Malzeme Bilimi I. Metalurji ve Malzeme Mühendisliği. Doç. Dr. Rıdvan YAMANOĞLU

Transkript

1 I Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Doç. Dr. Rıdvan YAMANOĞLU

2 Evrende varolan, bir yer işgal eden ve kütlesi olan herşey madde olarak adlandırılır. Kütlesi ve hacmi olan herşey maddedir. Çevremizde gördüğümüz hava, su, toprak, vb. herşey maddedir.

3 Evrende varolan, bir yer işgal eden ve kütlesi olan herşey madde olarak adlandırılır. Kütlesi ve hacmi olan herşey maddedir. Çevremizde gördüğümüz hava, su, toprak, vb. herşey maddedir.

4

5 Saf Madde: Fiziksel olarak kendinden daha basit maddelere ayrılamaz ve belirli bir bileşime sahiptirler. Karışım: İki veya daha fazla saf maddenin özelliklerini koruyarak biraraya gelmesinden oluşurlar ve bileşimleri sabit değildir. Homojen karışım: Bileşenleri birbirinden ayırd edilemez ve bileşimi her yerde aynı. Heterojen karışım: Bileşenleri birbirinden ayırd edilebilir ve bileşimi her yerde aynı değildir. Element: aynı cins atomlardan oluşan ve kimyasal yollarla kendinden daha basit ve farklı maddelere ayrılamayan saf maddelere denir. Temel birimi atomdur. Bileşik: İki veya daha fazla elementin belirli oranlarda birleşip kimyasal bir bağ ile bağlanmasıyla oluşurlar.

6 Su molekülü bir den fazla element içerdiği için bileşiktir. Ozon, O3, moleküldür fakar tek tip elementten oluştuğu için bileşik değildir.

7 Doğada bulunan bütün maddeler atom topluluklarından oluşmuşlardır. Arı (saf) bir maddede, yani tek bir elementten oluşmuş bir malzemede, malzemenin gösterdiği bütün kimyasal özellikler en küçük parça olan atomda da vardır. Atom, eski yunancada bölünemez, parçalanamaz anlamına gelen atoma kelimesinden gelmektedir.

8 Elementlerde olduğu gibi tüm özellikleri barındıran en küçük parçanın karşılığı bileşiklerde kendini molekül olarak gösterir. Yani bileşiklerin temel birimidir. Molekül de latince küçük kitle anlamına gelen molekula kelimesinden gelmektedir. Malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri ise onu oluşturan atomların türünden çok, atomların dizilişine ve aralarındaki bağlara bağlıdır. Su molekülü The molecules in the top row bond with each other by sharing electrons. The compounds in the bottom row also share electrons. However, these joins are called ionic bonds.

9

10 Atom, bir çekirdek ve onu çevreleyen elektronlardan oluşur. Çekirdekte (+) elektriksel yüklü protonlarla, yüksüz (=nötr) nötronlar bulunur.

11 Periyodik cetvelde her atomun bir numarası vardır. Atom numaraları çekirdek etrafında dönen elektron sayısına veya çekirdekteki proton sayısına eşittir. Bir atomun ağırlığı ise proton ve nötron toplamı ile ifade edilir.

12 Atom numarası, proton sayısına eşittir. Eğer atom nötr ise elektron sayısına da eşittir. Kütle numarası ise, proton ve nötron sayılarının toplamına eşittir. Bir elektronun yükü 1,6x10-19 Coulomb dur ve negatif işaretlidir. Protonun yükü elektronun yüküne eşittir fakat pozitif işaretlidir. Eğer atom nötr ise elektriksel yük sıfırdır. Proton sayısı sabit kalmak üzere elektron sayısı değişirse iyonlar oluşur.

13 Bir elementin bir molündeki atom sayısı veya bir bileşiğin bir molekülündeki atom sayısı AVAGADRO. 1 mol yani 12 gram karbon elementinin atom sayısı n= Atom numarası 20 ye kadar olan elementlerin birçoğunda proton ve nötron sayıları eşittir. Bazılarında nötron fazlalığı vardır. Ancak atom numarası 20 nin üzerinde olan elementlerde proton sayısına oranla nötron sayısında fazlalık bulunur. Böylelikle söz konusu elementlerin İZOTOP ları oluşur. Örneğin C atomunun C-12 (6 proton + 6 nötron) ve C-13 (6 p. + 7 n.) izotopları. Bunların dışında sentetik izotoplarda bulunur. Atom numarası, proton sayısına eşittir. Eğer atom nötr ise elektron sayısına da eşittir. Kütle numarası ise, proton ve nötron sayılarının toplamına eşittir.

14 Atomlar tek başlarına ele alındıklarında herhangi bir elektrik yükü içermezler. Bu nedenle çekirdekte ne kadar proton var ise o kadar elektron olmalı ki elektronlar ile protonlar birbirlerinin elektrik yükünü dengelesin. Hem elektronlar hem de protonlar büyüklüğü 1,6x10-19 C olan elektrik yüküne sahiptirler. Nötr bir atomda elektron sayısı ile proton sayısı birbirine eşittir.

15 Fakat proton sayısı elektron sayısı ile eşit olmayabilir. Bu durumda atom bir elektrik yüküne sahiptir. Proton sayısı sabit olup elektron sayısındaki farklılıklar iyonların oluşumuna neden olur. Elektron sayısı fazla ise atom yüke sahip Proton sayısı fazla ise atom + yüke sahip ELEKTRİK YÜKÜ İÇEREN BU ATOMLARA İYON DENİR. Atom + yüke sahipse katyon Atom yüke sahipse anyon olarak nitelendirilir.

16 Çekirdeğin çapı çok küçüktür. Esas olarak atomun çapını elektron bulutu belirler. Aksine bir atomun ağırlığını çok büyük oranda çekirdek belirler (%99.95). Geri kalan %0.05 lik kısmı elektronlar oluşturur ve kabuk olarak da tanımlanır. Proton ve nötronların kütleleri birbirine eşittir. mp=mn= gram Bir elektronun kütlesi ise me= gramdır.

