Malzemelerin Atom Yapısı

Transkript

1 Malzemelerin Atom Yapısı

2 Ders içeriği Atom modeli Atom ağırlığı Elektron düzeni Elementlerin periyodik sistemi Malzeme Bilimi Slaytları 2/42

3 Atom modeli Bütün maddeler kimyasal elementlerden oluşur. Elementler ise atomlardan meydana gelir. Klasik fiziğin atom modelinde bir atom, çekirdekten ve bu çekirdeğin etrafını saran eksi yüklerin sardığı örtü tabakasından oluşur. Çekirdekte pozitif yüklü protonların yanında elektrik yüklü olmayan nötronlarda bulunur. Proton ve nötronların kütleleri elektronlarınkine göre çok daha büyüktür. Bir protonun kütlesi bir nötronun kütlesine yaklaşık olarak eşit olmasına karşın elektronun kütlesinin tam 1836 katıdır. Protonun kütlesi yaklaşık olarak 1.673x10-24 g, nötronun kütlesi 1.675x10-24 g ve elektronun kütlesi 9.11x10-28 g dır. Çekirdek yarıçapı cm mertebesinde olup, bu değer 1 A (10-8 cm) mertebesindeki atom çapından çok daha küçüktür. Nötr, yani dışa karşı herhangi bir elektrik yükü görünmeyen atomda elektron sayısı adet olarak proton sayısına eşittir. Çünkü bir elektron yükü, ters işaretli olarak proton yüküne eşittir. O durumda yükler karşılıklı olarak dengelenmiş olurlar. Malzeme Bilimi Slaytları 3/42

4 Elementlerin periyodik sistemde sahip oldukları atom numarası Z, proton adedine ve bununla beraber her atomun kendi elektronlarının adetine eşittir. Atomun kütle sayısı A, proton adeti Z ve nötron adeti N'nin toplamına eşittir. A = Z + N Atom modeli Bir elementin farklı kütle sayısına sahip atomlarına o elementin izotopları denir. Aynı elementin izotopları o elementin atom numarasına, dolayısıyla o elementin proton sayısına sahip olacaktır. Kütle sayılarını farklı yapan unsur nötron sayılarının farklılığıdır. Doğada bulunan elementler farklı izotoplardan oluşur. Bu nedenle bir elementin atom ağırlığı izotoplarının ortalama ağırlığı olup, bu değer tam sayı olmayabilir. Bir elementin atom ağırlığı, C nun atom ağırlığına göre belirlenir. Elementin kimyasal özelliklerini, o elementlerin elektronları belirler. Proton adetleri eşit olan atomlar eşit elektronlara da sahip olacakları için aynı kimyasal özelliktedirler. Yani bir elementin hangi izotopu alınırsa alınsın, aynı kimyasal özellikler beklenmelidir. Fakat bu izotopların bazı fiziksel özellikleri birbirlerinden farklılık gösterebilirler. Örneğin bazı izotoplar radyoaktif olmalarına karşın diğerleri değildir. Malzeme Bilimi Slaytları 4/42

5 Atom modeli Atom numaraları birbirlerine yakın elementlerin bazı izotoplarının kütle sayıları birbirlerine eşit düşebilir. Proton adedi farklı, fakat kütle sayıları eşit olan atomlara izobar denir. Kütle sayıları peş peşe gelen farklı elementlerin izotoplarına da izoton denir. Kısaca : Z elektron => elektron örtü tabakası Z proton +N nötron => A atom çekirdeği Atom çekirdeği + Elektron örtü tabakası => ATOM Örtü tabakalarını oluşturan elektronların adedi, atomun proton adedinden fazla ise negatif yüklü iyon, az ise pozitif yüklü iyon ortaya çıkar. Kimyasal reaksiyonlardaki yük değişimi protonların eksilmesi veya artmasıyla değil, sadece ve sadece dışardan elektron alıp vermesiyle gerçekleşir. Metre, vakumda ışığın 1/ saniyede aldığı mesafedir. Malzeme Bilimi Slaytları 5/42

