Bölüm 5

2/18/2016
EEM 102
ELEKTRİK MALZEMESİ
Yrd.Doç.Dr. Nigar Berna TEŞNELİ
 Dersin İçeriği
1. Malzeme bilimine giriş, malzemelerin sınıflandırılması
2. Atomik yapı ve Atomlar arası bağlar
3. Kristal yapısı ve Yapı kusurları
4. Noktasal, çizgisel ve düzlemsel kusurlar
5. Malzemenin Mekanik Özellikleri
6. Malzemenin Termal Özellikleri
7. Katılarda Bant Teorisi ve Fermi Enerji Seviyesi
8. Dielektrik malzemeler ve yalıtkanlık
9. Piozoelektrik, ferroelektrik ve pyroelektriklik
10. Malzemenin Elektriksel Özellikleri ve elektriksel iletkenlik
11. Yarıiletkenler
12. Yarıiletkende taşıyıcı yoğunlukları, difüzyon ve sürüklenme akımı
13. Malzemelerin manyetik özellikleri;Paramanyetik,diamanyetik ve
ferromanyetik malzemeler
14. Süperiletkenlik
EEM 102 ELEKTRİK MALZEMESİ
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
1
2/18/2016
KAYNAKLAR
1.“Principles of Electronic Materials and Devices”,
S.O. Kasap, McGraw-Hill, 2005*
2.“ Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri ”,
Cilt 1 / Cilt 2, Donald R. Askeland
“The Science and Engineering of Materials”,
D.R.Askeland, 2003*
3. “ Malzeme bilimi ve mühendisliği ”,
William D. Callister, David G. Rethwisch , 2013
“Materials Science and Engineering: An
Introduction”, W.D. Callister, Jr., 8th edition, John
Wiley and Sons, Inc. 2007.*
3
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
EEM 102 ELEKTRİK MALZEMESİ
DEĞERLENDİRME SİSTEMİ
EEM 102 ELEKTRİK MALZEMESİ
Ara sınav
Kısa Sınav I
Kısa Sınav II
Ödev
%70
%10
%10
%10
Yıl içi
Yıl Sonu
%50
%50
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
2
2/18/2016
BÖLÜM 1
MALZEME BİLİMİNE GİRİŞ
MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI
BÖLÜM 1
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
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; elektronik, otomotiv, bilgisayar,
havacılık, kimya, gıda üretimi, biyomedikal)
sektöründe kullanılmaktadır.
BÖLÜM 1
6
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
3
2/18/2016
 Malzeme bilimi ve Malzeme mühendisliği
Malzeme bilimi, malzemelerin doğasını araştırır.
Çeşitli teori ve tanımlarla malzemenin iç yapısının,
malzemenin kompozisyon, özellik ve davranışları ile
olan ilişkisini belirler
Malzeme mühendisliği ise bu yapı ve özellikler
arasındaki bağlantıları kullanarak ihtiyaçları
karşılayacak ürünler ve tasarımlar geliştirir.
BÖLÜM 1
7
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Bir malzemenin “yapı”sı içinde bulundurduğu
öğelerin (malzemenin bileşenlerinin) düzenini
açıklar.
Bir malzemenin “özellik”i malzemenin kullanımı
sırasında maruz kaldığı dış etkilere karşı verdiği
tepkilere bağlıdır.
Malzeme biliminin ve mühendisliğinin ilgi alanına
malzemenin yapısı ve özelliğinin yanı sıra “prosessüreç” ve “performans”ı da girer.
BÖLÜM 1
8
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
4
2/18/2016
Performans
Malzeme mühendisliği
İhtiyaçları karşılayacak ürünler
ve tasarımlar geliştirir.
Proses
Yapı
Proses
Özellikler
Malzeme Bilimi
Malzemelerin yapı ve özellikleri
arasındaki ilişkiyi inceler.
Yapı
Özellik
Performans
9
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 1
Bu dört bileşen arasındaki ilişkiye bakacak olursak;
malzemenin yapısı sürece bağlı iken, performansı
da özelliklerinin bir fonksiyonu olarak değişir.
Proses
Yapı
Özellik
Performans
Malzemenin işlenmesi,
yapısı,
özellikleri
ve
performansı arasındaki
ilişkiyi anlamak çok daha
iyi
yeni
malzeme
tasarımları ortaya çıkarır.
