Microsoft PowerPoint - Malzeme_Atomun Yap
advertisement
MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MALZEME BİLİMİ Atomun Yapısı ve Özellikleri - Atomlar Arası Bağlar Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR ATOM MODELİ 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. Bir protonun kütlesi bir nötronun kütlesine yaklaşık olarak eşit olmasına karşın elektronun kütlesinin tam 1836 katıdır. Protonun kütlesi yaklaşık olarak 1.673x10^-24 g, nötronun kütlesi 1.675x10^-24 g ve elektronun kütlesi 9.11x10^-28 g’dır. Çekirdek yarıçapı 10^-12 cm mertebesinde olup, bu değer 1 A (10^-8 cm) mertebesindeki atom çapından çok daha küçüktür. 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. O durumda yükler karşılıklı olarak dengelenmiş olurlar. ATOM MODELİ 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 Bir elementin farklı kütle sayısına sahip atomlarına o elementin izotopları denir. Aynı elementin izotopları o elementin atom numarasına, dolayısıyla o elementin proton sayısına sahip olacaktır. Kütle sayılarını farklı yapan unsur nötron sayılarının farklılığıdır. Doğada bulunan elementler farklı izotoplardan oluşur. Bu nedenle bir elementin atom ağırlığı izotoplarının ortalama ağırlığı olup, bu değer tam sayı olmayabilir. Bir elementin atom ağırlığı, C’nun atom ağırlığına göre belirlenir. Elementin kimyasal özelliklerini, o elementlerin elektronları belirler. Proton adetleri eşit olan atomlar eşit elektronlara da sahip olacakları için aynı kimyasal özelliktedirler. Yani bir elementin hangi izotopu alınırsa alınsın, aynı kimyasal özellikler beklenmelidir. Fakat bu izotopların bazı fiziksel özellikleri birbirlerinden faklılık gösterebilirler. Örneğin bazı izotoplar radyoaktif olmalarına karşın diğerleri değildir. ATOM MODELİ Atom numaraları birbirlerine yakın elementlerin bazı izotoplarının kütle sayıları birbirlerine eşit düşebilir. Proton adedi farklı, fakat kütle sayıları eşit olan atomlara izobar denir. Kütle sayıları peş peşe gelen farklı elementlerin izotoplarına da izoton denir. 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 dışarıdan elektron alıp vermesiyle gerçekleşir. ATOM MODELİ 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. 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. ATOM AĞIRLIĞI Atom ağırlığı kavramı iki yönden incelemek gerekir; bağıl atom ağırlığı, gerçek atom ağırlığı. Bağıl atom ağırlığı: Bir elementin atom ağırlığı denince bağıl atom ağırlığı anlaşılır. Bağıl olduğu için birimsizdir. Burada kullanılan bağıllık, kütle sayısı 12 olan karbon izotopundan, yani C12’den gelmektedir. C12 karbonun doğada en çok bulunan izotopudur ve proton sayısı nötron sayısına eşittir. Diğer atomların kütle sayıları bu karbon atomun kütle sayısının 1/12’sine bölünür ve çıkan değer o elementin atom ağırlığı olarak verilir. Gerçek atom ağırlığı: Burada atomun gerçek ağırlığı olan tartı ağırlığını anlamak gerekir. Birimi gram veya kg dır. Bağıl atom ağırlığının Avagadro sayısına bölünmesiyle elde edilir. Bütün elementlerin atom ağırlıklarının kesirli olmasının nedeni: Karbon da dahil olmak üzere bütün kimyasal elementler değişik kütle sayılı izotoplardan oluşur. Atom ağırlık olarak, o elementin atom ağırlığı olarak o elementin bütün izotoplarının oranları ayrı ayrı göz önüne alınarak kütle sayılarının ağırlıklı ortalaması alınır ve bu da o elementin atom ağırlığının verir. ATOM Atomun Kabuk modeli. Elektronlar belirli kabuk ve alt kabuklarda bulunmak zorundadır. Proton ve nötronları bir arada çekirdek içinde