Malzeme Bilgisi Prof. Dr. Akgün ALSARAN Giriş- Atomik Yapı- Atomsal Bağlar Malzeme Bilimi
İçerik Genel prensipler Haftalık planlama Malzeme bilimi nedir? Malzeme bilimi hangi konularla ilgilenir? Malzeme çeşitleri nelerdir? Uygulama örnekleri 2
Genel Bilgiler Öğretim üyesi Görüşme saatleri Salı 15-16 Ders notları Değerlendirme Devam durumu Öğr. Gör Fatih Medet Alibeyoğlu http://muhendis.kafkas.edu.tr/fatih-medet-alibeyoglu Vize, final, ön test sonuçları ve ödev %80 katılım Kaynaklar Ders slaytları Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, William D. Calllister-David G. Rethwisch, Çeviri Editörü Kenan Genel, Nobel, 2013 Malzeme Genel Bilimi prensipleri9i9i8j6 ve Muayenesi, Temel Savaşkan, 2009 3
Ders içeriği Hafta Konu başlıkları 1 Malzeme bilimine giriş, malzemelerin atom yapısı, atomlar arası bağlar 2-3 Kristal yapılar, kristal sistemler, kristal düzlem ve yönleri 4 Amorf yapılar, Kristal yapı hataları, amorf yapılar ve katı eriyikler 5 Difüzyon 7 Malzemelerin mekanik özellikleri ve muayene 8 Yeniden kristalleşme, yaşlanma ve hasar 9 Faz diyagramları 10 Fe-C denge diyagramı 11 Çelikler ve standardizasyon 12 Çeliklere uygulanan ısıl işlemler ve yüzey sertleştirme 13 Mühendislik malzemelerinin kullanım alanları, demir dışı malzemeler, polimerler, seramikler, karma malzemeler (kompozitler) 14 Korozyon, elektriksel, ısıl, manyetik ve optik özellikler 4
Malzeme nedir? Genel manada malzeme; İhtiyaç duyulan madde Teknik manada malzeme; Bir teknik fikri gerçekleştirmede kullanılan katı cisim Somut olarak; Hem metaldir, plastiktir, lastiktir, ağaçtır, taştır ve hem de yün, pamuktur. 5
Malzeme nedir? Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Malzeme Bilimi Malzeme Mühendisliği Özellik Yapı Mekanik Performans Makroskobik Mikroskobik Elektrik İşlenebilirlik Isıl Atomik yapı Manyetik Atom altı yapı Optik Hasar 6
Malzeme nedir? Atom altı seviye: Atomik seviye: Mikroskobik Makroskobik seviye: Bağ oluşumu Malzeme içerisinde seviye: Malzeme Gözle görülebilecek atomların yerleşim içerisinde taneler yapılar. düzeni. Örneğin C hem mikroskop ile grafit hem de elmas tespit edilebilir. halindedir. 7
Malzeme nedir? 8
Malzeme nedir? Angstrom = 1Å = 1/10,000,000,000 metre = 10-10 m Nanometre = 1nm = 1/1,000,000,000 metre = 10-9 m Micrometre = 1μm = 1/1,000,000 metre = 10-6 m Millimetre = 1mm = 1/1,000 metre = 10-3 m Üretim aşamasında kullanılan her bir malzemeyi atom altı seviyeden ele alarak doğru seçim yapabilme kabiliyeti kazanılmalı. 9
Malzeme nedir? İşlem Yapı Özellik Performans 10
Malzeme bilimi ve önemi Bir malzeme problemi mevcut binlerce malzeme içerisinden doğru olarak seçmektir. Çalışma koşulları Hasar oluşma olasılığı Maliyet 11
Malzeme bilimi ve önemi Uygun malzeme seçimi Özel uygulamalar için malzeme dizaynı Malzemelerin dizayna uygun bir şekilde verimli ve güvenli kullanımı Kullanım ömrü tamamlanan malzemelerin geri dönüşümü Bir boru hattında bakır boru kullanılmaktadır. Bakır borunun tercih edilme sebebi, bu boruya şekil verebilme zorluğu, verim, maliyet ve ekonomiklik açısından bakır borunun değerlendirmesi ve bakırın geri dönüşümü sizce nasıl olur? 12
Malzeme Mühendisliği Tüm metallerin ve metal olmayan malzemelerin, sentetik ve doğal malzemelerin ham maddelerden üretilmesinden ta eskiyene ve hatta ilaveten hurdadan tekrar kullanılmasına kadar geçen değerlendirmeleri yapan mühendislik dalıdır. 13
