1. Giriş 2. Temel Kavramlar 3. Atomlarda Elektronlar 4. Periyodik Tablo 5. Bağ Kuvvetleri ve Enerjileri 6. Atomlararası Birincil Bağlar 7. İkincil bağlar veya Van Der Waals Bağları 8. Moleküller
Bu özelliklerinden dolayı, bir cismin alt yüzeyi boyunca ve dik duvarlarda hızlıca hareket edebilirler. Geko, aslında tek ayağı ile vücut ağırlığını taşıyabilir. Bu ilginç kabiliyetini, ayak tabanında çok sayıdaki mikroskobik küçük tüylerin varlığına borçludur. Bu tüyler bir yüzey ile temas ettiklerinde, tüy molekülleri ile yüzey üzerindeki moleküller arasında zayıf van der Waals çekim kuvvetleri oluşur. Bilim adamları bu adhezyon mekanizmasını kullanarak son derece kuvvetli birçok sentetik yapıştırıcı geliştirmişlerdir. Bunlardan birisi sol üstteki fotoğrafta gösterilen yapıştırıcı banttır. Bu bant, özellikle cerrahi operasyonlarda yara ve kesiklerin kapatılmasında kullanılan ameliyat iplikleri ile zımba yerine kullanılması konusunda gelecek vaat etmektedir. Nemli ortam da yapışkanlığını koruyan bant malzeme, hastanın iyileşme sürecinde biyolojik olarak bozulmakta ve herhangi bir toksik madde salmamaktadır.
Her atom, proton ve nötronları barındıran bir çekirdek ile bu çekirdek etrafında harekethalindekielektronlardan oluşmaktadır. Gerek elektronlar, gerekse protonlar büyüklüğu 1,60x10 19 C olan elektrik yüküne sahiptir. Elektronlar negatif, protonlar pozitif elektrik yüklüdür, nötronlar ise elektriksel olarak nötrdürler. Atomu oluşturan bu parçacıkların kütleleri oldukça küçüktür. Protonlar ve nötronlar 1,67x10 27 kg mertebelerinde yaklaşık olarakaynı kütleye sahip iken, elektronun kütlesi 9,11x10 31 kg olup, proton ve nötronun kütlesine göre önemli ölçüde küçüktür. Her bir kimyasal element, atom çekirdeği içerisindeki proton sayıları veya atom numarası (Z) ile karakterize edilir. Elektriksel olarak nötr yani proton sayısı elektron sayısına eşit olan bir atomda, atom numarası ile elektron sayısı birbirlerine eşittir.
Göz önüne alınan bir atomun kütlesi (A), çekirdekteki proton ve nötronların kütlelerinin toplamına eşittir. Verilen bir elementin tüm atomlarında proton sayıları aynı olmasına izotop rağmen, nötron sayıları (N) değişebilir. Bu nedenle, bazı elementlerin atomları iki veya daha fazla farklı atom kütlelerine sahiptir ve bunlar izotop olarak adlandırılır. Bir elementin atom atom ağırlığı doğal olarak meydana gelenizotopatomlarının atom kütlelerinin ortalama ağırlıklarına eşittir ve atomik kütle birimi (a.k.b) atom ağırlığı hesaplamalarında atomik kütle birimi kullanılabilir. 1 a.k.b, karbonun en yaygın izotopu olan karbon 12 (12C) (A=12,00000) ye ait atom kütlesinin 1/12 sine eşit alındığı bir skala oluşturulmuştur. Bu skalaya göre, protonlarınvenötronların kütleleri birden biraz büyüktür ve A=Z+N Bir elementin atom ağırlığı veya bir bileşiğin molekül ağırlığı a.k.b cinsinden malzemenin mol atomu (molekülu )veyakütlesidikkatealınarak belirlenir. Buna göre, bir mol maddede 6,023 X 10 23 (Avogadro sayısı) kadar atom veya molekül vardır. Bu atom ağırlıkları birbiriyleaşağıdaki şekilde ilişkilidir: 1 a.k.b/atom (veya molekül) =1 g/mol
ATOMLARDA ELEKTRONLAR Atom Modelleri Kuantum mekaniğinin ilk olarak ortaya koyduğu olgu basitleştirilmiş Bohr atom modelidir, burada elektronların atomçekirdeği etrafında farklı yörüngelerde döndükleri varsayılmakta ve bir elektronun konumu bulunduğu yörüngeye göre tanımlanmaktadır. Kuantum mekaniğin bir başka önemi de; elektronların enerjilerinin nicel olması ve sadece kendilerine özgu enerji değerlerine sahip olmasıdır. Bir elektron, enerji absorblayarak yüksek enerji seviyesine veya enerji yayarak düşük enerji seviyesine geçebilir. Bu davranışın genellikle, elektronun eneiji seviyesi veya durumu ile ilişkili olduğu düşünülmektedir. Bu enerji seviyeleri ancak belirli enerji değerleriyle değişebilir, diğer bir ifadeyle, komşu enerji seviyeleri arasında belirli bir sınırenerjifarkı vardır.
