Fizika E Material Eve

Gjimnazi “Kiril Pejçinoviq” Tetovë

PUNIM SEMINARIK

FIZIKA E MATERIALVE

NXËNËSJA: Teuta Qaili

TETOVË 2006 1

1.Lidhja Atomike dhe Molekulare Rezultate të rëndësishme , mbi studmin e ndërtimit të trupave të ngurtë , janë fituar , kah fundi I shekullit XVIII. Duke studiuar format e jashtme të kristaleve , fizicientët erdhën në përfundim , se simetria e jashtme e çdo kristali është si rezultat i rënditjes së rregullt të grimcave që e ndërtojnë kristalin. Më vonë , konstatimi i tillë u vërtetua me anë të studimit të rrezeve Rëntgen. Analizat rentgeno-disfraksionale , vërtetuan se atomet , në kristal , të renditur në rrjete hapsinore , të njohura si rrjete kristalore. Brenda rrjetës kristalore atomet gjenden në pozita të minimumit të energjisë potenciale. Strukturat e tilla hapsinore i rrezistojnë çdo fare të jashtme tërheqëse apo ngjeshëse (ngjitse). Prandaj ndarja e një kristali mund të arrihet vetëm me forca te mëdha. Forcat bashkëvepruese , ndërmjet grimcave në rrjete kristalore kanë natyrë të ndryshme. Të një lloj kristalesh , grimact janë të elektrizuara , pra janë jone ose heteropolare. Te një grup kristalesh , që paraqesin elemente të thjesht kimik janë: Ge , Si , C , atomet në rrjetë janë elektroneutral. Rrjatat e tilla janë homopolare ose kovalente. Forcat këtu kanë karakter tjetër nga ato të kristaleve jonike. Disa materiale janë të ndërtuar , sipas rrjetës kristalore , në të cilën elementet e lidhur me forcat molekulare të Van der Vaulsit. Kristale të tilla , hasim te Klori , Hidrogjeni , Oksigjeni dhe gaze tjera. Hulumtimet e strukturës së kristaleve , na bëjnë të njohur se elemente strukturale të rrjetës kristalore mund të jenë atomet , grup atomesh , jonet ose molekulat. Bazuar në shpjegimet e mëparshme dallojmë katër grupe themelore , të rrjetave kristalore: rrjetë jonike , rrjetë molekulare , rrjetë atomike dhe rrjetë metalike. Forcat molekulare janë forca elektromagnetike. Në fig.1 kemi paraqitur energjinë potenciale U(r) për një çift atomesh ose jonesh, në funksion të largesise r ndërmjet qendrave të tyre. Për r>ro forcat e bashkëveprimit janë tërheqëse , kurse për r
2

U(z)

s Zo Na+Cl- (kripa e gjellës) Fig.2

Fig.1 Zo – largësia ndërmolekulare e ekujlibrit

Konfiguracioni elektronik: 1s 2 2s2 2p3 (35) 1s2 2s2 2p6

3

Jonet Na+ dhe Cl- bashkëveprojnë në largësi relativisht të mëdha në të gjtha drejtimet , prandaj forcat e këtij bashkëveprimi quhen heteropolare. Forcat heteropolare nuk kanë karakter ngopës , nuk kanë drejtim te përparsuar dhe krijojnë lidhje relativisht të fortë. Kristalet jonike janë relativisht të qëndrueshëm. Lidhja kovalente: (homeopolare) vendoset ndërmjet atomeve neutrale , duke shkëmbyer midis tyre një çift elektronesh me spina të kundërta . Kjo lidhje është e ngopur , për rrjedhojë , shumë e qëndrueshme dhe ka karakter të drejtuar në hapsirë. Në molekulat kovalente formojnë kënde plotësisht të përcaktuara midis tyre. Si shembull mund të merret molekula e H 2 , ku të dy elektronet (1s) formojnë një çift të ngopur duke plotësuar shtresën me një konfiguracion të ri elektronik, të shpërndarë mesatarisht rreth dy bërthamave. Simbolikisht kjo lidhje shënohet H:H . Lidhja kovalente luan rol të madh në krijimin e shumë përbërjve kimike , veçanarisht të përbërjve organike. Lidhja metalike: vendoset në kristalet metalike. Rrjeta e tyre e përbërë jonesh pozitive , ndodhet e në gazin elektronik të elektroneve të valencës. Këta elektrone kolektiv qarkullojnë të lirë nga një jon në tjetër duke krijuar lidhje midis tyre. Lidhja metalike nuk ka natyrë pjesërisht kuloniane dhe pjesërisht kuantomekanike të këmbimit. Kjo lloj lidhje është relativisht e fortë , sikundër dëshirojmë të dhënat për fortësine e metaleve dhe për pikën e lartë të shkrierjes së tyre. Lidhja molekulare: forcat e Van der Vaulsit. Në kristalet molekulare bashkëveprimi midis njësive strukturale (molekulare neutrle) , realizohen nga forcat e bashkëveprimit të dipoleve elektrike molekulare , që pëgjithsisht induktohen nga molekula në njëra-tjetra. Këto forca quhen ndryshe të Van der Valsit dhe kanë rreze veprimi shumë të shkurtër me zmadhimin e largësisë ato zvogëlohen sipasligjitF~ 1/r7.