17 Atomların kütlelerini tanımlamak için standart kütle birimleri çok büyük kalır. Bu nedenle kütlenin tanımlanması için mol kavramı kullanılır. Atom ağırlığı bir elementin 6.02x10 23 tane atomunun ağırlığıdır. Örneğin aluminyumun atom ağırlığı 27g/mol olarak ifade edilir. Dolayısıyla bir aluminyum atomunun ağırlığı; Farklı şekilde hesaplamalara devam edilip, 1 cm3 deki aluminyum atomu sayısı bulunmak istenirse;

18 Bir atomun kütlesi çekirdekteki proton ve nötronların toplamına eşittir. Verilen bir elementin atomunda bulunan protonların sayısı tüm atomlarda aynı iken o elementin tüm atomlarında nötron sayıları aynı olmayabilir. Bu nedenle bazı elementlerin atomları 2 veya daha fazla farklı atom kütlelerine sahiptir (İZOTOP) Bu doğrultuda bir elementin atom ağırlığı doğal olarak meydana gelen izotop atomlarının atom kütlelerinin ortalama ağırlığına eşittir.

19

20 Atomların Elektronik Yapıları KUANTUM SAYISLARI Elektronlar atom çekirdeği etrafında farklı yörüngelerde dönerler ve bir elektronun konumu bulunduğu yörüngeye göre tanımlanır. Bir elektron enerji absorblayarak yüksek enerji seviyesine veya enerji yayarak düşük enerji seviyesine geçebilir. Bu enerji seviyeleri ancak belirli enerji değerleriyle değişebilir yani komşu enerji seviyeleri arasında belirli bir sınır enerji farkı vardır. Kuantum sayısı Orbitallerin büyüklüğü, şekli, dağılımı Elektronların yerleştiği enerji seviyeleri Elektron sayısı arttıkça farkı konum olasılıkları oluşur 1 orbitale en fazla 2 elektron yerleşebilir

21 Atomların Elektronik Yapıları Bir atomda herbir elektron kuantum sayısı olarak adlandırılan 4 parametreyle belirtilir. Modern atom teorisine göre elektronların olası yörüngelerini, enerjilerini ve hareketlerini belirlemek için 4 kuantum sayısına gerek vardır. Bunlardan ilk üçü enerji düzeyleri ile hareket yönü, dördüncüsü dönme yönü ile ilgilidir.

22 Atomların Elektronik Yapıları Elektron sayıları arttıkça farklı konum olasılıkları oluşur. Elektronların bulundukları farklı yörüngeler aslında onların bulundukları farklı enerji seviyeleridir. Bu enerji seviyelerine elektron kabukları denir.

23 Atomların Elektronik Yapıları Herbir elektron kabuğu 4 alt kabuktan oluşur. s, p,d ve f olarak ifade edilir. s çekirdeğe en yakın olandır. Alt kabuklar orbitallerden oluşur. s altkabuğu sadece 1, p 3, d 5 ve f 7 orbital içerir. Bu alt kabuklardaki tüm orbitaller aynı enerji seviyelerine sahiptir.

24 Atomların Elektronik Yapıları n, enerji seviyelerini, baş kauntum sayıları, yani elektronların yerleştiği enerji seviyeleri Enerji seviyesi, Elektron kabuğu, K, L, M ve N s, p, d ve f elektronların yerleştikleri alt kabuklar Bu alt kabuklar farklı sayıda orbitallerden oluşur.

25 PAULI DIŞLAMA PRENSİBİ, Atomların Elektronik Yapıları Bir enerji seviyesinde zıt spinli 2 elektrondan fazla elektronun bulunamayacağını belirtir. Bu nedenle s, p, d ve f alt yörüngelerinde sırasıyla 2, 6, 10 ve 14 adet elektron bulunabilir.

26 HUND KURALI, Atomların Elektronik Yapıları An önceki ifadeler ışığında bir atomda olası tüm seviyeler elektronlar tarafından doldurulamazlar. Peki aynı temel enerji seviyesindeki orbitaller atomlar tarafından nasıl doldurulur. Elektronlar her bir orbitale bir elektron yerleşir ardından başa dönerek doldurmaya devam eder. Aynı enerjili bir orbital boş duruken başka bir orbitale iki elektron yerleşemez. Elektronlar öncelikle olası en alt enerji seviyesine yerleşirler. Bu doğrultuda elektronlar en düşük enerji seviyelerine yerleşirse atomun en düşük enerji durumunda olduğu söylenir.

27 Atomların Elektronik Yapıları Elementlerin elektronik düzeni 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14

28 Değerlik Elektronu Atomların Elektronik Yapıları Bir atomun en yüksek enerji seviyesindeki yani en dış elektron kabuğundaki elektronlarıdır. Fiziksel ve kimyasal özelliklerini tayin ederler. Bu elektronlar diğer elementlerle bağ kurulup kurulmayacağını belirlerler. Hidrojen, 1s1, değerlik elektron sayısı =1 Karbon atom numarası 6, Birinci enerji seviyesinde 2 (1s2) İkinci enerji seviyesinde 4 (2s2 2p2) En dış elektron kabuğunda 4 elektron var. Karbonun değerlik elektron sayısı =4 Fe, 26 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 En dış kabukta ki yani 4. kabuktaki elektron sayısı 2 Demirin değerlik elektorn sayısı =2

29 Atomların Elektronik Yapıları Kimyasal Reaktiflik Atomların kimyasal reaktifliği dış kabuk (valans) elektronlarına bağlıdır. En kararlı ve en az reaktif elementler asal gazlardır. Elektron dizimi 1s2 olan He (helyum) dışındaki bütün asal gazlar (Ne, Ar, Kr, Xe ve Rn) s2p6 elektron düzenine sahiptirler. Bu en dış kabuğun s2p6 düzeni, yüksek kimyasal kararlılığı ve asal gazlar diğer atomlarla kimyasal olarak reaksiyona girmezler. Soy gaz olarak tanımlanırlar. Neon 1s2 2s2 2p6 Argon 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Kararlı atomların normal olarak en dış yörüngelerinde sadece s ve p seviyelerinin toplamı 8 elektron tarafından işgal edilir. Helyum istisnai olarak sadece 1 s enerji seviyesinde 2 elektron bulundurur.

