ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ İÇİN MALZEME BİLGİSİ Prof. Dr. Bülent ÇAKMAK
İÇERİK I. Malzeme bilimine giriş Malzemelerin atom yapısı ve atomlar arası bağlar II. Kristal yapılar Kristal sistemler, kristal düzlem ve yönleri III. Mühendislik malzeme türleri Kompozitler, polimerler, nanomalzemeler IV. Malzemelerin mekaniksel, ısıl, elektriksel ve optik özelikleri. V. İletken, yalıtkan ve yarıiletken malzemeler Tanımlar P ve N tipi yarıiletkenler P-N eklemi VI. Elektronik elemanlar NTC, PTC, röle, diyot ve transistör VII. Dirençler üzerindeki gürültü Beyaz gürültü, termik gürültü, potansiyel gürültüsü Dirençlerde deri olayı VIII. Baskı devre montaj tekniği ve PCB test tekniklerinin incelenmesi IX. ISİS ile devre modellemesi
KAYNAKLAR 1- Elektronik Cihazlar ve Devre Teorisi, Robert BOYLESTAD, Louis NASHELSKY, Onuncu baskıdan çeviri, Palme Yayınevi, 2010. 2- Elektronik Devre Elemanları ve Elektronik Devreler, Hüseyin DEMİREL, Birsen Yayınevi, 2012. 3- Elektronik Devre Elemanları, Avni MORGÜL, Papatya Yayıncılık, 2012. 4- Elektrik-Elektronik Rehberi, Sadık KARA, Ufuk Kitapevi, 2004. 5- Microelectronic Devices, Edward S. Yang, McGraw Hill, 1988. 6- Malzeme Bilimi, Prof. Dr. Kaşif ONARAN, Bilim Teknik Yayınevi, 2006 7- Principle of Electronic Materials and Devices, S. O. Kasap 8- www.silisyum.net
E-posta adresi : bulent.cakmak@erzurum.edu.tr 1 arasınav yapılacak (%30). 2 adet ödev verilecek (%10). Ödev teslim tarihi Internet vasıtasıyla bildirilecek. 1 adet quiz yapılacak (%15) Konu: ISİS devre modellemesi Haftalık ders notları ve sınav sonuçlarına web sayfasından ulaşılabilir.
Malzeme nedir? Malzemeler, günlük yaşantımızda kullandığımız hemen hemen her şeyi meydana getiren temel bileşenlerdir. Doğal olarak oluşmuş veya yapay olarak elde edilmiş malzemeler akla gelebilecek her türlü sanayi, örneğin; otomotiv, havacılık, kimya, bilgisayar, elektronik, gıda üretimi, biyomedikal sektöründe kullanılmaktadır. Malzemeler dört temel gruba ayrılabilir: Seramikler Metaller Elektronik ve Fotonik Malzemeler Polimerler
Kompozisyon malzemenin kimyasal makyajıdır. Yapı malzeme içerisindeki atomların veya iyonların düzenine verilen tanımdır. Sentezleme doğal olarak oluşan veya kimyasal malzemelerle oluşan prosestir. Proses etme, imal etme, üretmek malzemelerin şekil değiştirerek yararlı bileşenler haline gelmesi veya özelliklerinin değiştirilmesi gibi bir çok değişik yolla tanımlanabilir. Özellikler Mekanik özellikler: Uygulanan yüke karşı malzemenin verdiği cevap olarak bilinir. Fiziksel özellikler: Elektriksel, manyetik, optik, ısıl, elastik, ve kimyasal davranışlarını gösterir.
Yapı : Malzemelerin yapısı bir kaç seviyede incelenebilir Atom Atom-Kristal-Tane-Faz Atomik Düzey- Atom Düzeni-Mikroyapı- Makroyapı Elektronların çekirdek etrafındaki düzenleri elektrik, magnetik, ısıl ve optik özelliklerini daha ileri gidildiğinde korozyon dirençleri, atomlar arası bağlar gözönüne alındığında ne tür malzeme olduğunu ortaya koyar; metal, sermaik, polimer, yarı iletken. Kristal Bir sonraki seviye atomların düzenlerin uzaydaki halleridir. Metaller, yarı iletkenler, seramikler ve polimerler oldukça düzgün atomik düzenlere sahiptirler. Kristal yapı mekanik özellikleri etkiler. Diğer seramikler ve polimerler düzgün atomik düzene sahip değildirler. Bunlar amorf veya camsı malzemeler olarak adlandırılırlar.
