MALZEMEN MALZEMENİN. Ç YAPISI: Kat. Katılarda Atomsal Ba

Transkript

1 MALZEMEN İN İİÇ Ç YAPISI: Kat ılarda MALZEMENİN Katılarda Atomsal Ba ğ Bağ

2 Bölüm İçeriği Bağ Enerjisi ve Kuvveti Atomlar arası mesafe, Kuvvet ve Enerji İlişkisi Atomlar arası Mesafeyi Etkileyen Faktörler. Sıcaklık, Iyonsallik derecesi, Komsu atomlarin sayisi Kovalentlik derecesi Koordinasyon Sayisi (KS)

3 Atomlar Arasi Mesafe ve Bag Enerjisi Cisimler çok sayida atomlarin bag kuvvetleri etkisi altinda bir arada dizilmeleri sonucu olusur. 2. Atomlar arasi itme-çekme kuvvetlerinin esit ve potansiyel enerjisinin minimum oldugu denge konumu atomlar arasi uzakligi belirler. 3. Aralarinda bag bulunan belirli bir atom çifti için bu uzaklik kesindir. Bu uzakligi degistirmek için enerji gerekir. 1.

4 Atomlararasi mesafe olusumu

5 Atomlar Arasi Mesafe ve Bag Enerjisi (devami) Iyonik bag konumu için itme ve çekme kuvvetleri asagidaki gibi yazilabilir :

6 Atomlar Arasi Mesafe ve Bag Enerjisi (devami) :

7 Atomlar arasi potansiyel enerji :

8 Atomlar arasi mesafenin (a)itme-çekme kuvvetleri ve (b)potansiyel enerji ile iliskisi

9 Atomlar Arasi Mesafe ve Bag Enerjisi (devami) Potansiyel enerji egrisinin biçimi ve enerji çukurunun derinligi malzemenin ; Mukavemeti Elastiste modülü Ergime sicakligi Isil genlesmesi ile yakindan ilgilidir.

10 Atomlar Arasi Mesafe ve Bag Enerjisi (devami)

11 Atomların ortalama kafes konumları etrafındaki titreşimleri sonucu fonon (elastik dalga) oluşumunun şematik gösterimi

12 Simetrik bir potansiyelde atomlarin titresimi

13 Bir iyonik kristalin potansiyel enerjisi (asimetrik potansiyel). Titreşim enerjisi artarsa asimetrik potansiyelden dolayı ortalama atomlar arası uzaklık artar.

14 Atomlar Arasi Mesafe ve Bag Enerjisi (devami) Atomlar arasi mesafeyi neler belirler? 1) Iyonsallik derecesi : Elektron alan atomun yariçapi büyür, verenlerin ise küçülür. Bu nedenle iyonsallik derecesi arttikça atomlar arasi mesafe artar. Örnek :

15 Atomlar Arasi Mesafe ve Bag Enerjisi (devami) Atomlar arasi mesafeyi neler belirler? 2) Kovalentlik derecesi : Iki atom arasinda kovalentlik derecesi arttikça birbirlerini daha kuvvetli çekerler. Bu nedenle kovalentlik derecesi arttikça atomlar arasi mesafe azalir. Örnek :

16 Atomlar Arasi Mesafe ve Bag Enerjisi (devami) Atomlar arasi mesafeyi neler belirler? 3) Komsu atomlarin sayisi : Bir atomun komsu sayisi arttikça çevresindeki elektron yogunlugu artar, elektronlar arasi zit etkilenme atomlar arasi uzakligi artirir. Örnek :

19 Atomsal Koordinasyon Sivilarda ve katilarda komsu atomlar arasinda, atomlar arasi baglardan kaynaklanan iliskiler vardir. Bu iliskiler sonucu atomlar 3 boyutlu uzayda oldukça sik dizilerek iç yapiyi (mikroyapi) olustururlar. Koordinasyon Sayisi (KS) bir atoma teget birinci derecede komsularinin sayisidir. Hacimsal Atom Yogunlugu (atom/cm) KS ile yakindan ilgilidir ve bir kütle içinde atomlarin dizilis sikligini belirtir.

20 Atomsal Koordinasyon Gazlarda atomlar veya moleküller arasinda bag yoktur, bunlar bulunduklari kabin içinde sürekli serbest haldedir. Bu nedenle gazlar için ; KSgaz = 0 Sivilarda ve katilarda ise bag kuvvetleri nedeniyle atomlar birbirine deger. Sivilarda baglar daha zayif oldugu için ; KSsıvı <KSkatı Örnek : Al (kati) KS=12, Al (sivi) KS=10-11 (Sonuç olarak kati sivi hale dönüstügü zaman özgül agirlik azalir.)

