BÖLÜM 2 ATOMİK YAPI İÇERİK Atom yapısı Bağ tipleri 1
Gecko tropik bölgelerde yaşayan küçük ve zararsız bir tür kertenkeledir. Gecko kertenkeleleri kendilerini diğer sürüngenlerden ayrıcalıklı kılan bir özelliğe sahiptirler. Duvarda, hatta tavanda düz bir yolda yürüyormuşçasına rahat hareket edebilir; tek ayakları üzerinde tepetaklak durumda asılı durabilirler. Cilalı dikey bir düzlemde bile başaşağı konumda koşturabilirler. Peki Geckonun ayaklarının zemini bu derece sıkı kavramasına imkan sağlayan ve bu sürüngenin şaşırtıcı hareketlerine olanak veren sistem nedir?
Araştırmalar Geckonun ayaklarındaki mekanizmanın üstün bir mühendislik örneği olduğunu ortaya çıkarmıştır. Gerçekten de bu sürüngenin ayak yapısı tırmanmak için tasarlanmıştır. Portland'taki Lewis & Clark Lisesi'nden çevre fizyoloğu Kellar Autumn ve California Berkeley Üniversitesi'nden bio-mühendis Robert Full tarafından kurulan ve Massatchusetts IS Robotics tarafından desteklenen bir ekip Geckonun nasıl tırmandığını mikroskobik açılardan incelemişlerdir.
Geckonun parmak uçları, tıpkı bir kitaptaki sayfalar gibi ince doku yaprakları ile kaplıdır. Her bir yaprak da, "setae" adı verilen özel bir doku ile kaplıdır. Bu dokuda tüy benzeri uzantılar yer alır ve bu uzantıların uçları da yüzlerce mikroskobik uca ayrılmaktadır. İğne başı kadar bir alanda ortalama 5000 mikro tüy vardır. Bu da hayvanın her ayağında yaklaşık yarım milyon tüyün bulunması anlamına gelmektedir. Her bir tüy kendi içinde sayıları 400 ile 1000 arasında değişen tüyümsü uzantılardan oluşmaktadır. Bundan başka dikkat çeken bir unsur da tüylerin hayvanın topuklarına bakacak biçimde yerleştirilmiş olmasıdır. Her bir ucun kalınlığı milimetrenin beş binde biri kadardır. Geckonun ayağındaki milyonlarca mikroskobik uç, değdikleri yüzeydeki atomların çekim kuvvetini kullanarak o yüzeye bir tutkal gibi yapışır. 500000000 nanohairs Geckolar tutunabilmek için Vander-Waals-kuvvetlerini kullanırlar
The seta has 1000 nanohairs The Gecko toe has 500000 microhairs (setae) Nanostructure of the Gecko toe
Technical surface 1 The Gecko effect Adhesion effect through Van-der-Waals-forces Contact area Technical surface 2 Technical surface Small contact area Nanohairs! Large contact area small adhesion force large adhesion force Microhair
Gecko adım atarken ayak tabanını yüzeye bastırır ve hafifçe geriye çeker. Böylece tüylerin zemine maksimum düzeyde temas etmesini sağlar. Diğer bir ifadeyle, tüyler yüzeydeki çıplak gözle görünmeyen mikroskobik girinti ve çıkıntılara sıkıca tutunurlar. Böylece, ayak ile yüzey arasında moleküler düzeyde zayıf bir çekim kuvveti oluşur. Bu çekim kuvveti kuantum fiziğinde "Van Der Waals kuvveti" olarak adlandırılmaktadır. Van der Waals kuvveti sizin eliniz ve duvar arasında da vardır ama çok zayıftır. Atomik seviyede bakacak olursak elinizin yüzeyi dağlarla kaplı gibidir ve sadece en tepedeki atomlar duvarla temas ederler. Ancak Geckonun ayağındaki binlerce spatula ucu tıpkı bir tutkal gibi duvara yapışır. Ayaktaki tüycüklerin konumu ve sıklıkları Van der Waals kuvvetini ortaya çıkarır. İşte bu kuvvet, yerçekiminin Gecko üstündeki gücüne baskın çıkar. Hayvan, ayağını kaldırmak istediğinde de ayak tabanını ileri doğru büker ve moleküler çekim kuvvetinin üstünde bir güç harcayarak tabanını kaldırır
Gecko-Tape Gecko Tape (with directional adhesion) is a new material still at the development stage. Directional adhesion refers to the ability of an adhesive material to grip a load in one direction and to release its grip when the direction is reversed.