3

Fig.3

+

+

+

-

-

-

+

+

+

Fig.4

Tipat e kristaleve -Kristalet jonike: Lidhjet jonike sigurojnë qëndrueshmëri te rrjetave të formuara prej jonesh pozitive dhe negative. Të tilla janë kristalet e kripërave halogjene të molekulave alkaline (NaCl , KCl) Janë kristale të tretshme në ujë dhe kalojnë në tretësira jonesh , janë relativisht të fortë , shumë të ngurtë dhe me pikë të lartë të shkrirjes. -Kristalet atomik: Qëndrueshmërine e rrjetave atomike e sigurojnë forcat kovalente. Kristale të tillë formohen nga elemente të grupit të katërt si; C , Ge(germaniumi) , Si etj. Rrjetat e tyre janë në formë të diamantit. Germaniumi në shtresën valente ka strukturë s2p2 . Molekula e tillë skematikisht mund të paraqitet në fig. ku pikat paraqesin py , pz. Energjia e elektronit

është e njejtë në secilin nga gjendjet px , py , pz.

Zhvendisja e elektronit nga gjendja px në njërën nga gjendjet py apo pz bëhet pa ndryshim të energjisë. Zhvendosja nga gjendja s në ndonjëren nga gjendjet p bëhet me njëfarë humbjeje të energjisë. Kjo energji shkon në energji të lidhjes së molekulës. Kështu me kalimin e një elektroni nga gjendja s dhe px në gjendje py dhe pz quhet hibridizim i lidhjes kimike , lidhjet e tilla janë të njohura si lidhja ơ sigma sp3. Diamanti ka strukturë tetraedike , në të cilën të gjithë atomet në rrjetë janë në largësi të barabartë , 1,54-10m. Secili nga atomet lidhet fortë me katër atome fqinje. Kjo ndikon që diamanti të lidhet me fortësi të madhe mekanike(Fig.6). Grafiti është i ndërtuar nga sistemi heksagonal kristalografik. Atomet brenda një pllakëze kanë lidhje ơ – shumë të fortë , ndërsa lidhjet atomike të një pllakëze me anë të tjetrës kanë lidhje π – të dobët(Fig.7). Për këtë arsye grafiti mund të çahet lehtë në shtresa të holla. Atomet në shtresë janë në distancë 1,42 . 10-10m.

4

Fig.6 Kristalet molekulare: Te molekula e Cl , është vërejtur një bashkeveprim ndërmjet atomeve brenda molekulës , i cili ndikon që molekula të sillet si dipol elektrik. Nëse një numër i madh dipolesh tentojnë të rregullohen si kristale. Kjo dukuri është vërejtur nga shkenctari në Londër në vitin 1930 dhe te molekula e H2. Por këtij rregullimi i kundërvihet energjia termike , nëse energjia e brendshme U është më e madhe se energjia termike , E=3/2kT , formohet rrjeta molekulare. Është vërejtur se H2 mund të ftohet deri -250oC dhe mund të formojnë kristale.