tutan 10-15 m’de etkin olan çekirdek kuvvetleri tarafından tutulmaktadır. Çekirdek Kuvveti-Nükleer Kuvvet Bu kuvvet benzer yükler arasında kısa mesafede ortaya çıkan büyük itme kuvvetinin çok üzerinde olduğundan çekirdek kararlıdır. Elektronlar çekirdek boyutu ile karşılaştırıldığında büyük yarıçaplı yörüngelerde bulunmaktadır. ATOMİK YAPI Modern anlamda atomlar atom altı (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 ATOMİK YAPI Proton ve nötronlar atomun çekirdeğini oluştururlar ve genel olarak nükleus olarak tanımlanırlar. Atomlar sub atomik partiküllerin sayılarına bağlı olarak değişirler. Aynı elementin proton sayıları (atom numarası) aynı olabilir. Ancak nötron sayıları değişebilir. Nötron sayıları farklı olan aynı elementler izotoplara sahiptirler. Atom çekirdeğindeki proton ve notron sayısı nükleer füzyon veya fizyon ile değiştirilebilir. Bu yüksek enerjili sub atomik parçalarla yapılara bir element başka bir elemente dönüştürülebilir. He elementinin atomik yapısı Siyah bölge: Elektron bulutu Kırmızı daireler: Protonlar Mor daireler: Nötronlar ATOMİK YAPI Atom boyutu ile karşılaştırmalar Bir insan saçı genelde 12-20 mikrometre çapında ve yaklaşık olarak 1 milyon karbon atomu genişliğindedir. Bir damla su yaklaşık 2 10^21 oksijen atomu ve iki katı kadar da hidrojen atomu içerir. HIV virüsü 800 karbon atomu genişliğinde ve 100 milyon atom içerir. Tipik insan hücresi 100 trilyon atomdan ibarettir. 12 gram kömürde yaklaşık 6 x 10^23 adet atom vardır. ATOMUN YAPISI Çekirdek Çapı: 10^-11 mm Atom Çapı: 10^-7 mm ATOMALTI YAPI Atom numarası atomdaki elektron veya proton sayısına eşittir. Atom ağırlığı/kütlesi atomdaki proton ve nötronların ortalamasına eşittir. Atomun Avogadro sayısının NA kütlesine eşittir. NA=6.02x10^-23 atom/ mol^-1. Avogadro sayısı elementin bir molündeki atomların veya moleküllerin sayısına eşittir. Atomik kütlenin birimi g/g.mol’dur. Bir elementin atomik kütle birimi atomun kütlesinin karbon elementinin kütlesinin 1/12’si olarak bilinir. Örnek Nikel atomlarının %70’i 30 adet nötron içerirken kalan kısmımda nötron sayısı 32’dir. Nikel’in atom numarası 28’dir. Nikelin ortalama atom kütlesini hesaplayınız? Çözüm 30 nötronlu Ni için atom kütlesi= 30+28=58 g/g.mol Ni58 izotopu 32 nötronlu Ni için atom kütlesi= 32+28= 60 g/g.mol Ni60 izotopu Nikelin atom kütlesi = 0.70x58+0.30x60=58.6 g/g.mol 100 g’daki gümüş atomlarının sayılarını hesaplayınız. ATOMALTI YAPI Gezegen modeli ATOMALTI YAPI Atom Çekirdek • Nötron (yüksüz) • Proton (+ yüklü ≈ + 0.16 x 10^-18 Coulomb) Elektron (- yüklü ≈ -0.16 x 10^-18 Coulomb) Scanning Tunnelling Microscope ATOM Proton Ağırlığı = Nötron Ağırlığı Proton Sayısı = Nötron Sayısı “İzotop”: Proton Sayısı ≠ Nötron Sayısı Atom Numarası = Proton Sayısı Atomsal Kütle Birimi = Proton Ağırlığı = 1 amu = 1,66 x 10-24 g. Avagadro sayısı = 6,023 x 10-23 Elektronun kütlesi = 0.911 x 10-27g ATOMUN ELEKTRONİK YAPISI Atomik fizik ve kuantum kimyasında elektronların konfigürasyonu elektronların atomda, molekül veya diğer fiziksel yapılarda (kristallerde) düzenlenmesi anlamındadır. Değişik atomlarda atomların düzeni periyodik tablonun anlaşılmasında, molekülleri bir arada tutan kimyasal bağların anlaşılmasında yararlıdır. Elektronlar atom içerisinde değişik enerji seviyelerini işgal ederler. Bir elektronda iki elektrondan fazlası aynı enerji seviyesine sahip olamaz. 1. Atom numarası 6 C 12.01 2. Kütle numarası (Atom ağırlığı) 3. 