30 Atomların Elektronik Yapıları Periyodik tablo Elementlerin artan numarasına göre yer aldığı yatay 7 satır periyod olarak adlandırılır. Aynı sütunda bulunan elementlerin valans elektron yapısı ve buna bağlı olarak fiziksel ve kimyasal özellikleri benzerdir. Soy gazlar, tamamen dolu elektron yörüngesine sahip, yani kararlı yapıdalar. 7A grubunun kararlı yapıya gelebilmesi için 1 elektron, 6A grubunun kararlı yapıya gelebilmesi için 2 elektron alması gerekir. 7A grubunda bulunan ve 1 elektron alınca kararlı yapıya ulaşan F, Cl, Br, I halojen olarak adlandırılır. Astatin, ununseptiyum Kararlı hale geçmeleri için sadece 1 elektron gerektiğinden oldukça reaktiftirler. Zehirleyicidirler. Oda sıcaklığında flor ve klor gaz, brom sıvı ve iyot katı haldedir. F en yüksek elektronegativiteye sahip elementtir. Halojenler özellikle alkali metaller ve toprak alkali metalleri ile reaktiftir. Kararlı iyonik tuzları oluştururlar.

31 Atomların Elektronik Yapıları Elektronegatiflik bir atomun kendine elektron çekme derecesidir. Elektronegatiflik kavramı, atomik bağların anlaşılmasında yardımcı olur. Elementlerin çoğu metaldir. Birkaç valans elektronunu verme kabiliyetine sahip olduklarından Elektropozitif olarak ifade edilirler. Doğadaki elektropozitif elementler metallerdir ve kimyasal reaksiyonlarda elektron vererek pozitif iyon (katyon) haline gelirler. Bir elektropozitif elementin atomunun verdiği elektronlar, pozitif oksidasyon numarasıyla belirtilir; 3 elektron vererek iyonlaşmış bir Al atomu Al 3+ şeklinde gösterilir. Elektronegatif elementler yapı olarak metal olmayan elementlerdir ve kimyasal reaksiyonlarda elektron alarak negatif iyonlar (anyonlar) oluştururlar. Bunların aldıkları elektron sayısı onların negatif oksidasyon numarası olarak belirtilir; 2 elektron alarak iyonlaşmış bir O atomu O 2- şeklinde gösterilir.

32 Atomların Elektronik Yapıları En fazla elektropozitif olan elementler periyodik tabloda IA ve IIA grubundakilerdir. En fazla elektronegatif olanlar da VIA ve VIIA grubu elementlerdir. Yani tablonun sağındakiler elektronegatif elementlerdir. Yani negatif iyon oluşturmak için kolayca elektron alırlar veya bazen elektronlarını diğer atomlarla paylaşırlar. Bir Periyotta Soldan Sağa Doğru Gidildikçe; Atom numarası, kütle numarası, proton sayısı, atom kütlesi, nötron sayısı, elektron sayısı, değerlik elektron sayısı artar. Atom çapı ve hacmi küçülür. Elektron ilgisi ve elektronegatifliği artar. (8A hariç) Elementlerin metal özelliği azalır, ametal özelliği artar. (8A hariç) Bir Grupta Yukarıdan Aşağıya Doğru İnildikçe; Proton sayısı, nötron sayısı, elektron sayısı, çekirdek yükü, atom numarası, kütle numarası artar. Atom çapı ve hacmi büyür. Değerlik elektron sayısı değişmez. İyonlaşma enerjisi, elektron ilgisi ve elektronegatiflik azalır. Elementlerin metal özelliği artar, ametal özelliği azalır.

33 Atomların Elektronik Yapıları Periyodik tabloda IVA dan VIIA ya kadar olan elementler hem elektropozitif hem de elektronegatif olarak davranırlar. Metaller Dış kabuklarındaki elektron sayısı azdır (genellikle 3 veya 3 ten az) Elektron vererek katyon oluştururlar Düşük elektronegatifliğe sahiptirler Metal Olmayanlar Dış kabuklarında 4 veya 4 den fazla elektron vardır. Elektron alarak anyon oluştururlar Yüksek elektronegatifliğe sahiptirler.

34 ATOMLARARASI BAĞLAR Atomlararası Bağ Türleri Atomlararası bağ kuvvetleri atomları birarada tutarak iç yapıyı oluşturur. Malzemelerin mukavemeti, elektriksel ve ısıl özelikleri büyük ölçüde bağ yapısına bağlıdır. Bağlar kuvvetli olursa elastisite modülü, mukavemet ve ergime sıcaklığı yüksek, ısıl genleşme düşük olur. Katılarda iyonik, kovalent ve metalik olmak üzere 3 farklı birincil bağ yani kimyasal bağ vardır. Her bağ tipi için valans elektronunun bulunması gerekir. Birçok katı malzemede birincil bağlara göre oldukça zayıf olmasına rağmen malzemelerin fiziksel özelliklerini etkileyen ikincil bağlarda bulunur.

35 Atomlararası Bağ Türleri Atomların en dış kabuğundaki elektronlara valans elektronları denir. Bunlar Coulomb çekim kanunlarına göre çekirdeğe en az kuvvetle bağlı olandır. Atomlar arası bağ türlerini, atomlar arası uzaklığı, mekanik, elektriksel, kimyasal, ısıl ve optik özellikleri bu elektronlar belirler.