Tane Tane aynı özellikte kristal yapıya sahip bölgeye denir. Tane yapısı metaller, seramikler, yarı iletkenler ve zaman zamanda polimerlerde görülürler. Tanenin yapsı şekli malzemelerin birçok fiziksel ve mekanik özelliklerinde etkilidirler. Faz Çoğu malzeme birden fazla faz içerir. Her faz kendine özgü atomik düzene ve özelliklere sahiptir. Bu fazların boyutlarının dağılımlarının kontrolu ile temel malzemenin özellikleri değişebilir. Katı sıvı-gaz ve plazma maddenin dört hali yani fazlarıdır.
Binlerce Yıllık Malzemeler
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Malzeme Bilimi; Malzemelerin doğasını araştırır. Çeşitli teori ve tanımlarla malzemenin iç yapısının, malzemenin kompozisyon, özellik ve davranışları ile olan ilişkisini belirler. Malzeme Mühendisliği; Özgün bir gereksinimi karşılayacak malzemenin geliştirilmesi, hazırlanması, modifiye edilmesi ve uygulanması için temel ve ampirik bilgi birikimini sentezler ve uygular. Tüm mühendislik dallarının ve temel bilim dallarının Malzeme Bilimi ve Mühendisliği ile yakın bir ilişkisi vardır. A.B.D. de gerçekleştirilen istatistiksel bir bulguya göre diğer tüm mühendislik alanlarında çalışan mühendislerin her 6 saatlik çalışma sürelerinin en az bir saati malzeme ve onun uygulamaları ile ilgili olmaktadır.
Malzeme Tasarımı ve Seçimi Tasarım aşamasında beklenmedik durumlarla karşılaşmamak için aşağıdaki faktörlerin etkisi göz önüne alınmalıdır. Sıcaklık Korozyon Yorulma Deformasyon Oranı Malzeme seçiminde Malzemenin istenilen fiziksel ve mekanik özellikleri Malzemenin istenilen şekline nasıl getirileceği Malzeme ve uygulanacak prosesin ekonomikliği Malzeme veya uygulanan prosesin çevreye uyumu sorgulanmalıdır. Yoğunluk malzemenin kütlesinin hacmine oranıdır ve g/cm3 veya lb/in.3 birimleri ile gösterilir. Spesifik Mukavemet: malzeme mukavemetinin yoğunluğa oranıdır. Yüksek spesifik mukavemet güçlü ancak hafif malzemedir.
Artan sıcaklık normalde malzemlerin mukavemetinin düşmesine yol açar. Polimer malzemler düşük sıcaklığa uygundur. Bazı kompozitler, özel alaşımlar ve seramikler yüksek sıcaklıklarda mükemmel özelliklere sahiptirler.
Malzeme Özellikleri Ekonomik Mekanik Isıl OpOk Elektriksel Yüzey Teknolojik EsteOk Malzeme Seçimini Etkileyen Özellikler Fiyat, bulunabilirlik Çekme ve sıkışnrma mukavemeo, elasosite modülü, tokluk, yorulma ve sürtünme mukavemeo, Isıl iletkenlik, ısıl genleşme, ısıl dayanım Geçirgenlik Elektriksel iletkenlik Aşınma (abrazif, korozif) İşlenebilirlik, kaynaklanabilirlik Tasarımın albenisinin olması
İmalat ve Malzeme İMALAT İKİ AŞAMADAN OLUŞUR DİZAYN Ø Tasarım Ø Çizim ÜRETİM Ø Üretim Usulleri (litografi vb.) GÜVENLİK EKONOMİKLİK
Proses etme/üretme Şekil verilmemiş malzemelerden istenen şekilli malzemeleri üretme yöntemleridir. Döküm Kaynak, lehimleme, brazing, yapıştırma Dövme Çekme Ekstrüzyon Haddeleme Eğme/Bükme İşleme
Malzeme çeşitleri nelerdir? Mühendislik Malzemeleri Metaller Metal olmayan malzemeler Demir Esaslı Malzemeler Demir olmayan metaller Inorganik malzemeler Organik malzemeler Dökme demirler Hafif metaller Yarı iletkenler Plastikler Lamelli grafitli Al, Mg, Ti, Be Seramikler Ağaçlar Küresel grafitli Ağır metaller Camlar Deriler Temper Cu, Ni, Zn, Pb Mermerler Beynitik Betonlar Çelikler Yapı çeliği Takım çeliği.
