MAL 201 MALZEME BİLİMİ

MAL 201 MALZEME BİLİMİ Prof. Dr. Adnan DİKİCİOĞLU (EYLÜL 2016) Notlar için: akademi@itu.edu.tr/dikicioglu E-mail: dikicioglu@itu.edu.tr

MAL 201: Malzeme Bilimi CRN: 13499 Öğretim Üyesi: Prof. Dr. Adnan DİKİCİOĞLU Ders:Pazartesi: 15.30-17.30 ve Cuma:14.30-15.30 Cuma dersi Pazartesi devamında yapılacak olup Cuma günleri uygulama ve sınavlara hazırlık yapılabilecektir. Sınıf: D351 Ders kitabı: "Introduction to Materials Science for Engineers", James F. Shackelford, McMillan Pub. Co.

Yıl sonu değerlendirme FİNAL SINAVINA GİRİŞ ŞARTLARI: Derslere en az %70 Devam Etmek ve Vize Notları Ortalaması 100 üzerinden 40 olmak. Ödevler ve Kısa Sınavlar : 5 % Vize #1: 25% Vize #2: 25% Final: 45%

DERSİN AMACI 1. Malzeme Biliminin mühendislik uygulamaları açısından önemini kavratmak 2. Malzemeleri, özelliklerini ve yapıları ile üretim süreçlerini öğretmek ve bunlar arasındaki kuvvetli ilişkilerin malzeme performansı üzerindeki etkilerini anlatmak. 3. Malzeme bilimi bilgisini kullanarak malzeme seçimi ve tasarımı yapabilmenin önemini kavratmak.

DERSİN KAZANDIRACAĞI BİLGİ ve BECERİLER 1. Kimyasal bileşim ve atomik bağ bilgileri ile malzemelerin özellikleri arasındaki ilişkileri kurabilir. 2. Düzenli ve düzensiz kristal yapıları ve aralarındaki farkları anlar ve kristal yapılardaki Bravais kafesleri ve Miller indekslerini tanımlayabilir 3. Kristal hatalarının malzeme özelliklerine etkilerini anlar. Mekanik özellikleri belirleme yöntemlerini bilir. 4. Yayınma kavramını, yayınma kanunlarını ve malzeme özellikleri üzerindeki etkisini bilir. 5. Faz kavramı ve faz diyagramlarının önemini kavrar ve kullanmasını bilir. 6. Demir-çelik demir dışı alaşım sistemlerini sınıflandırılabilir. Polimer ve seramik malzemelerin özelliklerini bilir. 7. Malzemelere mukavemet kazandırma mekanizmalarını anlar; faz dönüşümlerinin ve ısıl işlem süreçlerinin malzeme özellikleri üzerindeki etkisini bilir. 8. Malzemelerin ısıl ve elektriksel özelliklerini anlar, malzeme yapısı ile ilişkilendirebilir. 9. Korozyonun ve korunma yöntemlerinin önemini bilir.

MALZEME TÜRLERİ ve MALZEME SEÇİMİ

Malzeme ne demektir? Mühendislik ürünlerinin(örn. saç,pencere camı, tuğla,cıvata) ve sistemlerinin(örn. otomobil,gemi, uçak) imalinde kullanılan ve istenen mekanik ve/veya kimyasal ve/veya fiziksel özelliklere sahip katılara malzeme adı verilir.

Malzeme Biliminin amacı nedir? Malzemelerin içyapısını tanıtmak, içyapı ile özellikler arasındaki ilişkiyi araştırmak, ve bu şekilde geliştirilen temel ilkeler ve kavramlar ışığında, uygulamada kullanılan malzeme türlerini sınıflandırmaktır. Malzemeye uygulanan işlem malzemenin içyapısı malzemenin özellikleri

Malzeme türleri 1.Metaller 2.Seramikler 3.Polimerler(Plastikler) 4.Kompozitler(Karma malzemeler) 5.Yarı iletkenler

Proses, yapı, özellik ve performans ilişkisi Proses Yapı Özellik Performans

2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Atomaltı seviyede: Elektronlar, çekirdeği oluşturan protonlar / nötronlar ve bunların etkileşimi, Atomik seviyede: Atomların belirli bir düzende dizilmeleri ve atomlar arası bağlar, Atomic Structure Figure 2.8 The atomic structure of sodium, atomic number 11, showing the electrons in the K, L, and M quantum shells. Mikroskopik seviyede: Mikroskop kullanılarak incelenen mikroyapı (tanecik boyutu ve şekli vs.) Crystal Structure Makroskopik seviyede: Gözle görülebilen 2 makro yapı, Microstructure Macrostructure 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning Malzemelerin Yapısı is a trademark used

Malzeme özellikleri & Performans Özellik: Belirli bir etkiye karşı verilen cevap: Mekanik özellikler: Dayanım, gevreklik, süneklik, tokluk, yorulma, sürünme, vs. Fiziksel özellikler: iletkenlik, manyetiklik, ısıl özellikleri, özgül ağırlık, optik özellikleri (şeffaflık), vs Kimyasal özellikler : Bileşimi, ortamdan etkilenmesikorozyon, oksidasyon, vs. Performans: Herhangi bir ortamda istenilen fonksiyonları yerine getirebilmesi.

