakad, és a hélixkötegek a deformáló erő hatására elcsúsznak egymáshoz képest. A hajszál hasonló szerkezetváltozása – durva mechanikai hatásra – melegítés nélkül is bekövetkezhet. Ujjunkra tekerve rögzítsünk egy hosszú hajszálat, majd húzzuk végig a h ajszál szabad végét két körmünk között! A deformált hajszál rugószerűen karikába göndörödik. A jelenség magyarázata az, hogy a két körmünkkel meghúzott hajszál egyenetlenül deformálódik. Amelyik oldalon a deformáció nagyobb, a m olekulakötegek közti kötések felszakadnak, és a kötegek

maradandóan elcsúsznak egymáshoz képest. Az egyik oldalán megnyúlt szál jellegzetesen meggörbül A frizurát „daueroló” fodrász a k émia segítségét is igénybe veszi, a hajszálak alakjának megváltoztatásához. A keratinmolekula hélixei közt jellegzetes kötés alakul ki két kénatom közvetítésével. A dauervíz kémiai változást okoz, felszakítja a k énhidakat Ezzel a két hélix közti kapcsolat gyengül, és a b ecsavarás során a m olekulák elmozdulnak egymáshoz képest. A szárítás, illetve öblítés során a kénhidak újból kialakulnak, és ezzel a hajszál új alakját rögzítik. 27 A víz fizikai tulajdonságai A víz 1 atmoszféra (105 Pa) nyomáson 0°C és 100°C hőmérséklethatárok között folyadék, 0°C alatt jégkristály, 100 °C felett gőz. Nagyobb nyomáson a cseppfolyós állapot hőmérséklet-tartománya megnő, a forráspont megemelkedik, a fagyáspont pedig lecsökken. A fázisdiagram Az anyagok különböző

halmazállapotainak megjelenését a különböző hőmérséklet-és nyomástartományokban legegyszerűbben az ún. fázisdiagramon tekinthetjük át A víz fázisdiagramján az egyes tartományokat határoló görbék olyan állapotokat jelentenek, amelyekben az anyag két különböző halmazállapota egyszerre létezhet egyensúlyi körülmények között. Az (1)-gyel jelölt ún olvadási görbe pontjai a folyadék és szilárd fázis, azaz a jég és víz keverékének felel meg. A (2) számú telítési gőznyomás görbe által meghatározott hőmérséklet- és nyomásértékek esetén vízgőz és víz keverék alakul ki. Az elnevezés abból származik, hogy amennyiben a vízfelszín felett elhelyezkedő vízgőz nyomása a telítési gőznyomás fölé emelkedik, akkor megindul a lecsapódás. A (3) szublimációs görbe pontjaiban jég és vízgőz létezhet együtt. Ha vízgőz-jég keveréket úgy hűtünk, hogy közben a n yomás állandó marad, és az izobár

átmetszi a szublimációs görbét, akkor a vízpára folyadékállapot kialakulása nélkül közvetlenül jéggé fagy. (Ezt a jelenséget depozíciónak nevezzük, fordítottja a szublimáció, melynek során egy szilárd anyag gázzá alakul.) A három görbe közös metszéspontjában a hármaspontban a három halmazállapot együtt lehet egyensúlyban. A víz hármaspontjában t h =0,01°C, p h = 602,6 Pa Jellegzetes és az anyagi minőségre jellemző ún. kritikus nyomást és hőmérsékletet jelöl ki a telítési gőznyomás görbe felső pontja Ezen értékek felett a vízgőz nem cseppfolyósítható. A víz kritikus adatai: t k =374°C, p k = 221·105 Pa Megemlítjük, hogy a kísérleti tapasztalatok szerint az olvadási és sz ublimációs görbének ilyen végpontja nem is létezik. Érdemes megemlíteni, hogy más anyagok esetén a nyomásnövekedés általában fordított hatású, mint a víznél. Így például a fémek esetén a fagyáspont emelkedik, a