Atomların Yapıları Atomlar başlıca üç temel atom altı parçacıktan oluşur; Protonlar (+ yüklü) Nötronlar (yüksüz) Elektronlar (-yüklü) Basit bir atom modeline göre, yaklaşık 10-14 m çapında bir çekirdek etrafında değişen yoğunlukta, ince, dağılmış elektron bulutu bulunmaktadır ve atom 10-10 m mertebesinde bir çapa sahiptir.
Çekirdek atomun hemen hemen bütün kütlesini oluşturmakta olup nötron ve protonlardan meydana gelir. Elektron yükü bulutu hemen hemen atomun bütün hacmini, fakat çok küçük bir kütlesini oluşturur.
Elektronlar, özellikle dış yörüngedekiler, atomun Elektriksel Mekanik Kimyasal Isıl Özeliklerini belirlediğinden atom yapısının bilinmesi mühendislik malzemelerini incelemede önem taşır.
Atomların Elektron Yapıları Elektronlar atom çekirdeği çevresinde belirli yörüngeler üzerinde sürekli hareket halindedirler ve belirli enerji düzeyine sahiptirler. Elektronlar çekirdek etrafına yerleşirken önce en düşük enerji düzeyini doldururlar, sayıları arttıkça sırası ile daha dıştaki enerji düzeylerini işgal ederler. Bir enerji düzeyinde en fazla iki elektron bulunur ve bunların eksenleri etrafında dönme yönleri zıttır.
İKİ ATOM ARASINDAKİ DENGE MESAFESİ İki atom elektron paylaşarak bir bağ kurduğunda, aralarındaki denge mesafesini bulmak için bir değerlendirme mevcut: Bunu anlayabilmek için uzayda sadece iki atom varmış gibi düşünelim, Bu iki atom arasındaki etkileşim kuvvetini ifade etmemiz gerekiyor. Etkileşim kuvvetini F ile, mesafeyi de r ile gösterelim ve bunu bir grafik ile ifade edelim:
Grafiği daha iyi anlayabilmek için önce bu atomların birbirinden sonsuz uzaklıkta olduğunu varsayalım ve birbirine yaklaştıkça itmeçekme kuvvetlerinin nasıl değiştiğini inceleyelim. Atomlar birbirinden çok uzaktayken elektron paylaşmaları mümkün değildir, sadece van der Waals etkileşimi ile birbirine çok zayıf bağlanmış konumdadırlar. Yani aralarında sadece elektrostatik çekim vardır. Çekme kuvveti olduğu için (-) değerlerde göstereceğiz. İki atom van der Waals etkileşimi sebebiyle birbirine yaklaşırken, bir yerden sonra atomlar elektron paylaşacağından çekim kuvvetinin mesafeye bağlı olarak ciddi şekilde arttığını gözlemleyeceğiz.
Diğer yandan iki atom birbirine çok fazla yaklaştığında, bir yerden sonra, bu iki atomun elektron kabuklarının birbirinin üzerine bindiğini gözlemleyeceğiz. Böyle olduğunda bu iki atom birbirini itmek isteyecektir. Ve bu durumda oluşan itme kuvveti r nin büyük değerlerinde değil küçüldükçe ve bu iki atom birbirine yaklaştıktan sonra ortaya çıkacaktır. Yani bu iki atomun elektron kabukları üst üste binmeye başladıktan sonra birdenbire itme kuvveti meydana gelecektir (F İ ).
Burada cevaplamak istediğimiz soru: «İtme ve çekme kuvvetlerini net bir kuvvet olarak tanımlamak istersek iki atom arasındaki etkileşim mesafeye bağlı olarak nasıl değişecektir?» F N = F İ + F Ç 0 noktasında itme ve çekme kuvvetleri birbirini dengeliyor (F N = 0 oluyor). İşte itme ve çekme kuvvetlerinin birbirini dengelediği bu konuma iki atomarası denge mesafesi diyoruz. Yani atomlar birbirini çekmek isteyecekler fakat yaklaştıklarında da belli bir mesafede itmek isteyecekler. r 0
Malzemede bu değerlendirmeyi iki atom arasındaki potansiyel enerji değişimi ile de ifade edebiliyoruz: Bir önceki slaytta bahsettiğimiz kuvvet ilişkisini enerji grafiğine taşıyabilmemiz için öncelikle kuvvet-enerji ilişkisinden bahsedelim; Bir cisim konum değiştirdiğinde bunu P.E. de meydana gelen değişim üzerinden de tarif edebiliyoruz: F = de Enerjiyi çekmek için kuvvetin integralini alalım: dr r E = F. dr ( r ye konum değişimindeki enerjiye bu integral vasıtasıyla ulaşabiliyoruz)
Net enerjiye bakmak istiyoruz: E N = r Fİ. dr + r FÇ. dr E N = E İ + E Ç E İ E Ç Yani sonuç olarak enerji değişimi grafiğini çizebilmek için kuvvet eğrisinin integralini almak istiyoruz. Bunun neticesinde benzer bir grafik karşımıza çıkacaktır.