Yapı özellik ilişkileri Değişik malzemelerin kendilerine özgü özellik ve davranışlarını anlamak için, bunların atomsal ölçekteki yapılarını ve mikroyapılarını tanımak çok önemlidir.bu sayede her malzeme grubuna ait karakteristik özelliklerin ya atomsal ve/veya mikroskopik ölçekteki (içyapı) yapısal özellik veya mekanizmalardan kaynaklandığı görülecektir.

ÖRNEK 1 Alüminyum sünek(kalıcı şekil değiştirebilir), magnezyum gevrek (kırılgan) özellik gösterir.neden? Kalıcı şekil değiştirme, kristal yapılı malzemelerde kayma ile oluşur.kristalde kayma sistemi sayısı ne kadar fazla ise kristal o kadar kolay kayar,yani kalıcı şekil değiştirebilir. Alüminyumun kayma sistemi sayısı 12 iken magnezyumun kayma sistemi sayısı 3 tür.bu nedenle magnezyum kolay şekil değiştiremez, yani kırılgandır.

ÖRNEK 2 Saydam seramikler nasıl oluşur? Seramikler genellikle kristal yapılı tozların, yüksek sıcaklıkta pişirilmesiyle elde edilir. Burada amaç, yapıyı gözeneksiz hale getirmektir (bu ayrıca yüksek mukavemetli bir yapı da sağlar). Ancak tam anlamıyla gözeneksiz bir yapı elde edilemez.malzeme içine gönderilen ışık demeti bu gözeneklerde saçılacağından malzeme saydam değildir (Sadece %0,3 gözenek bulunması bile malzemeyi opak yapar)

Seramik Al 2 O 3 (Alumina) Opak Saydam Gözenek içeriyor Gözeneksiz yapı

Uygun katkılar ile bu gözeneklerin giderilmesi mümkün olmuş ve saydam seramikler elde edilmiştir. Böylelikle 1000 o C sıcaklıklara çıkan sodyum lambaları imal edilebilmiştir. Saydam alumina (içinde sodyum buharı var) Cam tüp

Malzeme seçimi Bir uygulama için gerekli malzemeyi çok sayıda malzeme arasından nasıl seçeceğiz? 1.Kullanılacak malzeme hangi gruptan olmalıdır(metal,seramik, plastik,kompozit )? 2.Belirli bir grupta karar kılındıktan sonra bu grup içindeki en uygun malzeme seçilmeli. ÖRNEK İçinde 14 Mpa basınçta gaz bulunacak bir gaz tüpü için malzeme seçimi:

Böyle bir seçimde malzemeden ne tür özellikler beklediğimizi sıralamamız gerekir: 1.Tüpün içinde yüksek basınç var.; Malzeme mukavemetli olmalı. Bu şartı metaller, seramikler ve kompozitler sağlayabilir. 3.Malzemenin maliyeti makul düzeyde olmalı (Aksi takdirde rakiplerinizle rekabet edemezsiniz). Kompozitler pahalıdır. Bu nedenle metal tercih edilmeli. 2.Tüp darbelere karşı dirençli olmalı yani kırılgan olmamalı (Sünek olmalı). Seramik malzeme bu şartı sağlamaz, metal veya kompozit kullanılmalı.

Mukavemet, süneklik ve maliyet açısından en uygun malzeme grubu:metaller

Aynı gaz tüpü uçakta kullanılacaksa durum değişir mi? Evet. Çünkü uçakta mukavemet ve süneklikle birlikte hafiflik istenir. Mukavemet ve süneklik bakımından tercih edilen malzeme grupları yine metaller ve kompozitler olur. Ancak kompozitler metallerden daha hafif olduğu için bu defa seçim kompozit malzeme grubudur.

Kompozit malzeme grubu en uygun seçim.