forráspont lecsökken A legtöbb anyag sűrűsége a szilárd kristályos állapotban nagyobb, olvadt állapotban kisebb. A folyadékok sűrűsége rendszerint az olvadásponton a legnagyobb és a hőmérséklet emelésével monoton csökken. A víz nem követi ezeket az általános szabályokat 28 A 0°C-os jég sűrűsége kb. 9%-kal kisebb, mint a 0°C-os vízé A jég ezért úgy úszik a v íz felszínén, hogy mindössze 1/9 része emelkedik a v ízszint fölé. Ez a jelenség szomorú hajókatasztrófákat okozott. A hajó kormányosa csak a sodródó jéghegy csúcsát látta, a vízben rejtőző nagyobbik rész alakját, kiterjedését nem. Látszólag biztonságosan elhajózhattak volna a jéghegy mellett, mégis összeütközés és halál lett az eredménye. Talán a legismertebb az ilyen balesetek közül a Titanic utasszállító luxusgőzös tragédiája 1912. április 15-én A víz sűrűsége sajátos módon változik a hőmérséklet függvényében. A

sűrűség +4°C-on a legnagyobb. 1000 kg/m3 Ennél alacsonyabb, illetve magasabb hőmérsékleten a sűrűség kisebb, pontos értékeket a fenti ábráról olvashatunk le. A jég-víz rendszer sajátos sűrűségviszonyainak fontos szerepe van a természetben. Az időjárás hidegebbre fordultával a folyók és a tavak felszíni rétege fagy jéggé. A melegebb és ezért sűrűbb víz a meder alján helyezkedik el. A jég rossz hővezető, ezért a jégréteg csak lassan vastagodik, így igen ritkán fordul elő, hogy egy tó fenékig befagy. A vastag jégpáncél alatti melegebb vízben, laza iszapban a halak és más vízi élőlények rendszerint károsodás nélkül túlélik a telet. Ha a víz sűrűsége például az olvadt fémekéhez hasonlóan változna, a folyók, tavak „alulról” fagynának be, és ezt az élővilág nem vészelné át. A víz melegítéséhez viszonylag sok energia szükséges. A víz fajhője 4,18 kJ/kg, duplája a jég fajhőjének, közel

tízszerese a vas, és harmincszorosa a platina fajhőjének. A víz 2,25·103 kJ/kg forráshője szintén figyelemreméltóan magas. A tiszta (desztillált) víz színtelen, szagtalan, átlátszó folyadék. Az elektromos áramot – gyakorlatilag – nem vezeti. A fázishatárokon az anyag jellegzetesen reagál a térfogatváltozásra. A nyomás és hőmérséklet változása helyett a különböző fázisok tömegének aránya változik meg. Ha pl egyensúlyi víz és gőz keverékének térfogatát csökkentjük, akkor a gőz egy része lecsapódik, a keverék nyomása és a hőmérséklete azonban nem változik. Jól polarizálódik. Ezt bizonyítja a következő kísérlet is: nyissuk meg a vízcsapot úgy, hogy a víz vékony, folytonos sugárban folyjon. Közelítsünk a vízsugárhoz elektromos állapotba hozott (megdörzsölt) ebonit- vagy üvegrudat. A vízsugár a rúd felé kitér, bizonyítva, hogy a víz részecskéi és a töltött rúd között vonzerő működik. A

víz jó oldószer. A kristályos anyagok közül az ionkristályok jól oldódnak a vízben A szalmiákszesz az ammóniagáz (NH 3 ) vizes oldata, a „szódavíz” a szén-dioxidé (CO 2 ). A vízben oldott oxigéngáz (O 2 ) biztosítja a vízi élőlények életműködését. Az oldódási folyamatok többségét hőeffektus kíséri. Ez arra utal, hogy az oldódáskor a víz és az oldott anyag részecskéi nemcsak egyszerűen „elkeverednek”, hanem intenzív kölcsönhatásba is kerülnek egymással. A vizes oldatok fizikai tulajdonságai eltérnek a tiszta (desztillált) vízétől. Az eltérés mértéke az oldott anyag minőségétől és az oldat töménységétől függ. Az oldatok fagyáspontja 0°C alá süllyed, forráspontja 100°C fölé emelkedik. Az oldatok tehát nagyobb hőmérséklet-tartományban cseppfolyósak, mint az oldószer. Az oldott anyagok hatására megváltozik a sűrűség, a felületi feszültség, a viszkozitás, az elektromos vezetőképesség.

