MALZEME 2. HAFTA 1
ATOMSAL BAĞ ATOMLAR ARASI BAĞLAR Atomlar, atomlar arası bağ kuvvetleri ile bir araya gelirler. Malzemenin en küçük yapı taşı olan atomları bağ kuvvetleri bir arada tutar. Atomsal bağların oluşumunda elektronların rolü büyüktür ve iki farklı tür bağ oluşabilir. 2
1- Elektronlar aktarılır veya paylaşılır, bu şekilde atomlar arası çok güçlü bağlar oluşur(iyonik, Kovalent ve metalik) 2- Elektron aktarımı veya paylaşımı yoktur, atomlar veya moleküller arasında zayıf çekim kuvvetleri vardır(van der Waals) 3
İYONLAŞMA ENERJİSİ Katyon oluşumunda elektronu uzaklaştırma için gerekli enerji 4
ELEKTRON İLGİSİ Anyon oluşumunda elektron ekleme için gerekli enerji 5
ELEKTRONEGATİFLİK: Atomun kimyasal bir bağda elektronu kendisine çekme eğilimi BAĞ ENERJİSİ ve BAĞ TÜRLERİ Bağ enerjisi iki atomu birbirinden ayırmak için sarf edilmesi gereken enerjidir. Kuvvet-Yol eğrisinin altındaki alana eşittir. Kuvvet eğrisi enerji eğrisinin türevidir. Kuvvetin sıfıra eşit olduğu atomlararası çekme ve itme kuvvetlerinin eşit olduğu denge konumudur ve aynı zamanda enerji eğrisinin minimum olduğu konumdur. 6
Metal atomları arasında oluşan itme ve çekme kuvvetlerinin kuvvetin dengelendiği durumdaki atomlar arasındaki uzaklığa atomlar arası mesafe denilir. Bu konumda iç enerji en azdır; yani atomlar en kararlı durumdadırlar. 7
8
İtme enerjisi Toplam Enerji Bağ Enerjisi Denge mesafesi Çekme kuvveti Toplam Kuvvet İtme kuvveti 9
BAĞ ÇEŞİTLERİ 1. İyonik Bağ 2. Kovalent Bağ 3. Metalik Bağ 4. Van Der Waals Bağı 10
İyonik Bağlar Bir atomdan diğerine elektron aktarımı ile oluşur. Metaller en dış kabuktaki valans elektronlarını vererek pozitif iyon, en dış kabuğundaki elektronları 8'e tamamlamak isteyen ametaller yeni elektronlar alarak negatif iyon oluştururlar. Pozitif iyonlarla negatif iyonların birbirlerini kuvvetli bir çekim kuvveti ile çekerek meydana getirdiği bağa iyonik bağ, metal ile ametalin oluşturduğu metal bileşiğine seramik malzeme adı verilir. Örnek: NaCl(sodium chloride), MgF2, ZnS 11
İyonik bağa sahip malzemeler, içinde (+) ve (-) atomların belirli bir düzlem içerisinde yerleştiği bir kristal yapı oluşturabilirler. Örneğin NaCl molekülünde, bir elektron klora aktarılır ve sodyum katyonu ile klor iyonu ortaya çıkar. Bu iki ters yükün birbirini çekmesi ile bağ oluşur. Bu bağ yöne bağlı değildir. Bu iyonlar birbirlerini her doğrultudan çekebilirler. 12
13
İyonik bağ metaller ile ametaller arasında oluşur. 14
KOVALENT BAĞ Molekül içerisinde kovalent bağlı olanlar, moleküller arasında zayıf bağlı ve molekül yapılı bir malzemelerdir. Polimer malzemede, molekül içi kuvvetli, moleküller arası zayıf bağın etkisi ile aşağıdaki malzeme özellikleri ortaya çıkar. 15
Kovalent bağ, komşu atomlar arasında bir çift elektron ortaklığına dayanan bir bağdır. Bu ortaklık, belli atomlar arasında olduğundan malzeme molekül (bir grup atomun oluşturduğu birim) yapısı gösterir. Kovalent bağlı malzemede molekül içinde kuvvetli bir bağ, ancak moleküller arası zayıf bir bağ oluşur. Örnek: Si, Ge, Ga, As 16
Elektronlar çekirdek etrafında döndükleri gibi kendi eksenleri etrafında da dönerler. Bu dönme hareketi neticesinde elektromagnetik kuvvetler oluşur. 17