• İhtiyacı karşılayacak performansta malzeme
üretmek için öncelikle malzemenin özellikleri iyi
anlaşılmalıdır.
BÖLÜM 1
10
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
5
2/18/2016
Katı malzemelerin özellikleri temel olarak 6 sınıf
halinde gruplanabilir.
Özellik
Etki
Tepki
Mekanik
Kuvvet – Yük
Deformasyon
Termal
Isı
Isı İletimi
Elektrik
Elektrik Alan
Elektriksel İletkenlik
Manyetik
Manyetik Alan
Mıknatıslanma
Optik
Işık
Yansıtma Ve Soğurma
Kimyasal
Kimyasallar
Aşınma - Korozyon
• İstenilen özelliklerin sağlanabilmesi için malzeme
uygun yapıya sahip olmalıdır.
BÖLÜM 1
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Yapı
Atom-altı Seviye: Bir atomun atomlar arası
etkileşimi belirleyen elektron, proton, nötron
yapısı ve bunların etkileşimi. [Atom YapısıBölüm 2]
Atomik Seviye: Atomların malzeme içindeki üç
boyutlu dizilimi (Aynı atom farklı düzenlerde çok
farklı özellikler ortaya çıkartabilir. Örneğin elmas
ve grafit) [Atomlar arası bağlar, Kristal yapısı,
kusur ve safsızlıklar – Bölüm 2 ve 3]
Mikroskopik yapı: Malzemenin mikroskop
altında incelenmesi ile tanımlanabilecek
düzenleri
Makroskopik yapı: Çıplak gözle tanımlanabilen
yapısal özellikler
BÖLÜM 1
12
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
6
2/18/2016
Elmas ve grafit saf karbon içermelerine rağmen
malzeme özellikleri tamamen birbirinden farklıdır.
Bu farklılıklar katı içerisinde atomların farklı
düzenlenmesinden doğar.
13
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 1
Malzemeler genel olarak atom yapılarına ve
kimyasal bileşimlerine göre 3 ana gruba ayrılır.
Metaller
Polimerler
Seramikler
From Materials Science and Engineering: An Introduction,
BÖLÜM 1
William D. Callister, 7th edition
14
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
7
2/18/2016
Özellikleri
Örnekleri
Metaller ve Alaşımları
Atomları düzenli,
Elektriksel iletkenlikleri yüksek,
Sert, dayanıklı,
Kırılmaya karşı dirençleri yüksek
Bakır, demir, altın, nikel,
titanyum
Seramikler
Isı ve elektrik iletkenlikleri düşük,
Gevrek, kırılmaya yatkın
Kil, Porselen, Cam,
Alüminyum oksit (Al2O3)
Polimerler
Elektrik iletkenlikleri düşük
Sıcaklığa dayanıklı değil
Neme karşı dayanımı yüksek
Manyetik özellik göstermez
Kolay şekil verilebilir
Polietilen, epoksi, naylon
BÖLÜM 1
15
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Bunun yanı sıra iki veya daha fazla malzemeden
üretilen kompozitler, tek bir malzemeden elde
edilemeyen özellikleri sağlar.
Yüksek teknoloji ürünlerin üretiminde kullanılan
malzemeler ise İleri Malzemeler ya da elektronik
Malzemeler olarak adlandırılabilir ve kabaca şöyle
sınıflandırılabilir
• Yarıiletkenler
• Biomalzemeler
• Akıllı malzemeler
• Nanomalzemeler
BÖLÜM 1
16
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
8
2/18/2016
BÖLÜM 2
ATOM YAPISI
ve
ATOMLAR ARASI BAĞLAR
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 2
2.1.Atom Yapısı
ATOM = (PROTON+NÖTRON) + ELEKTRON
Çekirdek
• Kütle :
– Proton ve Nötron: ~ 1.67 x 10-27 kg
– Elektron: 9.11 x 10-31 kg
• Yük :
– Elektron : - 1.60 x 10-19 C
– Protons: + 1.60 x 10-19 C
– Nötron ise nötrdür.