A víz szerkezete A cseppfolyós víz szerkezete sok szempontból hasonló a jég szerkezetéhez. Ezt egyértelműen bizonyítják a d iffrakciós szerkezetvizsgálatok. Ezek a vizsgálatok azt mutatják, hogy a csep pfolyós vízben egy-egy molekulát közelítően négy másik molekula fog közre. A közvetlen szomszédok száma a hőmérséklet növekedésével ugyan kissé nő, de ez a szám még 80°C-on is átlagban csak 4,9. A víz szerkezetét a jég szerkezetének ismeretében a következőképpen kell elképzelnünk: a vízben a H2O-molekulák viszonylag nagyméretű (20°C-on kb. 80+90 molekulát tartalmazó) csoportokba szerveződnek. Ilyen csoportokhoz tartozik a molekulák mintegy 70%-a A csoportokban a molekulák H-hídkötéssel kapcsolódnak össze. Az összekapcsolódó molekulák a jég szerkezetéhez 29 hasonlóan tetraéderes irányokban helyezkednek el egymáshoz viszonyítva, de az az eset is gyakori, hogy egy-egy molekulának négy szomszédjából

egy-kettő hiányzik. A nagyméretű molekulacsoportok közötti tartományokat magányos, illetve kettesével-hármasával összeálló, esetleg hatos gyűrűkbe kapcsolódó molekulák töltik ki véletlenszerű elrendeződésben. Feltehetően az sem ritka, hogy a laza, jégszerkezetű rajok belső üregeiben, csatornáiban magányos vízmolekulák helyezkednek el. Érdemes felhívni a figyelmet néhány számadatra is. A jégkristályban minden molekula négy H-híddal kapcsolódik szomszédjaihoz. Mivel mindegyik kötés két molekulához tartozik, így mindegyik vízmolekulára átlagosan két H-hídkötés jut. A forrásponton egy-egy molekulára átlagosan jutó H-hidak száma1,2. Ez a k ét adat mennyiségileg is érzékelteti, hogy a molekulák között – még 100°C-on is – erős a kölcsönhatás. A víz szerkezetét azonban nem szabad statikusnak képzelnünk. A H-hídkötés ugyanis 0°C fölött – a molekulák hőmozgása miatt – csak igen rövid élettartamú.

Egy-egy kötés másodpercenként átlagosan 1010-szer felbomlik, majd újjá alakul. A molekulacsoportok ennek megfelelően állandó változásban vannak, részlegesen vagy teljesen felbomlanak, átszerveződnek. (A csoportok felbomlásában szerepet játszanak a rendezett tartományok között lévő magányos molekulák is. Ezek ugyanis kis tömegük miatt gyorsan mozogva is szüntelenül „bombázzák” a cso portokat.) A víz szerkezete tehát folytonos változásban lévő dinamikus egyensúlyi szerkezet. A felületi feszültség Már az egyszerű megfigyelések is mutatják, hogy a valóságos folyadék szabad felülete nem olyan, mint az a hidrosztatika törvényeiből következik. A víz felszínére helyezett zsilettpenge nem merül el, holott sűrűsége nagyobb, mint a vízé. Vékony csövekben (kapillárisokban) a folyadék szintje alacsonyabban vagy magasabban van, mint azt egy ideális folyadéknál várnánk a közlekedőedények törvénye alapján. A folyadék