36 Atomlararası Bağ Türleri Valans elektronlarının sayısı en fazla 8 olabilir. Eğer element 8 valans elektronuna sahipse kararlıdır; başka elementlerle elektron alışverişi yapmaz. Ancak elementin valans elektron sayısı 8'den az ise bu elementler elektron alışverişinde bulunabilir.

37 Atomlararası Bağ Türleri Bir atomun en dış kabuğundan bir elektron uzaklaştırabilmek için sarf edilen enerjiye iyonizasyon enerjisi denir. Bu uzaklaştırılan elektron veya elektronlar asal gaz konumuna gelmek isteyen elementler tarafından alınırlar. Bu şekilde elektron alışverişiyle oluşan negatif ve pozitif elektronlar birbirlerini çekerek molekülleri oluştururlar. Oluşan bu molekülden atom koparılması (yani ilgili bağın koparılması) için gereken enerjiye bağ enerjisi denir. İyonun elektrostatik alanı ve dolayısıyla çevresi üzerine bir kuvvet etkisi vardır. Bu şekilde oluşan bağlara kuvvetli (primer veya birincil) bağ denir. Bu bağlar metalsel, kovalent ve iyonik bağlar olmak üzere üçe ayrılır. Kuvvetli bağların yanında elektriksel kutuplaşma sonucu doğan zayıf bağlar da vardır.

38 Atomlararası Bağ Türleri

39 Atomlararası Bağ Türleri İYONİK BAĞLAR Sodyum 1 elektronunu kaybeder +1 elektrik yükü kazanır (Katyon). Klor 1 elektron alır alır ve -1 elektrik yüküne sahip olur (Anyon). Sonuç olarak her ikisi de artık nötr değildir ve zıt elektrik yüklerine sahip iyonlara dönüşür. Farklı elektrik yüküne sahip iki iyon arasındaki elektrostatik çekim kuvvetinden doğan bu etkileşime İYONİK bağ denir. Metal + Ametal Genel bir kural olarak iyonik bağ, elektronegativite ve elektropozitiviteleri arasında çok fark olan elementler arasında olur.

40 İYONİK BAĞLAR Atomlararası Bağ Türleri Na 11: 1s2 2s2 2p6 3s1, 1 elektron vererek katyon Cl 17: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5, 1 elektron alarak anyon Elektron paylaşımı olduktan sonra ortaya çıkan elektrostatik çekim kuvveti nedeniyle oluşan bağ türüdür. Yani atomlar iyonlaştıktan sonra ortaya çıkan çekim kuvvetinin etkisi ile oluşan bağdır. İyonik bağ yönsüzdür. Yani bir iyonun çevresindeki bütün yönlerdeki bağ büyüklüğü birbirine eşittir. 3 boyutlu bir uzayda bütün pozitif yüklü iyonların en yakınında negatif yüklü iyonların veya tam tersi bulunması nedeniyle, iyonik malzemelerin kararlı olduğu sonucu çıkarılabilir. Seramiklerde en yaygın bağ yapısı iyoniktir.

41 Atomlararası Bağ Türleri KOVALENT BAĞ Bir ya da birkaç çift elektronun paylaşılması ile oluşur. Daha çok benzer elektronegatifliğe sahip elementler arasında olur. Komşu iki atom elektronlarını ortaklaşa kullanarak kararlı hale gelir. PAYLAŞILAN elektronların her iki atoma da ait olduğu düşünülür. Paylaşılan elektronlar her iki çekirdek tarafından etkileşir. İki çekirdek arasındaki bölgede daha uzun süre bulundukları için yüklü bir alan oluştururlar. Bu alan her iki çekirdeğe de bir çekme kuvveti uygular ve bağ oluşur.

42 Atomlararası Bağ Türleri KOVALENT BAĞ Birçok metalik olmayan H 2, Cl 2, F 2 gibi temel moleküllerin yanısıra, CH 4, H 2 O, HNO 3 ve HF gibi farklı atomlardan oluşan moleküller kovalent bağ yapısındadır. Elmas, silisyum, germanyum, SiC diğer örneklerdir. Temel yapısı karbon atomlarından oluşan uzun zincir yapısındaki polimerik malzemelerde kovalent bağlıdır. Kovalent bağ iyonik ve metalik bağın aksine yönlüdür. Bağ açılarının etkisi büyüktür.

43 Atomlararası Bağ Türleri KOVALENT BAĞ Bir atomda kovalent bağ sayısı valans elektron sayısı ile belirlenir. N valans sayısı ise, bir atom bir diğer atom ile en fazla 8-N sayıda kovalent bağ yapabilir. Örneğin klorun valans elektron sayısı 7 dir. 8-7=1 yani Cl bir diğer atomla Cl 2 de olduğu gibi bir kovalent bağ yapabilir. Karbonun valans elektron sayısı 4. 4 kovalent bağ yapabilir. Kovalent bağ benzer elektronegatifliğe sahip atomlar arasında olur. Yani ametaller daha kolay kovalent bağı tercih eder. Metallerde daha kolay yerlerinden oynatılabilen elektronların daha serbestçe dolaşabildiği metalik bağ yaparlar. H, Helyuma benzemek ister. 2-valans e

44 Atomlararası Bağ Türleri KOVALENT BAĞ İki element arasında oluşan bağ her zaman %100 kovalent nitelik taşımaz. Örnek Metan C ile H atomları bir araya geldiğinde elektron paylaşırlar ve iyonlaşırlar. Bu iyonlaşma nedeniyle de elektrostatik çekim meydana gelir. Yani kovalent bağa ilave iyonik çekim de söz konusudur. Fakat aynı elektronegativiteye sahip iki element bir araya gelince böyle bir elektrostatik çekim olmaz. Bu durumda ortaya çıkan bağ %100 kovalent.