Grafiği detaylı incelersek: Bağlanma Enerjisi: Potansiyel enerjinin aldığı bu en küçük değeri E 0 ile gösteriyoruz ve iki atomun bir araya geldiklerindeki enerji bağlanma enerjisini ifade ediyor Bu nokta: F-r grafiğindeki 0 noktasının minimum enerjiye denk gelmesi gerekiyor. Bu aslında beklediğimiz bir sonuç, çünkü ister bu şekilde mikro ölçekte olsun ister makro ölçekte olsun bütün cisimler minimum potansiyel enerji de konumlanmak istiyor. Dolayısıyla iki atom denge konumuna yerleştiğinde, min. P.E. konumunda konumlanmalarını bekleyebiliriz.
Bağlanma enerjisi şunu ifade ediyor: İki atom bu şekilde bir denge mesafesinde konumlandıklarında (r 0 ) bu iki atomu birbirinden ayırıp sonsuz mesafede bir konuma taşımak istersek E 0 kadar bir enerji harcamamız gerekiyor.
Atomlar Arası Bağ Türleri 1. İyonik Bağ ; Atomlar arası en basit bağ türüdür. Periyodik tabloda metalik ve metalik olmayan (ametal) elementlerin oluşturduğu bileşiklerde bulunurlar. Metalik element atomları, valans elektronlarını metalik olmayan elementlerin atomlarına kolayca verirler. + yüklü iyonla (katyon) - yüklü iyon (anyon) arasındaki Coulomb çekme kuvvetinden doğar. Artı ve eksi yüklü iyonlar, küresel simetriden ötürü her doğrultuda elektrik alan oluşturdukları için, elektrostatik çekme kuvveti her doğrultuda aynıdır.
Elementlerin Periyodik Tablosu
İyonik Bileşikler (NaCl örneği) :
Şekil 2.1. NaCl için; (a) İyonik bağ oluşumu, (b) Kristal yapıda iyonların üç boyutlu düzeni
Tablo 2.2. Atomlararası bağlar
İyonik Bağlar (devamı) Bu tür katılarda elektronlar iyonlar tarafından gayet sıkı bir şekilde tutuldukları için ; Bağ kuvvetlidir. Yüksek ergime sıcaklığı vardır. Elektriksel iletkenlik düşüktür (ergitildikleri veya uygun bir sıvı içinde çözündükleri zaman elektriği iletmeleri elektronların akımından değil iyonların hareketinden kaynaklanır). Şekil değiştirme kabiliyeti düşüktür (iyonların bir kısmı ötelenirse karşı karşıya gelen aynı işaretli yükler birbirini iter, kristal yapı bozulur. Saydamdır.
2. Kovalent Bağ ; Komşu iki atom elektronlarını ortaklaşa kullanmak suretiyle kararlı elektron yapılarını oluşturdukları varsayılmaktadır. Periyodik tablonun sağındaki, elektronegativiteleri arasında küçük farklar bununan elementler arasında görülür. Bağ belirli iki atom arasında yönlenmek zorundadır (yönlü bağ niteliğindedir), bağ uzunlukları ve açıları sabittir ve kütle boyunca eşittir. Gaz molekülleri arasında, elmasta, yarı iletkenlerde, polimer moleküllerinde görülen bağ türüdür.
Kovalent Bağlar (devamı) Hidrojen dışındaki atomlar 8 valens elektronu ile çevreleninceye kadar bağ oluşturma eğilimindedirler. Hidrojen için gerekli olan helyum elektron konfigürasyonuna ulaşmak (1s 2 ), yani toplam 2 elektrona sahip olmakt ır. Atomlar farklı tiplerde kovalent bağlar yapabilirler ; Tek bağda İki atom bir elektron çifti ile bir arada tutulmaktadır. Çoklu bağda İki atom iki veya daha fazla elektron çifti ile bir arada tutulmaktadır.