Industries that Heavily Rely on Material Technology Jet uçakları: Hafif ve yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemeler Otomobiller: Hafiflik ve ucuzluk Bilgisayar: Yüksek hızda işlem ve bilgi-depolama özelliği, Spor malzemeleri: Hafiflik, estetik

Yiyecek ve içecek uygulamaları için Dekoratif Folyo Kese Gıda : aranan özelliklerdir. yüksek korozyon direnci, yeterli dayanım, sızdırmazlık, kolay şekillendirilebilirlik 1XXX saf aluminyumu. Özellikleri; Kolay şekil verilebilirlik, korozyona karşı dayanım, elektrik iletkenliği. Elektrik, ve kimyasal uygulamalar için elverişli. yüksek dayanım aranan uygulamalara elverişli değil.. 1XXX; bu uygulamada kullanılabilir.

ATOMSAL YAPI ve ATOMLARARASI BAĞLAR

Atom Çekirdek Nötron (yüksüz) Proton (+yüklü + 0.16 x 10-18 coulomb) Elektron (-yüklü -0.16 x 10-18 coulomb) BOHR Gezegen modeli Atom yapısını şematize edebilmek için, yetersiz olmakla birlikte BOHR modelinden istifade edilir. Burada elektronlar çekirdek etrafında belirli dairesel yörüngelerde (enerji seviyelerinde) dönerler. Elektronlar yüksek enerji seviyesinden düşük bir enerji seviyesine atladığında radyasyon yayarlar. Düşük enerji seviyesinden yüksek bir enerji seviyesine geçtiklerinde ise belirli bir radyasyon enerjisi absorplarlar (yutarlar).

Günümüzde esas olan teoride ise Dalga Mekaniği geçerlidir. Burada elektronların kesin yörüngeleri yoktur, sadece belirli noktalardan geçme olasılıkları hesaplanır. Ayrıca elektronlar hem parçacık hem de dalga özelliği gösterirler bu DUALİTE prensibi olarak tanımlanır. Her iki teoride de elektronların sadece belirli değerlerde enerjilere sahip olabileceğini (kuantumlaşma) ve bir enerji düzeyinde en fazla iki elektron bulunabileceğini (PAULİ prensibi) ve bu iki elektronun karşıt dönmelere sahip olduğunu kabul edilmektedir. Enerji düzeylerinin değerleri ve ardışık sıraları kuantum mekaniği kurallarına göre (Schrödinger dalga denklemine çözüm veren ardışık olası enerji düzeyleri) belirir. Bir enerji düzeyinde bulunan bir elektrona yeterli enerji verilirse, boş bir üst enerji düzeyine atlayabilir. Ancak burada kararsızdır. Ve almış olduğu DE enerjiyi elektromanyetik radyasyon halinde çevreye saçarak enerjisinin minimum olduğu düzeye tekrar iner. Bir başka teoriye göre DE enerjisinin; m = DE/C 2 kütlesine sahip foton denilen bir parçacık tarafından yayıldığı varsayılır.

Buna göre enerjinin bazı olaylarda dalga hareketi ile yayıldığı, bazı olaylarda ise m kütleli parçacıklar veya fotonlar tarafından yayıldığı varsayımlarını kullanmak olayların açıklanmasında çok yararlı olmaktadır. DE = h n = h (C/l) n : Enerji Frekansı h: Planck Sabiti (6,626. 10-34 J.s) n: Enerji Frekansı h: Planck Sabiti (6,626. 10-34 J.s) C = ln l: Dalga boyu; C: Işık hızı E = hc/ l En = - (13,6. Z 2 / n 2 ) ev (BOHR Denklemi) Hidrojen atomunun elektronunu temel durumdan ( E1, yani n=1) ayırarak; E 3 enerji düzeyine getirmek için dışardan ne kadar enerji verilmesi gerekir: Z = 1 (Hidrojen 1 protona sahiptir). DE = E 3 - E 1 = - (13,6. 1 2 / 3 2 ) (-(13,6. 1 2 / 1 2 )) = 12,1 ev Tersi durumda ise söz konusu enerji Elektromanyetik dalga halinde açığa çıkar. DE = h n = h (C/l) n: Enerji Frekansı h: Planck Sabiti (6,626. 10-34 J.s) l: Dalga boyu; C: Işık hızı

Atomlarla ilgili terimler ve açıklamalar: Atomlar; proton ve nötronlardan oluşan çekirdek ve etrafında dönen elektronlardan oluşmuştur.tipik halde bir atomun çapı 10-10 m ve çekirdeğin çapı ise 10-15 m mertebesindedir. Proton ve nötron aynı kütleye sahip olup elektrondan 1840 misli daha ağırdır (m p :1,672.10-24 g; m e :9,11. 10-28 g ). Elektrik yükü olarak ise nötron elektrik yüksüz, proton ile elektron zıt yüklü olup proton (+), elektron ise (-) dir. Yük değerleri ise eşit olup 1,602. 10-19 C dur. Bir elementin atomunda Z adet proton ve N adet nötron bulunduğu göz önüne alındığında; o elementin Atom Numarası Z- (Proton sayısı olup buna eşittir). Kütle numarası ise A = Z (Atom numarası/proto sayısı) + N dir. Atom numarası aynı, kütle numarası farklı olanlara elementin İzotopları denir ( 59 27 Co; 60 27 Co). Böylece farklı nötronlardan dolayı aynı elementin değişik atomik kütle numaralı olanlarıyla karşılaşılabilir.