6 Atom modeli Bir elementin protonlarının bir kısmını yitirmesi, yani çekirdeğinin parçalanması (atom reaktörleri ve atom bombasında olduğu gibi) veya hidrojen bombasında ve güneş merkezindeki çekirdek füzyonunda olduğu gibi bir kısım proton kazanması demek, o elementin başka bir elemente veya elementlere dönüşmesi demektir. Bu reaksiyonları, fiziksel reaksiyonlar olarak nitelemek gerekir. Kimyasal reaksiyonlar ise elektron alışverişiyle gerçekleşenlerdir. Saniye, 133 Cs izotopunun titreşimi esnasında geçen zamandır. Malzeme Bilimi Slaytları 6/42

7 Atom modeli Modern atom modeline göre elektronların yeri kesin olarak bilinemez. Fakat elektronlar orbital adı verilen bölgelerde buluma ihtimalleri yüksektir. Çekirdeğin çevresinde "n kuvant sayısıyla ifade edilen enerji düzeyleri bulunur. Malzeme Bilimi Slaytları 7/42

8 Atom ağırlığı Atom ağırlığı kavramı iki yönden incelemek gerekir; bağıl atom ağırlığı, gerçek atom ağırlığı. Bağıl atom ağırlığı: Bir elementin atom ağırlığı denince bağıl atom ağırlığı anlaşılır. Bağıl olduğu için birimsizdir. Burada kullanılan bağıllık, kütle sayısı 12 olan karbon izotopundan, yani C12 den gelmektedir. C12 karbonun doğada en çok bulunan izotopudur ve proton sayısı nötron sayısına eşittir. Diğer atomların kütle sayıları bu karbon atomun kütle sayısının 1/12 sine bölünür ve çıkan değer o elementin atom ağırlığı olarak verilir. Gerçek atom ağırlığı: Burada atomun gerçek ağırlığı olan tartı ağırlığını anlamak gerekir. Birimi gram veya kg dır. Bağıl atom ağırlığının Avagadro sayısına bölünmesiyle elde edilir. Bütün elementlerin atom ağırlıklarının kesirli olmasının nedeni: Karbon da dahil olmak üzere bütün kimyasal elementler değişik kütle sayılı izotoplardan oluşur. Atom ağırlık olarak, o elementin atom ağırlığı olarak o elementin bütün izotoplarının oranları ayrı ayrı göz önüne alınarak kütle sayılarının ağırlıklı ortalaması alınır ve bu da o elementin atom ağırlığının verir. Malzeme Bilimi Slaytları 8/42

9 Atom İki alt kabukla L kabuğu L s h e l l w i t h t w o s u b s h e l l s N u c l e u s Çekirdek L K 1 s 2 s 2 p 1 s 2 2 s 2 2 p 2 o r [ H e ] 2 s 2 2 p 2 Atomun F i g. 1. kabuklu 1 : T h e s h modeli. e l l m o d e Elektronlar l o f t h e a t o m belirli i n w h i kabuk c h t h e e ve l e c alt t r o kabuklarda n s a r e c o n f i n e d t o l i v e w i t h bulunmak i n c e r t a i n s h zorundadırlar. e l l s a n d i n s u b s h e l l s w i t h i n s h e l l s. F r o m P r i n c i p l e s o f E l e c t r o n i c M a t e r i a l s a n d D e v i c e s, S e c o n d E d i t i o n, S. O. K a s a p ( M c G r a w - H i l l, ) h t t p : / / M a t e r i a l s. U s a s k. C a Malzeme Bilimi Slaytları 9/42