Malzemelerin Sınıflandırılması Mühendislik Malzemeleri Metaller Metal olmayan malzemeler Demir esaslı metaller Demir olmayan metaller Inorganik malzemeler Organik malzemeler Lamelli Dökme demirler Temper Çelikler Yapıl Takım Hafif metaller Ağır metaller Yarı iletken Camlar Plastikler Ağaçlar Deriler Küresel Beynitik Al, Mg, Ti Cu, Ni, Zn, Pb Seramikler Mermerler Betonlar 14
Malzemelerin Sınıflandırılması Yarı iletkenler Plastikler Kompozit Organik doğal malzemeler Camlar Metaller Demir esaslı malzemelerden dökme demirlerin dışında olan çeliklerin 2000 çeşidi olduğu ve bunlarında kendi içlerinde çeşitli yönlerden sınıflandırıldığı düşünülürse konunun o kadar basit olmadığı anlaşılabilir. 15
Malzemelerin Sınıflandırılması Metal Malzemeler Altı köşe çelik Lama Çelik Kare Çelik Kare Çelik Dairesel çelik Bakır Oluklu Çelik Çelik Rulman 16
Malzemelerin Sınıflandırılması Metal Malzemeler Nikel,çinko,pirinç karışımı metalik paralar Alüminyum raflar Alüminyum cephe giydirmeleri ve panjurlar 17
Malzemelerin Sınıflandırılması Seramik Malzemeler Cam Tuğlalar 18
Malzemelerin Sınıflandırılması Kompozit Malzemeler Çelik Gövdeli Lastik Betonarme 19
Malzemelerin Sınıflandırılması Grafit Elmas Celestite Sülfür Pyrite(Sülfürdioksit) 20
Malzeme Seçimi Kalça protezlerine ihtiyaç duyulan durumlar; Kırıklar Osteoarterit (Kıkırdak iltihabı veya kaybı) Romatoid arterit (Sinoviyal sıvının yetersizliği) 21
Malzeme Seçimi Gereksinimler Mekanik mukavemet (bir çok çevrim) Düşük sürtünme Biyouyumluluk 22
Malzeme Seçimi 23
Malzeme Seçimi Kalça Protezleri Kullanılan malzemeler Metaller Kobalt- Krom alaşımları Titanyum ve alaşımları Paslanma çelik Polimerler Polymethyl methacrylate (PMMA) çimento Ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) çukurcuk (cup) veya astar (liner). Seramikler 24
Malzeme Seçimi Çözüm için anahtar Acetabular cup ı tutmak için sabitleştirici Cup sürtünmesini azaltmak için yağlayıcı Kalça kemiğine ait tutucu Cup ta herhangi bir aşınma ürününden sakınmak gerekir 25
İçerik-Atomsal Yapı Temel kavramlar Atom modeli Elektron düzeni Periyodik sistem 26
Temel kavramlar 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. 27
Temel kavramlar 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 10-12 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. 28
Temel kavramlar 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 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. 29
Temel kavramlar 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. 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. 30
Temel kavramlar Kısaca : Z elektron Z proton +N nötron Atom çekirdeği + Elektron örtü tabakası => elektron örtü tabakası => A atom çekirdeği => 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 1/299 792 458 saniyede aldığı mesafedir. 31
Temel kavramlar 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 9 192 631 770 titreşimi esnasında geçen zamandır. 32
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. 33
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. 34
Atom 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. 35
Atom Proton ve nötronları bir arada çekirdek içinde tutan 10-15 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. 36
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 bunlarda bulunabilecek en çok elektron sayıları Anatabakalar K L M N O P Q Anakuantum sayısı (n) 1 2 3 4 5 6 7 Her tabakaya düşen en çok elektron adeti (2n 2 ) 2 8 18 32 50 72 98 37