Metaller ve alaşımlar Çelik, alüminyum, magnezyum, çinko, dökme demir, titanyum, bakır, nikel vb. Elektrik iletkenlikleri yüksek Isıl iletkenlikleri yüksek Sünek Şekil verilebilir Şok direnci yüksek Yapısal ve yük taşıyıcı alanlarda kullanıma uygundurlar. Saf metaller çok az kullanılmakla birlikte metallerin kombinasyonlarından oluşan alaşımlar değişik özellik gelişmiş malzemeler üretmek üzere tercih edilirler.
Seramikler Tuğla, cam, refrakterler ve aşındırıcılar. Düşük elektrik iletkenliği Düşük ısıl iletkenliği Kırılgan Yüksek sıcaklık uygulamalarında yüksek direnç Korozyona dirençli Genelde yalıtkan malzeme olarak kullanılırlar ancak yeni proses teknikleri ile yük taşıyıcı uygulamalarda da kullanılır hale gelmişlerdir. Optik ve elektrik özellikleri geliştirildiğinden entegre devre ve fiber optik uygulamalarda kullanılabilirler.
Polimerler Lastik, plastik, ve yapıştırıcılar. Organik moleküllerden polimerizasyon prosesi ile büyük moleküler yapılar oluşturularak üretilirler. Düşük termal direnç Düşük elektrik iletkenliği Düşük mukavemet Yüksek sıcaklık direnci düşük Termoplastik ve termoset olarak genelde ikiye ayrılırlar; Termoplastik polimerlerde zincirler rijit bağ yapısına sahip değildirler bu yüzden sünek ve şekil verilebilir özellik sergilerler. Termoset polimerlerde moleküler zincirler çok sıkı bağlıdır ve bu yüzden kırılgandırlar.
Polimerleşme, küçük moleküllerin (dairelerle gösterilmiş) daha büyük moleküller veya polimerler oluşturmak üzere birleşmeleri ile oluşur. Polimer molekülleri birçok zincirden oluşurlar bunlar birleşmiş veya birleşmemiş (termoplastik) veya üç boyutlu çapraz bağlı zincirler ( termosets) oluşturabililer.
Yarı iletkenler Silisyum, germanyum, GaAs gibi bileşikler Elektriksel özellikleri kontrol edilebilir, Transistör, diyod ve entegre devrelerde kullanılırlar. Kompozit Malzemeler İki veya daha çok malzemeden oluşurlar. Beton, sunta, fiberglas, karbon fiberle güçlendirilmiş polimer Düşük ağırlıklı Mukavemetli Sünek Yüksek sıcaklık direnci yüksek Şok direnci yüksek
Malzemelerin Fonksiyonel Sınıflandırılması Uzay Biyomedikal Elektronik Malzemeler Enerji Teknolojisi ve Çevre Teknolojisi Manyetik Malzemeler Fotonik veya Optik Malzemeler Akıllı malzemeler Yapısal Malzemeler
Malzemelerin Yapılarına Göre Sınıflandırılması Kristalin malzeme bir veya birçok kristalden oluşur. Her bir kristalde atomlar veya iyonlar uzun periyodik düzen sergilerler. Tek kristal tek bir kristalden oluşan malzemeye denir. Bu kristalde tane sınırı mevcut değildir. Taneler polikristal/çoklu kristal malzemedeki kristallerdir. Polikristal malzeme tek kristalin tersine birçok kristalden oluşur. Tane sınırları polikristal malzemede taneler arası bölgelerdir.