10 Proton ve nötronları bir arada çekirdek içinde tutan m de etkin olan çekirdek kuvvetleri tarafından tutulmaktadır. Çekirdek Kuvveti-Nükleer Kuvvet Bu kuvvet benzer yükler arasında kısa mesafede ortaya çıkan büyük itme kuvvetinin çok üzerinde olduğundan çekirdek kararlıdır. Elektronlar çekirdek boyutu ile karşılaştırıldığında büyük yarıçaplı yörüngelerde bulunmaktadır. Malzeme Bilimi Slaytları 10/42

11 Elektron düzeni Bir atomun kimyasal özellikleri, çekirdeği saran örtü tabakasındaki elektronların dizilişi ile etkilenir. Örtü tabakasının tamamı, farklı enerjili elektronların yer aldığı tabakalar oluşturur. En düşük enerjiye, yarı çapı en küçük olan K tabakasındaki elektronlar sahiptir. Artan enerjiye göre sıralanan ana elektron tabakaları şunlardır: K, L, M, N, O, P, Q tabakaları Atomların ana elektron tabakaları ve ve bunlarda bulunabilecek en çok elektron sayıları Anatabakalar K L M N O P Q Anakuantum sayısı (n) Her tabakaya düşen en çok elektron adeti (2n 2 ) Malzeme Bilimi Slaytları 11/42

12 Elektron düzeni Elektron düzenlerine örnekler; Li 1s 2 2s 2 Ne 1s 2 2s 2 2p 6 Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Ti 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 Ga 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 1 Kr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 K 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 0 4s 1 Ca 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 0 4s 2 7s 7p 7d 6s 6p 6d 6f 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d 2s 2p 1s Niçin bazı malzemeler manyetiklik bazıları ise yüksek ergime sıcaklığı gösterir? Valans elektronları, kimyasal reaksiyonlar süresince kendi atomunu terk edebilecek ara tabakasını tam doldurmamış elektronlardır. Malzeme Bilimi Slaytları 12/42

13 Periyodik cetvel elementlerin artan atom numaralarına göre dizilimini gösteren bir tablodur.bu tabloda belli kimyasal özellikleri birbirine yakın olan elementler,belli gruplarda toplanmıştır. Yatay sütun Periyot : 7 tane periyot vardır Düşey Sütun Grup : 8 tane a grubu ve 8 tanede b grubu vardır. b grubu elementlerine geçiş elementleri denir. Öncelikle periyodik cetvelin bazı gruplarını inceleyelim: Malzeme Bilimi Slaytları 13/42

14 1a 2a PERİYODİK CETVEL 3a 4a 5a 6a 7a 8a 3b 4b 5b 6b 7b 8b 8b 8b 1b 2b Malzeme Bilimi Slaytları 14/42

15 SOY GAZLAR Periyodik cetvelin 8a grubu elementleridir. He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn bu grubun elementleridir. Grupta He dışındaki tüm elementler kararlı elementlerdir. Erime ve kaynama noktaları çok düşüktür. Grupta yukarıdan aşağıya gidildikçe erime ve kaynama noktaları yükselir. Malzeme Bilimi Slaytları 15/42

16 Malzeme Bilimi Slaytları 16/42

17 SOY GAZLAR Tümü tek atomlu renksiz gaz halindedir. Yalnız Rd radyoaktif olup çekirdeği dayanaksızdır. Doğada çok az bulunurlar. İyonlaşma enerjileri, sıralarında, en yüksek olan elementlerdir. Malzeme Bilimi Slaytları 17/42

18 ALKALİ METALLER Periyodik cetvelin 1a grubu elementleridir Li, Na, K, Rb, Cs, Fr bu grubun elementleridir. En yüksek temel enerji düzeylerinde bir elektron vardır. Bileşiklerinde ( +1 ) değerlik alırlar. Yumuşak, bıçakla kesilebilen, hafif metallerdir. Elektrik akımı ve ısıyı iyi iletirler. Malzeme Bilimi Slaytları 18/42

