Atomik yapı& Atomlar arası bağlar

Transkript

1 Atomik yapı& Atomlar arası bağlar Önemli sorular... Bağlanmaya etki eden unsurlar? Bağ tipleri nelerdir? Bağlanma yapısı ile hangi özellikler ortaya çıkar? Chapter 2-1

2 Atomik yapı (Freshman Chem.) atom electrons 9.11 x kg protons } neutrons 1.67 x kg atomic number = # of protons in nucleus of atom = # of electrons of neutral species A [=] atomic mass unit = amu = 1/12 mass of 12 C Atomic wt = wt of x molecules or atoms 1 amu/atom = 1g/mol C H etc. Chapter 2-2

3 Avagodra sayısı = x = N A Atom ve molekül ağırlıgı= N A x Atom ağırlığı. Nötron sayısı= N Proton sayısı= Z A= Z + N Chapter 2-3

4 Atomik Yapı Valans elektronları aşağıdaki özellikleri belirler 1) Kimyasal 2) Elektriksel 3) Termal 4) Mekanik Chapter 2-4

5 BOHR ATOM Chapter 2-5

6 Elektron yapısı Electrons have wavelike and particulate properties. This means that electrons are in orbitals defined by a probability. Her bir yörünge belirli bir enerji düzeyine göre kuantum sayıları ile ifade edilir. Kuantum sayıları # Numara şekli n = Ana kuantum sayısı (En.kabugu) K, L, M, N, O (1, 2, 3, etc.) l = Alt kuantum sayısı (yörünge) s, p, d, f (0, 1, 2, 3,, n-1) m l = magnetik 1, 3, 5, 7 (-l to +l) m s = dönme yönü sayısı ½, -½ Chapter 2-6

7 Elektronlar.. Elektron enerji seviyeleri belirli bir enerji seviyesine sahiptir her zaman en düşük enerji seviyesine sahip olma eğilimi vardır. 4d 4p N-kabugu n = 4 3d 4s Enerji 3p M-kabugu n = 3 3s 2p 2s Adapted from Fig. 2.4, Callister & Rethwisch 8e. L-kabugu n = 2 1s K-kabugu n = 1 Chapter 2-7

8 Elementlerin elekron konfigürasyonu Çogu element için: Elektron konfigürasyonu stabil değildir. Element Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon... Neon Sodium Magnesium Aluminum... Argon... Krypton Atomic # Electron configuration 1s 1 1s 2 (stabil) 1s 2 2s 1 1s 2 2s 2 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2 2s 2 2p s 2 2s 2 2p 6 (stabil) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 (stabil)... 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 (stabil) Neden? Valans (Dış kabuk) genellikle doldurulamaz 8A grubu elementler (gazlar) stabil özelliktedir. Adapted from Table 2.2, Callister & Rethwisch 8e. Chapter 2-8

9 Elektron konfigürasyonu Valence electrons Son kabukta dolmamış elektronlar Dolan kabuklar stabil hale gelir Valans elektronları bağ yapılarını dolayısıyla iç yapıyı ve böylece malzeme özelliklerini belirler. örnepşn: C (atomik numara= 6) 1s 2 2s 2 2p 2 Valans elektronları Chapter 2-9

10 Elektron Konfigürasyonu Örn: Fe - atomik # =26 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 4d 4p 3d N-Kabuk n = 4 valans elektronları 4s Enerji 3p M-Kabuk n = 3 3s 2p 2s Adapted from Fig. 2.4, Callister & Rethwisch 8e. L-kabuk n = 2 1s K-kabuk n = 1 Chapter 2-10

11 inert gazlar Periyodik tablo Kolonlar: Benzer valans yapısı Verir 1e - Verir 2e - H Li Be Verir 3e - Oalır 2e- alır 1e - F He Ne Na Mg K Ca Rb Sr Sc Y S Se Te Cl Br I Ar Kr Xe Adapted from Fig. 2.6, Callister & Rethwisch 8e. Cs Ba Po At Rn Fr Ra Elektro pozitif elementler: Kolayca elektron verip pozitif iyon olurlar. Elektronegatif elementler: Kolayca elektron alıp negatif İyon olurlar Chapter 2-11

12 Elektronegatiflik 0.7 to 4.0 arasında değişir, Büyük numaralar: elektron alma eğilimini gösterir. Düşük elektronegatiflik Büyük elektronegatiflik Adapted from Fig. 2.7, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University. Chapter 2-12