Metal Malzemeler Altı köşe çelik Lama Çelik Kare Çelik Kare Çelik Dairesel çelik Oluklu Çelik Tamamı çelik Rulman Bakır
Nikel,çinko,pirinç karışımı metalik paralar Alüminyum raflar Alüminyum cephe giydirmeleri ve panjurlar
Seramik Malzemeler Cam Tuğlalar
Kompozit Malzemeler Çelik Gövdeli Lastik Betonarme
Plastikler İnorganik doğal malzemeler Organik doğal malzemeler Kompozit malzemeler Seramikler Camlar Yarı iletkenler Metaller Demir esaslı malzemelerden dökme demirlerin dışında olan çeliklerin 2000 çeşidi olduğu ve bunların da kendi içlerinde çeşitli yönlerden sınıflandırıldığı düşünülürse konunun o kadar basit olmadığı anlaşılabilir.
Grafit Elmas Celestite Sülfür Pyrite(Sülfürdioksit)
Malzeme Biliminin Kapsamı Atom altı seviye: Bağ oluşumu Atomik seviye: Malzeme içerisinde atomların yerleşim düzeni. Örneğin C hem grafit hem de elmas halindedir. Mikroskobik seviye: Malzeme içerisinde taneler mikroskop ile tespit edilebilir. Makroskobik seviye: Gözle görülebilecek yapılar.
Angstrom : 1 Å = 10-10 m Femtometre : 1 fm = 10-15 m Pikometre : 1 pm = 10-12 m Nanometre : 1 nm = 10-9 m Mikrometre : 1 µm = 10-6 m Milimetre : 1 mm = 10-3 m
Malzemelerin Atom Yapısı
Atom modeli 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. Proton ve nötronların kütleleri elektronlarınkine göre çok daha büyüktür.. Protonun kütlesi yaklaşık olarak 1.673x10-24 g, nötronun kütlesi 1.675x10-24 g ve elektronun kütlesi 9.11x10-28 g dır. Bir protonun kütlesi elektronun kütlesinin tam 1836 katıdır. 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. Çekirdek yarıçapı 10-12 cm mertebesinde olup, bu değer 1 A (10-8 cm) mertebesindeki atom çapından çok daha küçüktür. O durumda yükler karşılıklı olarak dengelenmiş olurlar.
Elementlerin periyodik sistemde sahip oldukları atom numarası Z, proton adedine ve bununla beraber her atomun kendi elektronlarının adedine eşittir. Atomun kütle sayısı A, proton adedi Z ve nötron adedi N ' nin toplamına eşittir. A = Z + N Kısaca : Z elektron => elektron örtü tabakası Z proton +N nötron => A atom çekirdeği Atom çekirdeği + Elektron örtü tabakası => 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.
Füzyon: 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. Bir elementin farklı kütle sayısına sahip atomlarına o elementin izotopları denir.
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.
Elektron Düzeni Modern atom teorisine göre, elektronların yörüngesini, enerjilerini, hareketlerini belirlemek için 4 kuantum sayısı vardır. Bunlar; n l m l m s = Ana (baş) kuantum sayısı = Alt (açısal momentum) kuantum sayısı = Manyetik kuantum sayısı = Elektron dönüş (spin) kuantum sayısı Ana kuantum sayısı, n = 1, 2, 3, gibi tam sayılar olabilir, ve hidrojen atomunda n nin değeri orbital enerjisini belirler. Ana kuantum sayısı, belirli bir orbitaldeki elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığını da gösterir ; n ne kadar büyük olursa, orbitalde elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığı o kadar büyük olur ve orbital de o derece büyük ve kararsız olur. 25
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 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