19 Malzeme Bilimi Slaytları 19/42

20 ALKALİ METALLER Erime ve kaynama noktaları diğer metallerden düşüktür.grupta yukarıdan aşağıya doğru erime ve kaynama noktaları düşer. Özkütleleri düşük olan elementlerdir. İyonlaşma enerjileri,sıralarında, en düşük olan elementlerdir. Tepkime verme yatkınlıkları çok fazladır. Doğada daha çok bileşikleri halinde bulunurlar. Malzeme Bilimi Slaytları 20/42

21 ALKALİ METALLER Alkali metaller,havanın oksijeni ile etkileşerek oksit oluştururlar. 2 M (k) +1/2 O 2 ( g) M 2 O (k) Halojenlerle birleşerek tuzları oluştururlar. 2 M (k) + X 2 2 MX (k) Su ile hızlı tepkimeye girerler ve hidrojen gazı (H 2 ) oluştururlar. 2 M (k) + 2 H 2 O (s) 2 MOH (suda) + H 2 (g) Malzeme Bilimi Slaytları 21/42

22 TOPRAK ALKALİ METALLER Periyodik cetveli 2a grubunda yer alan elementlere toprak alkali metaller adı verilir. Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra bu grubun elementleridir. Bileşiklerinde +2 değerliklidirler. Isı ve elektrik akımını iyi iletirler. Alkali metallerden daha sert erime ve kaynama noktaları daha yüksektir. İyonlaşma enerjileri alkali metallerden daha yüksektir. Malzeme Bilimi Slaytları 22/42

23 Malzeme Bilimi Slaytları 23/42

24 TOPRAK ALKALİ METALLER Özkütleleri de alkali metallerden daha büyüktür Oksijenle birleşerek oksitleri oluştururlar. M (k) + ½ O 2 (g) MO (k) Halojenlerle birleşerek tuzları oluştururlar. M (k) + Cl 2 (g) MCl 2 (k) Su ile tepkimeye girerek hidrojen gazı ( H 2 ) oluştururlar. M (k) + 2 H 2 O (s) M(OH) 2 (suda) + H 2 (g) Malzeme Bilimi Slaytları 24/42

25 HALOJENLER Periyodik cetvelin 7a grubunda yer alan elementlerdir. F, Cl, Br, I, At bu grubun elementleridir. Bileşiklerinde -1 ile +7 arasında çeşitli değerlikler alabilirler.ancak F bileşiklerinde sadece -1 değerlik alır. Erime ve kaynama noktaları grupta aşağıdan yukarıya doğru azalır. Elektron alma istekleri en fazla olan elementlerdir. Malzeme Bilimi Slaytları 25/42

26 Malzeme Bilimi Slaytları 26/42

27 HALOJENLER Tümü renklidir. Tümü zehirli ve tehlikelidir. Element halinde 2 atomlu moleküllerden oluşurlar. (F 2,Cl 2, Br 2, I 2, At 2 ) At (astatin) doğada bulunmayan,ancak radyoaktif olaylarla oluşan bir elementdir. Oda koşullarında F ve Cl gaz, Br sıvı, I ise katı haldedir. Malzeme Bilimi Slaytları 27/42

28 ÜÇÜNCÜ SIRA ELEMENTLERİ Periyodik cetvelin üçüncü sırası Na (sodyum) metali ile başlar Ar (argon) ile biter. Periyodik cetvelin aynı grubundaki elementlerin değerlik elektron sayıları aynı, özellikleri de birbirine benzerdir.ancak bir sırada bulunan elementlerin başta değerlik elektron sayıları olmak üzere birçok özellikleri farklılık gösterir.dolayısıyla da Fiziksel ve kimyasal özeliklerde önemli değişiklikler söz konusudur. Buradan sonuç olarak sodyumdan başlayarak argona kadar devam eden elementler birbirlerinden fiziksel ve kimyasal özellikleri bakımından ayrılmışlardır. Malzeme Bilimi Slaytları 28/42