45 Atomlararası Bağ Türleri METALİK BAĞ Metalik bağda en fazla 3 valans elektron vardır. Metalik bağda valans elektronları herhangi bir atoma ait olmayıp tüm metal içerisinde belirli oranda hareket etme yeteneğine sahiptir. Negatif yüklü serbest elektronlar, pozitif yüklü iyon çekrideklerini elektrostatik itme kuvvetlerinden korurlar ve bunun sonucunda da metalik bağ yönsüz olma özelliği kazanır. Ayrıca bu serbest elektronlar iyon çekirdeklerini bir arada tutmak için adeta bir yapıştırıcı görevi görür. İyonik ve kovalent bağa nazaran daha zayıftır. Serbest elektronlar nedeniyle hem elektriği hem de ısıyı iletirler. Diğer taraftan iyonik ve kovalent bağlı malzemeler serbest elektrona sahip olmadıklarından ısı ve elektrik iletimi bakımından yalıtkan özelliktedirler. Örnek Al +3 katyon, atom numarası 13

46 Atomlararası Bağ Türleri ZAYIF BAĞLAR VAN DER WAALS GEÇİCİ KUTUPLAŞMA SÜREKLİ KUTUPLAŞMA HİDROJEN BAĞLARI ATOMLARARASI KARIŞIK BAĞLAR

47 Moleküller Moleküller birbirleri ile kuvvetli bağlarla bağlı belirli sayıda atom gruplarından oluşur, ancak benzer gruplar arasındaki bağlar zayıf türdendir. Bunlara örnek çok sık rastlanan H2O, CO2, O2, ve N2 gibi moleküllerle CH4, C2H2, NH4, CH2O, CH3Cl gibi küçük organik moleküller verilebilir. Atomlarda kutuplaşma olayı ile bu bağlar daha iyi anlaşılabilir. Atomların sürekli titreşimleri nedeniyle çekirdek etrafında elektronların dağılımlarında oluşan anlıkdüzensizliklerden kaynaklanan anlıkçekimlerdir. Çok kısa süreli çekimler olmasında rağmen atomları (sıvı da olduğu gibi) bir arada tutmaya bu bağların gücü yetmektedir.

48 Moleküller Anlık kutuplaşmanın aksine bazı moleküllerin yapıları gereği kutuplaşma söz konusu olur. H 2 O O 8-1s2 2s2 2p4 H 1-1s1 2 H atomu 1 O atomu ile kovalent bağ yapar. Hidrojen bağı: elektron paylaşımının olmadığı bağlar arasında en kuvvetli H, F, Ok ve N gibi elektronegatif elementler bir araya gelip kovalent bağ oluşturduğunda ortaya çıkan bağ türüdür. H 1 F 9

49 Moleküller Moleküllerde atomlar 8 valans elektronla (H hariç) çevrilmiştir, elektron yapıları asal gazlarınkine benzer, bu nedenle çoğunlukla gaz halinde, pek azı sıvı halinde bulunur. Moleküllerde atom sayısı arttıkça boyutu büyür, yanal zayıf bağ oluşma olasılığı artar, boyut büyüdükçe gazdan sıvı, sıvıdan katı hale geçebilirler. Kovalent bağlar bir doğrultuda uzanırsa zincir şeklinde yapı (lineer polimerler), iki boyutta uzanırsa tabakalı yapı (grafit) ve üç boyutta uzayda uzanırsa uzayağı türü moleküler yapı (bakalit) oluşur

50 Moleküller Küçük organik molekül bireylerine monomer denir (C2H2 gibi) Bunlar da C atomlar arası birden fazla bağ içeren birimler polimerizasyon işlemine tabii tutularak birbirlerine eklenirler (C atomları arasındaki fazla bağlar açılarak) ve böylelikle uzun molekül zincirlerinden oluşan polimerlere dönüşebilirler. Örneğin etilen monomerleri birbirlerine eklenerek polietilen polimerleri (C2H4)n elde edilir.

51 Moleküller Zincirdeki mer sayısı arttıkça komşu moleküllerle zayıf bağ kurma olasılığı artar, bu nedenle normal koşullarda gaz olan C2H4 molekülü büyüyerek önce sıvı, sonra katı hale geçebilir. Zincirde 5 ila 20 kadar mer varsa sıvı, 20 den sonra mum ve nihayet arasında endüstride kullanılan katı polietilen elde edilir.

52 Moleküller ATOMLARARASI MESAFE Cisimler, çok sayıda atomların bağ kuvvetleri etkisi altında bir arada dizilmeleri sonucu oluşur. Atomlararası itme-çekme kuvvetlerinin eşit ve potansiyel enerjinin minimum olduğu denge konumu atomlar arasındaki uzaklığı belirler. Aralarında bağ bulunan belirli bir atom çifti için bu uzaklık kesindir. Bu uzaklığı değiştirmek için enerji gerekir.

53 Moleküller ATOMLARARASI MESAFE

54 Moleküller

55 Moleküller ATOMLARARASI MESAFE Atomlararası mesafe çok büyük olduğunda birbirleri üzerine etki edemezler ve aralarındaki etkileşim ihmal edilebilir. Mesafe azaldıkça birbirlerine kuvvet uygularlar (Fç ve Fi). Her bir kuvvetin büyüklüğü ara mesafenin bir fonksiyonudur. Fç iki atom arasında mevcut bağ tipi ile ilgilidir. Fi negatif yüklü elektron bulutları arasındaki etkileşimden kaynaklanır.

56 Moleküller ATOMLARARASI MESAFE Fn = Fi + Fç Fç ve Fi eşit olduğunda Fn = 0 Bu durumda iki atomun merkezi arasındaki mesafe ro değerini alır. Ro konumunda atomların birbirinden uzaklaşma durumları için çekme, yaklaşma durumları için itme kuvveti oluşur.