Kütle numarası
Proton+Nötron sayısı
AX
Z
Atom numarası
Proton sayısı=Elektron sayısı
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
9
2/18/2016
2.2. Atom Modelleri
• Thomson Atom modeli
• Rutherford Atom modeli
• Bohr Atom modeli
• Kuantum Mekaniksel model
(Dalga Modeli)
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
2.2.1. Bohr Atom modeli
Yörünge
orbital elektronları
electrons:
n=
kuantum
n =baş
principal
sayısı
quantum number
1
n=3 2
Çekirdek
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
10
2/18/2016
2.3. Kuantum Sayıları
 n, l , ml , ms
• n Baş kuantum sayısı
Elektronun çekirdekten uzaklığı
• l
Yörünge açısal momentum kuantum sayısı
alt-kabuklar, Alt-kabukların şeklini tanımlar
• ml Yörünge manyetik kuantum sayısı
Alt-kabuklardaki enerji seviyesi sayısını belirler!
• ms Spin manyetik kuantum sayısı
Spin momenti
 Pauli dışarlama ilkesi: bir atomda aynı kuantum sayısı setine
sahip sadece 1 elektron bulunabilir.
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Baş kuantum sayısı, n = 1 , 2 , 3, … gibi tam
sayılar olabilir
Aynı n değerine ait orbitallere kabuk denir.
n’nin değeri K, L, M, N gibi kabuklara
karşılıktır. Baş kuantum sayısı n olan bir enerji
kabuğunda en çok 2n2 adet elektron olabilir.
Yörüngesel açısal momentum kuantum sayısı l’nin alabileceği
değerler n’ye bağlıdır. Verilen bir n için l 0 ile (n-1) arasındaki tam
sayılar olabilir.
Örnegin,
n = 1 ise l = 0
n = 2 ise l = 0 , 1
n = 3 ise l = 0 , 1 , 2
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
11
2/18/2016
l’nin değeri genellikle, s , p , d gibi harflerle
gösterilir.
Aynı n ve l değerindeki bir veya daha fazla orbital
ise alt kabuk olarak adlandırılır.
Örneğin, n = 2 kabuğu, iki alt kabuktan ( l = 0 ve 1 )
oluşur.
Bu alt kabuklar 2s ve 2p alt kabuklarıdır.
Burada 2 sayısı n değerini s ile p de l değerlerini
işaret eder.
23
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 2
Her kabukta en çok 2n2 adet elektron olabilir.
Her alt kabukta 2(2l+1) tane elektron bulunabilir
BÖLÜM 12
BÖLÜM
Y.Doç.Dr.
Teşneli
Y.Doç.Dr.
N.B. N.B.
Teşneli
12
2/18/2016
Yörünge manyetik kuantum sayısı ml
Bir altkabuk içinde, ml’nin değerleri
momentum kuantum sayısı olan l’e bağlıdır.
açısal
Verilen bir l için ( 2l + 1 ) adet ml olabilir ve bu
sayılar aşağıdaki şekilde bulunur :
-l , ………. 0, ………. +l
Örnegin,
l = 0 ise, ml = 0
l = 1 ise, ml = -1, 0, 1
l = 2 ise, ml = -2, -1, 0, 1, 2
BÖLÜM 2
25
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Bir elektronun iki olası dönmesi-spini (saat
ibresi yönünde ve tersi yönünde), elektron
dönüş (spin) kuantum sayısı, ms ile gösterilir
ve
ms = +1/2, -1/2
BÖLÜM 2
olmak üzere 2 değer alır
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
13
2/18/2016
BÖLÜM 2
27
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
2.4. Elektron Konfigürasyonları
Bir atomun elektron konfigürasyonu enerji seviyelerinin elektronlarca
nasıl doldurulduğunu gösterir.
Ancak enerji seviyeleri küçükten
büyüğe sayısal düzen de değildir.
Aufbau prensibi olarak adlandırılan
bir kurala uyarlar.
Örneğin;
Atom numarası 26 olan Demir için
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
14
2/18/2016
C’un Atom numarası 6
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
15
2/18/2016
•Taban enerji durumu
Bir atomun elektronları
en düşük olası enerji
seviyelerini
doldurduğunda atomun
taban enerji durumunda
olduğu söylenir.
BÖLÜM 2
Valans (değerlik)
Elektronları
En dış kabukta bulunan
elektronlardır ve bütün
bağlardan ve atomlar
arası ilişkilerden sorumlu
olduklarından son
31
derece önemlidirler.
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
2.5. Periyodik Tablo
Periyodik tablo elementlerle ilgili önemli bilgiler içerir ve
atomik boyut, erime noktası, kimyasal reaktivite ve diğer
özellikler ile ilgili eğilimlerin belirlenmesinde yardımcı olur.