29 Malzeme Bilimi Slaytları 29/42

30 ÜÇÜNCÜ SIRA ELEMENTLERİ Üçüncü sıranın elementleri şunlardır: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar Üçüncü sıranın ilk üç elementi Na, Mg ve Al metal,dördüncü element olan silisyum yarı metal,daha sonra gelen P, S, Cl ve Ar elementleri ise ametaldir. Na, Mg ve Al elektrik akımını ve ısıyı iyi iletir.p, S, Cl ve Ar elementleri ısıyı ve elektriği iletmez. Soldan sağa doğru sırada özkütle,erime ve kaynama noktası gibi özeliklerde büyük farklılık vardır.yine soldan sağa doğru genel olarak iyonlaşma enerjileri arttığından metal özelliği azalıp ametal özelliği artar. Malzeme Bilimi Slaytları 30/42

31 DÖRDÜNCÜ SIRA GEÇİŞ ELEMENTLERİ Buraya kadar incelediğimiz gruplar ve sırada değerlik elektronları s ya da p orbitallerinde bulunuyordu.yani a gruplarındaydı. Geçiş elementlerindeyse değerlik elektronları d orbitallerinde bulunur ve bu elementler 2a ve 3a grubu arasında yer alır. Periyodik cetvelin 21 atom numaralı skandiyum ile başlayıp 30 atom numaralı çinko ile biten sıradaki elementler ile bunların altında kalan tüm elementler, geçiş elementleri grubuna girer. Malzeme Bilimi Slaytları 31/42

32 Malzeme Bilimi Slaytları 32/42

33 DÖRDÜNCÜ SIRA GEÇİŞ ELEMENTLERİ Dördüncü sıra geçiş elementleri:se, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co,Ni, Cu, Zn. Tümü metaldir. 1a ve 2a grubu metallerinden farklı olup,sert ve özkütlesi büyük metallerdir. Erime ve kaynama noktaları çok yüksektir. Elektrik akımı ve ısıyı iyi iletirler. Kimyasal tepkimelere yatkınlık bakımından aralarında çok büyük farklılık vardır. Malzeme Bilimi Slaytları 33/42

34 1a, 2a, 3a grubundaki metallerin yalnız bir tür değerliği söz konusuyken geçiş elementlerinin farklı değerlikli birçok bileşikleri vardır.geçiş elementlerini diğer metalerden farklandıran özellik yalnız s orbitalinden değil,tam dolu olmayan d orbitalininde bileşik oluşturma ile ilgili olmalarıdır. Periyodik cetvelin altına iki sıra halinde yazılan elementlere İçgeçiş Elementleri ya da İçgeçiş Metalleri denir. Malzeme Bilimi Slaytları 34/42

35 İyonlaşma Enerjisi Bir atomdan elektron uzaklaştırmak için atoma enerji verilir.verilen bu enerji bir büyüklüğe ulaşınca atomdan bir elektron kopar.kopan bu elektron çekirdek tarafından en zayıf kuvvetle çekilen yani atom çekirdeğinden en uzakta bulunan elektrondur. Bir atomdan elektron koparmak için gerekli enerjiye İyonlaşma Enerjisi ( Ei )denir. Çekirdekle elektron arasında çekme kuvveti ne kadar fazla ise iyonizasyon enerjisi o kadar artar. Malzeme Bilimi Slaytları 35/42

36 İyonlaşma Enerjisi Bir atomdan ilk elektronu koparmak için gerekli olan enerjiye Birinci İyonlaşma Enerjisi (E i 1 )denir. X (g) + E İ 1 X + (g)+ e - +1 yüklü iyondan,bir elektron koparmak için gerekli enerjiye de İkinci İyonlaşma Enerjisi denir. X + (g)+e İ 2 X +2 (g)+ e - +2 yüklü iyondan bir elektron ( üçüncü elektron ) koparmak için gereken enerjiye de Üçüncü İyonlaşma Enerjisi denir. X +2 (g)+e İ 3 X +3 (g)+ e - Malzeme Bilimi Slaytları 36/42