21 Atomsal Koordinasyon Kovalent bagli cisimlerde KS maksimum kovalent bag sayisi ile sinirlidir. Periyodik tabloda ;

22 Atomsal Koordinasyon İyonik bağlı cisimlerde bir artı iyon mümkün olduğu kadar çok sayıda eksi iyonla kuşatılma eğilimi gösterir. Ancak iki nedenle bu sayı kısıtlanır ; Çevresindeki boş alanın sınırlı oluşu Net elektriksel yükün sıfır olma zorunluluğu Alan yönünden sınırlama iyon yarıçapları oranına bağlıdır ; KS r/r e bağlı r küçük iyonun (katyon), R büyük iyonun (anyon) yarıçaplarıdır.

23 Atomsal Koordinasyon

24 Atomsal Koordinasyon (devamı)

31 Atomsal Koordinasyon (devamı) Son limit durumda merkez ve çevre atomlarin çaplari esittir. Merkez atomun 12 komsusu vardir. Bu tür dizilis çogunlukla ayni atomlardan olusan metallerde görülür. KS = 12 için r/r = 1.0 olur!

32 KS, r/r ve ilgili geometri :

33 Atomsal Koordinasyon (devamı) Iyonsal cisimlerin çogu NaCl, MgO, FeO gibi esit iyonsal degerli elemanlari içerir. Iyonlar bir (+) bir (-) olmak üzere 3 ana dogrultuda ardisik dizilirler.

37 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri

38 Bağ enerjilerinin değişimi

39 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri (devamı) b) Isil Genlesme Malzemelerin isil genlesmesi ergime sicakligi ile ters yönde degisir. Ergime sicakligi yüksek malzemelerin bag enerjisi yüksek, potansiyel enerji çukuru daha derindir. Sicaklik yükselirken, atomlar arasi uzaklik minimumdan geçen düseye göre daha az sapar, bu nedenle isil genlesme daha az olur.

40 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri c) Mukavemet Mukavemet, bir malzemeyi koparmak için birim alana uygulanan kuvvettir ve kaynağı atomlar arası bağ kuvvetidir. Teorik olarak bulunan kohesif mukavemet deneyde bulunan değerin yaklaşık 1000 katıdır (nedeni iç yapı kusurlarıdır). Atomlar arası kohesif kuvvet büyüdükçe, enerji çukurunun derinliği ve bağ enerjisi artar, mukavemet yükselir. Wb Fc mukavemet

41 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri d) Elastisite Modülü (E) Birim şekil değiştirme (ε) için uygulanacak gerilmedir (σ). Atomlar arası bağ kuvvetinin denge mesafesindeki eğimi elastisite modülü ile orantılıdır (Şekil 2.13). Kohesif kuvvet büyüdükçe, eğrinin eğimi artar, enerji çukuru derinleşir ve elastisite modülü büyük olur. Sıcaklık artarsa bu eğim de azalır. Bu nedenle elastisite modülü artan sıcaklık ile azalır. Wb Fc E

42 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri e) Elektriksel İletkenlik 1. Malzemelerde elektriksel iletkenlik, elektrik alan uygulandığında elektron hareketleri ile sağlanır. 2. Metallerde valens elektronları serbest halde olduğu için yüksek iletkenlik elde edilir. 3. İyonsal ve kovalent bağlı malzemelerde serbest elektron bulunmadığı için iletken sayılmazlar. 4. Ancak bazı kovalent bağlı malzemelerde (Si, Ge, Sn gibi) yeterli alan etkisinde, yararlı sayıda elektron serbest hale gelerek iletim sağlanır (yarı iletkenler).

43 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri f) Isıl İletkenlik Isı malzemelerde serbest elektron hareketi ve atomların ısıl titreşimi (fonon) ile iletilir. Serbest elektronlar fononlara göre kat daha fazla ısıl enerji iletirler. Bu nedenle metallerin ısıl iletkenliği çok yüksektir. İyonsal ve kovalent bağlı malzemelerde ısı iletimi fononlarla sağlanır ve ısıl iletkenlik düşüktür.