Bir atomun ağırlığı çekirdeğindeki protonlarla nötronların ağırlıkları toplamına eşittir. Elektronların kütleleri, ağırlığa katkıları ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Atomların kütlesini belirtmek için atomsal kütle birimi kullanılır. Tanım olarak bir atomsal kütle birimi karbon atomu kütlesinin 1/12 sidir. Yani Karbon 12 atomsal kütle birimi içerir. Atomsal kütle birimi çok küçük olduğu için uygulamada onun yerine bağıl atomsal kütle kullanılır ve birimi gr dir. Karbon atomunun 6,02 x 10 23 tanesi tartılırsa ağırlığının 12 gram geldiğini görürüz (Atomsal Kütle Birimi). Yani atomun Avogadro sayısı kadarı akb birimi grama dönüşmüştür. Buna 1 mol-atom denmektedir.

Avogadro sayısı veya Avogadro sabiti, bir elementin bir mol deki atom sayısı ya da bir bileşiğin bir mol deki molekül sayısıdır. 1 mol yani 12 gr Karbon 12 elementindeki atom sayısı deneysel olarak hesaplanarak 6.02214199x10 23 adet olduğu bulunur. Örnek: Hidrojenin atom kütlesi 1,00784 u (u=atomsal kütle birimi) ve oksijeninki 15,9994 u'dur. Dolayısıyla, formülü H 2 O olan suyun moleküler kütlesi (2 x 1,00784 u) + 15,9994 u = 18,01508 u. Dolayısıyla 1 mol suyun ağırlığı 18,01508 gramdır. Yani: 1 Mol. Su da (H 2 O) 6.02214199x10 23 adet H 2 O molekülü vardır.

Birbirine yakın olan enerji düzeyleri bir ALT KABUĞU, birbirine yakın olan alt kabuklarda bir ANA KABUĞU oluştururlar. Ana kabuklar: n = 1,2,3,4,.. (Ana kuantum sayıları) Alt kabuklar: s,p,d,f,g,. ( Tali yardımcı- kuantum sayıları) Bir enerji düzeyinde en fazla iki elektron bulunur ve bunların eksenleri etrafında dönme yönleri zıttır. (s de 1 enerji düzeyi; p de:3 enerji düzeyi; d de 5 enerji düzeyi ve f de 7 enerji düzeyi vardır. Buna göre: Maksimum elektron sayıları: S:2; P:6; d:10 ve f:14 olabilir.

Örnekler: H Atom Numarası: Z = 1 Enerji seviyesi: 1s Li Atom Numarası: Z = 3 Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 1 Ne Atom Numarası: Z = 10 Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 K Atom Numarası: Z = 19 Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4s 1 (Burada 4s in enerjisi 3 d ninkinden biraz daha az olduğu için 3d boş kalmıştır).

Bir ana kabukta 8 elektronun bir araya gelmesi yani s (max.2 elektron) ve p (max.6 elektron) alt kabuğunun dolması halinde bu elektronlar çekirdeğe çok kuvvetli bağlanırlar ve kapalı kabuk oluştururlar. Bu kurala OKTET KURAL ı denir. Kapalı kabuk dışında bulunan en dış ana kabuktaki elektronlara VALANS elektronlar denir. Bunlar çekirdeğe zayıf olarak bağlıdır. Elementin kimyasal özelliklerini belirlemekte rol oynarlar. Valans elektron sayısı en fazla 3 olan elementin atomları valans elektronlarını serbest bırakırlar, böylece oluşan (-) yüklü elektron bulutu (+) iyon haline geçen atomları birbirine bağlar. Böylece METALSEL BAĞ oluşur. Bu tür bağlanma şeklinde serbest dolaşan elektronlar nedeniyle elektriği ve ısıyı iyi iletme durumu söz konusudur. Yukarda anılan özellikler elementlerin periyodik sisteminde belirli bir şema şeklinde görülebilir. Aynı dış kabuğa sahip elementler düşey ana gruplarda alt alta bulunur ve bunlar benzer davranış gösterirler.