BÖLÜM 2
32
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
16
2/18/2016
Satırlar : PERİYOT
Sütunlar : GRUP ; Benzer valans elektron yapısına sahiptirler
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 2
Geçiş Elementleri
Elektronegatif
Elektropozitif
Asal Gazlar
+ iyon olmak için elektron verir - İyon olmak için elektron alır.
Halojenler
Toprak Alkali
Metaller
Alkali Metaller
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
17
2/18/2016
Elektronegatiflik (Elektron ilgisi):
Bir atomun kendine elektron çekme derecesidir.
Elektronegatif elementler metal olmayan elementlerdir.
Kimyasal reaksiyonlarda elektron alarak negatif iyonlar
(anyon) oluştururlar.
Doğadaki elektropozitif elementler metallerdir.
Kimyasal reaksiyonlarda elektron vererek pozitif iyon
(katyon) haline gelirler.
Elektronegatiflik kavramı atomik bağların anlaşılmasına
yardımcı olur.
35
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 2
Metalik özellikler azalır
Metalik özellikler artar
İyonlaşma enerjisi azalır
Atom Numarası artar
Atom Numarası artar
Atomik Yarıçap artar
Atomik Yarıçap azalır
İyonlaşma enerjisi artar
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
18
2/18/2016
Element:
Kimyasal olarak kendinden daha basit maddelere
ayrılamaz. Temel birimi atom’dur.
(Örnek : H,O)
Bileşik:
İki ya da daha fazla cinste atomun bir araya gelerek
oluşturduğu saf modellere denir. Bileşiklerin en küçük
yapı taşı molekül’dür.(Örnek : H2O)
BÖLÜM 2
37
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
2.6. Atomik Bağlar
Atomik bağlanmanın temelini anlamak için birbirinden çok uzak iki
atomu birbirine yaklaştırdığımızda meydana gelen atomik etkileşmelere
bakmakta fayda vardır.
• İki atom bir araya geldiğinde iki atomun değerlik elektronları ve (+)
yüklü çekirdekleri birbirleri ile etkileşir.
• Bu etkileşimin sonucunda genellikle atomlar arasında bir bağ kurulur
ve bir molekül oluşur.
• Atomların bağ yapma eğiliminin nedeni iki atomun bir araya gelerek
oluşturdukları sistemin enerjisinin ayrık oldukları halden az olmasıdır.
• Atomlar arası mesafe azaldığında atomlar birbirine kuvvet uygular. Bu
kuvvet 2 türlüdür; itme (FR ) ve çekme (FA ) kuvvetleri.Büyüklükleri ise
atomlar arası mesafeye bağlıdır.
BÖLÜM 2
38
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
19
2/18/2016
FA ve FR kuvvetlerinin r ile değişimi
birbirinden farklıdır.
Molekül
Kuvvet
Çekme
Ayrık atomlar
Çekme Kuvvet,
Net Kuvvet
İtme
Atomlar arası mesafe, r
İtme Kuvveti
Kuvvet- Atomlar arası mesafe
İki atomun bir araya gelişinde
başlangıçta çekme kuvveti itme
kuvvetinden fazladır. Net kuvvet
Fnet = FA+FR
FA çekme kuvveti, r ile yavaşça
azalırken FR itme kuvveti r ile hızla
artar.
FR iki atom birbirine yaklaştıkça çok
büyük değerlere ulaşır.
İki atom birbirlerine yaklaştığında
her bir atomun dış kabukları üst
üste gelerek itici bir kuvvet ortaya
çıkartır ve azalan mesafe ile FR
baskın olur.
Denge Durumunda
FN =0= FA + FR
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 2
Bu durumda iki atom birbirlerinden belirli bir mesafe uzaklıktadırlar.
Bu mesafeye denge mesafesi denir ve atomlar arası bağ uzunluğunu
belirler.
FN=0, net kuvvetin 0 olması durumu enerji diyagramında dE/dr=0
olması durumuna karşılık gelir.
Diğer bir ifade ile iki atomdan
E İtme Enerjisi
oluşan sistemin potansiyel enerjisi
E Net Enerji
minimumdadır.
Yani bir molekülün oluşması için
sistemin minimum potansiyel
enerji durumunda olması gerekir.