Fig.7

2.Materialet Kristalore dhe Amorfe Amorfe quhen lëndët që në gjendje të ngjeshur nuk kanë ndërtim kristalor. Ato ndahen në grupe të mëdha: a)Lëndë amorfe të thjeshta , që përbëhen nga lëngjet dhe molekulat të rendeve të ulta , si lëngu , qelqi etj. b)Bashkimet polimere të lëndëve të larta , si , goma , rrëshirat , kauçuku etj. Nën veprimin e ndryshimit të kushteve të jashtme , lëndët amorfe qelqësohen d.t.th. e humbasin cilësinë e gjendjes së lëngët dhe fitojnë cilësi që u nënshtrohen ligjeve të gjendjes së ngurtë.

5

Qelqësimi në kushte statike , shkaktohet nga ndryshimi i presionit dhe i temperaturës. Qelqëzimi në kushte kimike kryhet nën veprimin e fushave të jashtme periodike. Të dy format e qelqëzimit janë të mundshme për të gjitha lëndët amorfe (amfore) , pavarsisht nga ndërtimi i tyre kimik. Ato përcaktohen nga shpejtësia e kryerjes së rigrupimeve të molekulave në lëndë dhe nga shpejtësia e veprimit të jashtëm. Në ç’do temperaturë lëngjeve u përgjigjet strukturë molekulare ekuilibri d.t.th. një vendosje reciproke midis atomeve dhe molekulave si një largësi mesatare ndërmjet tyre. Me rritjen e temperaturës largësia mesatare ndërmolekulare rritet duke u shoqëruar në të njejtën kohë me rindertimin e vazhdueshëm të strukturës , në dallim sa ndodh me gjendjen kristalore ku struktura nuk ndërohet. Në temperatura shumë të larta lënda amorfe ndodhet në gjendje të lënget. Gjatë ftohjes , që krijohet me ç’farë shpejtësie të fundme , duke filluar nga një ç’fardoqoft temperature T2 , ndryshimet strukturale fillojnë të frenohen dhe struktura pushon së qeni në gjendje ekuilibri. Temperatura T2 përfaqson kufirin e sipërm të zonës së qelqëzimit. Në këtë zonë ndodhin ndryshime më të ngadalshme strukturore joekuilibrike që shoqërohen me rritjen e shpejtë të kohës së relaksimit , derisa në një temperaturë T1 ndryshimet ndërpriten dhe lënda ka kaluar në gjendje të ngurtë. Temperatura T1 përfaqson kufirin e poshtëm të zonës së qelqëzimit fig.8. Lëndët amorfe në gjendje të ngurtë quhen lëndë të qelqizuara. Qelqëzimi dhe zbutja kryhet me zona të gjëra temparaturash. Megjithate , me marrëveshje , këto kalime karakterizohen secili nga një temperaturë ç’fardo që zgjidhet mbrenda zonës së qelqizimit dhe asaj të zbutjes dhe quhen përkatësisht „temperatura e qelqëzimit“ Tq dhe e „zbutjes“ T’q. Kur studiohet eksperimentalisht ndryshimi i vëllimit dhe në varësi të temperaturës. Temperatura e qelqëzimit përcaktohet si në fig.9. Shpejtësia e ftohjes ω percakton pozicionin dhe gjërësinë e zonës së qelqëzimit në shkallën e temperaturave (sa më e madhe ω aq më e lartë është Tq). Në mënyrë empirike është vendosur lidhja: 1/T = C1-C2 lgω ku C1 dhe C2 janë konstantë. Gjate nxehjes , karakteri i ndryshimit të cilësive të lëndëve të ngurta amorfe në zonën e zbutjes varet nga ecuria e ndryshimeve termike të mëparshme qe ka pasur lënda p.sh. përpunimi termik ndikon shumë në krakterin e zbutjes. Gjithashtu gjatë nxehjes cilësitë e trupit varen vetëm jo nga shpejtësia e ngrohjes, por edhe nga struktura e tij d.t.th. nga shpejtësia e ftohjes paraprakë , pasi kjo ka përcaktuar strukturën përfundimtare të qelqizimit. Kur shpejtësia e ngrohjes është më e madhe se shpejtësia e ftohjes së mëparme , zona e zbutjes shtrihet mbi zonën e qelqizimit.