Şekilde göru ldüğu gibi, çekirdekten dış enerji seviyelerine doğru enerji değerleri sıfıra yaklaşmaktadır. Enerjinin sıfır olması durumu, elektronların çekirdeğe bağlı olmadığı veya elektronun serbest konuma (serbest elektron) geçtiği anlamına gelir. Doğal olarak hidrojenin mevcut tek elektronu, bu enerji seviyelerinden sadece birini doldurmaktadır.
Daha sonra, elektronlar ile ilgili bazı olayları açıklamada yetersiz kalan Bohr mo delinin bazı önemli sınırlamalara sahip olduğu anlaşılmıştır. Bunun için elektronun hem dalga mekanik model dalga hem de parçacık özelliğini gösterdiği dikkate alınarak, dalgamekanik modeli ortaya atılmıştır. Bu modelle, bir elektronun konumu, çekirdek etrafında değişik bölgelerde bulunma ihtimalinden daha çok, belirli bir yöru ngede hareket eden bir parçacık olarak düşünülmüştür. Bir başka ifadeyle, elektronun konumu bir dağılıma ait olasılık veya elektron bulutu ile tanımlanmaktadır. Şekil 2.3 te hidrojen atomu için Bohr ve dalgamekanik modelleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir
Kuantum Sayıları Dalga mekaniği modeline göre, bir atomda her bir elektron, kuantum sayısı olarak adlandırılan dört parametreyle belirtilir. Bir elektronun boyutu, şekli ve olasılık yoğunluğu dağılımının uzaydaki konumu bu kuantum sayılarının3 ütarafından belirtilir. Bohr enerji seviyeleri, elektron alt yöru ngelerini ayrı tutarken kuantum sayıları, her bir alt yörüngedeki enerji seviyelerinin sayısını belirtir. Yörüngeler 1 ile başlayan tam sayılardan oluşan ana kuantum sayısı n ile belirtilir. Bu yörüngeler n = 1, 2, 3, 4, 5 e karşılık gelen K, L, A4 AÇ 0 gibi büyük harflerle de ifade edilir. Bu kuantum sayısının sadece Bohr modeli ile ilişkili olduğu da unutulmamalıdır. Kuantum sayısı, bir elektronun çekirdekten uzaklığı veya konumuyla ilgilidir. İkinci kuantum sayısı 1, alt yörüngeleri s, p, d veya f gibi küçük harfler ile gösterilir ve bu elektronun alt yöru ngesinin şekli ile ilgilidir. Ayrıca, alt yörüngelerin sayısı, n ana kuantum sayısı tarafından kısıtlanmaktadır. Her bir alt yöru ngede enerji seviyelerinin sayısı üçüncu kuantum sayısı olan m tarafından belirlenir. Bir s alt yörüngesinde bir tek enerji seviyesi söz konusudur, diğer taraftan p, d ve f alt yörüngelerinde sırasıyla ü., beş ve yedi enerji seviyesi mevcuttur. Bir dış manyetik alanın bulunmaması durumunda, her bir alt yörüngedeki enerji seviyeleri eşdeğerdir. Ancak bir manyetik alanın uygulanması durumunda, enerjileri birbirlerinden çok az farklı olduğu kabul edilen bu alt yöru ngelere ayrılır.