4. Atom numarası: Proton sayısı = 6 Nötr atomda, Proton sayısı = Elektron sayısı = 6 Alt quantum (kabuk) sayıları 1s2 2s2 2p2 Quantum (kabuk) sayıları Elektron sayıları 4 kuantum seviyesi: Birincil kuantum sayısı (ana kabuk) İkincil kuantum sayısı (yörünge kabuk) Manyetik kuantum sayısı Elektron dönme kuantum sayısı ELEKTRON DÜZENİ 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 ELEKTRON DÜZENİ Elektron düzenlerine örnekler: Niçin bazı malzemeler manyetiklik bazıları ise yüksek ergime sıcaklığı gösterir? Valans elektronları, kimyasal reaksiyonlar süresince kendi atomunu terk edebilecek ara tabakasını tam doldurmamış elektronlardır. Elektronun kütlesi = 0.911 x 10-27g Dualite özelliği gösterirler. → Dalga özelliği → Parçacık özelliği Elektronlar çekirdek etrafında “yörünge-orbital”lerde dönerler. Bu yörüngeler farklı mesafelerde bulunur ve ana quantum sayıları (1, 2, 3, 4) ile ifade edilir. Ana kabuklar içerisinde alt kabuklar (s, p, d, f) vardır. Elektron sayıları: s=2, p=6, d=10, f=14 Elektronlar en alt kabuktan başlayarak sırayla kabukları doldururlar. Birincil kuantum sayısı (ana kabuk) n= 1,2,…7 n= 1 = K kabuğu = 2 elektron n= 2 = L kabuğu = 8 elektron n= 3 = M kabuğu = 18 elektron n= 4 = N kabuğu = 32 elektron n= 5 = O kabuğu = 50 elektron n= 6 = P kabuğu = 72 elektron n= 7 = Q İkincil kuantum sayısı (yörünge kabuk) (l) l = 0,1,2,3 l=0=s l=1=p l=2=d l=3=f Tayf çizgilerinin yoğunluğunu tanımlayan kelimelerdir. sharp (s), principle (p), diffuse (d), fundemantal (f) Kuantum sayısı arttıkça ve alt kabuk s’den uzaklaştıkça elektronu bağlayan enerji seviyesi düşer. Elektronun bu seviyeden uzaklaşması kolaylaşır. 1s2 2s2 2p2 Hibrit (hybridization): Daha simetrik dağılım. 1s2 2s1 2p3 Elektron alışverişi en dış yörüngede daha kolay olur. PERİYODİK CETVEL Kimyasal elementlerin gösterildiği tablodur. Rus kimyacı Dmitri Mendeleev tarafından 1869 oluşturulmuştur. Ekim 2006 itibari ile 117 onaylanmış elemente sahip. Periyodik cetvel elementlerin artan atom numaralarına göre dizilimini gösteren bir tablodur. Bu tabloda belli kimyasal özellikleri birbirine yakın olan elementler, belli gruplarda toplanmıştır. Öncelikle periyodik cetvelin bazı gruplarını inceleyelim: PERİYODİK CETVEL PERİYODİK CETVEL PERİYODİK CETVEL PERİYODİK CETVEL SOY GAZLAR • Periyodik cetvelin 8a grubu elementleridir. • He , Ne , Ar , Kr , Xe , Rn bu grubun elementleridir. • Grupta He dışındaki tüm elementler kararlı elementlerdir. • Erime ve kaynama noktaları çok düşüktür. Grupta yukarıdan aşağıya gidildikçe erime ve kaynama noktaları yükselir. • • • • Tümü tek atomlu renksiz gaz halindedir. Yalnız Rd radyoaktif olup çekirdeği dayanaksızdır. Doğada çok az bulunurlar. İyonlaşma enerjileri, sıralarında, en yüksek olan elementlerdir. PERİYODİK CETVEL Hidrojen Kendi başına bir gruptur Diatomik reaktif gazdır Hinderberg patlamasına sebep olmuştur. Otomobillerde alternatif yakıt olarak kullanımı gündemdedir. PERİYODİK CETVEL ALKALİ METALLER • Periyodik cetvelin 1a grubu elementleridir • Li, Na, K, Rb, Cs, Fr bu grubun elementleridir. • En yüksek temel enerji düzeylerinde bir elektron vardır. • Bileşiklerinde ( +1 ) değerlik alırlar. • Yumuşak, bıçakla kesilebilen, hafif metallerdir. • Elektrik akımı ve ısıyı iyi iletirler. PERİYODİK CETVEL • • • • • Erime ve kaynama noktaları diğer metallerden düşüktür. Grupta yukarıdan aşağıya doğru erime ve kaynama noktaları düşer. Özkütleleri düşük olan elementlerdir. İyonlaşma enerjileri, sıralarında, en düşük olan elementlerdir. Tepkime verme yatkınlıkları çok fazladır. Tabiatta daha çok bileşikleri halinde bulunurlar. PERİYODİK CETVEL