ATOM YAPISI VE ATOMLAR ARASI BAĞLAR

Atom en küçük partikül, görülmez ve bölünemez parça olarak tanımlanır. Modern anlamda atomlar atomaltı (subatomic ) partiküllerden oluşur. elektronlar, negatif enerji yüklüdür, boyutları çok küçük olduğundan hali hazırda ölçülemez. protonlar, pozitif enerji yüklüdür. Elektronlardan 1836 kere daha büyüktürler. nötronlar, yüksüzdürler, protonlarla aynı büyüklüktedirler.

Malzemelerin yapısı 1. Atomik yapı, 2. Atomik dizilme, 3. Mikroyapı, 4. Makroyapı olmak üzere dört düzeye ayrılabilir.

1. Atomik yapı; atomların birarada tutulmasını sağlayan bağlanma şeklini etkilemektedir. Bu etki malzemelerin; Metaller, Seramikler, Polimerler olarak sınıflandırmaya yardımcı olur.

Atomlar, bir çekirdek ve onu çevreleyen - yüklü elektronlardan oluşur. Çekirdek, + yüklü protonlar ve yüksüz nötronlardan oluşur. Proton ve elektron sayıları eşittir. Bu sayıya atom numarası denir. Örnek; 26 elektron ve 26 proton bulunan bir demir atomu, 26 atom numarasına sahiptir. 5

Bir atomun kütlesi; proton ve nötron kütlelerinin toplamına eşittir. Uygulamada, genellikle 6,02x10 23 (Avogadro Sayısı) atomdan oluşan atomsal kütle kullanılır.

Bütün maddelerin bir kütlesi ve hacmi olduğu gibi, maddeleri oluşturan atomların da bir kütlesi ve hacmi vardır. Atomların hacmi, çekirdeğe göre çok büyüktür. Çekirdeğin yarıçapı, atom yarıçapının yüzbinde biri kadardır. Elektronlar, saniyede 50 000 km hızla çekirdeğin etrafında yörüngelerinde dönerler. 7

Proton ve nötronlar aynı kütleye sahiptirler (1,67 x 10-27 kg). Elektronların kütleleri çok daha küçüktür (9,11 x 10-31 kg) ve atomik kütle hesaplamalarında ihmal edilebilir. Atomik Kütle (A) = protonların kütlesi + nötronların kütlesi

-Bir elementin bütün atomları için proton sayısı aynı iken, nötronlarının sayısı değişebilir. -Bu şekilde bazı atomlar farklı atomik kütleye sahip olabilirler, bunlara izotop denir. -Bir elementin atom ağırlığı, tabii izotoplarının atomik kütlelerinin ortalamasıdır. 9

Atomik Kütle Birimi, Atom Ağırlığı Atomik kütle birimi (akb), atom ağırlığının ifade edilmesinde sık sık kullanılır. 1 akb, 6 proton (Z=6) ve 6 nötrona (N=6) sahip olan karbon izotopunun atomik kütlesinin 1/12 si olarak tanımlanır. M proton M nötron 1,66 x 10-24 g = 1 akb 12 C atomunun atomik kütlesi, 12 akb dir. Sonuç olarak: Protonlar, elementin kimyasal kimliğini belirler. Protonların sayısı, atom numarasına (Z) eşittir. Nötronlar ise izotop numarasını belirler. 10

Bir elementin atom ağırlığı veya bir bileşiğin molekül ağırlığı, atom (veya molekül) başına akb olarak söylenir. 1 mol maddede 6,02.10 2 3 adet atom veya molekül vardır. Örneğin, demirin atom ağırlığı 55,85 akb/mol veya 55,85 g/mol dür. Atomun büyüklüğü:10-10 m: 0,1 nm (çap) Çekirdeğin çapı: 10-14 m Atom, güneş sisteminden biraz daha yoğun yapıdadır. 11

Eğer atom 5m çapta bir küre olarak düşünülürse, atom çekirdeği ancak 0,5 mm çapında olurdu. Bir mg demirde, 10 19 atom vardır. Eğer yalnız atom çekirdekleri biraraya toplanabilseydi, bir toplu iğne başı kadar büyüklükteki bir cisim, 10 000 ton ağırlıkta olabilirdi. 12

Elektronlar Bohr atom teorisine göre, elektronlar, çekirdek etrafında belirli yarıçaptaki dairesel yörüngelerde dönerler. Elektronlar çekirdeğin etrafında, 0,05-2 nm. yarıçapındaki yörüngelerde bulunurlar. Her yörüngedeki elektronun belirli bir enerjisi vardır (-). Enerji çekirdekten uzaklaştıkça artar ve sonsuzda enerji sıfır olur. Dalga mekaniği teorisine göre, elektronların kesin yörüngeleri yoktur, sadece belirli noktalardan geçme ihtimalleri hesaplanabilir. Ayrıca elektronlar hem parçacık, hem de dalga özelliği gösterirler. 13