- Ametaller ile Ametaller arasında olur. - Valans elektronlarının ortak kullanımı söz konusudur. - Paylaşılan elektron ile pozitif çekirdek arasında çekim kuvveti oluşur. 18
Bu bağ genellikle gazlarda meydana gelir (H2, NH3, O2, CH4 ). 19
20
Buzda her su molekülü diğer 4 molekül tarafından sarılarak tetrahedron şeklinde bağlanmıştır. Üç boyutta da hidrojen bağları mevcuttur. Buz 0oC de eriyince hidrojen bağlarının kabaca %15 i kırılır. Sonuç olarak tetrahedral yapı bozulur, her su molekülü komşu 4 molekülden daha fazla moleküle bağlanır. Böylece yoğunluk 0.917 den 1 e çıkar. 21
Katılardaki en güzel örneği ise kübik yapıdaki elmastır. Silisyum, Germanyum, Karbon gibi elementler dört kovalent bağ ile tetrahedron bağ oluştururlar. Bu tetrahedron gruplar birleşerek elmas kübik yapı meydana getirirler. 22
METALİK BAĞ Metal atomlarını bir arada tutan kuvvete metalik bağ denir. Metalik bağ, metal atomlarının en dış kabuğundaki valans elektronların metal atomundan ayrılarak oluşturdukları elektron bulutunun, elektronlarını vererek pozitif iyon haline gelmiş atomları çevreleyerek, bir harç gibi atomları bir arada tutması ile ortaya çıkar. Örnek: Cr, Ni, Al. 23
24
Metaller son yörüngelerindeki valans elektronlarını serbest bırakarak iyon haline gelirler. Serbest kalan elektronların metal çekirdeği ile bağları çok zayıftır ve hiçbir atoma bağlı kalmadan metal çekirdekleri etrafında serbestçe dolaşırlar. Metal atomları biri birine yaklaştığında son yörüngelerindeki enerji bantları biri birinin içine girer ve serbest elektronlar bu bantlarda hareket edebilirler. 25
Metallerin valans elektronlarını serbest bırakmaları özelliği, iyi elektrik iletimi sağlamalarına sebep olur. Bu bantlar içinde hareket eden negatif yüklü elektronlar ile pozitif yüklü çekirdek arasındaki çekim metalik bağı oluşturur 26
Metal atomları arasındaki bağ belirli atomlar ve elektronlara bağlı olmadığı için, atomların biri birine göre hareket etmesi ile bu bağ kopmaz. Bu özellik metallerin şekillendirilebilmelerini sağlar. 27
VAN DER WAALS BAĞLARI İkincil veya zayıf atomlar arası bağlar denen bu tür bağlar bütün cisimlerde bulunur. Enerjileri kuvvetli bağlarınkinin onda biri kadardır. Bu nedenle onların yanında ihmal edilirler. Bununla beraber bazı hallerde (lineer polimerlerde olduğu gibi) atomlar veya moleküller arası ilişkiyi sağlayan tek etken olabilirler. Bu durumda cismin davranışını bu tür zayıf bağlar belirler. Örnek: inert gazlar ve organikler. Van der Walls bağlar "elektriksel kutuplaşma" (dipol) sonucu doğar. Bu durumda kutuplaşma üç şekilde oluşur. 28
1. Molekül Kutuplaşması 2. Ani Kutuplaşma 3. Hidrojen Köprüsü 29
MOLEKÜL KUTUPLAŞMASI Kovalent bağ ile kurulmuş bir molekülde, mesela hidrojen florür molekülünde paylaşılan elektronların çoğu florür atomu etrafında olacağından, molekül içinde bir elektrik yükü dengesizliği vardır. Molekülün hidrojen tarafı pozitif florür tarafı negatif olur ve bu iki yük farkı moleküller arası çekim kuvvetini oluşturur. 30
ANİ KUTUPLAŞMA Bütün simetrik moleküller ve inert gaz atomlarında, elektronların hareketi sonucu ani kutuplaşmalar, bunun neticesinde de çekim kuvveti meydana gelir. HİDROJEN KÖPRÜSÜ Molekül kutuplaşmasının özel bir halidir. Su molekülünde hidrojenin çekirdeği ile oksijenin elektronu arasında bir çekim kuvveti oluşur. Suyun yüksek kaynama sıcaklığı ve yüksek buharlaşma ısısına sahip olmasının sebebi de budur. 31
