ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ενότητα: ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟ Επιμέλεια: ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ ΔΡΙΒΑΣ Τμήμα: ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΤΡΑΣ 1 η ΣΕΙΡΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ
1. Τι τάξη μεγέθους είναι οι ενδοατομικές αποστάσεις και ποιες υποδιαιρέσεις του μέτρου χρησιμοποιούμε για τη μέτρησή τους; Οι ενδοατομικές αποστάσεις είναι της τάξης των 10-10 m. 10-10 m = 1 Å 10-12 m = 1 pm 10-9 m = 1 nm 1 pm = 10-3 nm = 10-2 Å
2. Ποια είναι τα ηλεκτρόνια σθένους και ποιος ο ρόλος τους; Τα ηλεκτρόνια της εξώτατης στοιβάδας (στοιβάδα σθένους) του ατόμου. Αλληλεπίδραση με το περιβάλλον. Σχηματισμός δεσμών. Βασικές χημικές και φυσικές ιδιότητες (ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα)
3. Δίνονται δύο ατομικές ακτίνες, 0.190 nm και 0.079 nm. Εξηγείστε ποια από αυτές είναι του 11 Na και ποια του 17 Cl. H τιμή της ιοντικής ακτίνας του 11 Na + είναι 0.102 nm, ενώ του 17 Cl - είναι 0.181 nm. Αιτιολογείστε. 11Na 0.190 nm Ίδια στοιβάδα σθένους, 17Cl 0.079 nm διαφορετικό πυρηνικό φορτίο 11Na + χάνει το 3s 1 e - 17Cl - κερδίζει ένα 3p e -
4. Το Βισμούθιο (Bi) έχει ατομικό αριθμό 83 και είναι γνωστό για τις παραμαγνητικές του ιδιότητες. Με βάση τον ατομικό του αριθμό πόσα περιμένουμε να είναι τα ηλεκτρόνια σθένους του και πόσο το σθένος του. 83Bi: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 3 83Bi: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 6s 2 6p 3 5 e - σθένους Τρισθενές (3+) Bi 2 O 3
5. Αναφέρετε εν συντομία τις βασικές διαφορές μεταξύ των ιοντικών, ομοιοπολικών και μεταλλικών δεσμών. Ποια η διαφοροποίηση όσον αφορά την ενέργεια των ατομικών δεσμών; Ιοντικός: ηλεκτροστατική έλξη ιόντων Ομοιοπολικός: αμοιβαία συνεισφορά e - Μεταλλικός: μετακίνηση e - σε όλους τους πυνήνες Είδος δεσμού Ενέργεια δεσμού (ev/atom) Ιοντικός 3 10.4 Ομοιοπολικός 3.5 7.5 Μεταλλικός 0.7 8.8 Υδρογόνου 0.3 0.5 Van der Waals 0.08 0.3
6. Περιγράψτε πως συνδέονται με ομοιοπολικό δεσμό το οξυγόνο και το πυρίτιο στο μόριο του οξειδίου του πυριτίου SiO 2 και υπολογίστε το ποσοστό του ομοιοπολικού και ιοντικού χαρακτήρα. Ποια πιστεύετε πως θα είναι η διαμόρφωση του μορίου στο χώρο σε θερμοκρασία δωματίου; 14Si: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 8O: 1s 2 2s 2 2p 4 O = Si = O %P = e χ Si χ O 2 2 100% = e 1.8 3.5 2 %I = 100% %P = 51.5% 2 100% = 48.5%
7. Ποια είδη ατομικών δεσμών συναντάμε στα παρακάτω υλικά : Si, Al, Ύαλοι, H 2 O(s), PE, NaCl, Γραφίτης (C), PMMA, YBa 2 Cu 3 O 7, Ορείχαλκος (ZnCu), Xe(s) και GaAs. Προσδιορίστε όπου μπορείτε τον ιοντικό χαρακτήρα. Υλικό Δεσμοί χ Α, χ Β Ι = 1 e χ Α χ Β 2 2 Si O 0 Al M 0 Ύαλοι O - H 2 O(s) O, ΔΗ 2.1, 3.5 0.387 PE Ο, VDW 2.5, 2.1 0.039 NaCl Ι 0.9, 3.0 0.668 Γραφίτης Ο, VDW 0 PMMA O, ΔΗ - YBa 2 Cu 3 O 7 I - ZnCu M - Xe(s) VDW - GaAs O 1.6, 2.0 0.039