Elektronların bu enerji seviyelerine yerleşme şekillerini belirlenmesinde Pauli dışlama bir başka kuantum mekanik kavramı, Pauli dışlama prensibi kullanılır. Bu prensip, bir prensibi enerji seviyesinde zıt spinli iki elektrondan fazla elektronun bulunamayacağını zorunlu kılmaktadır. Böylece; s, p, d ve f alt yörüngelerinde sırasıyla 2, 6, 10 ve 14 adet elektron bulunur. Doğal olarak, bir atomda olası tüm seviyeler elektronlar tarafından doldurulamaz. Bir çok atomda elektronlar, ana ve alt yörüngelerinde her seviyede zıtişaretli olmak üzere iki elektron öncelikle olası en alt enerji seviyelerine yerleşirler. Bir sodyum atomuna ait enerji seviyeleri Şekil 2.5 te şematik olarak gösterilmiştir. Bütün elektronlar yukarıda anılan en düşük enerji sınırlamalara göre en düşük enerji seviyelerine yerleştiklerinde, atomun en düşük enerji (taban) durumu (taban) durumunda olduğusöylenir.
Bu noktadan sonra açıklamaların elektron dizilişlerine göre yapılması gerekir. Öncelikle, valans elektronları, en dış yöru ngede bulunan elektronlar olduğu belirtilmelidir. Bu elektronlar çok önemli olup atom ve molekül kümelerini oluşturmak için atomlararasında bağların oluşmasını Sağlar. Ayrıca, katılan fiziksel ve kimyasal özellikleri bu valans elektronlarına bağlıdır. Dahası, bazı atomlar kararlı elektron dizilişlerine sahiptirler yani en dış enerji seviyesi veya valans elektron yörüngesi tamamen dolmuştur. Neon, argon ve kriptonda olduğu gibi, kararlı atomlar normal olarak, en dış yörüngelerinde sadece s ve p seviyelerinin toplam 8 elektron tarafından işgal edilmiştir. Burada helyum istisnai olarak sadece 1s alt enerji seviyesinde iki elektron bulundurur. Bu elementler (Ne, Ar, Kr ve He) soy gazlardır ve kimyasal olarak aktif değildir. Valans yörüngeleri dolmamış diğer elementlerin atomları elektron alarak veya vererek yüklü iyon oluşturmak veya diğer atomlarla elektron paylaşarakkararlı elektron yapılarını oluşturur.
Bütün elementler elektron yapılarına göre periyodik tabloda sınıflandırılır. Burada, elementlerin artan atom numarasına göre yer aldığı yatay yedi satırperiyot olarak adlandırılır. Tabloda bir sütunda, yani grupta verilen bütün elementlerin valans elektron yapısı yanı sıra, kimyasal ve fiziksel özellikleri de benzerdir. Bu özellikler, her bir yatay periyot ve düşey grup boyunca kademeli olarak değişir. Tamamen dolu elektron yörüngesine sahip dolayısıyla kararlı yapıda olan Grup 0 da yer alan elementler, en sağdaki soy gazlardır. Grup VIIA ve VIA elementlerinin kararlı yapıya ulaşabilmeleri için, sırasıyla bir ve iki elektron almaları gerekir. Bu grup VIIA elementler (F, Cl, Br, I ve At) bazen halojenler olarak adlandırılır.
PERİYODİK TABLO Alkali ve alkalin toprak metalleri (Li, Na, K, Be, Mg, Ca vs.) grup IA ve IIA olarak ifade edilir ve sırasıyla kararlı yapıya nazaran bir ve iki elektron fazlalığına sahiptir. Üç uzun periyotta, grup IIIB den, IIB ye kadar d enerji seviyesi kısmen dolmuş olan ve bazı durumlarda bir sonraki yüksek enerji yörüngesinde 1 veya 2 elektron bulunan elementlere geçiş elementleri denir. Grup IIIA, IVA ve VA (B, Si, Ge, As vs.) valans ve elektron yapıları ile metal ve ametal arasında yer alacak özelliğesahiptir.
BAĞ KUVVETLERİ VE ENERJİLERİ Malzemelerin birçok fiziksel özelliklerinin anlaşılması atomları bir arada tutan atomlararası kuvvetleriyle ilişkili olduğundan bunların bilinmesi oldukça önemlidir. Atomlararası bağ oluşumu, sonsuz uzaklıktan birbirlerine belirli bir mesafeye yaklaştırılan yalıtılmış iki atom arasındaki etkileşim dikkate alınarak açıklanabilir. Ara mesafe çok büyük olduğunda, atomlar birbiri üzerine etki edemeyecek kadar uzakta oldukları için, aralarındaki etkileşimler ihmal edilebilir. Ancak, mesafe küçüldükçe, yani atomlar birbirine yaklaştıkça birbirleri üzerine kuvvet uygularlar. Bu kuvvetler çekme (F Ç )ve itme (F İ ) olmak üzere iki türdür ve her birinin büyüklüğü atomlararasındaki mesafenin (r) bir fonksiyonudur. F Ç, çekme kuvveti, daha önce kısaca ifade edildiği gibi, iki atom arasında mevcut bağ tipiyle ilişkilidir. İki atom arasındaki itme kuvvetleri, negatif yüklü elektron bulutları arasındaki etkileşimden kaynaklanır vebuatomların elektron yörüngelerinin aşırı derecede birbirlerine yaklaşması sadece r nin küçük değerleri için önemlidir.