felülete különleges viselkedést mutat Kohéziós és adhéziós erők A folyadékmolekulák között vonzóerő működik. Ezt bizonyítja a vákuumban is működő folyadékszivornya, valamint az a tény, hogy nem túl magas hőmérsékleten a folyadékrészecskék a hőmozgás ellenére a folyadékban maradnak, a párolgás lassú. Az azonos részecskék között működő erőt kohéziós erőnek, a különböző minőségű részecskék közötti erőket adhéziós erőnek nevezzük. Üveglapot vízbe mártva és kiemelve, rajta a vízmolekulák megtapadnak. Ez azt jelenti, hogy a víz- és üvegrészecskék között fellépő adhéziós erők nagyobbak a vízrészecskék között fellépő kohéziós erőnél. Az ilyen tulajdonságú folyadékokat az üveget „nedvesítő” folyadékoknak mondjuk A kísérletet megismételve higannyal, az nem tapad az üvegre. A higany nem „nedvesíti” az üveget A rézlemezzel elvégzett hasonló kísérletnél a higany rátapad a

lemezre, „nedvesíti” a higanyt. A szappanos vízbe mártott drótkarikán vékony hártya képződik. A fonálhurok belsejében a hártyát átlyukasztva, a f onálhurkot a folyadékhártya szétfeszíti. A hurok köralakjából arra következtethetünk, hogy a folyadékhártyában a határgörbére merőleges, a hártyát összehúzó erők működnek. Ez az erő mérhető A felület mentén a hártya által kifejtett összehúzó erő a huzal és a nehezék súlyával tart egyensúlyt. Mivel a hártya körülöleli a huzalt, ezért a felület menti húzóerő két, l hosszúságú szakasz mentén működő erő egyenesen arányos l-lel és függ a f olyadék anyagi minőségétől (valamint kis mértékben a hőmérséklettől): F=α·2l Az α arányossági tényező neve felületi feszültség. Skaláris mennyiség, mértékegysége N/m szemléletes jelentése: az 1 m hosszúságú határvonal mentén fellépő erő számértéke. 30 A felületi feszültség molekuláris

magyarázata A folyadék molekulákból áll, amelyek között vonzó kohéziós erők működnek. Ezen erők hatótávolsága kicsi, néhány molekula átmérőnyi (kb. 10-8 m) a folyadék belsejében levő molekulákat minden oldalról körülveszik társaik, míg a határfelületen levőket nem. Ezért a határfelületen levő molekulák kisebb energiával kötődnek a folyadékhoz. Így ahhoz, hogy egy molekula a felszínre jusson, munkát kell végeznünk, energiát kell befektetnünk. A felület növelése a felszínen levő molekulák számának növekedésével jár. A felületnövekedés egyenesen arányos a f elületre jutott molekulák számával, mert minden molekula által elfoglalt terület azonos. Tehát a felület növekedése egyenesen arányos a befektetett munkával, a felületi energiával. Ebből már következik, hogy a határgörbe mentén kifejtett erő csak a görbe hosszától és a folyadék anyagi minőségétől függ, és független a f elület más

adataitól, csak a f elületi energiára vonatkozó „levezetést” kell visszafelé olvasnunk. (A valóságban a folyadék felett valamilyen gáz és folyadék telített gőze van Az ezek által kifejtett vonzóerők is befolyásolják a felületi energiát, ezért a felületi feszültség értéke függ attól is, hogy mi van a folyadék felszíne felett.) Folyadékfelszín az edény fala közelében. Az edény falának közvetlen közelében a falat nedvesítő folyadék felülete homorú, a falat nem nedvesítő folyadék domború. A görbült felületi tartomány a faltól kb. mm-es távolságig tart A jelenséget azzal magyarázhatjuk, hogy az edény falától néhány molekulaátmérőnyi távolságra levő részecskékre a falra merőleges adhéziós erő és a folyadék belsejébe mutató kohéziós erő hat. A folyadék felszíne ezek eredőjére merőleges Most a néhány molekulára ható kohéziós erőt külső erőnek számítjuk. (Az, hogy a görbület nemcsak