En dış ana kabuktaki elektronlara VALANS elektronlar denir. Bunlar çekirdeğe zayıf olarak bağlıdır. Elementin kimyasal özelliklerini belirlemekte rol oynarlar. Bir ana kabukta 8 elektronun bir araya gelmesi yani p alt kabuğunun dolması halinde bu elektronlar çekirdeğe çok kuvvetli bağlanırlar ve kapalı kabuk oluştururlar. Bu kurala OKTET KURAL ı denir. Aşağıda görüldüğü gibi 3d kabuğunda 4 enerji düzeyinde tek elektron vardır. Bunlar aynı yönde dönerler ve manyetik kutupları birbirine paraleldir. Dolayısıyla Fe atomları net bir manyetik kutup a sahiptir. Bu elektron yapısı Fe in yüksek manyetikliğe sahip olmasına yol açar. 3 d seviyesi

Ni 28 (atom numarası) 58,71 (Atom Ağırlığı) 3d 8 4s 2 (Elektronik konfigürasyon) 1455 (Erime Sıcaklığı o C Fcc (Kristal Yapısı YMK)

4s seviyesinde elekton mevcut iken (özellikle dolu) 3d nin kısmen dolu olduğu elementler söz konusudur. Bu elementlere GEÇİŞ ELEMENTİ denir. Bu elementlerin Ana ve Tali (Yardımcı) kuantum sayıları düzenli değildir. 3 tranzisyon (geçiş) elementi olan Vanadyum (Atom No:23); Demir (Atom No:26); Nikel (Atom No:28); in elektron durumlarını belirtiniz. V Atom Numarası: Z = 23 Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 3 4s 2 Fe Atom Numarası: Z = 26 Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 6 4s 2 Ni Atom Numarası: Z = 28 Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 8 4s 2 4s elektronlarının enerji seviyeleri 3d elektronlarınınkinden az ama onlara yakındır. Atom iyon haline geçtiğinde elektron durumu (elektron konfigürasyonu): Fe ++ Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 6 Fe +++ Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 5 Demir atomunun uyması beklenen ardışık kuantum sayılar takımı; 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 olması gerekir. Ancak gerçekte 3 d kabuğunda bulunması gereken 8 elektrondan ikisi 4s düzeyine geçer bu durumda Fe nin (Atom numarası olup Nötr halde 26 Elektron) gerçek kuantum sayıları: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 olur.

Tranzisyon Elementleri Sc.. 21 (Atom Numarası = Proton Sayısı).Elekt.Konf: 3d 1 4s 2 Ti.. 22 (Atom Numarası = Proton Sayısı).Elekt.Konf: 3d 2 4s 2 V.. 21 (Atom Numarası = Proton Sayısı).Elekt.Konf: 3d 3 4s 2 Cr.. 21 (Atom Numarası = Proton Sayısı).Elekt.Konf: 3d 5 4s 1 Mn.. 21 (Atom Numarası = Proton Sayısı).Elekt.Konf: 3d 5 4s 2 Fe.. 21 (Atom Numarası = Proton Sayısı).Elekt.Konf: 3d 6 4s 2 Co.. 21 (Atom Numarası = Proton Sayısı).Elekt.Konf: 3d 7 4s 2 Ni.. 21 (Atom Numarası = Proton Sayısı).Elekt.Konf: 3d 8 4s 2 Cu.. 21 (Atom Numarası = Proton Sayısı).Elekt.Konf: 3d 10 4s1 Tranzisyon Elementleri: 4s seviyesinde elekton mevcut iken (özellikle dolu), 3d nin kısmen dolu olduğu elementler söz konusudur. Bu elementlere TRANZİSYON ELEMENTLERİ = GEÇİŞ ELEMENTLERİ denir. Bu elementlerin Ana ve Tali (Yardımcı) kuantum sayıları düzenli değildir.

En kararlı elementler Elektron hareketleri daima en kararlı hale ulaşmaya çalışır. En belirli bir quantum sayısının en dış yörüngesinde bulundurabileceği en fazla elektron bulundurması durumu Oktet olarak adlandırılır ve bu şekilde bulunan kabuğa kapalı kabuk denir. Bu tür elementlerin elektron alıp vermesi çok zordur. Bu elementlere Asal (soy) elementler denir, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn gibi.

ATOMLARARASI BAĞLAR

Atomsal yapılar Malzemeler atomların bir araya gelmesi ile oluşur. Atomları bir arada tutan kuvvete atomlar arası bağ denir. Atom düzenleri 3 şekilde incelenebilir: Düzensiz yapı (amorph-orderless): Atom veya moleküllerin rastgele dizilmesi. Kısa aralıklı düzenli yapı (short range order): Küçük ölçekte düzenlilik. Uzun aralıklı düzenli yapı (long range order). Bütün hacimde düzenlilik; Kristal malzemeler (metaller, seramikler, kristal camlar, bazı polimerler.