Buna karşılık, elektronların sadece belirli enerjilere sahip olabileceği (kuvantumlaşma) ve bir enerji düzeyinde en fazla iki elektron bulunabileceği (Pauli prensibi) her iki teori tarafından da kabul edilmektedir. 14

Birbirlerine yakın olan enerji düzeyleri bir alt kabuğu, birbirlerine yakın alt kabuklar da bir ana kabuğu oluştururlar. En dış ana kabuktaki elektronlara valans elektronları denir. Bunlar çekirdeğe zayıf olarak bağlıdırlar ve sözkonusu elementin özelliklerini belirlemekte büyük rol oynarlar.

Bir ana kabukta 8 elektronun biraraya gelmesi, yani p alt kabuğunun dolması halinde, bu elektronlar çekirdeğe çok kuvvetli bağlanır, bir diğer deyişle kapalı kabuk oluştururlar.

Elektron enerji düzeyleri Elektronlar belirli enerjilere sahiptir. Belirli sayıda enerji düzeyi birleşerek enerji kabuklarını (bantlarını) oluştururlar. Atomların en dış kabuğundaki elektronlara valans elektronları denir. 17

Ana quantum sayısının gösterdiği enerji kabukları ve elektron sayıları 18

Kararlı elektron yapıları Valans elektronları en çok 8 olabilir. Bu elemanlar karalı bir elektron yapısına sahiptir ve aralarında etkileşme yoktur. He: 1s 2 Ne: 1s 2 2s 2 2p 6 Ar: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Kr: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 Elemanların çoğu kararsız yapıya sahiptir 19

1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 6d 7d 4f 5f 6f * 5g 6g * 6h * n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 * 20

Periyodik Tablo 21

Elektronegatiflik, tabloda soldan sağa gidildikçe artmaktadır. Elektronegatiflik elektron kabul etmek için ne kadar istekli olduğunun bir ölçüsüdür. Bir elektronlu alt kabuklar düşük elektronegatif, bir elektronu eksik alt kabuklar yüksek elektronegatifdir. 22

Atomik Bağ Atomların birbirine bağlandığı dört mekanizma vardır. Bunlardan üçünde bağlanma, atomlar kendi dış s ve p seviyelerini doldurduklarında gerçekleşir.

Atomlararası Bağların Özelliklere Etkisi Katılarda atomlararası bağların incelenmesinin en önemli nedenlerinden birisi, atomlararası bağ türünün bir malzemenin özelliklerini anlamamıza yardımcı olmasıdır. Örneğin Karbon, hem grafit hem de elmas şeklinde bulunabilir. Grafit nispeten yumuşak ve yağlayıcı bir özelliğe sahip iken, elmas bilinen en sert malzemedir. Elektriksel özellikleri de oldukça farklıdır. Elmasın elektrik iletkenliği son derece zayıf, grafit ise nispeten iyi bir iletkendir. Bu farklılıklar atomlararası bağ tipi ile ilişkilidir.

Atomlar Arası Bağlar Ne Sonuç Doğurur? Malzemenin göstermiş olduğu özellikler ve bu özelliklere bağlı olarak performansı, mikroyapı ve üretim şekliyle doğrudan ilgilidir. Atomlararası bağ durumuna göre malzemelerin mekanik, fiziksel, elektriksel, kimyasal ve elektrokimyasal özellikleri değişir.

Bazı Malzemelerin Ergime Sıcaklıkları-Bağ Şekli İlişkisi

Bağ Çeşitleri İyonik Bağlar Kovalent Bağlar Metalik Bağlar İkincil Bağlar (Van der Walls) 27

1. İyonik Bağlar Bir malzemede birden fazla tip atom bulunduğunda, bir atom valans elektronlarını farklı atoma verebilir ve ikinci atomun dış enerji kabuğunu doldurur. Her bir atomun dış enerji seviyeleri doldurulmuştur (veya boş) fakat her ikisi de bir elektriksel yüke sahiptir ve iyonlar gibi davranır. Elektron veren atom, pozitif bir yük kazanır ve katyon, elektron alan atom, negatif yük kazanır ve anyon haline gelir.

Şekilde elektronegatiflikleri farklı iki atom arasında iyonik bağ oluşur. Sodyum, valans elektronunu klorüre verdiğinde herbiri, bir iyon olur ve çekim gerçekleşerek iyonik bağ oluşur.