néhányszor 10-8 m-ig tart, hanem mm-es nagyságrendig, azzal magyarázható, hogy az edény fala közelében levő molekulák a kohéziós erőkkel hozzájuk kapcsolódó távolabbi molekulákat mint egy lánc szemeit viszik magukkal. Hajszálcsövesség Vékony csövekben (kapillárisokban) a folyadék felszíne a cső peremére illeszkedő homorú vagy domború felület aszerint, hogy nedvesítő vagy nem nedvesítő folyadékról van szó. A folyadék szintje itt magasabban vagy mélyebben van, mint a nagy, szabad felület esetén lenne. Nedvesítő folyadéknál a cső falánál levő részecskék a falhoz préselődnek a nagy adhéziós erők miatt. A folyadék elkezd felfelé futni a kapilláris belsejében Mivel az adhéziós erők csak néhány molekula vastagságú rétegre hatnak, ezért csak egy vékony réteg kezd felfelé menni, mely a kohéziós erővel hozzájuk kapcsolódó többi molekulát is magával ragadja. Így a fal mentén felfelé kúszó molekulák a cső

belsejében levő összes többi részecskét magukkal ragadják a kohéziós erők közvetítésével. A cső fala mentén levő részecskék erősen a falhoz tapadnak A távolabbiak a folyadék felszínén a felületi feszültségből meghatározható 2πrα erővel kapcsolódnak a falon tapadó molekulákhoz. A felületen levő molekulákhoz a csőben levő πr2ρgh súlyú folyadékoszlop csatlakozik Az egyensúly akkor áll fenn, ha a felületi feszültségből származó erő még meg tudja tartani a folyadékoszlopot Mi a folyadék? A folyadék kifejezéséről szinte mindig a vízre asszociálunk, hiszen napjaink leggyakoribb folyadéka a víz. Kissé tovább gondolkozva azonban megállapíthatjuk, hogy a mindennapi életben folyadékok sokasága vesz körül bennünket. Folyadék a víz, a benzin, a vér stb De folyadék-e a szurok vagy a t ojásfehérje? Folyadéknak tekintsük-e az ugrógittet? Ezekre a kérdésekre a h étköznapi szemléletünk alapján a

körülményektől függően adunk esetenként ugyanazon anyagot tekintve is más és más választ. Az ugrógittet pl nyúlós folyadéknak tekintjük, amikor lassan kifolyik az edényből, de szilárdnak, amikor gumilabdaként pattogtatjuk. A víz szerkezetével és t ulajdonságaival foglalkozva már megállapítottuk, hogy a folyadékok alapvető tulajdonsága molekuláik gördülékenysége. Makroszkopikusan ezt úgy fogalmazhatjuk, hogy nyugvó folyadékokban nem léphetnek fel nyíróerők. 31 Mit jelent a nyíró igénybevétel? Legismertebb példája az ilyen erőhatásnak a papírvágás. Az olló élei a papírlap szomszédos rétegeit elcsúsztatják egymáson. A nyíró igénybevétel jól szemléltethető pl egy kártyacsomaggal Húzzuk szét az asztalra helyezett kártyacsomag lapjait! A lapok egymáson elcsúszva válnak szét. A nyírás mennyiségi jellemzésére a γ szöget használjuk, míg a nyírási igénybevételt a nyírófeszültséggel, a nyíró erő

és a nyírt felület hányadosával adjuk meg. Szilárd anyagokban a felső terhelt réteget az alulról visszafelé húzó molekuláris erők egyensúlyban tartják. Így az anyagban statikus állapotban is létezhetnek nyíróerők. Ez lehetetlen a folyadékokban! Nyírási igénybevételnek kitett folyadékok sohasem maradhatnak nyugalomban. Hétköznapi tapasztalataink jól alátámasztják ezt. Két egymáson fekvő nedves üveglapot szinte lehetetlen elhúzni egymástól. Csúsztatva azonban könnyen szétválaszthatók Nyíróerők a mozgó folyadékban A statikus állapot vizsgálatánál azonban jóval érdekesebb a m ozgó folyadékok egymáson elcsúszó rétegei között fellépő erők vizsgálata. A mozgó folyadékokban fellépő nyíróerőkre vonatkozóan 1867-ben Newton állapított meg egyszerű törvényt. Ha két párhuzamos, egymástól x távolságban elhelyezkedő A felületű lemez közé folyadékot töltünk, majd a felső lemezt az alsóval párhuzamosan v

