Реферат на тему Полиморфизм и аллотропические превращения в материалах.

Содержание:

Введение 3
1. Полиморфизм материалов 4
2. Аллотропия. Определение понятия и причины 9
3. Полиморфизм и аллотропические превращения в примерах 12
Заключение 19
Список литературы 20

Введение:

Многие металлы в зависимости от температуры и давления могут изменять кристаллическую структуру. Такие структуры называются полиморфными и аллотропическими модификациями. Переход вещества из одной модификации в другую в условиях равновесия, т. е. при малой степени переохлаждения, протекает при постоянной температуре с выделением тепла в случае охлаждения и с поглощением тепла, если превращение протекает при нагреве. Полиморфные фазовые превращения аналогично плавлению или кипению обусловлены изменением свободной энергии.
Металлы, обладающие разными полиморфными и аллотропическими модификациями, в процессе охлаждения (нагрева) претерпевают перекристаллизацию в твёрдом состоянии. В соответствии с законами фазовых превращений перекристаллизация происходит путём образования зародышей и роста кристаллов новой фазы. В результате превращения возникают новые зёрна, имеющие другой размер и форму. В отличие от кристаллизации из жидкого состояния, перекристаллизация в твёрдом состоянии сопровождается упругими напряжениями.
Цель исследования – рассмотреть полиморфизм и аллотропические превращения в материалах.
Задачи:
— Полиморфизм материалов.
— Аллотропия. Определение понятия и причины.
— Полиморфизм и аллотропические превращения в примерах.
Структура работы представлена введением, тремя главами, заключением и списком литературы.

Заключение:

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.
Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.
Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Аллотропические формы обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.
Атомы металла — исходя из геометрических соображений, могут образовать любую кристаллическую решетку.
Однако устойчивым, а, следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.
Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах (т.н. полиморфных (аллотропических) модификациях). В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа.
Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой б, при более высокой температуре в, затем г и т.д.
Полиморфное превращение протекает при постоянной температуре (например, при нагреве идет поглощение теплоты).
Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и раз упрочнять сплавы при помощи термической обработки.

Фрагмент текста работы:

1. Полиморфизм материалов

Когда один элемент может существовать в виде нескольких простых веществ с разными свойствами и характеристиками, это называется аллотропией, или полиморфизмом. У металлов такая способность тоже имеется. Некоторые из них могут изменять свою структуру и качества под действием определенных факторов, что порой очень полезно в промышленности и других сферах.
Аллотропия – это явление, при котором один химический элемент может образовывать несколько разновидностей простых веществ. Они могут существенно отличаться друг от друга по своим физическим и химическим свойствам, но при этом состоять они будут из атомов одно и того же вида. Например, графит и алмаз совершенно не похожи: они имеют разный цвет, твердость, структуру, но оба состоят из атомов углерода [11].
Такие варианты называются аллотропными модификациями, а появляются они благодаря различному порядку расположения частиц в кристаллических решетках или различному строению молекул. Так, молекула из двух атомов оксигена (О2) образует простое вещество кислород, но если атомов оксигена в ней будет три (О3), то возникнет вещество озон.
Понятие «аллотропия» в научную терминологию ввел Йенс Якоб Берцелиус в 1841 году, после того как обнаружил, что винная и виноградная кислоты имеют одинаковый состав, но отличаются свойствами. Сегодня известно больше 400 модификаций, среди которых есть как неметаллы, так и металлы. Термин «аллотропия» применяют ко всем простым веществам, не привязываясь к их агрегатному состоянию. В отношении твердых веществ, причем как простых, так и сложных, употребляется термин «полиморфизм» [4].
Аллотропия – это распространенное явление, но характерно оно далеко не для всех элементов. Способность образовывать модификации зависит от внутреннего строения самого атома, и присуща тем элементам, которые изменяют свою валентность под действием внешних условий.
В материаловедении полиморфизм — это способность твердого материала существовать в более чем одной форме или кристаллической структуре. Полиморфизм потенциально может быть найден в любом кристаллическом материале, включая полимеры, минералы и металлы, и связан с аллотропией, которая относится к химическим элементам. Полная морфология материала описывается полиморфизмом и другими переменными, такими как кристаллическая привычка, аморфная фракция или кристаллографические дефекты. Полиморфизм имеет отношение к области фармацевтических препаратов, агрохимикатов, пигментов, красителей, пищевых продуктов и взрывчатых веществ.
Изучение явлений полиморфизма имеет громадное практическое значение. Его необходимо учитывать в науке и технике при создании и использовании материалов. Ярким примером в этом отношении является «болезнь» белого олова – так называемая «оловянная чума». Как известно, есть два вида (или две модификации) олова: серебристо-белое и серое. Первое термодинамически стабильно при температурах выше 13,2 °С. Ниже этой температуры атомы белого олова могут перестроиться и образовать кристаллы другой разновидности – серого олова. Свойства этих двух видов олова сильно отличаются. Плотность белого олова составляет 7,3 г/см3, а серого – 5,8 г/см3. Переход из белой разновидности в серую сопровождается резким увеличением объёма (на 25,6 %), и белое олово рассыпается в серый порошок.
Это случилось в конце 18 в. в Петербурге на одном из неотапливаемых складов военного обмундирования, когда зимой под воздействием низких температур большие запасы начищенных белых пуговиц, изготовленных из олова, рассыпались в порошок. То же самое произошло с брусками белого олова, отправленного поездом однажды из Голландии в Москву. Вместо слитков был привезён серый порошок.
Если серое олово обдать кипятком, оно от сильного нагревания перейдёт в белую разновидность. Конечно, при этом не восстановятся ни слитки, ни пуговицы, а получится лишь порошок белого цвета.
Наряду с анекдотическими известны трагические последствия «болезни» белого олова. Так, антарктическая экспедиция английского полярного исследователя Роберта Скотта к Южному полюсу, достигнув его 18 января 1912 г. (на 33 дня позже норвежского полярного исследователя Р. Амундсена), погибла на обратном пути. Одна из причин – разрушение «чумой» паянных оловом сосудов с жидким топливом.
Следует различать понятия «полиморфизм» и «аллотропия». Эти понятия совпадают лишь тогда, когда рассматриваются разные кристаллические модификации одного и того же элемента. Так, аллотропические модификации ромбической и моноклинной серы являются в то же время и полиморфными ее модификациями, но газообразные кислород О2 и озон О3 – это только аллотропические модификации элемента кислорода. [6].
У металлов полиморфизм проявляется преимущественно под воздействием температур. Если нагреть вещество до определенного значения, ионы и атомы в его кристаллической решетке начнут перестраиваться, изменяя свое положение относительно друг друга. В итоге вещество приобретет, иные свойства и перейдет в другую модификацию.
Каждая новая форма обозначается строчной буквой греческого алфавита, которая через дефис присоединяется к названию элемента. Чем ниже температура, при которой образуется модификация, тем раньше в алфавите стоит буква.
Полиморфизм металлов нашел широкое применение в промышленности. Нередко это свойство веществ используется для создания прочных сплавов. К аллотропии склоны около 30 металлов. Температурная аллотропия характерна для олова, железа, урана, бериллия, титана, кобальта. Цинк, сурьма, цезий, ртуть, галлий, литий и кадмий переходят в другие формы под действием давления.
С точки зрения термодинамики существует два типа полиморфного поведения. Для монотропной системы график свободной энергии различных полиморфов против температуры не пересекается перед расплавом всех полиморфов — другими словами, любой переход от одного полиморфного к другому ниже точки плавления будет необратимым. Для энантиотропной системы график свободной энергии против температуры показывает порог точки пересечения перед различными точками плавления. [1] Также может взаимозаменяемо вернуться двумя полиморфами, путем нагревания или охлаждения, или через физический контакт с полиморфом более низкой энергии.
Твердые фазовые переходы, которые преобразовывают реверсивно, проходить через жидкостные или газообразные участки вызваны энантиотропик. В отличие от этого, если модификации не конвертируются в этих условиях, система является монотропной. Экспериментальные данные используются для того, чтобы различать энантиотропные и монотропные переходы, и полуколичественные диаграммы энергии/температуры могут быть построены с применением нескольких правил, главным образом правила теплопроводности, правила тепловыделения и правила плотности. Эти правила позволяют вычесть относительные положения H и Gisobars на диаграмме E/T. [1]
Полиморфы имеют различную устойчивость и могут самопроизвольно преобразовываться из метастабильной формы (неустойчивой формы) в устойчивую форму при определенной температуре.
Различные условия в процессе кристаллизации являются основной причиной развития различных полиморфных форм. Эти условия включают:
— Растворяющие эффекты (упаковка кристалла может быть различной в полярных и неполярных растворителях).
— Некоторые примеси, ингибирующие структуру роста и способствующие росту метастабильных полиморфов.
— Уровень пересыщения, из которого кристаллизуется материал (в котором обычно чем выше концентрация выше растворимости, тем больше вероятность метастабильного образования).
— Температура, при которой осуществляется кристаллизация.
— Геометрия ковалентных связей (различия, приводящие к конформационному полиморфизму).
— Изменение условий перемешивания.
Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа.
Полиморфное превращение протекает при постоянной температуре (например, при нагреве идет поглощение теплоты).
Известные полиморфные превращения: Feб — Feв; Coб — Coв; Tiб — Tiв; Mnб — Mnв — Mnг — Mnд; Snб — Snв, а также для Ca, Li, N, Cs, Sr, Te, Zr, V и др.
Металл с данной кристаллической решеткой должен обладать меньшим запасом свободной энергии.
В интервале температур 911-1392°С устойчивым является г-железо (К 12) (имеет min свободную энергию), а при температурах ниже 911°С и выше 1392°С устойчиво б-железо.
В твердом металле полиморфные превращения происходят в результате зарождения и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллов.
В результате полиморфного превращения образуется новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому превращение также называют перекристаллизацией.
Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и химических свойств и т.д.
Высокотемпературная модификация имеет высокую пластичность.