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. 38
Elektron düzeni Bütün elementler elektron yapılarına göre periyodik tabloda sınıflandırılırlar. Burada elementlerin artan atom numarasına göre yer aldığı yatay yedi adet satır periyot olarak adlandırılır. Aynı sütunda verilen kimyasal ve fiziksel özellikleri benzerdir. elementlerin valans elektron yapısı, 39
İçerik-Atomsal Bağ Atomlararası denge mesafesi Elastisite modülü Atomlar niçin bağ yapmak ister? İyonik bağ Kovalent bağ Metalik bağ Van der Waals bağ 40
Atomlararası denge mesafesi Atomlar birbirleri ile sürekli etkileşim içerisindedir. Bu etkileşimlerden biride atomlar arası itme ve çekme olaylarıdır. 41
Atomlararası denge mesafesi Nötr durumda protonlarla elektronların sayısı eşittir ve net elektriksel yük sıfırdır. Atomlar birbirine elektron vererek veya alarak yüklü duruma geçerler. Bu durumda Coloumb kuvveti doğar. dw Fdx W x 0 Fdx O o K' de... F dw dx 0 DENGE 42
Kuvvet Atomlararası denge mesafesi F a (x) =İtme kuvveti F T (x) =Toplam kuvvet F r (x) =Çekme kuvveti X o mesafesinin yeri sıcaklığa göre değişir. Sıcaklık artıkça x o artar. En küçük olduğu sıcaklık 0 K dir. Çekme (kohezyon) kuvveti soğuk şekillendirme derecesini açıklar. Çekme kuvvetini değeri iyonlar arası mesafe x ile 1/x şeklinde değişirken, itme kuvveti 1/x m şeklinde değişir ki m=10 dur Dolayısıyla itme kuvveti iyonlar arası mesafe küçüldükçe, elektrostatik çekme kuvvetinden daha hızlı bir şekilde artar. 43
Atomlararası denge mesafesi Sonsuz mesafe uzaklıkta bulunan atomların birbirlerine karşı çekme ve itme gibi bir etkisi olmadığından potansiyel enerji sıfırdır. Herhangi bir etki ile bu atomlar birbirlerine yaklaştırılırsa, bu iki atom arasında bir çekme etkisi meydana gelecek ve kinetik enerji artarken potansiyel enerji azalacaktır. Aralarındaki mesafe azaldıkça, bu sefer itme kuvveti oluşacaktır. Öyle bir an gelir ki artık itme ve çekme kuvvetleri birbirlerine eşit yani bileşke kuvvet sıfır olduğunda atomlar denge haline gelir. İşte atomların denge halinde olduğu mesafeye atomlar arası denge mesafesi denir. Atomlar denge halin geldiklerinde aralarında çeşitli bağlar oluştururlar. Enerji diyagramında F T =0 hali de/dr=0 haline karşılık gelir. Diğer bir ifade ile iki atomdan oluşan sistemin potansiyel enerjisi minimumdadır. Çekme, kimyasal ilginin fiziksel anlamı olup, kinetik enerji ile ilgilidir. İtme ise kısa mesafelerde kendini gösterir ve atomlar arası denge mesafesinin oluşmasını sağlar. 44
Atomlararası denge mesafesi Denge halinde potansiyel enerji minimumdur. Atomlar arası mesafe dolayısıyla potansiyel enerji çukuru; Bağ türü ve enerjisine Sıcaklığa.0 o K de atomlar statik, potansiyel enerji minimum Atomun hangi iyon halinde olduğuna..ortalama çap değişir Atomların diziliş şekli yani kristal sistemine bağlıdır. Koordinasyon sayısı Dar ve derin enerji çukuru elastisite modülünün yüksek olduğu, elastisite modülünün yüksekliği de ergime sıcaklığını yüksek ve düşük genleşme katsayısı anlamına gelir. Dolayısıyla mukavemet yüksektir. Aksine geniş olan enerji çukurlarında ise, düşük ergime sıcaklığı, yüksek genleşme katsayısı ve düşük elastisite modülü görülür. 45