37 İyonlaşma Enerjisi Bir atomda kaç tane elektron bulunuyorsa,o kadar iyonlaşma enerjisi vardır.bunlardan en küçüğü birinci iyonlaşma enerjisidir.çünkü ilk kopan elektron yüksüz bir elektrondan kopmaktadır.ikinci elektron +1 yüklü bir iyondan koptuğu için bir elementin ikinci iyonlaşma enerjisi,birinci iyonlaşma enerjisinden daha büyüktür. Atom çapı küçülmekte,elektron koparmak güçleşmektedir. Malzeme Bilimi Slaytları 37/42

38 İyonlaşma Enerjisi İyonun yükü arttıkça atom çapı küçülür.iyonlaşma enerjisi artar.buna göre de; E İ 1 <E İ 2 <E İ 3 <E İ 4 <... İyonlaşma enerjisi periyodik cetvelde aşağıdan yukarıya,soldan sağa doğru artar.bunun nedeni çekim kuvvetinin artmasıdır. İyonlaşma enerjisi artar. (Enerji seviyesi dolayısıyla çekme kuvveti artar) İyonlaşma enerjisi artar. (Çekme kuvveti artar) Malzeme Bilimi Slaytları 38/42

39 Ortalama Atomik Yarıçapı Bir atomda en üst enerji seviyesindeki atomların atom çekirdeğine olan ortalama uzaklığına Ortalama Atomik Yarıçap denir. Periyodik cetvelde soldan sağa doğru gittikçe atom numarası ( çekirdek yükü )arttığından en dıştaki elektron daha çok çekilir,ortalama atomik yarıçap küçülür. Gruplarda ise yukarıdan aşağıya gidildikçe temel enerji seviyesi arttığından dıştaki elektronlar daha az çekilir,ortalama atomik yarıçap artar, Malzeme Bilimi Slaytları 39/42

40 Ortalama Atomik Yarıçap Ortalama atomik yarıçap azalır. (Elektron seviyesi azalır.) Ortalama atomik yarıçap azalır. Elektron veren atomun yarıçapı küçülür. İzotop atomlarda (proton sayıları aynı olan atomlarda) kütle numarası büyük olan atomun yarıçapı daha küçüktür. Elektron sayıları aynı olan atomlarda proton sayısı büyük olan atomun yarıçapı daha küçüktür. Malzeme Bilimi Slaytları 40/42

41 Elektron İlgisi (Elektron Affinitesi): Gaz fazındaki 1 mol nötral atoma 1 mol elektron bağlandığı zaman açığa çıkan enerjinin miktarına elektron ilgisi ya da elektron affinitesi ( E af ) denir. Periyodik cetvelde soldan sağa, yukarıdan aşağıya doğru gidildikçe elektron ilgisi artar.çünkü çekim arttığı için elektronun bağlanması kolaylaşır. Elektron ilgisi azalır. Elektron ilgisi artar. Malzeme Bilimi Slaytları 41/42

42 Metalik Özellikler Metalik özelliği elementlerin iyonlaşma enerjisi ile ilgilidir.iyonlaşma enerjisi düşük olan elementler metalik özelliğe sahip,iyonlaşma enerjisi yüksek olan elementler ise metalik özelliğe sahip değildir. Periyodik cetvelde soldan sağa,yukarıdan aşağı gidildikçe metalik özellik azalır. Metalik özellik azalır. Metalik özellik azalır. Malzeme Bilimi Slaytları 42/42

43 5.Elektronegatiflik: Elektronegatiflik; elektronu çekme kapasitesine denir.elektron ilgisi arttıkça elektronegatiflik artar.elektron ilgisi fazla olan elementler daha elektronegatiftir.bilinen en elektronegatif element flordur (F). Elektronegatiflik;periyodik cetvelde soldan sağa,aşağıdan yukarıya doğru artar. Elektronegatiflik artar. Elektronegatiflik artar. Malzeme Bilimi Slaytları 43/42