Metaller kristal yapıya sahiptirler. Seramikler daha kompleks kristal yapıya sahiptirler. Camlar, kristal yapıya sahip değillerdir. Amorf yapılıdır. Polimerler amorf veya kristal veya belli oranlarda iki yapıya birden sahip olabilirler.

Atomlar arası bağlar üç grupta incelenir: 1. Komşu atomlar arasındaki bağlar en dış yörüngedeki elektronların (Valans elektronları) aktarılması (Transfer) veya ortak kullanımı (paylaşım) ile gerçekleşir. Bu şekilde kuvvetli atomlar arası bağlar oluşur (İyonik,kovalent, metalsel bağlar). 3.Karışık bağlar; bu tür bağlar örneğin bazı polimerlerde olduğu gibi polimer zincirlerindeki kuvvetli kovalent bağ ve zincirler arasındaki zayıf Van der Waals bağları şeklinde olabilir. 2.Atomlar arasında elektron aktarımı veya paylaşımı yoktur; atomlar veya moleküller arasında zayıf çekim kuvvetleri vardır (Van der Waals bağları). Örneğin dipol (iki farklı yük merkezi) oluşturan moleküllerin ters elektriksel yüklü uçlarının birbirlerini çekmeleri.

Bağ kuvvetleri, bağ enerjisi ve bağ türleri Bağ enerjisi, iki atomu birbirinden ayırmak için gereken enerjidir. Kuvvet-yol eğrisinin altında kalan alana eşittir. Kuvvet eğrisi enerji eğrisinin yola göre türevidir. Kuvvetin sıfır olduğu konum, atomlar arası itme ve çekme kuvvetlerinin eşit olduğu denge konumudur ve aynı zamanda enerji eğrisinin minimum olduğu konumdur. Atomlar arası denge mesafesi

Bağ enerjisinin ve bağ uzunluğunun tanımı Bağ enerjisi Bağ uzunluğu

Atomlar arası bağlar Kuvvetli bağlar (primary) İyonik Kovalent Metalsel Zayıf bağlar (secondary) Van der Waals Karışık Bağlar

İyonik bağ (Yönsüz bağdır yani yöne bağlı değildir) Bir atomdan diğerine elektron aktarımı ile oluşur. Bu bağlar elektron vermeye hazır metallerle elektron almaya hazır ametaller arasında oluşur. Böylece oluşan pozitif metal iyonu ile negatif ametal iyonu birbirlerini elektriksel olarak çekerler. İyonik bağlarda bağ enerjisi bu nedenle çok yüksektir. Bu malzemeler katı halde elektriği iletmezler. Ancak sıvı çözeltiler içinde bu iyonlar hareket edebildiklerinden elektrik iletimi olur.

Valans Elektronların Gösterilimi: Na: 3s 1 Cl: 3s 2 3p 5 -İyonik bağlı malzemeler, içinde (+) ve (-) yüklü iyonların belirli bir düzen içinde yerleştiği bir kristal yapı oluşturabilirler. -Örneğin NaCl molekülünde Na dan bir elektron Cl a aktarılır ve Na (+) katyonu ile Cl (-) anyonu ortaya çıkar. -Bu iki zıt yükün birbirlerini çekmesiyle bağ oluşur. -Bu bağ yöne bağlı değildir. Bu iyonlar birbirlerini her doğrultudan çekebilirler. -Şekilde bu iyonların üç boyutlu olarak nasıl istiflendiği görülmektedir. -Bu düzenleme maksimum sayıda karşı yüklü atomla komşuluk sağlanacak şekilde olmalıdır.burada her birine karşı atomdan 6 adet komşu düşmektedir (Koordinasyon sayısı).

Na(11) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Katyon Na + (10) 1s 2 2s 2 2p 6 Ne(10) Cl(17) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3P 5 Cl - (18) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3P 6 Anyon Ar(18)

Elektron alışverişi ile zıt yüklü iyonlar haline gelirler. Farklı yüklü iyonlar birbirini çeker. Coulomb çekim kuvveti iyonları birbirine bağlar. K F C 2 a K Belirli bir yaklaşmadan sonra aynı yüklü çekirdekler birbirini iter. a/ k F R le o ( Z q)( Z2 1 q q = 0.16 x 10-18 C, ko = 9 x 10 9 Vm/C Toplam kuvvet F T FC FR 0 ) Denge durumu Çekme ve itme kuvvetlerinin eşit olduğu atomlar arası uzaklık (a o ), denge konumudur. Burada iyonlar birbirlerine temas eden sert kürecikler olarak düşünülmüştür. Atomların çapları katyon haline geçince azalır, anyon haline geçince artar.