Attractive Elastisite modülü Solid F N E df N /dr Uygulanan gerilme ve oluşan elastik şekil değiştirme (strain) arasında; F df N L o + dl A F df N 0 Repulsive r o dr df N r = E. (a) (b) ilişkisi vardır ve E elastik modül olarak adlandırılır. Fig. 1.14: (a) Applied forces F strech the solid elastically from Lo to d L. The force is divided amongst chains of atoms that make the solid. Each chain carriers a force d F N. (b) In equilibrium, the applied force is balanced by the net force d F N between the atoms as a result of their increased separation. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) http://materials.usask.ca 46
Elastisite modülü Uygulanan gerilme ile kuvvet doğrultusunda uzaklaşan atomlar, şekildeki gibi geri çağırıcı kuvvetin etkisinde kalır. dr yer değiştirmesi ile ortaya çıkan df N kuvveti sistemi eski haline döndürmeye çalışan kuvvettir. d r F N E 2 0 r0 dr E, Elastisite modülünün F N kuvvetinin r=r o daki değişimi ile orantılı olduğu görünmektedir veya Enerjinin r o daki eğriliği ile orantılıdır. E 1 r o df dr N r r 0 1 r 0 2 d E dr bağ 2 r r 0 47
Elastisite modülü E f E bağ 3 r 0 Yaklaşık ifadesi ile Elastisite modülü ile bağ enerjisi arasındaki ilişki verilmektedir. Büyük bağ enerjisine sahip katıların büyük elastik modülüne sahip olacakları görülmektedir. İkincil tür bağlar için bağ enerjisinin küçüklüğü ile Elastisite modülüde küçük olacaktır. 48
Atomsal bağlar Kimyasal bağ, iki ve daha fazla atomum yeni bir madde oluşturmak için birleşmesidir. İki veya daha çok atom çekirdeğinin elektronlarına yaptıkları çekme kuvvetlerine Birincil bağ (iyonik ; σ, π, kovalent ve metalik bağlar), moleküller arasındaki etkileşimden doğan bağa da İkincil bağlar (van der waals) denir. Birincil bağların oluşması için atomlar arasındaki itme ve çekme kuvvetlerinin birbirine eşit olması, yani minimum potansiyel enerjinin sağlanması gerekir. 49
Atomlar niçin bağ yapmak ister? Atomlar daha karalı bir hale gelebilmek için ya elektron alırlar, ya verirler yada ortak kullanılırlar. Yani soy gazlara benzemek isterler. Elektron nokta diyagramı, Lewis yapılar 50
Levis yapılar Noktalar Valans elektronlarını gösterir. Atomların ne çeşit bağla bağlanacaklarını valans elektronları belirler. Valans elektron sayısı periyodik cetveldeki konumdan belirlenir. Valans elektronlarını göstermek için Lewis diyagramı kullanılır. Bu diyagramda elementin ismi ve çevresinde en dış enerji seviyesindeki valans elektronlarını gösterir. Atomların Lewis yapıları Atom için kimyasal simge valans elektron sayısına karşılık gelen noktaların sayısı ile çevrilidir. Valans elektronları, kimyasal reaksiyonlar süresince kendi atomunu terk edebilecek ara tabakasını tam doldurmamış elektronlardır. Yani son kabuktaki elektronlar 51
Atomsal bağlar Bağ çeşitleri Metal-metal olmayan (İyonik bağ) Metal olmayan-metal olmayan (Kovalent bağ) Metal-metal (Metalik bağ) 52
İyonik bağ Metal ve ametal arasında görülür. Elektron alışveriş esasına dayanır. Son yörüngesi elektron dengesi bakımından dengesiz, elektron ilgisi düşük (elektropozitif) bir metal ile son yörüngesini elektronla doldurma isteğinde olan yani elektron ilgisi yüksek olan (elektronegatif) bir ametal arasında mevcut elektronların alış verişiyle kararlı bir yapı oluşturulması söz konusudur. Sonuç olarak iyon bağın oluşabilmesi için iki atomun elektronegativite değerleri arasında çok fark olmalıdır. Oluşan iyonik yapıda, elektron veren atom + iyon haline, elektron alan da iyon haline geçerler. Bağ kuvveti bu iyonlar arasında ki elektrostatik çekmeden doğar. 53