TOPRAK ALKALİ METALLER • Periyodik cetvelin 2a grubunda yer alan elementlere toprak alkali metaller adı verilir. • Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra bu grubun elementleridir. • Bileşiklerinde +2 değerliklidirler. • Isı ve elektrik akımını iyi iletirler. • Alkali metallerden daha sert erime ve kaynama noktaları daha yüksektir. • İyonlaşma enerjileri alkali metallerden daha yüksektir. PERİYODİK CETVEL HALOJENLER • Periyodik cetvelin 7a grubunda yer alan elementlerdir. • F, Cl, Br, I, At bu grubun elementleridir. • Bileşiklerinde -1 ile +7 arasında ceşitli değerlikler alabilirler. Ancak F bileşiklerinde sadece -1 değerlik alır. • Erime ve kaynama noktaları grupta aşağıdan yukarıya doğru azalır. • Elektron alma istekleri en fazla olan elementlerdir. PERİYODİK CETVEL HALOJENLER • Tümü renklidir. • Tümü zehirli ve tehlikelidir. • Element halinde 2 atomlu moleküllerden oluşurlar (F2,Cl2 , Br2 , I2 , At2 ). • At (Astatin) doğada bulunmayan, ancak radyoaktif olaylarla oluşan bir elementtir. • Oda koşullarında F ve Cl gaz, Br sıvı, I ise katı haldedir. ÜÇÜNCÜ SIRA ELEMENTLERİ • Periyodik cetvelin üçüncü sırası Na (sodyum) metali ile başlar Ar (argon) ile biter. • Periyodik cetvelin aynı grubundaki elementlerin değerlik elektron sayıları aynı, özellikleri de birbirine benzerdir. Ancak bir sırada bulunan elementlerin başta değerlik elektron sayıları olmak üzere birçok özellikleri farklılık gösterir. Dolayısıyla da fiziksel ve kimyasal özeliklerde önemli değişiklikler söz konusudur. • Buradan sonuç olarak sodyumdan başlayarak argona kadar devam eden elementler birbirlerinden fiziksel ve kimyasal özellikleri bakımından ayrılmışlardır. PERİYODİK CETVEL ÜÇÜNCÜ SIRA ELEMENTLERİ • Üçüncü sıranın elementleri şunlardır: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar • Üçüncü sıranın ilk üç elementi Na, Mg ve Al metal, dördüncü element olan silisyum yarı metal, daha sonra gelen P, S, Cl ve Ar elementleri ise ametaldir. • Na, Mg ve Al elektrik akımını ve ısıyı iyi iletir. P, S, Cl ve Ar elementleri ısıyı ve elektriği iletmez. • Soldan sağa doğru sırada özkütle, erime ve kaynama noktası gibi özeliklerde büyük farklılık vardır. Yine soldan sağa doğru genel olarak iyonlaşma enerjileri arttığından metal özelliği azalıp ametal özelliği artar. PERİYODİK CETVEL DÖRDÜNCÜ SIRA GEÇİŞ ELEMENTLERİ • Buraya kadar incelediğimiz gruplar ve sırada değerlik elektronları s ya da p orbitallerinde bulunuyordu. Yani a gruplarındaydı. Geçiş elementlerindeyse değerlik elektronları d orbitallerinde bulunur ve bu elementler 2a ve 3a grubu arasında yer alır. • Periyodik cetvelin 21 atom numaralı skandiyum ile başlayıp 30 atom numaralı çinko ile biten sıradaki elementler ile bunların altında kalan tüm elementler, geçiş elementleri grubuna girer. PERİYODİK CETVEL DÖRDÜNCÜ SIRA GEÇİŞ ELEMENTLERİ • Dördüncü sıra geçiş elementleri: Se, 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. • Kimyasal tepkimelere yatkınlık bakımından aralarında çok büyük farklılık vardır. • • 1a , 2a , 3a grubundaki metallerin yalnız bir tür değerliği söz konusuyken geçiş elementlerinin farklı değerlikli birçok bileşikleri vardır. Geçiş elementlerini diğer metallerden farklı kılan özellik yalnız s orbitalinden değil, tam dolu olmayan d orbitalininde bileşik oluşturma ile ilgili olmalarıdır. Periyodik cetvelin altına iki sıra halinde yazılan elementlere İçgeçiş Elementleri ya da İçgeçiş Metalleri denir. PERİYODİK CETVEL • İYONLAŞMA ENERJİSİ Bir atomdan elektron uzaklaştırmak için atoma