V

V

T1 Tq Tt

Fig.8

T

Fig.9

3.Polomeret 6

T

Përfytyrime të prëgjithshme Polimere quhen lëndët , molekulat e të cilëve ndërtohen nga një numër i madh grupesh që përsëriten. Grupi i fundit , sipas

Fig.10 Fig.11 ndërtimit të tij , ndryshon pak nga njësia monomere kryesore. Numri i njësisë monomere në molekulë përcakton shkallën e polimerizimit. Polimeret ndahen në lineare dhe tripërmasore. Polimere linear quhen lëndët që janë të ndërtuara nga molekulat lineare d.t.th. molekulat e tilla në të cilat çdo njësi monomere është e lidhur me dy njësi monomere anësore. Molekul lineare quhet edhe vargu polimer. Për polimeret tërësisht linearë praktikisht nuk egzistojnë formula molekulare të përpikta pasi në ato , në një masë apo në ndonjë tjetër , takojnë njësi monomere me të cilat lidhen tri ose më shumë njësi fqinje. Në molekulat e degëzuara zakonisht dallohen vargu kryesor dhe anësor. Polimeret e ndërtuara nga molekula të lidhura midis tyre me lidhje kimike dhe që formojnë në hapsirë një rrjet tripërmasësh , quhen tripërmasore. Në qoftë se lidhjet tërthore janë të rralla , aq sa segmente molekulare të plimereve lineare të përmbajtur në një numër të madh njësish molekulare midis lidhjeve tërthore , atëherë pilimeret e tillë tripërmasorë quhen edhe rrjetorë , kurse segmentet quhen vargje të rrjetës. Polimeret lineare formojnë tretësira të vërteta dhe mund të egzistojnë edhe në gjendje të lëngët , kurse polimeret tripërmasore janë të pashkrijshëm dhe te patretshëm. Ato vetëm mund të fryhen kur zbuten në një tretësire , duke thithur pjesë organike të saj , por i ruajnë cilësitë e trupit të ngurtë. Polimeret me molekula të përbëra nga njësi monomere me natyrë të ndryshme kimike quhen sopolimere. Sopolimeret , molekulat e të cilave nga blloqe me njësi monomere te trupit tjetër , quhen bllok-sapodimere , polimeret e degëzuara , me degë anësore të gjata , të përbëra nga njësi monomere të tipit tjetër nga ato të vargut krysorë quhen graf polimere. Polimeret gjithashtu klasifikohen sipas rregullshmërisë së vendosjes të grupeve anësorë në lidhje me vargun kryesorë. Në qoftë se vargu polimer përfytyrohet i tendosur në një linjë atëherë , në lidhje me të grupet anësore vendosen ose në një linjë atehëre ose pa rregull. Përfitohen kështu polimere sindiotaktik dhe ataktik. Shpërndarja sipas peshës molekulare: Ndryshe nga lëndët me molekula të vogla , polimeret nuk kanë peshë molekulare të caktuar. Ata përbëjnë në vetëvete përzierje molekulash me pesha molekulare të ndryshme. Polimeret mund të ndahen në pjesë që përmbajnë me peshë molekulare afërsisht të njejtë. Shpërndarja sipas peshave molekulare jepet me përqëndrimin në peshë të pjesës g , ose me numrin Ni molekular të pjesës i. Pesha molekulare mesatare të polimereve mund të bëhet në dy mënyra , duke caktuar: a) ku

μN

= ΣNiμi/Σi Ni = [Σ/i gi/μi]-1

μi – pesha molekulare e pjesës i , ndërsa shuma bëhet për të gjitha pjesët, dhe: 7

b)