İyonik bağ Oluşan iyonik bağ simetrik (elektron dağılımı homojen) bir yapı gösterir. Dolayısıyla bağda açı oluşumu söz konusudur. Simetriklikten uzaklaştıkça kovalent bağ oluşma eğilim artar. Katı halde iyon bileşikleri elektriği çok az iletirken, ergimiş halde elektrik akımını iyi iletirler. 54
İyonik bağ İyon bileşiklerinin ergime ve kaynama noktaları çok yüksektir. İyon bileşikleri düzenli kristal yapıdadırlar. İyon kristalleri kırılgan yapı sergilerler. İyon kristalleri saydam olup ışığı kırmazlar. Örnek : NaCl, LiF 55
İyonik bağ Potential energy E(r), ev/(ion-pair) 6 0 6 6.3 0.28 nm Cohesive energy Cl C l r = 1.5 ev r = Na + Na Separation, r Cl Na + r o = 0.28 nm 56
Kovalent bağ Elektron alışverişi söz konusu olmayıp elektron ortaklaşmasına ya da girişimine dayanır. Atomlar son yörüngelerindeki valans elektronlarını ortaklaşa kullanarak güçlü bağ oluştururlar. Özellikle N, O, H, F ve Cl gibi ametal atomları arasında görülür. Si, Ge, Sb ve Se gibi metaller arasında da kısmen kovalent bağ da oluşur. 3B-7B arasındaki geçiş elementleri arasında da kısmen kovalent bağlı bileşikler oluşabilir. Kovalent bağın oluşabilmesi için son kabuktaki orbitallerde en az bir elektron boşluğu olması gerekir. - + - + Elektromanyetik alan Dönme (spin) H 2 molekülü ve elektronların spinleri 57
Kovalent bağ Bu şekilde bağlanan bileşikleri oluşturan atomlar arasındaki elektronegativite farkı düşüktür. Bu fark arttıkça iyonik özellik artar. Bu bağlar açılı yani ayrıktırlar, dolayısıyla elektron dağılımı asimetriktir. 6. Bağı oluşturan atomların aynı olup olmadıklarına göre Apolar (genelde aynı cins atomlar arasında) ve Polar (farklı cins atomlar arasında) ikiye ayrılırlar. Son yörüngedeki elektronların hangi tür orbitalden bağ oluşturmasına göre de σ (s-s ve s-p arasında), π (p-p arasında), (d orbitalleri arasında) + + + CH 4 H C H 109.5 H F B 120 F H F 58
Kovalent bağ Bir elementteki kovalent bağ sayısı 8 - Grup No değerine eşittir. Kovalent bağlı bileşikler hem katı hem de sıvı halde elektriği iyi iletmezler. Çok atom Soru: Kovalent bağlı yarı iletkenler (Si, Ge, Sn gibi) elektriği iyi iletir neden? Kovalent ve iyonik bağ yapma eğilimin, belirlemek zordur. Bir çok katı her iki bağıda yapabilirler. Genellikle dış yörüngeleri hemen hemen dolu olan elementlerin bileşikleri iyonik, yarı yarıya dolu olanlar ise kovalent bağ yapma eğilimindedirler. 59
Metalik bağ Metal atomları arasında görülür. Metalik bağda da kovalent bağda olduğu gibi atomların birbirlerine yaklaşarak enerjilerini düşürme eğilimi vardır. Kovalent bağ iki atom arasında gerçekleşebilirken, metalik bağ çok sayıda atom arasında gerçekleşir. Bağlanmada serbest elektron ya da delokalize elektronların pozitif çekirdekler arasında bir elektron denizi oluşturmaları ve bu elektron denizininin pozitif çekirdekler tarafından ortak olarak paylaşmaları söz konusudur. Elektron denizi pozitif çekirdekleri birarada tutmaktadır. Hiçbir elektron bağı oluşturan herhangi bir metal atomuna aittir denilemez. Bir atom her taraftan eşit kuvvetlerin etkisi altındadır. Metalik bağlarda yönlenme söz konusu değildir. 60