enerji verilir. Verilen bu enerji bir büyüklüğe ulaşınca atomdan bir elektron kopar. Kopan bu elektron çekirdek tarafından en zayıf kuvvetle çekilen yani atom çekirdeğinden en uzakta bulunan elektrondur. Bir atomdan elektron koparmak için gerekli enerjiye İyonlaşma Enerjisi (Ei) denir. Çekirdekle elektron arasında çekme kuvveti ne kadar fazla ise iyonizasyon enerjisi o kadar artar. PERİYODİK CETVEL • İYONLAŞMA ENERJİSİ Bir atomda kaç tane elektron bulunuyorsa, o kadar iyonlaşma enerjisi vardır. Bunlardan en küçüğü birinci iyonlaşma enerjisidir. Çünkü ilk kopan elektron yüksüz bir elektrondan kopmaktadır. İkinci elektron +1 yüklü bir iyondan koptuğu için bir elementin ikinci iyonlaşma enerjisi, birinci iyonlaşma enerjisinden daha büyüktür. Atom çapı küçülmekte, elektron koparmak güçleşmektedir. PERİYODİK CETVEL • • ORTALAMA ATOMİK YARIÇAPI Bir atomda en üst enerji seviyesindeki atomların atom çekirdeğine olan ortalama uzaklığına Ortalama Atomik Yarıçap denir. Periyodik cetvelde soldan sağa doğru gittikçe atom numarası (çekirdek yükü) arttığından en dıştaki elektron daha çok çekilir, ortalama atomik yarıçap küçülür. Gruplarda ise yukarıdan aşağıya gidildikçe temel enerji seviyesi arttığından dıştaki elektronlar daha az çekilir, ortalama atomik yarıçap artar. • • • Elektron veren atomun yarıçapı küçülür. İzotop atomlarda (proton sayıları aynı olan atomlarda) kütle numarası büyük olan atomun yarıçapı daha küçüktür. Elektron sayıları aynı olan atomlarda proton sayısı büyük olan atomun yarıçapı daha küçüktür. PERİYODİK CETVEL ELEKTRON İLGİSİ (ELEKTRON AFFİNİTESİ): • Gaz fazındaki 1 mol nötral atoma 1 mol elektron bağlandığı zaman açığa çıkan enerjinin miktarına elektron ilgisi ya da elektron affinitesi (Eaf) denir. • Periyodik cetvelde soldan sağa, yukarıdan aşağıya doğru gidildikçe elektron ilgisi artar. Çünkü çekim arttığı için elektronun bağlanması kolaylaşır. • • METALİK ÖZELLİKLER Metalik özelliği elementlerin iyonlaşma enerjisi ile ilgilidir. İyonlaşma enerjisi düşük olan elementler metalik özelliğe sahip, iyonlaşma enerjisi yüksek olan elementler ise metalik özelliğe sahip değildir. Periyodik cetvelde soldan sağa, yukarıdan aşağı gidildikçe metalik özellik azalır. PERİYODİK CETVEL • • ELEKTRONEGATİFLİK: Elektronegatiflik; elektronu çekme kapasitesine denir. Elektron ilgisi arttıkça elektronegatiflik artar. Elektron ilgisi fazla olan elementler daha elektronegatiftir. Bilinen en elektronegatif element flordur (F). Elektronegatiflik; periyodik cetvelde soldan sağa, aşağıdan yukarıya doğru artar. ATOMİK SEVİYEDE YAPI Her malzeme atomlardan oluşur. Bu atomlar bir araya geldiğinde bir birine bağlanmaları gerekir. Atomları bir arada tutan faktör “atomlar arası bağ”dır. ATOMLAR ARASI BAĞ Kuvvetli bağlar (primary) İyonik Kovalent Metalik Zayıf bağlar (secondary) Van der Waals EN KARARLI ELEMENTLER Elektron hareketleri daima en kararlı hale ulaşmaya çalışır. En belirli bir kuantum 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. METALİK BAĞ 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 bağ Atomların valans elektronlarını vererek elektron denizi oluşturmaları ile oluşurlar. Pozitif yüklü atom çekirdekleri negatif yüklü elektronların karşılıklı çekimi ile birbirlerine bağlanırlar. METALİK BAĞ 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. Metale voltaj uygulandığında elektron denizindeki elektronlar kolayca hareket ederek akımı taşırlar KOORDİNASYON SAYISI Koordinasyon sayısı: Herhangi bir referans iyonu çevreleyen komşu iyon sayısıdır. Koordinasyon