13 Farklı kabuklardaki elektronlar Chapter 2-13

14 Klor ve sodyumdaki elektron ve dizilimleri 3s1 3s2 3p5 Chapter 2-14

15 Yükler, Çekim Fa Chapter 2-15

16 İyonik bağ İyonlaşma +(metal) ve (metal olmayan) iyonlar arasında. Elektron transferi gereklidir. Elektronegatiflikte büyük farklılık. Örnek: NaCl Na (metal) Stabil değil elektron Cl (metal olmayan) Stabil değil Na (Katyon) Stabil + - Coulombic Çekim Cl (Anyon) Stabil Chapter 2-16

17 Iyonik bağ metal + metal olmayan Elektron verir Elektron alır Benzer olmayan elektronegatiflik ex: MgO Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 O 1s 2 2s 2 2p 4 [Ne] 3s 2 Mg 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 O 2-1s 2 2s 2 2p 6 [Ne] [Ne] Chapter 2-17

18 İyonik Bağ Enerji minimum potansiyel enerji durumu Çekim ve itme arasında oluşan enerji denge durumu İtme enerjisie R Atomlar arası mesafe r Net energy E N Adapted from Fig. 2.8(b), Callister & Rethwisch 8e. Çekme enerjisi E A Chapter 2-18

19 Seramikler Örnekler: İyonik bağlanma NaCl MgO CaF2 CsCl Give up electrons Acquire electrons Adapted from Fig. 2.7, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University. Chapter 2-19

20 Kovalent Bağ Benzer elektro negatiflik Elektron paylaşımı Valans tarafından yapılan bağ s & p yörüngeleri bağ yapısında hakimdir Paylaşılmış elektron Örnek: C: +4 elektrona CH sahip e - H 4, CH4 4 elektrona daha iht. alır H: 1 valans e - var, 1 tane daha iht. Elektro negatiflik kıyaslanabilir. H C H H Karbon tarafından H tarafından Paylaşılan elektron Adapted from Fig. 2.10, Callister & Rethwisch 8e. Belirli iki atom arasında olur Chapter 2-20

21 Kovalent Bağ Chapter 2-21

22 Kovalent Bağ Kovalent bağ cok sayıda atomlar arasında sürekli olunca kütle katıya döner Bu bazı polimerde bir boyutta lineer bazılarında düzlemsel iki boyutta grafit Bazılarında 3 boyutlu Kovalent bağ sayısı arttıkça atomlarası uzaklık artar bağ boyu kısalır bağ enerjisi artar C-C 0.154nm 88 kcal C=C 0.13 nm 162 kcal Chapter 2-22

23 Kovalent Bağ Aynı tür veya yakın atomlar arasında oluşur. Bağ boyları ve acıları sabit ve kütle boyunca eşittir. Bundan dolayı yönlü bağlardır. H2 F2 O2 aynı tür atomlar H2O CH4 CCl4 değişik tür atomlar H tek kovalent bağ kurubilir. 7a grubu 1 6a grubu 2, 5a grubu 3 4a grubu 4 kovalent bağa sahip olabilir Bu tür durumlarda sıvı ve gaz formu mevcuttur çünkü atomlar çevredekilerle sıkı bir bag Chapter 2-23

24 Metalik Bağ Chapter 2-24

25 Metalik Bağ Valansta az sayıda elektron içeren atomlar arası oluşur Serbest elektron içerirler (eksi yüklü elektron denizi modeli) Elek ve ısıl iletkenlik serbest elektronlarla sağlanır. Yükseldiği görülmektedir. Chapter 2-25

26 Metalik Bağ Bu durumda elektronların enerjisi daha düşüktür. Bağ kuvveti eksi artı yükler arasındaki çekime dayanır ve yönsüz niteliktedir. Bazılarında yönsüz Mg Cu Zn Bazılarında yönlü Fe W ve Ti Çünkü valans altı enerji düzeyler tam dolu olup olmaması (transisyon Yönlenme olursa kovalent bağ oluşumu ile enerji düzey artımı ve ergime sıc. Chapter 2-26

27 Metalik Bağ Metalik bağa katılan valans elek. Sayısı (Valans artımı ergime sıc. Artırır) Atomlar sık ve düzenli olduğu için kristal yapılıdır. Homojen elektron dağılımı çekirdek için yapıştırıcı görevi görmekte. Chapter 2-27

28 Dipoller (elektriksel kutuplaşma) arasındaki etkileşimden oluşur Geçici kutuplaşma dipoller(atomlar arasında) asymmetric electron ex: liquid H2 clouds H2 H2 Sürekli kutuplaşma dipoller (moleküllerde) -general case: -Örn: sıvı HCl Zayıf İkincil bağlar secondary bonding H Adapted from Fig. 2.13, Callister & Rethwisch 8e. H secondary bonding secondary H Cl H Cl bonding H secondary bonding H Adapted from Fig. 2.15, Callister & Rethwisch 8e. -Örn: polymer secondary bonding Chapter 2-28