Elastiklik modülü Bağ enerjisi F de da Bağ enerjisi / bağ kuvveti arasında difransiyel bağıntı vardır. E f df da F a o de da r Na 0 @ a o r Cl F T FC FR 0 Denge durumu

Koordinasyon sayısı (KS) İyonik bağ yöne bağlı değildir. Örneğin NaCl kristalinde Na iyonu 6 Cl iyonu ile Cl iyonu da 6 Na iyonu ile çevrilmiştir. Yani her bir iyonun 6 komşusu vardır. Buna koordinasyon sayısı adı verilir. İyonik bağlı kristallerde koordinasyon sayısını hesaplamak için küçük iyon göz önüne alınır ve bunun çevresine sığabilecek en fazla sayıdaki büyük iyon sayısı aranır. Bu sayı zıt yüklü iyonların yarıçap oranlarına (r/r) bağlı olarak değişir. Koordinasyon sayısı: Her hangi bir referans iyonu çevreleyen komşu iyon sayısı. NaCl için CN=6

Koordinasyon sayısı: yarıçap oranlarına bağlıdır. İyon yarıçaplarının oranına bağlı olarak koordinasyon sayısı

En dış yörüngede valans elektronlarının ortaklaşması (paylaşımı) ile oluşur. Kovalent bağda yönlenme söz konusudur (directional). Elmasta, polimer zincirlerinin içerisinde görülen bağ çeşitidir Şekil 2-13: Cl 2 gazı için (a) (b) (c) (d) Kovalent bağ (Yöne bağlı olup Yönlü Bağdır) Gezegen modeli Gerçekteki elektron yoğunluğu, Elekton noktaları, Bağ çizgileri.

C nun yönlü kovalent bağları C nun kovalent bağlarla oluşturduğu dörtyüzlü (Tetrahedron) yapı. Bağlar arasındaki açı 109,5 o dir. Dikkat: Burada koordinasyon sayısı kuralı çalışmıyor! KS=12 olması gerekirken KS=4 tür.(y.çap oranı=1) Kovalent bağ Kovalent bağda- yönlenmeden doğan bağ açısı önemli bir faktör. Her bir C atomu 4 adet eşit uzunluğa sahip bağ oluşturma eğilimi gösterir. Bu durumda bağ açısı 109.5 o.

(a) (b) Etilen molekülü (çift çizgi 2 e - ortak kullanımından doğan 2 kovalent bağı ifade eder) 2 bağın tek bağa dönüşmesi ile polietilen polimerik molekül oluşur. Uzun zincirlerin 3 boyutlu hacmi dolduracak şekilde fleksibiliteye sahiptir. Zincirler arasında zayıf bağlar olduğu için düşük erime sıcaklığı söz konusu. Polietilenin spagetti benzeri yapısı. C-C ve C-H kovalent bağlar.

Kovalent bağlı elmasın kristal yapısı (Mavi çizgiler kovalent bağları simgelemektedir) Elmas bilinen en sert malzeme. Erime sıcaklığı 3500 o C. CN = 4 r / R= 1 CN = 12 olmalıydı. Nedeni Sp3 hibritleşmesi ile kovalent bağın yönlenmesidir. Elmasın 3D kovalent yapısı. CN = 4 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2 2s 1 2p 3

Bağ kuvveti ve enerjisi iyonik ve kovalent bağlarda benzese de iyonik bağa ait denklemler uygulanamaz. Bağ Enerjisi eğrisi: Bütün bağ çeşitleri için geçerli. Tablo : Kovalent bağlar için bağ enerjisi-bağ uzunluğu değerleri. Bağ uzunluğu ile enerji lineer değil.

Metalsel bağ Elektron paylaşımı içeren, ancak yönden bağımsız bir bağ türüdür. Burada valans elektronların konumu belirli değildir, çok sayıda iyon kristal kafes içinde valans elektronlarını ortak olarak kullanırlar (Elektron bulutu). + Metal iyonu -

En dış yörüngede 2, 3 veya 4 valans elektronu (IIa, IIIa, IVa) elementlerde görülür. Bu elektronlar bulut şeklinde yapı içerisinde hareket edebilirler. Bu sayede elektrik ve ısı iletimi kolaydır. Atomların istifi, iyonik bağda olduğu gibi, en verimli yerleşmeyi- en fazla komşu sayısını- sağlayacak şekilde olur. Bu nedenle büyük CN değerleri söz konusu.

Süblimasyon katıdan direkt olarak gaz fazına geçme anlamına gelir. Sublimasyon enerjisi, bağ enerjisi değerleri hakkında fikir verir.