sayısı, yarıçap oranlarına bağlıdır. KOVALENT BAĞ İki veya daha fazla atom arasında elektronların paylaşıldığı bağ türüdür. Silisyum atomu 4 valans elektronuna sahip olup bu elektron sayısını 8’e tamamlamak için diğer silisyum atomunda bulunan 4 valans elektronunu paylaşır. Her elektron paylaşımı bir bağ olarak sayılır. Her silisyum atomu 4 komşu atomla bir elektron paylaşarak 4 kovalent bağ yapar. Güçlü bağlardır Yöne bağımlı bağlardır. Silisyum örneğinde tetrahedron oluşur ve açı yaklaşık 109º dir. Elektriği çok iyi iletmezler ve süneklikleri düşüktür. Kovalent bağlar atomların son yörüngelerini doldurmak için elektronların atomlar arasında paylaşıldığı bağlardır. KOVALENT BAĞ En dış yörüngede valans elektronlarının ortaklaşması (paylaşımı) ile oluşur. Kovalent bağda yönlenme söz konusudur (directional). Elmasta, polimer zincirlerinin içerisinde görülen bağ çeşididir. Şekil : Cl2 gazı için (AN= 17) 1) Gezegen modeli 2) Gerçekteki elektron yoğunluğu, 3) Elektron noktaları, 4) Bağ çizgileri. Şekil : Polietilenin spagetti benzeri yapısı. C-C ve C-H kovalent bağlar. Şekil : • 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 zincirler 3 boyutlu hacmi dolduracak şekilde esnekliğe sahiptir. Zincirler arasında “zayıf bağlar” olduğu için düşük erime sıcaklığı söz konusu. KOVALENT BAĞ Şekil : Elmasın 3D kovalent yapısı. CN = 4 Elmas bilinen en sert malzemedir Erime sıcaklığı 3500 oC. CN = 4 sp3 hibritleşmesi ile kovalent bağın yönlenmesidir. 1s2 2s2 2p2 1s2 2s1 2p3 KOVALENT BAĞ Şekil: Elmasta C’nun tetrahedral konfigürasyonu. Bağ açısı 109,5o 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 109,5o. KOVALENT BAĞ Silika nın (Si02), tetrahedral yapısı KOVALENT BAĞ Tablo : Kovalent bağlar için bağ enerjisi-bağ uzunluğu değerleri. Şekil: Bağ Enerjisi eğrisi - Bütün bağ çeşitleri için geçerli. Bağ uzunluğu ile enerji lineer değil. KOVALENT BAĞ Örnek: Termistor tasarımı Elektrik iletkenliğinde değişime bağlı olarak sıcaklık ölçen cihaz termistör olarak bilinir. 500 ile 1000 C aralığında çalışabilen termistör için uygun malzemeyi seçiniz. Çözüm Termistörün direnci sıcaklığa bağlı olarak artıp azalacak şekilde tasarlanır. Bunlar direncin pozitif (PTCR) veya negatif direnç (NTCR) katsayısı olarak bilinir. Sıcaklığa bağlı olarak termistörün direncinin değişmesi nedeniyle cihazlarda açma/kapama düğmesi cihaz belirli sıcaklığa eriştiğinde kullanılmaktadır. Bu tasarım için iki gereksinim vardır: Yüksek ergime sıcaklığına sahip malzeme seçilmelidir. Malzemenin elektrik iletkenliği sıcaklığın fonksiyonu olarak sistematik ve tekrar üretilebilir değişimler göstermelidir. Kovalent bağlı malzemeler uygundur. Bunlar yüksek ergime sıcaklığına sahip olup sıcaklık yükseldikçe daha çok kovalent bağ kırılacağından elektrik iletkenliğini sağlamak amacıyla katkıda bulunan elektron sayısı artar. Yarı iletken olan silisyum ilk seçenektir. 1410 oC’de ergir ve kovalent bağlıdır. Silisyum oksidasyona karşı korunmalıdır. Ticari olarak bulunan termistor örneği. KOVALENT BAĞ Polimerler temel bağ yapıları kovalent olmasına rağmen ergime/bozunma derecelerinin düşük olması nedeniyle uygun olmayabilirler. Termistörlerin çoğu baryum titanat temellidirler (BaTiO3). Çoğu negatif NTCR malzemeleri Fe3O4-ZnCr2O4, Fe3O4MgCr2O4, veya Mn3O4, olup Ni, Co, veya Cu ile aşılanmışlardır. Tüm tasarımlarda temel gereklerin yanısıra maliyet ve çevre etkileri de gözönüne alınmalıdır. Ticari olarak bulunan termistor örneği. İYONİK BAĞ Malzemede bir türden farklı atomlar mevcut ise ve bir atom