sebességgel mozgatjuk, akkor a két lemez közötti folyadék elnyíródik. A nyírás során a folyadékrészecskék között fellépő belső súrlódás legyőzésére erőt kell kifejteni. A Newton-féle viszkozitási törvény „modellanyaga” a víz volt, jól működik azonban sok más, kis molekulasúlyú részecskékből álló folyadékokra is. Hamarosan észrevették azonban, hogy az η „anyagi állandó” az anyagi minőség mellett a deformáció körülményeitől is függ. η már a víz esetén is szembetűnően változik a hőmérséklettel. A tapasztalat szerint sok folyadék (víz, olaj stb.) viszkozitása a hőmérséklet növekedésével exponenciálisan csökken A Newton-féle belső súrlódási törvény, illetve az η viszkozitás hőmérsékletfüggése anyagszerkezeti alapon is egyszerűen megérthető. A folyadékokban és a szilárd anyagokban a molekulák egyensúlyi helyzetük körül rendezetlen hőmozgást végeznek. A molekulák egyensúlyi

helyzete olyan minimális energiájú állapotot jelent, amelyből egy másik – szomszédos – egyensúlyi helyzetbe csak egy viszonylag magas energiájú átmeneti állapot után kerülhet át a r észecske. Ha a folyadék nyugalomban van, akkor a t ermikus energia hatására az egyensúlyi helyzet megváltozása minden irányban azonos valószínűségű. A tényleges ugrások természetesen annál gyakrabban következnek be, minél magasabb az átlagos termikus energia. Ismeretes az is, hogy az egyik egyensúlyi helyzetből a másikba átjutó molekulák száma a hőmérséklet növekedésével exponenciálisan nő. Az ugrás csak akkor jöhet létre, ha a m olekula mellett üres vagy szabad térfogat található. Szabad térfogat azonban a folyadékokban mindig van, és aránya a hőmérséklet emelkedésével nő. A molekulák elmozdulásához szükséges aktiválási energia tehát lényegében két részből tevődik össze, egyrészt a szabad helyek képződéséhez

szükséges energiából, másrészt a potenciálgát legyőzéséhez szükséges energiából. Vizsgáljuk most a n yírásnak kitett folyadékot! A nyírás irányában üres hely van. a nyíróerő hatására a r észecske könnyebben ugrik át az üres helyre, mint vissza, s u gyanez a h elyzet minden olyan részecskével, amelynek szomszédságában üres hely van. a n yírás irányában megkönnyített elmozdulások miatt végeredményben a folyadék felső rétegei gyorsabban mozognak, mint az alsók. Mivel a ténylegesen végbemenő ugrások száma a hőmérséklet emelkedésével nő, érthető, hogy a viszkozitás magasabb hőmérsékleten alacsonyabb. A belső súrlódás hőmérsékletfüggése igen nagy jelentőségű a kenőolajok esetében. A tengelyek, csapágyak stb. súrlódását csökkentő kenőanyagoknak ugyanis egyrészt elég viszkózusnak kell lenniük ahhoz, hogy ne szoruljanak ki a csúszó felületek közül, másrészt a viszkozitás túlságosan nagy sem