44 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri g) Optik Özellikler Metallerde ışık dalgası serbest elektron bulutu tarafından yansıtılır ve ışık metalden geçemez. Bu nedenle metaller saydam değil opaktır. İyonsal ve kovalent bağlı katılarda serbest elektron bulutu olmadığı için, ışık yansıtılmadan kolayca geçebilir. Bu malzemeler saf ve kusursuz halde saydamdır. Ancak içlerine katılan katkı maddeleri ve iç yapı kusurları saydamlığı azaltır, yarı saydam veya opak hale gelmelerine neden olur.

45 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri h) Kimyasal Özellikler Kimyasal olaylar atomlar arası bağ kopması veya bağ oluşumuna, yani valens elektronlarının yapısına bağlıdır. Metallerde az sayıda valens elektronu vardır. Bunlar kolayca ana atomdan ayrılır ve geride (+) yüklü metal iyonu kalır. Metal iyonları çevrenin elektrokimyasal etkilerine karşı duyarlıdır ve kolayca korozyona uğrar.

46 MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri h) Kimyasal Özellikler Metal iyonları çevrenin elektrokimyasal etkilerine karşı duyarlıdır ve kolayca korozyona uğrar. Korozyon ürünü Fe de olduğu gibi gevrek ve kolayca kabarıp dökülürse malzeme tahrip olur. Cu ve Al de korozyon ürünü koruyucu bir tabaka oluşturur, böylece korozyon sürekli ilerlemez. İyonsal ve kovalent bağlı malzemeler dış etkilere karşı dayanıklı olurlar.

47 Atomsal baglarina göre malzemelerin siniflandirilmasi 1) METALLER Metalsel bağa sahip aynı veya benzer atomlar düzenli bir biçimde dizilerek kristal yapı oluştururlar. Hacımsal atom yoğunlukları yüksektir (KS =12 veya 8). Bu nedenle özgül ağırlıkları yüksek olur (7 g/cm3 den büyük) Serbest elektron içerirler, elektriksel ve ısıl iletkenlikleri yüksektir. Opaktırlar, ışığı iyi yansıtırlar (reflektör). Plastik şekil vermeye elverişlidirler.

48 Atomsal baglarina göre malzemelerin siniflandirilmasi 2) SERAMİKLER Metal ve ametal elementlerin oluşturduğu iyonik bileşiklerdir. Elektropozitif elementler (Na, Mg, Fe, Al vb.), elektronegatif elementler (Cl, O vb.) ile kolaylıkla iyonik bağ yaparak NaCl, MgO, FeO, SiO2 gibi çok çeşitli seramikler meydana getirirler. KS genellikle 6 veya 4 olur. Yönsüz bağlı iyonlar ardışık dizilerek kristal yapı oluştururlar.

49 Atomsal baglarina göre malzemelerin siniflandirilmasi 2) SERAMİKLER. Doğada çoğunlukla kristalli, kısmen amorf yapıda bulunurlar. Özgül ağırlıkları metallerle plastikler arasındadır (2-3 g/cm3). Plastik şekil değiştirmez, sert ve gevrek olurlar. Yüksek sertlikleri nedeniyle aşındırıcı olarak kullanılırlar (Al2O3 gibi) Ergime sıcaklıkları yüksektir.

50 Atomsal baglarina göre malzemelerin siniflandirilmasi 2) SERAMİKLER. Isıl iletkenlikleri düşüktür (refrakter malzemeler fırınlarda yalıtkan malzeme olarak kullanılır). Elektrik iletkenlikleri düşüktür. Bazıları saydamdır, ışığı kötü yansıtırlar. Dış etkenlere karşı dayanıklıdırlar.

51 Atomsal baglarina göre malzemelerin siniflandirilmasi 3) POLİMERLER Ametallerden (C, H, O, N, S, Cl, F vb.) oluşan kovalent bağlı malzemelerdir. Monomer denilen molekül bireyleri birbirine kovalent bağlarla eklenerek çok büyük moleküllere dönüşür, polimer adını alır. Polimerler ısıya karşı olan davranışlarına göre termoplastik (PE, PVC vb.) ve termoset (epoksi, bakalit vb.) olarak gruplanır.

52 Atomsal baglarina göre malzemelerin siniflandirilmasi 3) POLİMERLER KS en fazla 4 olabilir. Bu nedenle polimerlerin hacımsal atom yoğunluğu ve özgül ağırlığı düşüktür (2 g/cm3 den az). Isı ve elektriği iletmezler. Saf halde saydam olurlar, en kötü yansıtıcılardır.