Zıt yüklü iyonlar birbirlerini çekerler ve iyonik bağ oluştururlar. Örneğin sodyum ve klor iyonları arasındaki çekim sodyum klorür veya yemek tuzunu NaCI oluşturur. 30

Na ve Cl iyonlarının iyonik bağla bağlanmaları sonucunda NaCl bileşiğinin oluşumu. Na (metal) kararsız 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 X Na (katyon) kararlı 1s 2 2s 2 2p 6 electron + - Coulomb çekme 31 Cl (nonmetal) kararsız 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Cl (anyon) kararlı 1s 2 2s 2 2p 6 3s 6

Sodyumklorür kristaline bir kuvvet uygulandığında, iyonlar arasındaki elektriksel denge bozulur. Kısmen bu sebepten dolayı iyonik bağlı malzemeler, gevrek kırılgan bir davranış gösterir. İyonik bağlı malzemelerin elektrik iletkenlikleri zayıftır.

Çoğu seramik malzemeler ve mineraller, en azından kısmen iyonik bağlarla bağlıdır. Buna karşın, pek çok malzemenin hatta metallerin, üç ana bağ mekanizmasının karmaşık bir karışımı ile bağlandığına dikkat edilmelidir.

Dominant Bonding Type for CERAMICS H 2.1 Li 1.0 Na 0.9 K 0.8 Rb 0.8 Cs 0.7 Be 1.5 Mg 1.2 Ca 1.0 Sr 1.0 Ba 0.9 Ti 1.5 Cr 1.6 Fe 1.8 NaCl MgO CaF2 CsCl Ni 1.8 Zn 1.8 As 2.0 O 3.5 F 4.0 Cl 3.0 Br 2.8 I 2.5 At 2.2 He - Ne - Ar - Kr - Xe - Rn - Fr 0.7 Ra 0.9 Elektron verme eğilimi Elektron alma eğilimi 34

İyonlaşma sonucunda meydana gelen elektrostatik çekimle oluşan iyonik bağ oldukça kuvvetlidir. İyonik bağ ile bağlanan malzemelerde, elektronlar sıkıca tutulduğundan, bu malzemelerin elektriksel iletkenliği, serbest elektron bulutuna sahip metalik malzemelerin iletkenliğinden çok daha düşüktür. 35

2. Kovalent Bağlar Bazı element atomları bir veya iki elektronunu komşu atomlarla paylaşarak daha kararlı bir yapı oluştururlar. Bu bağın en önemli özelliği, elektronların sıkıca tutulması ve komşu atomlar tarafından eşit olarak paylaşılmasıdır. 36

Kovalent bağlar, çok sağlam olmalarına rağmen, bu şekilde bağlanmış maddeler zayıf süneklik ve elektrik iletkenliğine sahiptir. Cl 2 Klörür (Cl 2 ) molekülündeki kovalent bağın şematik gösterimi 37

Silisyum atomları kovalent bağı oluşturmak için, bağlar birbirleriyle sabit yön ilişkisine sahip olacak şekilde dizilirler. Silisyum için bu dizilme kovalent bağlar arasında yaklaşık 109 açılı dörtlü bir (tetrahedron) yapı meydana getirir. Bu dizilmiş elektronların, kovalent bağlara yakın bulunma ihtimali atomların çekirdeği etrafında bir yerlerde bulunma ihtimalinden çok daha yüksektir.

Şekilde kovalent bağlar, her atomun s p dış yörüngesini doldurmak üzere elektronların aralarında paylaşmayı gerektirir. Dört valanslı silisyumda dört kovalent bağ oluşturulmak zorundadır.

Silisyum bir çubuk eğildiğinde, Si atomları birbirlerine kalıcı değişim gösterdiğinden bağları kırmak zorundadır.

Kovalent bağ, söz konusu atomların dış yörüngelerinin dolması ile meydana gelir. Bu tür bağlar, moleküller arası hidrojen bağından daima daha güçlü, iyonik bağ ile ise ya aynı güçte ya da daha güçlüdür. Bazı inorganik maddelerin hidrojen(h), amonyak (NH 3 ), klor (Cl), su(h 2 O) ve azot(n) molekülleri ile tüm organik maddelerin molekülleri kovalent bağ ile bir arada tutulmaktadır.

Bir elektronun hareket etmesi ve akımı taşıyabilmesi için, kovalent bağın kırılması gerekmektedir. Kovalent bağın kırılması ise, yüksek sıcaklık veya gerilim gerektirmektedir. Kovalent bağla bağlı bir malzemeye kuvvet uygulandığında bağlar kırılabilir. Kovalent bağlı malzemeler kırılgandır.