lehet, mert ez feleslegesen növelné a súrlódási erőt. Szükséges követelmény továbbá, hogy η viszonylag széles hőmérséklet-tartományban megfeleljen a fenti követelményeknek. A kenőanyag felhasználhatóságát pl. megszabja az is, hogy a használat közben bekövetkező melegedés hatására 32 milyen mértékben hígul. Általában a kenőolajok és zsírok viszkozitását üzemi hőmérsékletnek megfelelően kell beállítani, gondolni kell azonban arra is, hogy a berendezés hideg állapotban is indítható legyen. A viszkozitás erős hőmérsékletfüggése miatt a különböző anyagok belső súrlódását általában 20-25 ºC-on szokás összehasonlítani. A kísérleti tapasztalatok szerint a különböző anyagok viszkozitása igen széles tartományokban (0-1020) változik. A nagyságrendek érzékeltetésére gondoljuk meg, hogy egységnyi viszkozitású az az anyag, amelyek egymástól 1m-re elhelyezkedő 1 m2 felületű rétegei 1 N nyíróerő

hatására 1m/s sebességgel csúsznak el egymáson. A viszkozitás mértékegysége a Newton-törvényből leolvashatóan 1N s /m2. A hétköznapi értelemben is folyadéknak tekintett anyagok viszkozitása is több nagyságrendi értéktartományt fog át. A polimer oldatok, festékek, gumiszármazékok, vagy például a bitumen viszkozitása még további nagyságrendekkel nagyobb lehet. A nagy viszkozitású szurok- vagy aszfalttömb észrevehető módon szinte nem deformálható, hiszen már kicsiny alakváltozási sebesség mellett is óriási nyíróerők ébrednek. Néhány hónap alatt azonban még a szurok is elfolyik Ilyen értelemben tehát a szilárd és folyékony között nem húzható egyértelmű határ, hiszen a nyugvó és lassan folyó anyag között nincs szerkezeti különbség. Megállapodás szerint folyadéknak a 0 ≤ η ≤ 103, szilárd testnek pedig az η ≥ 108 viszkozitású anyagot tekintjük. Ezzel természetesen a gázokat is a folyékony anyagok

közé soroltuk, ugyanakkor a szilárd és folyékony anyagok között széles átmeneti tartományt hagytunk. A kategóriába sorolást lényegében a N ewton-féle viszkozitási törvény alapján végeztük. A természet azonban sokszínűbb annál, hogy akár ez a laza csoportba sorolás működhessen. Az ugrógitt példája mutatja, hogy az anyagi viselkedés szempontjából döntő lehet az alakváltozás sebessége is. Valóban, a viszkozitás a hőmérséklet mellett a deformációsebességnek is függvénye lehet. Nyírásra lágyuló és keményedő anyagok Mintegy száz évvel ezelőtt Ozborne Reynolds egyszerű kísérletet végzett; egy bőrtáskát játékgolyókkal rakott meg, majd vízzel csurig töltötte. Ezután a táskát megcsavarta A nyíró igénybevétel hatására, a vízszint csökkent, mert a csavarás miatt egymáson elcsúszó golyók közé a víz be tudott hatolni, a deformáció hatására tehát a golyósokaság térfogata megnőtt. A kísérlet a

nyírási tágulást modellezi, ami a kolloid oldatok jellegzetes tulajdonsága. (Kolloid oldatoknak nevezzük az olyan két- vagy többféle anyagból álló rendszert, amelyben az egyik anyag igen finom részecskék formájában keveredik el a másikban. Kolloid oldatot képez pl a nescafe) A kolloid oldatok belső súrlódási tulajdonságai jellegzetesen eltérnek a víz belső súrlódásától. A nyírási tágulás jelensége mellett fontos sajátosságuk, hogy viszkozitásuk erősen függ a deformáció sebességétől. Azokat a folyadékokat, amelyek belső súrlódása a nyírási sebességgel nő nyírásra keményedőnek, azokat pedig, amelyek belső súrlódása a nyírási sebességgel csökken, nyírásra lágyulónak nevezzük. A Reynolds-féle modellkísérletnek tökéletes megfelelője pl. a homok-víz keverék Töltsünk meg egy mosószeres flakont víz és homok keverékével, majd zárjuk le egy lyukas dugóval, amelyen át üvegcső nyúlik a flakonba. Jelöljük