Atomun kabuklu modeli. Elektronlar belirli kabuk ve alt kabuklarda bulunmak zorundadırlar. İki alt L s h kabuklu e l l w i t h L kabuğu t w o s u b s h e l l s N u c l e u s Çekirdek L K 1 s 2 s 2 p 1 s 2 2 s 2 2 p 2 Proton F i g. 1. ve 1 : T nötronları h e s h e l l m bir o d e arada l o f t h e çekirdek a t o m i n w içinde h i c h t h tutan e e l e c t 10 r o n -15 s a m r e de etkin olan c o n f çekirdek i n e d t o l i v kuvvetleri e w i t h i n c e tarafından r t a i n s h e l l s a tutulmaktadır. n d i n s u b s h e l l s w i t h i n s h e l l s. F r o m P r i n c i p l e s o f E l e c t r o n i c M a t e r i a l s a n d D e v i c e s, S e c o n d E d i t i o n, S. O. K a s a p ( M c G r a w - H i l l, 2 0 0 2 ) h t t p : / / M a t e r i a l s. U s a s k. C a
Ø Elektromanyetik teoriye göre, dönen yüklü bir parçacık bir manyetik alan yaratır ve bu hareket de elektronun bir mıknatıs gibi davranmasına neden olur. Ø Elektronun dönmesini işin içine katabilmek için dördüncü bir kuantum sayısına ihtiyaç vardır. Ø Bir elektronun iki olası dönmesi (saat yönünde ve ters yönünde), elektron dönüş (spin) kuantum sayısı, ms ile gösterilir ve bu sayı +½ veya -½ değerlerini alır. 28
Periyodik Cetvel Periyodik cetvel elementlerin artan atom numaralarına göre dizilimini gösteren bir tablodur. Bu tabloda belli kimyasal özellikleri birbirine yakın olan elementler, belli gruplarda toplanmıştır. n Yatay sütun Periyot : 7 tane periyot vardır n Düşey Sütun Grup : 8 tane A grubu element vardır. n B grubu elementlerine geçiş elementleri denir.
1A 2A B Grubu Elementleri: Geçiş Metalleri 3A 4A 5A 6A 7A 8A
SOY GAZLAR (8A Grubu Elementler) v v v v v Doğada çok az bulunan bu elementlerin tümü renksizdir. Sadece Radon (Rn) radyoaktiftir. Grupta He dışındaki tüm elementler kararlı elementlerdir. Erime ve kaynama noktaları çok düşüktür. İyonlaşma enerjileri en yüksek olan elementlerdir.
ALKALİ METALLER (1A Grubu Elementler) v v v v v v Doğada daha çok bileşikler halinde bulunurlar. En yüksek temel enerji düzeylerinde bir elektron (+1) vardır. Yumuşak, bıçakla kesilebilen, hafif metallerdir. Erime ve kaynama noktaları diğer metallerden düşüktür. İyonlaşma enerjileri en düşük olan elementlerdir. Elektrik akımını ve ısıyı iyi iletirler.
ALKALİ METALLER q Alkali metaller, havanın oksijeni ile etkileşerek oksit oluştururlar. 2 M (k) +1/2 O 2 ( g) M 2 O (k) q Halojenlerle birleşerek tuzları oluştururlar. 2 M (k) + X 2 2 MX (k) q Su ile hızlı tepkimeye girerler ve hidrojen gazı (H 2 ) oluştururlar. 2 M (k) + 2 H 2 O (s) 2 MOH (suda) + H 2 (g)
TOPRAK ALKALİ METALLER (2A Grubu Elementler) v v v v v v Bileşiklerinde +2 değerliklidirler. Alkali metallerden daha sert, erime ve kaynama noktaları daha yüksektir. İyonlaşma enerjileri alkali metallerden daha yüksektir. Özkütleleri alkali metallerden daha büyüktür. Alkali metaller için geçerli olan rekasiyonlar bunlar için de geçerlidir. Isı ve elektrik akımını iyi iletirler.
HALOJENLER (7A Grubu Elementler) v v v v v v Tümü renkli, zehirli ve tehlikelidir ve element halinde 2 atomlu moleküllerden oluşurlar (F 2, Cl 2, Br 2, I 2, At 2 ). Bileşiklerinde -1 ile +7 arasında çeşitli değerlikler alabilirler. Ancak F bileşiklerinde sadece -1 değerlik alır. At (Astatin) doğada bulunmaz, ancak radyoaktif olaylarla oluşur. Oda koşullarında F ve Cl gaz; Br sıvı, I ise katı haldedir Erime ve kaynama noktaları grupta aşağıdan yukarıya doğru azalır. Elektron alma istekleri en fazla olan elementlerdir.