Metan (CH4) molekülünde kovalent bağlı haldeki hidrojen ve karbon.

Kovalent bağ Elektron paylaşımı (her bağlantıda 2) Örnekte C 4, H 1 valans elektronuna sahip Ametal molekülleri, metal-ametal molekülleri, elemental katılar, bileşik katılar Yönlü bağ; bağ kuvvetli olmasına karşın oluşan cisimler (sürekli uzay ağı biçiminde olanlar, ör. Elmas, dışında) zayıf. 44

3. Metalik Bağlar Düşük valansa sahip metalik elementler, atomları kuşatan bir elektron bulutu oluşturmak için valans elektronlarını bırakırlar. Metalik bağ ile bağlı malzemeler, serbest elektronlara sahip olduklarından elektriği ve ısıyı iyi iletirler. 45

Pozitif yüklü metal iyonları ile negatif yüklü elektron bulutu arasındaki elektrostatik kuvvetler, metalik bağı oluştururlar. Yapı içindeki valans elektronlarının serbest hareket etmeleri ile ısı ve elektrik iletkenliği gerçekleşir. Metalik bağ bozulmadan atomlar birbirine göre ötelenebilir, metallerin plastik şekil değiştirmelerinin temeli buna dayanır.

VALANS : Bir atomun valansı, atomun diğer bir elementle kimyasal birleşime girme yeteneği ile ilişkilidir ve genellikle kombine edilmiş sp seviyesinin en dışındaki elektron sayısı ile belirlenir. Valans örnekleri ; Mg:1s 2 2s 2 2p 6 [3s 2 ] Valans = 2 Al : Is 2 2s 2 2p 6 [3s 2 3p 1 ] Valans = 3 Ge:1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 [4s 2 4p 2 ] Valans = 4 Valans ayrıca kimyasal reaksiyonun tabiatına da bağlıdır.

Düşük valans elektronuna sahip atomlar valans elektronlarını vererek atom çevresinde elektron denizi oluştururlar. Alüminyum 3 adet valans elektronunu verdiği için pozitif yüklü iyon haline gelir. Verilen valans elektronları herhangi bir atoma entegre olmayıp birkaç atom çekirdeği ile elektron denizinde yer alırlar. Güçlü bağlardır. Yöne bağımlı değillerdir. (Atomları bir arada tutan elektronlar belirli bir yöne sabitlenmemişlerdir). Elektriği çok iyi iletirler.

Metalik bağlar yönsüzdür; atomları birlikte tutan elektronlar tek bir pozisyonda (konumda) sabit değildir. Bir metal eğildiğinde atomlar birbirlerine göre durumlarını değiştirmeye teşebbüs ederler ve bu durumda bağın doğrultusu kırılmaktan daha çok, sadece kayar. Bu, metallerin iyi sünekliğe sahip olmasını ve şekillendirilebilmesini sağlar.

Metalik bağ iyi elektrik iletkenliği sağlar. Uygulanan bir gerilim (voltaj) etkisi altında valans elektronları hareket eder. Devre tamamlanırsa akıma neden olur. 51

Şekilde Bir metale gerilim uygulandığında elektron bulutundaki elektronlar kolaylıkla hareket edebilir ve bir akımı taşıyabilir.

4. İkincil Bağlar (Van der Walls) Van der Walls bağları moleküller veya atom gruplarını zayıf elektrostatik çekimlerle birbirlerine bağlarlar ve oldukça zayıf bağlardır. 53

Birçok plastik, seramik, su ve diğer moleküller sürekli kutuplaşır (polarize edilir), bu moleküllerin bazı kısımları pozitif olarak yüklenme eğiliminde iken diğer kısımları negatif olarak yüklenirler. Bir molekülün pozitif olarak yüklenmiş bir kısmı ve ikinci molekülün negatif olarak yüklenmiş kısmı arasındaki elektrostatik çekim, iki molekülü zayıf olarak bağlar.

Van der Waals bağı ikincil bir bağdır, ancak molekül içindeki atomlar veya atom grupların kuvvetli kovalent veya iyonik bağ ile bağlanırlar. Suyu kaynama noktasına ısıtmak Van der Waals bağlarını kırar ve suyu buhara dönüştürür. Ancak oksijen ve hidrojen atomlarını birleştiren kovalent bağı kırmak için çok yüksek sıcaklıklar gerekir.