57 Moleküller ATOMLARARASI MESAFE İki atom arasındaki kuvvet etkileşimi yerine potansiyel enerjide alınabilir. Net enerji eğrisindeki minimum nokta ro denge mesafesine denk gelir. Eo, atomları birbirlerinden sonsuz mesafeye uzaklaştırmak için gerekli enerjidir ve bağ enerjisi olarak adlandırılır.

58 Moleküller ATOMLARARASI MESAFE Eo bağ enerjisinin büyüklüğü ve enerjinin atomlararası mesafe ile değişimi atomlararası bağ tipine bağlı olarak malzemeden malzemeye değişir. Birçok malzeme özellikleri Eo bağ enerjisi eğrisinin şekline ve bağın tipine bağlıdır. Yüksek bağ enerjisine sahip metaller yüksek ergime sıcaklığına sahiptirler. Oda sıcaklığında katılar yüksek, sıvılar orta ve gazlar düşük bağ enerjisine sahiptir.

59 Moleküller ATOMLARARASI MESAFE Malzemenin rijitliği o malzemenin F-r eğrisinin şekline bağlıdır. Yüksek rijitlikteki malzemelerin eğrisi r=ro konumunda diktir

60 Moleküller ATOMLARARASI MESAFE Bir malzemenin ısıtma sonrası ne kadar genleştiği ve soğutma sonrası ne kadar büzüldüğü (malzemenin ısıl genleşme katsayısı) Eo bağ enerjisinin ro atomlararası mesafeyle değişim eğrisinin şekline bağldıır. Derin ve dar enerji çukuru yüksek bağ enerjisine, düşük genleşme katsayısına işaret eder.

61 Moleküller ATOMLARARASI MESAFE T = 0 K Potansiyel enerji minimum, atomlararası mesafe minimum T Isıl enerji ile atomlar titreşmeye başlar, iki atom arasındaki uzaklık sürekli değişir yani itme kuvvetleri çekme kuvvetlerinden daha etkilidir. T = 0 ile herhangi bir T (K) arasındaki atomlararası uzaklık farkı ısıl genleşme olarak tanımlanır.

62 Atomsal Koordinasyon Sıvılarda ve katılarda komşu atomlar arasında atomlararası bağlardan kaynaklanan yakın ilişkiler vardır. Bu ilişkiler sonucu atomlar üç boyutlu uzayda oldukça sık dizilerek iç yapıyı oluştururlar. Atomların dizilişi veya koordinasyonu iki aşamada ele alınabilir. Birinci aşamada yakın mesafe koordinasyonu, ikinci aşama ise uzak mesafe koordinasyonudur.

63 Atomsal Koordinasyon Bir atoma teğet birinci derecede komşularının sayısına koordinasyon sayısı ve kısaca KS ile gösterilir. Bir kütle içinde atomların diziliş sıklığı veya hacımsal atom yoğunluğu (atom/cm3) bu sayı ile yakından ilişkilidir. Gazlarda atomlar veya moleküller arasında bağ yoktur, bunlar bulunduğu kap içinde sürekli serbest hareket halindedirler, dolayısıyla koordinasyon sayıları sıfır alınabilir. Sıvılarda ve katılarda ise bağ kuvvetleri nedeni ile atomlar birbirlerine değerler ve diziliş oldukça sıktır. Sıvıların koordinasyon sayısı zayıf bağ nedeni ile kuvvetli bağlı katılarınkinden biraz küçüktür. Örneğin katı aluminyumda 12 olan KS, sıvı hale dönüşünce 10 veya 11 e düşer. Bu nedenle sıvı hale dönüşen katıların özgül ağırlıkları su hariç biraz azalır.

64 Atomsal Koordinasyon Kovalent bağlı cisimlerde koordinasyon sayısı elemanın sahip olabileceği maksimum kovalent bağ sayısı ile sınırlıdır.

65 Atomsal Koordinasyon İyonsal bağlı cisimlerde bir artı iyon mümkün olduğu kadar çok sayıda eksi iyonla kuşatılma eğilimi gösterir. Ancak çevresindeki boş alanın kısıtlı oluşu ve net elektriksel yükün sıfır olma zorunluluğu bu sayıyı sınırlar. Alan yönünden sınırlama iyon yarıçapları oranına bağlıdır. İyonik bağlı cisimlerde KS küçük boyutlu iyonun yani katyonun yarı çapı ile büyük boyutlu iyonunun yani anyonun yarıçaplarıarasındaki orana bağlıdır.

66 Atomsal Koordinasyon Eğer iki katyona iki anyon temas ediyorsa bir sınırlama olamaz. Katyonun çapı ne olursa olsun iki anyon temas edebilir. Fakat bir katyona 3 anyon temas ediyorsa yani KS 3 ise katyon ve anyon arasındaki oran kritik olur. Bu durumda anyon çapı küçültülmesi gerekir (katyon çapı sabit tutulmak şartı ile) ve bu sayede 2 yerine 3 anyon ile temas sağlanıp KS 3 e çıkar. Benzer mantıkla KS yi arttırmak için sürekli anyon boyutunu küçültmek gerekir. Sonuç olarak KS artması için r/r oranı artmalı.

67 Atomsal Koordinasyon

68 Bağ ve Malzeme Özellikleri Ergime ve Buharlaşma Sıcaklıkları Katılarda kuvvetli bağlar, sıvılarda zayıf bağlar egemendir. Katı halden sıvı hale geçerken kuvvetli, sıvı halden buhar hale geçerken zayıf bağlar kopar. Kuvvetli ve zayıf bağların enerji çukurlarının derinlikleri farklıdır. Bağ enerjisi arttıkça ergime (Te) sıcaklıkları da artar.