Metalsel bağlı bazı malzemelerin(metaller) ve bunların oksitlerinin(seramik) buharlaşma ısıları * ** *1 mol Al Avagadro sayısı kadar Al atomu içerir. ** 1 mol FeO avagadro sayısı kadar Fe ve Avagadro sayısı kadar O atomu içerir.

Van der Waals (İkincil) bağlar Elektron aktarımı veya paylaşımı yoktur. Her bir atom veya molekül birimi içindeki pozitif ve negatif yüklerin ayrı yük kutupları oluşturmaları (Dipol* = iki kutup) sonucu ortaya çıkar. Zıt kutuplar iyonik bağda olduğu gibi birbirlerini çeker. Ancak bu bağ iyonik bağa nazaran zayıftır. Bu tür bağlar ; -Geçici dipollü (Örneğin Argon atomu) -Kalıcı dipollü (Örn. su molekülü) olarak ikiye ayrılır. Kalıcı dipolle oluşturulan bağ daha kuvvetlidir. Di=Yunanca iki anlamına gelen önek Pol Polar= kutup kelimesinin kısaltılmış hali Bağ; atom veya moleküllerde pozitif veya negatif yüklerin asimetrik dağılımı ile oluşan baskın bölgeler arasında oluşur. Bu yük asimetrisine dipol adı verilir.

Ar, asal elementtir. e - alış verişi zordur. İki Ar atomu yanyana geldiğinde yüklerde küçük distorsiyon ile oluşan geçici dipol atomları bir birine düşük enerji ile bağlar (0.99 kj/mol) Şekil 2-22: Ar da dipol oluşumu ve bu sayede oluşan bağ. Bağ enerjisi kalıcı dipol olma durumunda daha büyüktür. Su molekülünde H-O kovalent bağı yönlenmeye sahiptir. Molekülde H bölgeleri (+) O bölgesi (-) davranır. Bu molekülde yükler arası mesafe ve yük daha büyük olduğu dipol momentide büyür ve bağ enerjisi artar (21 kj/mol) Polimer zinciri içerisinde C-C ve C-H bağları kovalent iken zincirler arasında yine van der Waals bağı söz konusudur. Bu nedenle karışık bağ yapısına sahiptir.

Kovalent bağlı zincirlerin oluşturduğu yapılarda (örneğin polimerler), bazı polimerlerin, zincirleri arasında zayıf van der Waals bağları mevcuttur. Bu nedenle bu malzemelerin mukavemetleri ve erime sıcaklıkları düşüktür (Zincirler birbirlerinden kolaylıkla ayrılır).

Karışık bağlar Bu tür bağlar örneğin bazı polimerlerde olduğu gibi polimer zincirlerindeki (Pişmiş makarna gibi) kuvvetli kovalent bağ ve zincirler arasındaki zayıf Wan der Waals bağları şeklinde olabilir. Buna benzer bir yapı grafitte de mevcuttur; grafit levhalı bir yapıdır.levha düzleminde C atomları aralarında kuvvetli kovalent bağlarla bağlıyken, paralel levhalar arasındaki bağ ise zayıf Van der Waals bağlarıdır. Karışık bağlara diğer bir örnek ise, silikatların ve çoğu seramik ve camların temel yapı taşı olan (SiO 4 ) -4 dört yüzlüsüdür(tetrahedron).

Karışık bağa diğer bir örnek (SiO 4 ) -4 nin kristal yapısı (iyonik bağ +kovalent bağ) Bağ karakteri %50 iyonik(elektron aktarımı),%50 kovalent(elektron paylaşımı) dır.ancak iyonik karakter baskın olup iyon yarıçapları oranı 0,295 olduğundan KS=4 dür.

Atomsal Yapı ile Fiziksel Özelliklerin İlişkileri

Özgül ağırlık: Kuvvetli bağlarda yüksek Koordinasyon Sayısı. Belli hacimde daha fazla atom miktarı anlamına gelir. Elektrik iletkenliği. Yapıda bulunan serbest elektronlar tarafından sağlanır. SiC de metalsel + iyonik bağ. Elektrik iletimi sırasında ısınma olur bu nedenle ısıtıcı olarak kullanılabilir. Elastiklik modülü / dayanım / süneklik: Eğim ne kadar dik ise elastiklik modülü o kadar büyüktür. Bağ ne kadar kuvvetli ise atomları bir birinden uzaklaştırmak veya koparmak o kadar zordur.dayanım o kadar büyüktür. Işık geçirgenliği: Işık elektronlar tarafında yansıtılır. Elektronların konumları sabit ise malzeme şeffaf olabilir. Metaller şeffaf değildir. Erime sıcaklığı: Erime olması atomsal bağların kopması anlamına gelir. Kuvvetli bağlara sahip malzemeler yüksek erime sıcaklığına sahiptir.