Van der Waals bağları, malzemenin özelliklerini etkin bir şekilde değiştirebilir. Polimerler normal olarak kovalent bağa sahip oldukları için, polivinil klorurun (PVC plastik) çok kırılgan olması beklenebilirdi. Buna karşın, polivinil klorür pek çok uzun zincir şeklinde moleküllere sahiptir. Her zincir içindeki bağlar kovalenttir, ancak bireysel zincirler birbirlerine Van der Waals bağları ile bağlıdır. Zincirler birbirlerini kayarak geçtiğinde polivinil klorür sadece Van der Waals bağlarının kırılmasıyla etkili olarak şekil değiştirebilir.

Şekil. Polivinil klorür içinde polimer zincirine tutunmuş klor atomları negatif bir yüke sahiptir ve hidrojen atomları ise pozitif olarak yüklenmiştir. Zincirler Van der Waals bağlarıyla zayıf olarak bağlanmıştır.

Özet Seramikler (İyonik & kovalent bağlar): Metaller (Metalik bağlar): Polimerler (Kovalent & İkincil): secondary bonding Büyük bağ enerjisi yüksek Tm yüksek E düşük α Değişken bağ enerjisi orta orta orta Tm E α Yöne Bağımlı Özellikler İkincil bağlar baskın düşük T m küçük E yüksek α 59

BAĞ ENERJİSİ VE ATOMLAR ARASI MESAFE

ATOMLAR ARASI MESAFE; atomlar arası denge mesafesidir ve itme ve çekme kuvvetleri arasında bir denge ile oluşur. Örneğin metalik bağda elektronlar ve atom çekirdeği arasındaki çekim, atom çekirdekleri arasındaki itmeyle dengelenir. Denge, atom çiftinin toplam enerjisi minimum olduğunda gerçekleşir.

Aşağıdaki resimde iki atom arasındaki etkileşimin aralarındaki mesafeye bağlı olarak nasıl değiştiği gösteriliyor. Atomlar aralarındaki (+) çekim kuvveti nedeniyle birbirlerine yaklaşırken, çekim kuvveti (-) değerlere düşünce birbirlerini itmeye başlıyorlar. Atomlar bu iki kuvvet tarafından dengelendiklerinde, yani üzerlerine etkiyen net kuvvet sıfır olduğunda (kırmızı okla gösterilen nokta), denge konumlarına ulaşmış oluyorlar.

Atomlar veya iyonlar bir denge mesafesi ile ayrılır. Bu atomlar veya iyonların minimum enerjilerine karşılık gelir.

DENGE MESAFESİNİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER Bağ türü ve enerjisi Sıcaklık Atomun hangi iyon halinde olduğu Atomların diziliş şekli yani kristal sistemine bağlıdır.

Bir katı metalde, atomlar arası mesafe atom çapına veya atomik yarıçapı r'nin iki katına eşittir. Ancak, iyonik olarak bağlı malzemelerde atomlar arası mesafe iki farklı iyon yarıçaplarının toplamı olduğu için, bu yaklaşım kullanılamaz.

Şekildeki minimum enerji, bağlanma enerjisidir ve bağı oluşturmak için gerekli enerjidir. İyonlar arasındaki elektronegatiflik değerlerinde çok büyük farklılıklar bulunduğu için, iyonik olarak bağlı malzemelerin özellikle büyük bir bağ enerjisine ve metal atomlarının elektronegatiflikleri benzer olduğu için, metalik bağla bağlanmış malzemelerin daha düşük enerjiye sahip olması beklenir.

Bağ Enerjileri ve Yükleri Denge durumunda bulunan bir atom çiftinin merkezleri arasındaki uzaklığa atomlararası uzaklık denir. Denge durumu, atom çiftine etki eden çekme ve itme kuvvetlerin eşit olduğu durum demektir. 71

Bağlarla ilgili özellikler: T ergime Bağ Uzunluğu F r F Ergime Sıcaklığı, T M Enerji - (r) Bağ Enerjisi, E 0 Energy (r) unstretched length r o r Eo= bond energy r o larger T M Genel ilişki: E 0 T M smaller T M r 73

Bağlarla ilgili özellikler: E Elastisite Modülü length, Lo undeformed deformed Matematiksel olarak, E F L = E A o Lo L cross sectional area Ao F Elastic modulus 74 Elastisite Modülü eğrisinin şekli Enerji unstretched length r o Genel İlişki: E 0 E Smaller E larger E E vs r r

Bağlarla ilgili özellikler : Termal Genleşme katsayısı,, length, Lo unheated, T1 heated, T2 L Matematiksel olarak, coeff. thermal expansion L Lo = (T 2 -T 1 ) ~ r 0 daki simetri Enerji r o Larger Smaller Genel ilişki: E 0 r 76