69 Bağ ve Malzeme Özellikleri

70 Bağ ve Malzeme Özellikleri Isıl Genleşme Malzemelerin ısıl genleşmesi ergime sıcaklığı ile ters yönde değişir. Ergime sıcaklığı yüksek malzemelerde bağ enerjisi Wb daha büyük, potansiyel enerji çukuru daha derindir. Sıcaklık yükselirken atomlararası ortalama uzaklık minimumdan geçen düşeye göre daha az sapar, bu nedenle ısıl genleşme daha küçük olur.

71 Bağ ve Malzeme Özellikleri Isıl Genleşme Malzemelerin ısıl genleşmesi ergime sıcaklığı ile ters yönde değişir. Ergime sıcaklığı yüksek malzemelerde bağ enerjisi Wb daha büyük, potansiyel enerji çukuru daha derindir. Sıcaklık yükselirken atomlararası ortalama uzaklık minimumdan geçen düşeye göre daha az sapar, bu nedenle ısıl genleşme daha küçük olur.

72 Bağ ve Malzeme Özellikleri

73 Bağ ve Malzeme Özellikleri Mukavemet Mukavemet genel anlamda bir malzemeyi koparmak için birim alana uygulanan kuvvet olarak tanımlanır. Mukavemetin kaynağı atomlararası bağ kuvvetleridir. Ancak genelde kohezif mukavemetler deneyle bulunan mukavemetlerin yaklaşık 1000 katı kadardır. Aradaki bu büyük fark iç yapı kusurlarından kaynaklanmaktadır.

74 Bağ ve Malzeme Özellikleri Mukavemet Atomlararası kohezif kuvvet Fm büyüdükçe enerji çukurunun derinliği, dolayısıyla Wb bağ enerjisi artar, ergime sıcaklığı ve mukavemet yükselir. Al2O3 ve TiC ün ergime sıcaklıkları yüksek olduğu gibi sertlikleri de çok yüksektir. Bağları zayıf olan kurşun ve plastikler yumuşak olup kolay erirler ve ısıl genleşmeleri büyüktür.

75 Bağ ve Malzeme Özellikleri Elastisite Modülü Elastisite modülü bir malzemede bir birim şekil değiştirme için uygulanacak gerilme olarak tanımlanır. Atomlararası bağ kuvveti F in a denge mesafesindeki eğimi tanα=df/dx, elastisite modülü ile orantılıdır. Fm kohezif kuvveti büyüdükçe, eğrinin başlangıcındaki eğimi artar, enerji çukuru derinleşir ve E elastisite modülü büyük olur. Sıcaklık yükselirse, eğim azalır ve sonuç olarak malzemelerin elastisite modülünün sıcaklık ile azaldığı görülür.

76 Elektriksel İletkenlik Bağ ve Malzeme Özellikleri Malzemelerde elektriksel iletkenlik elektriksel alan etkisinde serbest elektron hareketleri ile sağlanır. Metallerde valans elektronlar serbest halde bulunduklarından kolaylıkla yüksek iletkenlik elde edilir. İyonsal ve kovalent bağlı malzemelerde serbest elektron bulunmadığından iletken sayılmazlar. Ancak bazı kovalent bağlı malzemelerde, Si, Ge, Sn gibi yeterli alan etkisinde yararlı sayıda elektron serbest hale gelerek iletim sağlanır. Bu tür malzemelere yarı iletken denir.

77 Bağ ve Malzeme Özellikleri Isıl İletkenlik Isıl enerji malzemelerde serbest elektron hareketi ve atomların ısıl titreşimleri ile iletilir. Serbest elektronler ısıl titreşimlere göre kat daha fazla ısıl enerji iletirler, dolayısıyla metallerin ısıl iletkenliği çok yüksektir. İyonsal ve kovalent bağlarda ısıl enerji yalnız atomların ısıl titreşimi ile iletilir, bu nedenle ısıl iletkenlik çok düşüktür. Uygulamada bu malzemeler ısı yalıtkan malzemelerdir.

78 Bağ ve Malzeme Özellikleri Optik Özellikler Metallerde ışık dalgası serbest elektron bulutu tarafından yansıtıldığından geçemezler, bu nedenle metaller saydam değillerdir, diğer bir ifade ile opaktırlar. İyonsal ve kovalent bağlı cisimlerde serbest elektron bulunmadığından ışık yansıtılmadan kolayca geçebilir. Özellikle bu malzemeler arı ve kusursuz halde saydamdırlar. Ancak içerilerine katılan katkı maddeleri ve iç yapı kusurları saydamlığı azaltır, yarı saydam veya opak hale gelebilirler.

79 Kimyasal Özellikler Bağ ve Malzeme Özellikleri Kimyasal olaylar atomlararası bağ kopması ve bağ oluşumu ile ilişkilidir, bu olaylar da büyük ölçüde valans elektron yapısına bağlıdır. Metallerde az sayıdaki valans elektronları kolaylıkla ana atomdan ayrılırlar ve geriye artı yüklü metal iyonlar kalır. Metal iyonları da çevrenin elektrokimyasal etkilerine karşı duyarlı olurlar, bu nedenle kolayca korozyona uğrarlar. Korozyon ürünü, demirde olduğu gibi, gevşek ve kolaylıkla kabarıp dökülürse, malzeme kısa sürede tahrip olur. Cu ve Al de korozyon ürünü koruyucu bir tabaka oluşturur ve böylece korozyon sürekli ilerlemez. İyonsal ve kovalent bağlı malzemeler dış etkilere karşı çok dayanıklı olurlar.