meg az üvegcső oldalán a víz szintjét Nyomjuk össze ezután különböző sebességgel a flakont. Minél nagyobb az összenyomás sebessége, annál nagyobb ellenálló erőt észlelünk. A homok-víz keverék a nyírás hatására keményedik! Ugyanakkor megfigyelhető a nyírási tágulás is, az üvegcsőben a vízszint csökken. A gyors alakváltozás hatására érintkező homokszemek súrlódnak egymáson, míg a lassúbb deformáció időt ad arra, hogy a homokszemek között lényegesen kevésbé súrlódó vízfilm alakuljon ki. Igen sok olyan anyag létezik, amely a n yírás hatására lágyul. A szilárdnak látszó fogkrém viszkozitása a tubus szélén fellépő nyírás hatására csökken, ezért tudjuk kinyomni a tubusból, de hasonló módon lágyul a vaj vagy a margarin a kenéskor bekövetkező nyírás hatására. A nyírás miatt bekövetkező viszkozitásváltozás érdekes esete az ún. tixotrópia A tixotrop anyagokban a nyírás miatt fellépő

lágyulást késve követi az eredeti állapot visszaállítása. Tixotropikus anyagok pl. az olajfestéke, amelyek az ecsettel gyakorolt nyíróerő hatására könnyen kenődnek, az erőhatás megszűntével egy idő után azonban a folyósság megszűnik. 33 Az alakváltozási sebesség és a v iszkozitás közötti kapcsolat mikroszerkezeti magyarázata anyagonként más és más lehet. A különböző anyagok esetén jellegzetes közös vonása azonban ezeknek az anyagszerkezeti modelleknek, hogy a v iszkozitás megváltozása többnyire a finoman eloszló diszperz fázis és közötte áramló „hordozó” folyadék kölcsönhatásával értelmezhető. A legegyszerűbb esetben a folyadékban eloszló finom részecskék gömb alakúnak tekinthetők, s ekkor lényegében a R eynolds-féle vizes golyó elképzelést használhatjuk a k eményedés magyarázatára. Bonyolultabb esetekben a diszperz részecskék alakját, illetve szerkezetét is figyelembe kell vennünk. A

nyírás hatására mozgásba jövő folyadék a megnyúlt diszperz részecskéket megforgatja, és hossztengellyel az áramlás irányába rendezi. Az ily módon rendezett részecskék már kevésbé befolyásolják a köztes folyadék áramlását, mint a kezdetben véletlenszerű beállással szétszórt részecskék. Érdekes következménye ennek, hogy az ilyen oldatokban a viszkozitás a hőmérséklet emelkedésével nő. Az élénkülő hőmozgás ugyanis szétzilálja az alakváltozás hatására beálló rendet Tovább bonyolódik a h elyzet, ha a d iszperz részecskéket a f olyadék mozgása rugalmasan deformálja. A deformáció következtében a r észecskék kicsiny megfeszített rugókká válnak A deformáció mértéke azonban a részecskék forgása miatt állandóan változik, így a részecskék rezgésbe jönnek. A rezgés áttevődik a köztes anyagra is, s ezáltal növeli az anyagtól felvett energiát, ami végeredményben a viszkozitás növekedéséhez

vezet. Igen nagy nyírófeszültség hatására a diszperz részecskék széttöredezhetnek. A feldarabolódás hatására a részecskék gömbszerűbbé válnak, s ez csökkenti az oldat viszkozitását. A megfelelő helyzetben egymás mellé sodródó töredékek természetesen újra egyesülhetnek. Ennek valószínűsége azonban általában csekély. Következésképpen az ilyen anyagok másképpen viselkednek növekvő és csökkenő nyírófeszültség mellett. Tipikusan így viselkedik pl a j ól ismert ketchup, amely hosszabb állás után megszilárdul, keveréssel, rázással azonban ismét folyékonnyá tehető. Ezzel a modellel magyarázhatjuk egyes anyagokban a tixotrópia jelenségét. VÉGE  34