1. Kristal (Metalik) Yapı ATOMSAL YAPI TÜRLERİ Atomlar 3 boyutta belirli bir düzendedir. Tüm malzeme boyunca sürekliliğini korur. 32
2. Amorf Yapı Atomların dizilişinde bir düzensizlik vardır. 33
3. Bileşik Yapı Çok küçük kristal parçalarının gelişigüzel bir yığını vardır. 4. Kolloidal Yapı Çok küçük elemanlar halinde bazı cisimler, birbirlerinden ayrı olarak, ayrı faz veya aynı faz halinde bulunan başka bir cisim içinde dağılmıştır. Örneğin, dumanın içinde oldukça küçük çaplı yanmamış kömür zerreciklerinin bulunması veya bir sıvının diğer bir sıvı içinde yayılması bu tip yapılardır. Yol malzemelerinden bitümlü emülsiyonlar bu yapıdadır. 34
5. Seramik Yapı Bir metal veya iki metal ile bir ametal atomun belirli steokimetrik oranlarda birleşmesiyle oluşurlar. Seramiklerde metal olmayan atom çoğunlukla oksijendir. Seramiklerde metaller katyon, ametaller ise anyon oluşumuna neden olurlar. Böylece seramiklerde iyonsal bağlar oldukça yaygındır. Ancak seramiklerde kovalan bağlara, kristal yapıya, hatta amorf yapıya da rastlanır. 35
KRİSTAL (METALİK) YAPI Metal atomları üç boyutlu olarak düzenli bir diziliş meydana getirirler ki buna uzay kafesi denilir. Üç boyutlu olarak tekrarlanan en küçük yapıya birim hücre (kafes) denilir. 36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
Yapı Malzemesi olarak kullanılan metallerin kristal yapıları daha çok kübik ve hekzagonal sisteme uymaktadır. 46
Hacim Merkezli Kübik (hmk) Küpün her köşesinde birer atom ve merkezinde de bir atom bulunur ve köşe atomları merkez atoma teğettir. Atomun yarıçapı R olduğuna göre Şekil de birim hücrenin kenarı a 'nın R cinsinden ifadesi verilmiştir. 47
Gerçekte her köşedeki atom 8 komşu birim hücre arasında paylaşılmaktadır. Bir köşede bir birim hücreye ancak 1/8' lik bir dilim düşer. Bu durumda köşe atomlarının toplamı 8 X 1/8 = 1 dir. Küpün merkezinde bulunan bir atomla birlikte birim hücredeki toplam atom sayısı 2 olur. 48
Atom yarı çapı ve kristal kafes kenar uzunluğu arasında 49
Atomların diziliş sıklığını ifade etmek için atomik dolgu faktörü (ADF) kullanılır. Bu faktör atomların dolu küreler olduğu varsayılarak bulunan birim hücredeki atomların toplam hacmini birim hücre hacmine bölerek elde edilir. Buna göre (HMK) nın atomik dolgu faktörü, 50
Tanelerden oluşan bir kütlede dolgu faktörünü bulmak için tanelerin toplam hacmi kapladıkları görünen dış hacme bölünür. Buna doluluk oranı denir. Kütledeki toplam boşluk hacmi görünen hacme bölünürse boşluk oranı (porozite oranı) elde edilir. 51
52
Yüzey Merkezli Kübik (ymk): Köşelerdeki ve yüzeylerin merkezindeki atomlar diyagonal boyunca birbirleriyle temas halindedirler. Bu tür yapıda her köşedeki atom 8 ayrı hücre tarafından paylaşılır. Yüzeylerdeki atomlar ise 2 ayrı hücre ile paylaşılırlar. Böylece her hücrede 4 atom bulunmuş olur. 53
Atom yarı çapı ve kristal kafes kenar uzunluğu arasında; 54
(YMK) nin atomik dolgu (paketleme) faktörü, 55
Sıkı Dizilmiş Hegzagonal (sdh): Kristal kenar uzunlukları ve atom yarıçapları arasında; a=2r ve c=3,266r bağıntıları vardır. 56
(ADF) hesaplanırsa 0,74 elde edilir ki bu (YMK) nin kine eşittir. 57
58