Bazı durumlarda iki atom arasındaki kuvvet yerine potansiyel enerjiyi dikkate almak tercih edilir. Matematiksel olarak, enerji (E) ve kuvvet (F) birbiriyle aşağıdaki gibi ilişkilidir: çekme, itme ve net potansiyel enerji eğrilerinin iki atom arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak değişimi gösterilmiştir. Denklemden, net eğri, çekme ve itme eğrilerinin toplamıdır. Net enerji eğrisindeki minimum nokta, eğride r 0 denge mesafesine karşılık gelir. Ayrıca, bu iki atom için bağ enerjisi E 0, atomları birbirlerinden sonsuz mesafeye uzaklaştırmak için gerekli olan enerji olup Şekil 2.8b de görüldüğü gibi, minimum noktadaki enerjiye karşılık gelir.
Katılarda iyonik, kovalent ve metalik olmak üzere üç farklı birincil bağ veya kimyasal bağ bulunur. Her bir bağ tipinde, bağ oluşumu için valans elektronun bulunması gereklidir ve ayrıca bağ yapısı,atomlarınelektronyapılarına bağlıdır Genel olarak, bu üç bağ tipi, atomların kararlı bir elektron yapısı oluşturmak için, en dış yörüngeleri tamamen dolu olan soy gazlara benzeme eğiliminden ileri gelmektedir. Birçok katı malzemede, birincil bağlara göre oldukça zayıf olmasına rağmen, bazı malzemelerin fiziksel özelliklerini etkileyen ikincil veya fiziksel kuvvetler ve enerjiler bulunur.
İyonik Bağ İyonik bağ belki de tanımlanması en kolay olan bağ tipidir. Bu bağ, periyodik tabloda metalik ve metalik olmayan (ametal) elementlerin oluşturduğu bileşiklerde bulunurlar. Metalik element atomları, valans elektronlarını metalik olmayan elementlerin atomlarına kolayca verirler. Bu sayede tüm atomlar kararlı veya soy gaz yapısına ulaşırveayrıca elektriksel yüke sahip olmaları nedeniyle iyon durumuna geçerler. Sodyum klorür (NaCl), tipik iyonik bağ yapısına sahip bir malzemedir. Bir sodyum atomu, bir 3s elektronunu klor atomuna vererek neonun (tek pozitif yük) elektron yapısına geçebilir. Bu elektron transferinden sonra, klor iyonu, argonun elektron yapısına eşdeğer negatif bir yüke sahip olur. Sodyum klorür bileşiğinde, sodyum ve klorün her ikisi de iyon durumunda bulunur
Atomlararası bağ çekim kuvvetleri kulomb türü kuvvetlerdir; yani pozitif ve negatif iyonlar, net elektrik yükü ile orantılı olarak birbirlerini çeker. İyonik bağ yapısı yönsüzdür, yani bir iyonun çevresindeki bütün yönlerdeki bağ büyüklüğü birbirine eşittir. Seramik malzemelerde ise yaygın olan bağ yapısı iyoniktir. İyonik bağ yapısına sahip malzemeler karakteristik olarak sert ve gevrektirler, ayrıca elektrik ve ısı açısından yalıtkan özelliğe sahiptirler. Son bölümde belirtildiği gibi, bu özellikler doğrudan elektron dizilişlerinin ve/veya iyonik bağ yapısının bir sonucudur.