ÜÇÜNCÜ SIRA ELEMENTLERİ v Periyodik cetvelin üçüncü sırası Na (Sodyum) metali ile başlar ve Ar (argon) ile biter. v Periyodik cetvelin aynı grubundaki elementlerin değerlik elektron sayıları aynı, özellikleri de birbirine benzerdir. Ancak bir sırada bulunan elementlerin fiziksel ve kimyasal özelikleri oldukça farklıdır. v Soldan sağa doğru iyonlaşma enerjileri arttığından Na, Mg ve Al metal, Si yarıiletken ve P, S, Cl ve Ar elementleri ise ametaldir. v Na, Mg ve Al elektrik akımını ve ısıyı iyi iletir. P, S, Cl ve Ar elementleri ısıyı ve elektriği iletmez.
v Buraya kadar incelediğimiz gruplarda ve sırada değerlik elektronları s ya da p orbitallerinde bulunuyordu. Yani A gruplarındaydı. v Geçiş elementlerindeyse değerlik elektronları d orbitallerinde bulunur ve bu elementler 2A ve 3A grubu arasında yer alır. v Periyodik cetvelin 21 atom numaralı Skandiyum (Sc) ile başlayıp 30 atom numaralı Çinko (Zn) ile biten sıradaki elementler ile bunların altında kalan tüm elementler, geçiş elementleri grubuna girer.
DÖRDÜNCÜ SIRA GEÇİŞ ELEMENTLERİ v v v v v Dördüncü sıra geçiş elementleri: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn. Tümü metaldir. 1A ve 2A grubu metallerinden farklı olup, sert ve özkütlesi büyük metallerdir. Erime ve kaynama noktaları çok yüksektir. Elektrik akımı ve ısıyı iyi iletirler.
İyonlaşma Enerjisi Ø Bir atomdan elektron koparmak için gerekli enerjiye İyonlaşma Enerjisi ( E i ) denir. Ø Kopan elektron çekirdek tarafından en zayıf kuvvetle çekilen yani atom çekirdeğinden en uzakta bulunan elektrondur. Ø Çekirdekle elektron arasında çekme kuvveti ne kadar fazla ise iyonizasyon enerjisi o kadar artar.
Ø Bir atomda kaç tane elektron bulunuyorsa, o kadar iyonlaşma enerjisi vardır. Bunlardan en küçüğü birinci iyonlaşma enerjisidir. Çünkü ilk kopan elektron yüksüz bir atomdan kopmaktadır. Ø İkinci elektron +1 yüklü bir iyondan koptuğu için bir elementin ikinci iyonlaşma enerjisi, birinci iyonlaşma enerjisinden daha büyüktür. Ø İyonlaşma enerjisi periyodik cetvelde aşağıdan yukarıya, soldan sağa doğru artar. İyonlaşma enerjisi artar. (Enerji seviyesi dolayısıyla çekme kuvveti artar) İyonlaşma enerjisi artar. (Çekme kuvveti artar)
Periyodik cetvelde soldan sağa, aşağıdan yukarı gidildikçe metalik özellik azalır.
Elektronegatiflik Ø Elektronegatiflik; elektronu çekme kapasitesine denir. Elektron ilgisi arttıkça elektronegatiflik artar. Elektron ilgisi fazla olan elementler daha elektronegatiftir. Bilinen en elektronegatif element flordur (F). Ø Elektronegatiflik; periyodik cetvelde soldan sağa, aşağıdan yukarıya doğru artar. Elektronegatiflik artar Elektronegatiflik artar
ATOM VE MOLEKÜLLER ARASI BAĞLAR
Atomlararası Denge Mesafesi Atomlar birbirleri ile sürekli etkileşim içerisindedir. Bu etkileşimlerden biri de atomlar arası itme ve çekme olaylarıdır. Potansiyel enerji (kj/mol) Çekme İtme Bağ oluştuğun da açığa çıkan enerji (- Bağ enerjisi) Atomlararası uzaklık Bağ koptuğunda absorbe edilen enerji (+Bağ enerjisi) Minimum potansiyel enerji çukuru (0 K de) H 2 bağ uzunluğu Atomlararası mesafe
Sonsuz uzaklıkta bulunan atomların birbirlerine karşı çekme ve itme gibi bir etkisi olmadığından potansiyel enerji sıfırdır (Şekildeki 1 durumu). Herhangi bir etki ile bu atomlar birbirlerine yaklaştırılırsa, bu iki atom arasında bir çekme etkisi meydana gelecek ve kinetik enerji artarken potansiyel enerji azalacaktır (2 ve 3 durumu). Aralarındaki mesafe azaldıkça, bu sefer itme kuvveti oluşacaktır (4 durumu). 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 haline geldiklerinde aralarında çeşitli bağlar oluştururlar. Çekme, kimyasal ilginin fiziksel anlamı olup, kinetik enerji ile ilgilidir. İtme ise kısa mesafelerde kendini gösterir ve atomlar arası denge mesafesinin oluşmasını sağlar.