Minimum potansiyel enerji iki atom
arasındaki bağlanma enerjisi tanımı
için de kullanılır.
BÖLÜM 2
İtme
Çekme
Potansiyel Enerji
R
EA Çekme Enerjisi
Potansiyel Enerji- Atomlar arası
mesafe
40
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
20
2/18/2016
Zıt işaretli yükler arasında oluşan Coulomb Etkileşimi
Potansiyel Enerji , U
Birbirine yaklaşan elektron bulutlarının sebep olduğu
çekim etkisi (Pauli prensibi)
İtme Enerjisi, UR
Atomlar arası mesafe, r
Net Enerji, U
Çekme Enerjisi, UA
BÖLÜM 2
41
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
İki atom için anlatılan bu yaklaşımlar daha fazla
atomun
birbirlerine
bağlanmasında
veya
milyonlarca atomun bir araya gelerek katıyı
oluşturmasında da benzerdir.
Bağlanma enerjisinin büyüklüğü ve potansiyel
enerji-Atomlar arası mesafe grafiğinin şekli
malzemeden malzemeye değişir ve her ikisi de
atomik bağ türüne bağlıdır.
F-r ya da E-r grafiklerinin şekline bakılarak bazı
malzeme özellikleri ile ilgili yorum yapılabilir.
BÖLÜM 2
42
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
21
2/18/2016
2.7. Birincil Atomlar-arası Bağlar
2.7.1. İyonik Bağlar
İyonik bağlar komşu atomlar arasında elektron transferi ile
sağlanır.
NaCl
MgO
CaF 2
CsCl
Elektron verir
Elektron alır
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 2
Na 11 elektrona yani tam dolu dış kabuk için gerekli olandan 1 fazla elektrona
sahiptir ve bu elektronu verip kolayca üst kabuğu dolu Ne’na benzeyen bir
iyona dönüşebilir.
e- verir
10 e- kalır
Cl 17 elektrona sahiptir ve üst kabuğunda 5 elektron bulundurur ve tam dolu
dış kabuğa sahip olmak için 1 elektron almaya hazırdır.
e- alır
18 e- olur
+ ve – yüklü iyonlar sahip oldukları yükler nedeni ile birbirlerini çekerler. Bu çekme
kuvveti ile kapalı kabuklardaki itme kuvveti birbirini dengeleyene kadar 2 iyon birbirini
çeker ve sistemin potansiyel enerjisi azalır. Böylece iyonik bağ ile oluşan bir NaCl
molekülü ortaya çıkar.
BÖLÜM 2
44
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
22
2/18/2016
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
• Farklı yüklü iyonlar her yönde komşu iyonu eşit kuvvetle çeker.
Dolayısıyla iyonik bağlar yöne bağlı değildir.
• İyonlar farklı yüklü komşu (kordinasyon sayısı) iyon sayısını
maksimum tutacak şekilde bir araya gelirler..
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
23
2/18/2016
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 2
NaCl gibi iyonik bağ ile bir araya gelen moleküllerin
oluşturdukları katılara “iyonik kristaller” denir. İyon bağı
nedeni ile pek çok ortak özellikleri vardır.
•
Sert ve kırılgan malzemelerdir.
•
Bağlanma enerjileri 2-4 eV/atom civarındadır.
•
Kristal içinde dolaşan serbest elektronları yoktur. Bu
nedenle
elektriksel
iletkenlikleri
düşüktür,
yalıtkandırlar.
•
Görünür ışık için geçirgendirler.
•
Su gibi polar sıvılar içerisinde kolay çözülürler.
BÖLÜM 2
48
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
24
2/18/2016
2.7.2. Kovalent Bağlar
Kovalent
bağlarda kararlı
elektron
konfigürasyonu
komşu atomlar
arasında elektron
paylaşımı ile
sağlanır.
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 2
• Karbon atomu
tarafından paylaşılan
elektronlar
• Hidrojen atomu
tarafından paylaşılan
elektronlar
From Material Science and Engineering, 8th Edition, W.D.Callister, ( John Wiley & Sons, 2011)
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
25
2/18/2016
Her karbon atomu değerlik bandında 4 elektron her hidrojen atomu ise
değerlik bandında 1 elektron bulundurur.
Her hidrojen atomu değerlik elektronlarını karbon atomunun
elektronları ile paylaştığında H, He elektron konfigürasyonuna C ise Ne
konfigürasyonuna benzer bir yapıya sahip olur.