F (z=9) 1s 2 2s 2 2p 5 Şekil 2.2. Flor atomlarının kovalent bağ ile oluşturdukları F2 molekülü Bu şekilden anlaşılacağı gibi kovalent bağlı moleküller çevrelerindeki diğer gruplarla kuvvetli bağ kuramazlar, dolayısıyla genellikle gaz veya sıvı halinde bulunurlar (moleküller arası bağlar zayıf bağlardır).
Kovalent bağlar özellikle gaz molekülleri arasında görülür (F2, H2, O2, H2O, CH4, CCl4 vb.).
Şekil 2.3. Karbonun kovalent bağ yapısı. Her karbon atomu diğer dört karbon atomu ile birer elektron paylaşarak eşit uzunlukta kovalent bağlar oluştururlar. C (z=6) 1s22s22p2 Karbonun son yörüngesi s2p2 dir. Ancak kovalent bağ yaparken s1p3 olur. Buna sp3 hibridleşmesi denir.
Kovalent bağlı katılar ; Elektrik iletmez. Plastik şekil değiştirmez. Ergime, buharlaşma sıcaklıkları yüksektir.
3.Metalsel Bağlar ; Metal ve alaşımlarında görülen bir bağ türüdür. Metalik malzemelerde en fazla üç valans elektronu bulunur. Bu modelde, katıdaki valans elektronları herhangi bir atoma bağlı olmayıp tüm metal içerisinde belirli oranda hareket etme yeteneğine sahiptir. Bu serbest valans elektronlarının metal kütle içerisinde bir «elektron denizi» veya «elektron bulutu» oluşturduğu düşünülmektedir. Valans elektronları dışındaki diğer elektronlar ile atom çekirdeği, iyon çekirdeğini oluşturur. Böylece metaller elektron vererek pozitif yüklü iyonlara dönüşürler. Bu elektron bulutu ile pozitif yüklü iyonlar arasında elektrostatik kuvvetler metalsel bağın oluşumunu sağlar. Ve bu sayede metalik bağ yönsüzdür.
Ayrıca bu serbest elektronlar iyon çekirdeklerini bir arada tutmak için adeta bir anlamda «yapışıtırıcı» görevi görür. Çekirdek ile valans elektronu dışında kalan elektronlar + yüklü iyon gibi davranır ve valans elektronlarından oluşan serbest elektron bulutu tarafından çekilir, böylece metal bağı oluşur.
Şekil 2.4. Metalsel bağın yapısı
Tablo2.4. Bazı metallerin bağ enerjisi ve erime sıcaklıkları Na, K, Ca elementlerinde valens altı enerji düzeyleri doludur. Sc ve Ti elementlerinde ise valens altı enerji düzeyleri kısmen doludur,bu nedenle yüksek bağ enerjileri ve ergime sıcaklıkları vardır. Bağ kuvvetini etkileyen diğer bir etken metalsel bağa katılan elektron sayısıdır. Valens elektronlarının sayısı arttıkça bağ enerjisi dolayısıyla ergime sıcaklığı da artar.
Metalsel bağlı katılar ; Valans elektronlarının serbest hareketliliği ile elektrik ve ısıyı iyi iletir. Metal iyonlarının yer değiştirmesi, bunlar ile elektron bulutu arasındaki elektrostatik kuvvetlerde önemli değişiklik meydana getirmez. Yani metalsal bağ bozulmaksızın atomlar birbirine göre ötelenebilir. Bu da metallerin plastik şekil değiştirme kabiliyetini meydana getirir. Opak olurlar (ışığı geçirmez, yansıtır).
4. İkincil veya Van Der Waals Bağlar; Veya fiziksel bağlar olarak adlandırılır ve kimyasal bağlara nispeten daha zayıftırlar ve bunların bağ enerjileri 10 kj/mol mertebesindededir. İkincil bağlar neredeyse tüm atom ve moleküllerde bulunur. Bazı hallerde atomlar veya moleküller arasında bağı sağlayan tek kuvvettir. Atomlar veya moleküller içinde elektronlar asimetrik dağılırsa, artı ve eksi yük merkezleri çakışmaz. Bunun sonucu elektriksel kutuplaşma (dipol oluşumu, polarizasyon) meydana gelir.
Esas itibariyle, bir atomun veya molekülün pozitif ve negatif kutbu arasındaki mesafeden dolayı her zaman bir elektriksel dipol oluşumu söz konusudur. Elektriksel kutuplaşma sürekli veya geçicidir. Zayıf bağlar, zıt işaretli iki kutup arasındaki çekme kuvvetinden kaynaklanır.
Fiziksel özellikler 41