μω = Σ/i gi μi = Σ Ni μi2 /Σ μi

Madhësia μω është gjithmon më e madhe se μN. Diferenca midis tyre karakterizohet me gjërësinë e shpërndarjes sipas peshes molekulare. Kristalizimi i polimerëve: Kur temperatura e kristalizimit është më e madhe se ajo e qelqizimit , polimeret mund të ndodhen në gjëndje kristalore. Për kushte të tjera të barabarta , temperatura e kristalizimit Tks është më e lartë për ata polimere që kanë ndërtim të rregullt. Më lehtë kristalizohen polimeret me grupe anësore kimikisht të njejta , ose të paktën me përmasa të njejta. Me vështërsi kristalizohen supolimeret. Për izo dhe sindiotaktikë , temperatura e shkrirjes zakonisht është më e lartë se ajo e polimereve statikë. Polimeret me vargje të forta , kristalizohen më lehtë se polimeret me vargje të përcaktuar. Egzistojnë edhe tipa polimeresh kristaline: a)Polikristalinët , kanë rend të largët në vendosjen e degëve. Përmasat e kristaleve janë të rendit 102 Ao , d.t.th. më të vogla se përmasat e vargjeve. b)Kristalet Globulare , kanë rend të largët në shpërndarjen e molekulave ; kanë pamjen e lamshit të dendur , në të cilët degët janë të venosura pa rregull. Kristalet globulare përfaqsojnë një rast të veçantë të kristaleve molekularë. c)Monokristalinët , kanë rend të largët në shpërndarjen e degëve , polimeret monokristaline zakonisht shihen me mikroskop. Shumica e polimereve kristaline i përkasin grupit të parë. Lidhjet midis degëve vështërsojnë rënditjen e tyre , prandaj kristalet polimere përmbajnë një numër të madh defektesh. Në rentgenogramet e polimereve , përveç unazave , që janë karakteristike për gjendjen kristaline , gjenden edhe të gërryera , që janë karakteristike për gjendjen amorfe. Goma: është polimer më degë të përkulshme. Deformimi i gomës përfaqson një proçes të ndërlikuar , i cili ndahet në tri pjesë: a) Shformimi elastik , i cili është i ngjashëm me shformimin elastik të trupave të ngurtë të zakonshëm dhe lidhet me ndryshimin e largesisë midis atomeve dhe molekulave. b) Shformimi me elasticitet të lartë , i cili lidhet me zhvendosjen e degëve të molekulave , pa zhvendosjen relative të ulët të atyre në tërësi. Gjatë këtij shformimi ndodh ndryshimi i formës së ,molekulave. c) Shformimi plastik (rrjeta) , lidhet me zhvendosjen relative të molekulës si një e tërë dhe përbënë jo më shumë se disa përqind. Elasticiteti i lartë është karakteristik vetëm për polimeret. Për përfitimin e tij është e nevojshme që rrjeta të jetë mjaft e rrallë d.t.th. qarqet të jenë të gjatë. Gjatë shformimit me elasticitet të lartë përmasat e trupit ndryshojnë. Ndërtimi i ndërlikuar i polimerëve bën që shformimet të kenë kohë të caktuar relaksimi , e cila varet eksponencialisht nga temeperatura. Në polimeret e qelqëzuar , kjo kohë është aq e madhe saqë në përgjithësi nuk varet nga kristaliteti i polimerëve vështërson shformimin me elasticitetim të lartë dhe ate plastik. Për shformimet e gomës egzistojnë këto formula empirike: a)σ = E(λ-1) ku: E – konstanta e elasticitetit (moduli i Jungut) σ – sfercoja. Kjo formulë përshkruan zgjatimin gjatë një boshti për λ<2,5 b)σ = M(1- λ-1) exp [A(λ- λ-1)] ku: M dhe A janë konstantë (për shumë goma A≈0,38). Kjo formulë vlen për të përshkruar zgjatjen dhe ngjeshjen njëpërmasëshe në zonën 0,5< λ<3,5 c)σ1 = A(λ1- λ2) {1+B} [j+2 (λ1+ λ3)] ;

8

kur B=0 formula është e përdorshme për shformimin σ0 – 60%. Ku A,B janë konstante , kurse J=( 1λ2 +2λ2 + 3λ2). Madhësitë λ1, λ2dhe λ3 quhen rende (ose shumefishe) të zgjatshmërisë dhe plotësojnë λ1, λ2 , λ3 = 1. Kur goma ka formën e kubit dhe zgjatet sipas një boshti,atëherë λ1= λ , kurse λ2= λ3= λ-1/2 . Ligjet e shformimit të gomuar: Energjia e lirë F e shformimit të gomës është funksion i rendeve të zgjatshmërive λ1, λ2 , vëllimit V dhe temperaturës T. Ndryshimet e saj në lidhje me parametrat λ1 e λ2 percaktojnë sforcat perkatëse σ1 ose σ2 , sipas dy drejtimeve pingule: σ= λ1/V (δE/δ λ1) λ2 TV për shformimin e gomuar.

dhe

σ2 = λ2 /V (δF/δ∏2 ) λ1 TV – janë ligjet

Përmbajtja 1.Atomet dhe Molekulat ............................................2 2.Materialet Kristalore dhe Amorre............................5 3.Polimeret.................................................................7

9

10