Ortak kullanılan elektronlar ait oldukları atomlar arasında bir bağ
oluşturur. Bu bağ kovalent bağdır.
51
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 2
oluşan bu molekül Metan’dır ve gaz formundadır.
Bağ yapan elektronlar arasındaki elektrostatik
etkileşim nedeni ile Hidrojen atomları üç boyutta
tetrahedronun köşelerine, aralarındaki açı 109.5o
olacak şekilde yerleşir. Sonuç olarak sistem
kendine ait potansiyel enerjiyi minimum yapacak
yeni bir düzen oluşturur.
Bu paylaşım ile üç boyutta
birbirlerine kovalent bağ ile
bağlanmış karbon yapısı elde edilir.
Bu yapı ‘Elmas’ yapı olarak bilinir.
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
26
2/18/2016
Pek çok ametal molekülü (H2, Cl2, F2); H2O, CH4, HNO3 gibi farklı
atomlardan oluşan moleküller; elmas, silikon, germanyum gibi
elemental katılar ve GaAs, InSb, SiC gibi bileşikler kovalent yapıya
sahiptir.
H
2.1
Li
1.0
Na
0.9
K
0.8
Be
1.5
Mg
1.2
Ca
1.0
Rb
0.8
Cs
0.7
Sr
1.0
Ba
0.9
Fr
0.7
Ra
0.9
column IVA
H2O
H2
C(diamond)
SiC
Ti
1.5
Cr
1.6
Fe
1.8
Ni
1.8
Zn
1.8
Ga
1.6
C
2.5
Si
1.8
Ge
1.8
F2
He
-
O
2.0
As
2.0
Sn
1.8
Pb
1.8
F
4.0
Cl
3.0
Ne
-
Br
2.8
Kr
-
I
2.5
Xe
-
At
2.2
Rn
-
Cl2
Ar
-
GaAs
N’ adet değerlik elektrona sahip bir atom en fazla 8-N’ sayıda kovalent
bağ yapabilir.
Adapted from W. D. Callister, Materials Science and Engineering: An Introduction
BÖLÜM 2
John Wiley 2003, 6th edition
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
• Paylaşılan elektronlar ve (+) yüklü çekirdek arasındaki
kuvvetli elektrostatik etkileşmeden dolayı kovalent bağ
enerjisi tüm bağ çeşitleri içinde en yüksek olanıdır.
• Bunun sonucunda erime noktası çok yüksek ve çok sert
katılar ortaya çıkar.
Buna örnek olarak karbondan oluşan ve bilinen en sert
malzemelerden olan elması verebiliriz.
• Ayrıca kovalent bağlar sadece bağa katılıp elektronlarını
paylaşan 2 özel atom arasında meydana geldiğinden
yöne bağlıdır.
BÖLÜM 2
54
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
27
2/18/2016
•
İyonik katılara göre bağlanma enerjileri büyüktür.
(4-7eV/atom). Bu da yüksek erime ve kaynama
noktası değerleri oluşturur.
•
Neredeyse hiçbir çözücü içinde çözülmezler.
•
Elektriksel iletkenlikleri düşüktür.
Yük taşıyıcılarının atlamak zorunda oldukları yasak
band aralığı değerine bağlı olarak yalıtkan ya da yarı
iletkendirler.
•
Sert ve kırılgan yapıdadırlar.
BÖLÜM 2
2.7.3. Metalik Bağlar
55
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Metal atomları serbest hale
gelmeleri
zor
olmayan
yalnızca bir kaç tane değerlik
elektronuna sahiptir. Birden
fazla metal atomu katı
oluşturmak üzere bir araya
geldiklerinde
değerlik
elektronları ait oldukları
atomlardan kolayca ayrılır ve
tüm atomlara ait olan
elektron grubu haline gelir.
Metal içinde serbest kalan değerlik elektronları iyonlar arası
boşluğu dolduran bir ‘elektron gazı’, ‘elektron bulutu’ ya da
‘elektron denizi’ ne benzetilir.
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
28
2/18/2016
Negatif yüklü elektron gazı ile metal iyonları arasındaki çekim
enerjisi elektronları başlangıçta metal iyonlarından ayırmak
için gerekli enerjiyi karşılar.