80 Bağ Yapılarına Göre Malzemelerin Sınıflandırılması METALLER Metalsel bağa sahip metallerde aynı veya benzer tür atomlar düzenli bir biçimde dizilerek kristal yapı oluştururlar, hacımsal atom yoğunlukları yüksektir, dolayısıyla % 80 kadarında KS 12, geri kalanlarda 8 dir. Bu nedenle özgül ağırlıkları diğer sınıflara göre büyüktür, çoğunlukla 7 g/cm3 ün üstündedir. Metaller serbest elektron içerdiklerinden ısıl ve elektriksel iletkenlikleri yüksektir, saydam olmayıp opaktırlar, ışığı iyi yansıtırlar. Özellikle aluminyum parlatılarak yansıtıcı (reflektör) olarak kullanılmaya elverişlidir. Ayrıca metaller plastik şekil vermeye elverişlidirler.

81 Bağ Yapılarına Göre Malzemelerin Sınıflandırılması SERAMİKLER Seramikler genel olarak metal ve metal olmayan elementlerin oluşturduğu iyonsal bileşiklerdir. Elektropozitif elementler olan Na, Mg, Fe, Al gibi elementler, elektronegatif elementler olan Cl, O gibi elementlerle kolaylıkla iyonsal bağ kurarak NaCl, MgO, FeO, SiO2, gibi çok çeşitli türde seramik meydana getirirler. Koordinasyon sayıları çoğunlukla 6, bazılarında 4 tür. Yönsüz bağlı iyonlar ardışık dizilerek kristal yapı oluşturma eğilimi gösterirler, bununla beraber doğada çoğunlukla kristalli ve kısmen amorf yapıda bulunurlar. Özgül ağırlıkları metallerle plastikler arasında olup çoğunlukla 2-3 g/cm3 arasındadır.

82 Bağ Yapılarına Göre Malzemelerin Sınıflandırılması SERAMİKLER Seramikler genel olarak metal ve metal olmayan elementlerin oluşturduğu iyonsal bileşiklerdir. Elektropozitif elementler olan Na, Mg, Fe, Al gibi elementler, elektronegatif elementler olan Cl, O gibi elementlerle kolaylıkla iyonsal bağ kurarak NaCl, MgO, FeO, SiO2, gibi çok çeşitli türde seramik meydana getirirler. Koordinasyon sayıları çoğunlukla 6, bazılarında 4 tür. Yönsüz bağlı iyonlar ardışık dizilerek kristal yapı oluşturma eğilimi gösterirler, bununla beraber doğada çoğunlukla kristalli ve kısmen amorf yapıda bulunurlar. Özgül ağırlıkları metallerle plastikler arasında olup çoğunlukla 2-3 g/cm3 arasındadır.

83 Bağ Yapılarına Göre Malzemelerin Sınıflandırılması SERAMİKLER Seramikler plastik şekil değiştiremez, sert ve gevrek olurlar. Yüksek sertlikleri dolayısıyla, Al2O3, TiC gibi aşındırıcı (abrazif) olarak kullanılmaya elverişlidirler. Ergime sıcaklıkları yüksek, ısıl ve elektriksel iletkenlikleri düşüktür. Elektrikli ısıtıcılarda, fırınlarda yalıtım malzemesi olarak kullanılırlar (refrakter malzeme). Bazıları saydamdır, ışığı kötü yansıtırlar. Dış etkilere iyi dayanırlar. Beton, taş, tuğla ve kiremit gibi seramik malzemeler yapılarda büyük ölçüde kullanılır.

84 Bağ Yapılarına Göre Malzemelerin Sınıflandırılması POLİMERLER Plastikler veya polimerler genellikle metal olmayan elementlerden oluşan kovalent bağlı malzemelerdir. İlgili elementler C, H, Cl, F, O, N ve S tir. Monomer denilen molekül bireyleri birbirlerine kovalent bağlarla eklenerek çok büyük, moleküllere dönüştürülür ve dolayısıyla polimer adını alırlar. Bu tür malzemeler üretimlerinin belirli aşamasında yumuşayarak plastik kıvam aldıktan ve sonra bir kalıba enjekte edilerek şekil verildiklerinden plastik adını almışlardır.

85 POLİMERLER Bağ Yapılarına Göre Malzemelerin Sınıflandırılması Plastikler kovalent bağın sürekliliği ve atomların diziliş biçimlerine göre iki tür moleküler yapıya sahiptir. Lineer polimerler de denen birinci türde molekül birimleri veya merler kovalent bağlarla bir boyutta zincir şeklinde dizilirler, moleküller arası bağlar zayıf türdendir. Isıtılınca zayıf bağlar koptuğundan kolayca yumuşarlar, soğuyunca sertleşirler ve tekrar kullanılabilirler. Endüstride bunlara termoplastikler denir. Bunlara örnek olarak polietilen, polivinilklorür ve polistiren gösterilebilir. Uzay ağı polimerleri denilen ikinci tür yapıda üç veya daha fazla reaksiyon bağına sahip merler üç boyutlu uzayda sürekli kovalent bağı ağı oluştururlar. Bu tür polimerler üretim süresinde sertleştikten sonra ısıtılma ile yumuşamazlar, aşırı sıcaklıkta kovalent bağlar koparak parçalanır, dolayısıyla tekrar kullanılamazlar. Bu tür polimerlere termoset plastikler denir. Bakalit epoksi ve poliester bu türe örnek olarak gösterilebilir.

86 Bağ Yapılarına Göre Malzemelerin Sınıflandırılması POLİMERLER Polimerlerin genel özelikleri moleküler yapıya bağlıdır. Elementler arası kovalent bağ sayısı en fazla 4 olabileceğinden hacımsal atom yoğunluğu düşüktür, bu nedenle özgül ağırlığı düşük ve hafif malzemelerdir. Özgül ağırlıkları çoğunlukla 2 g/cm3 ün altındadır. Polietilen sudan hafif olup özgül ağırlığı g/cm3 tür. Polimerlerin ısıl ve elektriksel iletkenlikleri çok düşüktür, yalıtım malzemesi olarak kullanılmaya elverişlidir. Arı halde genellikle saydamdırlar, ışığı geçirirler, dolayısıyla en kötü yansıtıcıdırlar.