Metalik bağ Metallerde elektronların serbest kalma özellikleri nedeniyle çekirdek yükleri de azalmıştır. Bu nedenle elektronların serbestçe hareket etmeleri kolaydır. Ayrıca bu elektronların son kabuktan ayrılmış olmaları dalga boylarının yükselmesi ve frekanslarının da azalması anlamına gelir ki bu da kinetik enerjilerininde düşme demektir. Elektronların metal içerisinde çok serbest hareket etmeleri yapı içerisindeki potansiyel farkların da minimum olması anlamına gelir, yani potansiyel enerjide düşüktür. O halde metalik bağlarda elektronların kinetik ve potansiyel enerjileri de düşüktür. 61
Metalik bağ Elektriksel anlamda çekirdek cazibesinden nispeten uzaklaşmış serbest elektronların herhangi bir elektriksel, mekanik ve ısı enerjisiyle tahrik edilmesi halinde birbirlerini itmesi de elektriksel ve ısıl iletkenlik ve şekillendirilebilirlik anlamında elektronların birbirlerini itmesi ile gerçekleşir. Metal deformasyonunun sebebi Dış kuvvet Deforme olmuş metal 62
Metalik bağ Atomların valans elektronları ne kadar az ise, bu elektronların serbest kalma ihtimali o kadar fazladır, dolayısıyla elektriksel ve ısıl iletkenlik artar. İşlenebilirlikleri iyidir. Valans elektron sayısı arttıkça kovalent bağ yapma ihtimali ve çekirdek yükü artar. Bu nedenle valans elektron sayısı yüksek olan Fe, Ni, W ve Ti gibi elementlerin atomlarının yaptıkları metalik bağlanmalar sonucunda bu metallerin ergime dereceleri yüksek olmaktadır, yani kısmen kovalent özellik göstererek yönlenmeleri söz konusu olabilir. 63
Van der Waals bağ Moleküller arası olan ikincil bağlardır. Elektronik kutuplaşmaya dayanır. Dış yörüngesi tam dolmuş soygazlar ya da tam dolmamış element atomlarının, kovalent iyonik bağlı bileşiklerin kendi aralarında oluşan kutuplaşmalardan çekme etkisi olur. + - + - Dipol oluşumu Ar atomları sıvılaşma sıcaklığında 64
Van der Waals bağ Bu çekme son yörüngesi tam dolu olan soygazlarda ve simetrik moleküllerde geçici kutuplaşma ile gerçekleşir. Herhangi bir etki neticesinde elektronların konumlarını değiştirmesiyle, salınımlarıyla ani kutuplaşmalar olur. Bu çekme özellikle kovalent bağlı bileşiklerde yönlülükten kaynaklanan asimetrik yük dağılımından (molekül kutuplaşması) dolayıdır. Bu nedenle elektronların hareketi, titreşim vs. gibi sebeplerle salınım yapar, yani dipoller (kutuplaşmalar) meydana gelir. Bir bölgede çok küçük zaman dilimlerinde elektron yük dağılımı değişir. Yani potansiyel enerji değişir. Bu potansiyel enerjinin minumum edilmesi adına van der Waals bağları oluşur. Molekül kutuplaşması ile oluşan van der Waals bağları geçici kutuplaşma ile oluşan van der Waals bağlarından güçlüdür. Örnek : H 2 O (molekül kutuplaşması), sıvı azot (geçici kutuplaşma) 65
Van der Waals bağ H H H 2 66
Bağ türünün etkileri Ergime ve buharlaşma sıcaklığı: Katı halden sıvı hale geçerken kuvvetli, sıvıdan buhara geçerken zayıf bağlar kopar. Bağ enerjisi arttıkça ergime sıcaklığı artar. Isıl genleşme: Ergime sıcaklığı ile ters orantılı gelişir. Mukavemet Elastisite modülü Isıl iletkenlik: Serbest elektron hareketi ile ilişkilidir. İyonik ve kovalent bağlılarda ısı enerjisi yalnızca atomların ısıl titreşimleri ile olur. Optik özellikler: Metallerde ışık dalgası serbest elektron bulutu ile yansıtıldığından geçmez. Bu nedenle metaller saydam değildir. Kovalent ve iyoniklerde ise serbest elektron olmadığından ışık yansıtılmadan geçer. Yapıda kusur varsa? Kimyasal özellikler: Metalik bağlılarda valans elektronları kolayca yapıdan ayrılır ve artı yüklü iyonlar kalır. Bu iyonlarda çevrenin elektro-kimyasal etkilerine karşı duyarlı olur. 67