Nötr durumda protonlarla elektronların sayısı eşittir ve net elektriksel yük sıfırdır. Atomlar birbirine elektron vererek veya alarak yüklü duruma geçerler. Bu durumda Coulomb kuvveti (F) doğar. O o dw = Fdx W x = 0 Fdx dw K' de F = = 0 dx : Atomlararası bağ enerjisi DENGE
Atomlararası Bağlar Kimyasal bağ, iki ve daha fazla atomun yeni bir madde oluşturmak için birleşmesidir. İki veya daha çok atom çekirdeğinin elektronlarına yaptıkları çekme kuvvetlerine Birincil bağ (iyonik, kovalent veya metalik bağlar) denir. 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.
Niçin atomlar bağ yapmak isteler? Atomlar daha kararlı bir hale gelebilmek için ya elektron alırlar, ya verirler ya da ortak kullanılırlar. Yani soy gazlara benzemek isterler. Elektron nokta diyagramı, Lewis yapılar
Lewis 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. Valans elektronları, kimyasal reaksiyonlar süresince kendi atomunu terk edebilecek son kabuktaki elektronlardır.
Bağ çeşitleri Ø Metal-metal olmayan (İyonik bağ) Ø Metal olmayan-metal olmayan (Kovalent bağ) Ø Metal-metal (Metalik bağ)
İyonik bağ ü Metal ile ametal arasında görülür ve elektron alışveriş esasına dayanır. ü 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. ü Oluşan iyonik yapıda, elektron veren atom + iyon haline, elektron alan da iyon haline geçerler. Örnek: NaCl, LiF Bağ kuvveti, bu iyonlar arasındaki elektrostatik çekmeden doğar.
ü Katı halde iyon bileşikleri elektriği çok az iletirken, ergimiş halde elektrik akımını iyi iletirler. ü İyon bileşiklerinin ergime ve kaynama noktaları çok yüksektir. ü İyon bileşikleri düzenli kristal yapıdadırlar. ü İyon kristalleri kırılgan yapı sergilerler. ü İyon kristalleri saydam olup ışığı kırmazlar.
Katı iyonik bileşik Erimiş iyonik bileşik Su içerisinde çözünmüş iyonik bileşikler
İyonik Bağın Kırılması Dış kuvvet İtme kuvveti Kristal kırılır
Kovalent bağ ü Elektron alışverişi söz konusu olmayıp atomlar son yörüngelerindeki valans elektronlarını ortaklaşa kullanarak güçlü bağ oluştururlar. ü Özellikle N, O, H, F ve Cl gibi ametal atomları arasında görülür. Si, Ge, Sb ve Se gibi yarıiletkenler arasında da kovalent bağ oluşur. 3B-5B ve 3B-7B arasındaki geçiş elementleri arasında da kısmen kovalent bağlı bileşikler oluşabilir. ü Bu şekilde bağlanarak bileşikleri oluşturan atomlar arasındaki elektronegativite farkı düşüktür. Bu fark arttıkça iyonik özellik artar. - + - + Elektromanyetik alan Dönme (spin) H 2 molekülü ve elektronların spinleri
ü Kovalent bağ, bağı oluşturan atomların aynı olup olmadıklarına göre Apolar (genelde aynı cins atomlar arasında) ve Polar (farklı cins atomlar arasında) olmak üzere ikiye ayrılır. ü Ergime ve buharlaşma sıcaklıkları yüksektir. ü Kovalent bağlı bileşikler hem katı hem de sıvı halde elektriği iyi iletmezler. + + + H 2 H F CH 4 H H BF 3 C 109.5 F B 120 H F Soru: Kovalent bağlı yarıiletkenler (Si, Ge, Sn gibi) elektriği iyi iletir mi, neden?