29 Karışık Bağlar Bazı elementler bunlara uymayabilir. C tümüyle kovalent bağ yapar Aynı grupta aşağıya gidildikçe metalsel bag niteliği olur Si egemen kovalent kısmen metalik Sn cogunluka metalik Pb tamamen metalik Si Ge Sn yarı iletken olarak ifade edilir Chapter 2-29

30 Bağ Oluşumu Temel ilke oluşacak bağ türünde etken enerjinin minimize olmasıdır. Olası sistemlerden endüşük olanı kararlı varlığını sürdürür Bir elektron iki atomarasında sürtekli kalırsa kovalent, biri tarafından çekilirse iyonsal tamamen serbest kalırsa da metalik nitelik oluşabilir. Sn kovalent bağlı iken çok az bir enerji ile serbest olup metalik olabilir. Chapter 2-30

31 Moleküller Atomlar komsuları ile etkileşir ve kararlı hale gelir. Sadece asal gazlar bireyseldir. Kovalent bağlarla oluşurlar ancak zayıf bağlarda içerirler Moleküller 8 valans elektronu içerirler Bunedenle cog gaz halinde pek azı sıvıdır Atom sayısı artışı ile boyut büyür veyanal zayıf bağ oluşumu artarboyut büyüdükçe gazdan sıvıya hatta sıvıdan katıya dönüşürler Chapter 2-31

32 Moleküller Bağ sürekliliği acısından -iyonsal ve metalik bağlı katı malzeme sıc. Arttıkca bağ kopar ve sıvı forma geçer. Sogutulunca katı olur -İyonsal mlz lerde iyonsallik derecesi erg. Sıc. Artırır -Kovalent bağlı mol. Sıc. Artışı ile yalnız zayıf bağlar kopar sıvı hale gecen mlz kovalent bağ vardır. Sogursa zayfı bağlar oluşur ve katılaşır. Uzay agı varsa sıc ile yumuşama olmaz aşırı ısı ile kovalent bağlar kopar ve sıvılaşır. Chapter 2-32

33 Tip İyonik Özet: Bağlar Bağ enerjisi Yorum Kuvvetli! Yönlü değil (seramikler) Kovalent Metalik Zayıf Bağ Variable large-diamond small-bismuth Variable large-tungsten small-mercury Zayıf Yönlü (Yarı iletkenler, seramikler Polimerler) Yönlü değil (metals) Yönlü Atomlar arası (polimer) Moleküller arası Chapter 2-33

34 Yükler ve Enerjiler Chapter 2 -

35 Chapter 2-35

36 Atomlar arası uzaklığı etkileyen unsurlar Sıcaklık İyonsallık derecesi Kovalent derecesi Komsu atom sayısı Chapter 2-36

37 Bağlarla Malzeme Özellikleri İlişkisi: r Bağ uzunluğu, r Ergime Sıc., T m Enerji Bağ enerjisi, E o Energy r o r Daha küçükt m unstretched length r o r E o = bond energy Daha yüksek T m Eğer E o artarsat m daha artar Chapter 2-37

38 Bağlarla Malzeme Özellikleri İlişkisi: Chapter 2-38

39 Bağlarla Malzeme Özellikleri İlişkisi Termal genleşme katsayısı, a length, L o Termal genleşme katsayısı ısıtılmamış, T1 ısıtılmış, T2 DL DL Lo = a (T 2 -T 1 ) a ~ symmetric at r o Energy E o E o unstretched length r o r E o is küçüldükçe a daha büyür Daha büyük a Daha küçük a Chapter 2-39

40 Bağlarla Malzeme Özellikleri İlişkisi Chapter 2-40

41 Bağlarla Malzeme Özellikleri İlişkisi Özgül ağırlık birim hacimdeki cismin ağırlığı Birim hacimdeki atomsayısı x atom ağırlığı Atom sayısı atom yarıçapı ve Koord. Türüne bağlıdır. Kristal yapıların atom sayısı belirlemek daha kolaydır. Elastisite F kuvveti ile doğru orantılı sıcaklıkla zıt orantılıdır Chapter 2-41

42 Bağlarla Malzeme Özellikleri İlişkisi Atomlararası kohezif kuvvet büyüdükçe enerji cukuru derinliği dolayısıyla bağ enerjisi artar mukavemet artar ergimeleri artar Al2O3 ve TiC mukavemet ve sertlik yüksektir Polimerler kolay erir ve yumuşaktır. Chapter 2-42

43 Bağlarla Malzeme Özellikleri İlişkisi Elektriksel iletkenlik elektriksel alan etkisinde serbest elek. İle sağlanır Metallerdeki valanslar serbestir yüksek iletkenlik sağlar İyonik ve kovalent bağlı olanlar serbest olmadıkları için iletken sayılmazlar Ancak bazıları Si Ge Sn yeterli elektriksel alanda yeterli sayıda elek. Serbest kalır ve iletken olur Chapter 2-43