Kovalent Bağ Kovalent bağda, komşu iki atom elektronlarını ortaklaşa kullanmak suretiyle kararlı elektron yapılarını oluşturdukları varsayılmaktadır. Kovalent bağ yapısını oluşturan iki atom, bağ oluşumuna en az bir elektron kadar katkıda bulunmakta ve paylaşılan elektronların her iki atoma ait olduğu düşünülmektedir. Kovalent bağ yönlüdür, diğer bir ifadeyle, elektronun paylaşildığı iki atom arasında, sadece bir yönde bağ oluşumu söz konusudur. Birçok metalik olmayan (H 2,Cl 2,F 2 gibi) temel moleküllerin yanı sıra CH4, H 2 0, HNO3 ve HF gibi farklı atomlardan oluşan moleküller de kovalent bağ yapısındadır. Ayrıca elmas (karbon), silisyum ve germanyum gibi doğal katlarda ve periyodik tablonun sağ tarafında yer alan elementlerin oluşturduğu galyum arsenik(gaas), indiyum antimuan (InSb) ve silisyum karbür (SiC) gibi bileşiklerdedebutip(kovalent)bağ yapısı bulunur. Kovalent bağlar, çok sert ve ergime sıcaklığı çok yüksek olan (>3550 C) elmasta olduğu gibi çok kuvvetli veya 270 C civarında ergiyen bizmutda olduğu gibi, zayıf da olabilir.
Metalik Bağ Birincil atom bağlarının sonuncusu olan metalik bağ, metalve alaşımlarında bulunan 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 atomun çekirdeği, iyon çekirdeğini oluşturur. Bunlar (iyon çekirdekleri) atom başına toplam valans elektron yüküne eşit net bir pozitif yüke sahiptir Metalik bağlar zayıf veya kuvvetli olabilir, bağ enerjileri civa için 68 kj/mol (0.7 ev) den, tungsten için 850 kj/mol (8,8 ev) aralığında değişebilir. Buna bağlı olarak, bu elementlerin ergime sıcaklıkları da 39 C ile 3410 C aralığında değer almaktadır. Metalik bağ periyodik tablodaki IA ve IIA grubu elementlerinde ve bütün ana metallerde bulunur.
Metalik Bağ Metaller, seramikler ve polimerler gibi malzemelerin genel davranışları atomlararası bağ tipi ile açıklanabilir. Örneğin, metaller serbest elektronları nedeniyle hem elektriği hemdeısıyı iyi iletirler. Diğer taraftan iyonik ve kovalent bağ yapısına sahip malzemeler ise serbest elektrona sahip olmadıkları için, elektrik ve ısı iletimi bakımından yalıtkan özelliğe sahiptir. Çoğu metal ve alaşımları oda sıcaklığında sünek türde hasara uğrar, diğer bir ifadeyle, malzeme önemli derecede kalıcı deformasyon gösterdikten sonra kırılır. Bu davranış dolaylı olarak metalik bağın özelliği ile ilişkili olan deformasyon mekanizmasıyla açıklanabilir. Ancakiyonikbağa sahip malzemeler elektrik yüklü iyon yapısının bir sonucu olarak oda sıcaklığında gevrek özellik gösterir.
Van Der Walls Bağ İkincil, Van Der Waals veya fiziksel bağlar, birincil veya kimyasal bağlara nispeten daha zayıftırlar ve bunların bağ enerjileri 10 kj/mol (0,1 ev) mertebesindedir. İkincil bağlar neredeyse bütün atom ve moleküllerde bulunur, ancak daha önce ele alınan birincil bağlar nedeniyle, bunların (ikincil bağlar) varlığınınanlaşılması güçtür.
Moleküller Yaygın olan birçok molekül, kuvvetli kovalent bağ ile birbirine bağlanmış atom gruplarından oluşur. Bu kapsama çift atomlu basit moleküllerin (F2, 2, 1*1 vs.) yanı sıra çoğu bileşikler de (H20, C02, HNO3, C6H6y CH4 vs.) girmektedir. Yoğuşmuş sıvı ve katı durumundaki moleküller arasındaki bağlar zayıf ikincil bağlardır. Sonuç olarak molekül yapısına sahip malzemelerin ergime ve kaynama sıcaklıkları nispeten düşüktür. Az sayıdaki atomlardan oluşan bu küçük molekülerin çoğu normal şartlar (sıcaklık ve basınç) altında gaz halindedir. Buna karşılık, aşırı büyüklükteki moleküllerden oluşan birçok modern polimerler ise katı formdadır, bunların bazı özellikleri önemli ölçüde van der Waals ve ikincil hidrojen bağları ile ilişkilidir.