ü Kovalent ve iyonik bağ yapma eğilimini belirlemek zordur. Bir çok katı her iki bağı da yapabilirler. ü Genellikle dış yörüngeleri hemen hemen dolu olan elementlerin bileşikleri iyonik, yarı yarıya dolu olanlar ise kovalent bağ yapma eğilimindedirler. Çok sayıda atom
ü Metal atomları arasında görülür. Metalik bağ ü Kovalent bağ iki atom arasında gerçekleşebilirken, metalik bağ çok sayıda atom arasında (soldaki şekil) gerçekleşir. ü Bağlanmada serbest elektronlar pozitif çekirdekler arasında bir elektron bulutu (sağdaki şekil) oluştururlar. Hiçbir elektron, bağı oluşturan herhangi bir metal atomuna ait değildir. Bir atom her yönden eşit kuvvetlerin etkisi altındadır. Çok sayıda atom e - bulutu Saf metallerde elektron alabilecek türden atomlar olmadığı için serbest kalan bu elektronlara elektron bulutu denir. Atomlar Elektronlar
ü Metalik bağın oluşması için, valans elektronlarının sayısı 3 ya da daha az olmalı ve elementin iyonlaşma enerjisi düşük olmalıdır. ü Atomların valans elektronları ne kadar az ise, bu elektronların serbest kalma ihtimali o kadar fazladır, dolayısıyla elektriksel ve ısıl iletkenlik artar. Mekaniksel işlenebilirlikleri de daha kolaydır. Valans elektron sayısı arttıkça kovalent bağ yapma ihtimali ve çekirdek yükü artar. ü 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 olabilmektedir.
Atomların ortalama kafes konumları etrafındaki titreşimleri sonucu fonon (elastik dalga) oluşumunun şematik gösterimi
Metalik Deformasyon Metal deformasyonunun sebebi Dış kuvvet Deforme olmuş metal
Van der Waals bağlar ü Moleküller arasında oluşan çekme ya da itme kuvvetlerinin toplamıdır. ü Elektronik kutuplaşmaya dayanır. ü Molekül kutuplaşması ile oluşan Van der Waals bağları geçici kutuplaşma ile oluşan Van der Waals bağlarından güçlüdür. ü Örnek : H 2 O (molekül kutuplaşması), sıvı azot (geçici kutuplaşma) Azot atomları sıvılaşma sıcaklığında H 2 0 + - + - Dipol oluşumu
Bağların Etkisi 1. Ergime ve buharlaşma sıcaklığı: Katı halden sıvı hale geçerken kuvvetli, sıvıdan buhara geçerken zayıf bağlar kopar. Bağ enerjisi arttıkça ergime sıcaklığı artar. 2. Ergime sırasında kuvvetli bağlar kopar. Buharlaşma sırasında ise zayıf bağlar kopar. 3. Katılarda kuvvetli bağlar, sıvılarda zayıf bağlar egemendir. 4. Isıl genleşme: Ergime sıcaklığı ile ters orantılı gelişir. Bağların diğer etkileri olan elektriksel iletkenlik, ısıl iletkenlik, optik özellikler ve kimyasal özellikler aşağıdaki slaytlarda açıklanmaktadır.
1- Elektriksel İletkenlik valans
2- Isıl İletkenlik
3- Optik Özellikler
4- Kimyasal Özellikler Kimyasal olaylar atomlar arası bağ kopması veya bağ oluşumuna bağlıdır. Metallerde valans elektronları serbest halde olduğundan geride (+) yüklü metal iyonu kalır. Metal iyonları çevrenin elektrokimyasal etkilerine karşı duyarlıdır ve kolayca korozyona uğrar. Korozyon, Fe de olduğu gibi gevrek olduğundan ve kolayca kabarıp döküldüğünden malzeme tahrip olur. Cu ve Al de ise korozyon koruyucu tabaka oluşturur yani korozyon ilerlemez. İyonsal ve kovalent bağlı malzemeler dış etkilere karşı dayanıklı olurlar.