44 Bağlarla Malzeme Özellikleri İlişkisi Isıl iletkenlik serbest elek hareketi ile ve atomsal ısıl titreşimi ile sağlanır. Serbest hareket titreşime göre kat daha fazla ısı çıkarır. Metalik bağlar bu nedenle daha ısıl iletkendir Chapter 2-44

45 Bağlarla Malzeme Özellikleri İlişkisi Optik özellikler Metaller ışığı elektron bulutu tarafından yansıtıldığı için opaktır Kovalent ve iyonsal bağlı olanlarda serbest elektron olmadığı için kolayca ışık gecebilir Özellike kusursuz olanlar cogunluka saydamdır Chapter 2-45

46 Özet: Birincil bağlar Seramikler (İyonik ve kovalent bağ): Metaller (Metalik bağlar): Yüksek bağ enerjisi Yüksek T m Yüksek E Düşük a Değişken bağ enerjisi orta T m orta E orta a Polimerler (Kovalent ve İkincil Bağlar): Yöne bağlı özellikler İkincil bağlar etkin Düşük T m Düşük E Yüksek a Chapter 2-46

47 Malzeme Sınıflandırması Chapter 2 -

48 Chapter 2 -

49 Malzeme sınıflandırma Design of materials having specific desired characteristics directly from our knowledge of atomic structure. Miniaturization: Nanostructured" materials, with microstructure that has length scales between 1 and 100 nanometers with unusual properties. Electronic components, materials for quantum computing. Smart materials: airplane wings that deice themselves, buildings that stabilize themselves in earthquakes Environment-friendly materials: biodegradable or photodegradable plastics, advances in nuclear waste processing, etc. Learning from Nature: shells and biological hard tissue can be as strong as the most advanced laboratory-produced ceramics, mollusces produce biocompatible adhesives that we do not know how to reproduce Materials for lightweight batteries with high storage densities, for turbine blades that can operate at 2500 C, room-temperature superconductors? chemical sensors (artificial nose) of extremely high sensitivity, cotton shirts that never require ironing Chapter 2 -

50 Malzeme Sınıflandırması Metaller İyi ısıl ve elektriksel iletkenler Parlak görünüm ve korozyona duyarlı Dayanıklı fakat hasar alabilir Seramikler & Camlar Elektriksel ve termal acıdan yalıtkan Yüksek sıcaklığa sert çevre koşullarına dayanıklı Sert fakat gevrek Polimerler Çok büyük moleküller Düşük yoğunluk düşük ağırlık Ekstrem esneklikte July 24, 2007 Models & Materials Chapter 2 -

51 omson Learning Malzeme Sınıflandırması Biomaterials İnsan vücüdu ve dokularıyla uyumlu Semiconductors Elektriksel özellikleri iletken ve yalıtkan arasında Elektriksel özellikleri kontrol edilebilir. Composites Birden çok malzemeden oluşur İsteğe göre daha rahat tasarlanabilir İçerdiği farklı malzemelerin özelliklerini yansıtır Kalça protezi Intel Pentium 4 Cam elyaf sörf tahtası July 24, 2007 Models & Materials Chapter 2 -

52 Malzeme Sınıflandırması Uygulama Alanları Özellik etals and Alloys Gri döküm demiri Otomotiv motor blokları Dökülebilir, işlenebilir, vibrasyon sönümler eramikler ve camlar SiO 2 -Na 2 O-CaO Pencere camı Optik şeffaflık, termal izole olimerler Polietilen Yiyecek kapları İnce film haline getirilebilir, esnek ve hava geçirmez, Kompozitler Karpit kesici uç takımı Yüksek sertlik Şok dirençli (WC-Co) Chapter 2 -

53 Figure 1.5 A section through a jet engine. The forward compression section operates at low to medium temperatures, and titanium parts are often used. The rear combustion section operates at high temperatures and nickel-based superalloys are required. The outside shell experiences low temperatures, and aluminum and composites are satisfactory. (Courtesy of GE Aircraft Engines.) Figure 1.6 A variety of complex ceramic components, including impellers and blades, which allow turbine engines to operate more efficiently at higher temperatures. (Courtesy of Certech, Inc.) Chapter 2-53

54 of CTS Corporation.) Figure 1.10 The X-wing for advanced helicopters relies on a material composed of a carbonfiberreinforced polymer. (Courtesy of Sikorsky Aircraft Division United Technologies Corporation.) Figure 1.9 Integrated circuits for computers Chapter 2-54

55 Chapter 2-55