8. Σε θερμοκρασία δωματίου θα περιμένατε το Sc 2 O 3 να βρίσκεται στην στερεή, υγρή ή αέρια φάση και γιατί; Γράψτε τη χημική εξίσωση της αντίδρασης του Sc 2 O 3 με το ΗΝO 3. Στερεό (ιοντικός δεσμός μεγάλο σημείο τήξης, 2758 Κ) Sc 2 O 3 + 6 HNO 3 2 Sc (NO 3 ) 3 + 3 H 2 O
9. Γιατί τα σημεία τήξης των NaCl (801 o C) MgCl 2 (714 o C) είναι τόσο υψηλότερα από τα σημεία τήξης των SCl 2 (-121 o C) και Cl 2 (-101 o C); Ένωση Τ m ( o C) χ Α χ Β %Ι NaCl 801 0.9 3.0 66.8% MgCl 2 714 1.2 3.0 34.4% SCl 2-121 2.5 3.0 6.0% Cl 2-101 3.0 3.0 0%
10. Να υπολογιστεί και να συγκριθεί ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μπορούν να άγουν ηλεκτρικό ρεύμα σε 10 cm 3 καθαρού χαλκού και στον ίδιο όγκο καθαρού χρυσού. 29Cu: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 79Au: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 6s 1 m = d V = d 10 cm 3 #a = m NA #a Cu = #a Au = = d AB 6.023 1024 #a cm 3 mol 1 = d 10 cm3 6.023 10 23 #a mol 1 AB AB 8.96 g cm 3 63.55 g mol 1 6.023 1024 #a cm 3 mol 1 = 8.49 10 23 19.3 g cm 3 196.97 g mol 1 6.023 1024 #a cm 3 mol 1 = 5.90 10 23
11. Πόσα άτομα υπάρχουν σε ένα καθαρό δίσκο (wafer) πυριτίου που έχει 15 εκατοστά διάμετρο και πάχος 0.5 χιλιοστά, αν το βάρος ενός κυβικού εκατοστού ισούται με 2.33 γραμμάρια; V w = π d2 h = 3.14 152 cm 2 0.05 cm = 8.84 cm 3 4 4 m w = d Si V w = 2.33 g cm 3 8.84 cm 3 = 20.60 g m Si = 28.09 D άτομο 1 ή amu άτομο 1 σε 28.09 g Si υπάρχουν Ν Α άτομα #ατόμωνsi = 20.60 g 28.09 g 6.023 1023 = 4.42 10 23 άτομα Si
12. Στο στερεό KCl το δυναμικό μεταξύ των ιόντων K + και Cl - δίνεται από τη σχέση U r = 1.436 r + 5.86 10 6 r 9 (U σε ev και r σε nm). Να σχεδιαστεί ποιοτικά το δυναμικό συναρτήσει της απόστασης και να εξηγηθεί τι περιγράφει ο κάθε όρος της εξίσωσης. Να υπολογιστεί η απόσταση ισορροπίας και η αντίστοιχη ενέργεια αλληλεπίδρασης. du(r) = 0 1.436 dr r=r r 2 0 9 5.86 10 6 r 10 0 = 0 0 1.436 r 0 8 52.74 10 6 r 0 10 = 0 0 r 0 = 0.279 nm U r 0 = 1.436 0.279 + 5.86 10 6 0.279 9 = 4.57 ev
13. Έστω ότι η συνάρτηση που περιγράφει την δύναμη που ασκείται σε ένα δεσμό δίνεται από την σχέση F r = 36.6 10 4 r 7 255.6 10 9 r 13, σε μονάδες ev/nm όταν η ακτίνα r εκφράζεται σε nm. Ποια θα είναι η απόσταση ισορροπίας ανάμεσα στα δύο ιόντα και ποια η ελάχιστη ενέργεια που χρειάζεται για να «σπάσει» ο δεσμός; F r 0 = 36.6 10 4 r 0 7 255.6 10 9 r 0 13 = 0 r 0 = 0.2 nm U r = F r dr = 6.6 10 4 r 6 + 21.3 10 9 r 12 + C U r 0 = 6.6 10 4 r 0 6 + 21.3 10 9 r 0 12 = 5.1 ev
14. Έστω δύο μεταλλικά στερεά 26 Fe και 13 Al με ενέργεια δεσμών 4.2 ev και 3.4 ev αντίστοιχα. Ποιό από τα δύο περιμένετε να παρουσιάζει μικρότερο μέτρο ελαστικότητας και ποιο μεγαλύτερο σημείο τήξης; Ε Fe > Ε Al T mfe > T mal
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό δεν υπόκειται σε άδειες χρήσης CreativeCommons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.