valans elektronunu diğer farklı atoma vererek ikinci atomun dış kabuğunu doldurursa iyonik bağ oluşur. İki atomda enerji seviyesini doldurmuş/boşaltmış iyon haline gelmişlerdir. Elektronunu veren atom pozitif yüklü (katyon), alan atom ise negatif yüklenmiştir (anyon). Bu zıt yüklü iyonlar birbirlerini çekerek iyonik bağı oluştururlar. Güçlü bağlardır. Elektrik iletkenliği iyonun tüm iyonların hareketi ile sağlanır. Elektriği çok iyi iletmezler ve süneklikleri düşüktür. Şekil: İyonik bağ birbirine benzemeyen değişik elektronegativite değerine sahip atomlar arasında oluşur. Sodyum valans elektronunu klor’a verdiğinde ikisi de iyon haline geçer ve ikisi arasında çekim oluşur ve iyonik bağ kurulur. İYONİK BAĞ Örnek: Magnezyum ve Klor arsındaki İyonik Bağ ÇÖZÜM: Elektronik yapılar ve valansları: Her bir magnezyum atomu iki valans elektronunu vererek Mg2+ katyonuna dönüşür. Her bir klor atomuda bir elektron alarak Cl- anyonuna döner. Bu bağın oluşabilmesi için magnezyumun iki katı Cl iyonuna ihtiyaç vardır ve bileşik MgCl2 olarak oluşur. İyonlarda elektrik iletkenliği iyonların hareketi ile sağlanır. İyonların boyutlarının büyüklüğü nedeniyle elektronlar kadar hızlı hareket etmediği bilinmektedir. Ancak, çoğu teknolojik uygulamada artan sıcaklık, kimyasal potansiyel gradyantı veya elektrokimyasal itici güç ile iyonların hareketi oluşabilmektedir. Örnek olarak lityum iyon piller, lityum kobalt oksitler, cam üzerine dokunmaya duyarlı iletken indiyum kalay oksitler ve zirkonya temelli katı oksit yakıt pilleri (ZrO2) verilebilir. İYONİK BAĞ Şekil: İyonik malzemeye voltaj uygulandığında tüm iyon akımın geçmesi için hareket eder. İyon hareketi yavaş ve elektrik iletkenliği zayıftır. İYONİK BAĞ Daha kararlı yapı için bir atomdan diğerine e- transferi olabilir. Atomlar daha kararlı iyonlar haline gelir. İyonik bağ bu elektronların transferi ile olur. Farklı yüklü iyonlar her yönde komşu iyonu eşit kuvvetle çeker. Dolayısıyla yönlenme yoktur (nondirectional) ve iyonlar farklı yüklü komşu (kordinasyon sayısı) iyon sayısını maksimum tutacak şekilde istif olurlar. İYONİK BAĞ Na(11) 1s2 2s2 2p6 3s1 Cl(17) 1s2 2s2 2p6 3s2 3P5 Katyon Na+(10) 1s2 2s2 2p6 Ne(10) Cl-(18) 1s2 2s2 2p6 3s2 3P6 Anyon Ar(18) İYONİK BAĞ Elektron alışverişi ile zıt yüklü iyonlar haline gelirler. Farklı yüklü iyonlar birbirini çeker. “Coulomb çekim kuvveti” iyonları birbirine bağlar. Belirli bir yaklaşmadan sonra aynı yüklü çekirdekler birbirini iter. VAN DER WAALS BAĞI Bu bağda elektron transferi veya paylaşımı yoktur. Bağ; atom veya moleküllerde pozitif veya negatif yüklerin asimetrik dağılımı ile oluşan baskın bölgeler arasında oluşur. Bu yük asimetrisine dipol adı verilir. 2 çeşittir: Geçici ve kalıcı dipol Ar, asal elementtir. e- alış verişi zordur. İki Ar atomu yan yana geldiğinde yüklerde küçük distorsiyon ile oluşan geçici dipol atomları birbirine düşük enerji ile bağlar (0.99 kJ/mol) Şekil: Ar’da dipol oluşumu ve bu sayede oluşan bağ. VAN DER WAALS BAĞI Moleküllerin veya atom gruplarının zayıf elektrostatik çekimlerle biraraya gelmesini sağlayan bağ türüdür. Bir çok plastik, seramik, su ve diğer moleküller kalıcı olarak polarize olmuşlardır. Bu nedenle moleküllerin bir kısmı pozitif yüklüdür diğer kısmı ise negatif yüklüdürler. Bu iki molekül arasındaki zıt yüklü bölgeler elektrostatik çekim ile birbirlerine bağlanırlar. • İkincil bağ türüdür • Zayıf bağlardır VAN DER WAALS BAĞI Su kaynadığında önce van der waals bağları kopar ve su buharlaşır. Suyun bileşiminde bulunan hidrojen ve