Serbest elektronlar + yüklü iyon çekirdeklerini perdeleyerek
iyonlar arasında oluşacak karşılıklı itme kuvvetini de önler.
Metal içinde bağlanma
serbest elektron bulutu ile
metal iyonları arasında
ortaya çıkar.
Dolayısıyla metalik bağlar
da yöne bağlı değildir.
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 2
•
(+) yüklü örgü iyonları ile (-) yüklü elektron bulutu
arasındaki Coulomb Etkileşimi ile oluşurlar.
•
Bağlanma enerjileri genel olarak 1-4 eV/atom
aralığındadır.
•
Elektriksel iletkenlikleri yüksektir.
•
Isıl iletkenlikleri yüksektir.
•
Görünür ışığı soğururlar (geçirgen değildirler)
•
Kırılmaya karşı yüksek direnç gösterirler.
BÖLÜM 2
58
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
29
2/18/2016
2.8. İkincil Bağlar ya da Van Der Waals Bağları
İkincil Bağlar = Van Der Waals Bağları= Fiziksel Bağlar
 Elektron transferi ya da paylaşımı yoktur
 Atomik/moleküler dipol etkileşimleridirler
 Zayıf bağlardır (< 100 KJ/mol ya da < 1 eV/atom)
•Kalıcı Dipol Bağları (Polar Moleküller - H2O, HCl...)
•Polar molekül- indüklenmiş dipol Bağları
•Salınan İndüklenmiş Dipol Bağları (Asal Gazlar,
H2,Cl2…)
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Birbirinden belli bir mesafede ayrılmış eşit büyüklükte
fakat zıt işaretli iki yük sisteminin oluşturduğu yapıya
“elektrik dipol”leri denir.
Bazı moleküller (Polar Molekül )pozitif ve negatif bölgelerinin asimetrik
düzenleri nedeni ile kalıcı dipol momentlerine sahiptirler (H2O, HCl).
Uygun şekilde yerleşmiş komşu polar moleküller arasında Kalıcı dipol
bağları oluşur. Bunlar ikincil bağlar arasında en kuvvetli olanlardır.
BÖLÜM 2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
30
2/18/2016
Polar moleküller komşu apolar moleküller üzerinde dipoller
indükleyebilirler ve bu indüklenmiş ve kalıcı dipoller
arasındaki çekim nedeni ile kalıcı dipol (Polar Molekül)indüklenmiş dipol Bağları oluşur
Adapted from Fig. 2.13, Callister 6e.
BÖLÜM 2
61
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Bazen elektriksel olarak simetrik atom ya da moleküllerde de
elektron bulutunun salınımı (hareketi) nedeni ile elektriksel
dipoller oluşabilir. Bir atomun elektrik alanının salınımı komşu
atom tarafından hissedilir ve bu atomda bir indüklenmiş dipol
momenti oluşur. Bu durumda Salınan İndüklenmiş Dipol
Bağları’nı ortaya çıkarır. Bunlar ikincil bağlar arasında en zayıf
olanlardır. (Asal Gazlar, H2,Cl2…)
BÖLÜM 2
62
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
31
2/18/2016
Hidrojen Bağı
En kuvvetli ikincil bağ tipi olan ‘hidrojen bağları’ özel bir
polar molekül bağıdır. Hidrojenin Flor, Oksijen, Nitrojen gibi
kovalent bağlarla bağlandığı moleküllerde ortaya çıkar.
Hidrojen Bağı
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 2
Her H-F, H-O ya da H-N bağında hidrojen tek
elektronunu diğer atomla paylaşır ve bağın bir
ucunda hiçbir elektronla çevrelenmeyen çıplak
hidrojen çekirdeği (+ proton) kalır. İşte molekülün bu
(+) yüklü ucu komşu moleküle kuvvetli bir çekim etkisi
uygulayarak hidrojen bağını oluşturur
MSE 2090: Introduction to Materials Science
BÖLÜM 12
BÖLÜM
Chapter 2, Bonding
University of Virginia
Y.Doç.Dr.
N.B. Teşneli
Y.Doç.Dr.
N.B. Teşneli
32
2/18/2016
H
Cl
+
-
H
Cl
H
Cl
Hidrojen Bağı
BÖLÜM
BÖLÜM12
Y.Doç.Dr.
Teşneli
Y.Doç.Dr.
N.B. N.B.
Teşneli
33