oksijen birbirlerine kovalent bağlı olan hidrojen ve oksijeni ayırmak için daha yüksek sıcaklıklara gerek vardır. VAN DER WAALS BAĞI Şekil (a) (PVC) de klor atomları polimer zincirine negatif yüklü olarak, hidrojen de pozitif yüklü olarak bağlanır. Zincirler bu nedenle birbirlerine van der Waals bağı ile bağlanırlar. Yük uygulandığında van der waals nedeniyle zincirler önce birbiri üstünde kayarlar. Bu yüzden PVC beklenildiği gibi kırılgan değildir. VAN DER WAALS BAĞI 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 momenti de 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. Önceki örnekte silikanın (SiO2) kovalent bağlı olduğunu (SiO2) gördük. Gerçekte silika iyonik ve kovalent bağın her ikisini de içerir. Silika bir çok uygulama alanına sahiptir. Cam ve optik fiberlerin yapımında kullanılmaktadır. Nano boyutlu silika lastiklerin güçlenmesi için araba lastiklerine eklenmektedir. Yüksek saflıktaki silisyum silikanın indirgenmesi ile elde edilir. Silika optik fiberlerin tasarım stratejileri: Silika optik fiberlerin yapımında kullanılır. Hem kovalent hem de iyonik bağa sahip olduğu için Si-O bağı oldukça kuvvetlidir. Silika yüzeylerinin suya karşı olan ilgisi nedeniyle silika mukavemetinin kötü etkilendiği bilinmektedir. Silika fiberlerin kırılmadan bükülebilmesi için nasıl bir strateji izlenmelidir? Çözüm: İyonik ve kovalent bağın varlığından dolayı Si-O bağ yapısının güçlü olduğu bilinmektedir. Kovalent bağın yöne bağımlı ve sünekliği düşük olduğu da bilinenler arasındadır. Bu yüzden, yüksek sıcaklıkta tutarak süneklik artırılabilir ancak yer altına döşenen optik fiber kablolar olduğu düşünüldüğünde bunun pekte mümkün olmadığı söylenebilir. Malzeme mühendisleri su ile reaksiyona giren silika fiberlerin silika yüzeyinde oluşan çatlaklar nedeniyle bükülemeyip kırıldığını gözlemişlerdir. Vakum altında yapılan deneyler sonrasında daha fazla büküldüğü gözlenmiştir. BAĞ ENERJİLERİN KIYASLANMASI Bağ enerjisi ve atomlararası mesafe Atomlararası mesafe iki atomun merkezleri arasındaki dengeli mesafe. Bağ enerjisi iki atomu dengeli bulundukları mesafeden ayırmak için gerekli enerjidir. Elastisite Modülü elastik bölgedeki gerilim-deformasyon eğrisinin eğimidir (E). Akma mukavemeti malzemenin kalıcı deformasyona başladığı gerilim değeridir. Isıl Genleşme Katsayısı (CTE) sıcaklık değiştiğinde malzemenin boyutlarının değişmesidir. Şekil: Atomlar veya iyonlar birbirlerinden belirli bir denge mesafesinde ayrılardır. Bu mesafe minimum atomlararası enerjiyi gerektirir. BAĞ ENERJİLERİN KIYASLANMASI Şekil: Atomlar arası enerji (inter-atomic energy, IAE)-iki atomun ayrılma eğrileridir. Eğrinin eğiminin güçlü ve derin olduğu malzeme düşük lineer ısıl genleşme katsayısına sahiptir. BAĞ ENERJİLERİN KIYASLANMASI Şekil NASA’nın uzay mekiğinin uzaktan kumandalı sistemi. Uzay Mekiği Kolunun Tasarımı NASA’nın uzay mekiğinde uzun robot kolları vardır. Astronotların uydularla birleşmesi ve ayrılmasını sağladıkları gibi video kamera ile uzay mekiğinin dışarıdan izlenmesini de sağlarlar. Bu uygulamalara uygun malzeme seçiniz? Çözüm: İlk malzeme yük uygulandığında çok az eğilir. Bu özellik operatörün manevralarında rahatlık sağlar. Genel olarak, güçlü bağ yapısı, yüksek ergime sıcaklığı, yüksek elastisite modülü veya mukavemet gereklidir. İkinci olarak, malzeme hafif, maksimum yük taşınımı, ve düşük yoğunluk gerekmektedir. Tahmini maliyet: US $100,000. İyi mukavemet (stiffness) yüksek ergime sıcaklığına sahip metallerde (Berilyum ve tungsten), seramikler ve fiberlerdir (karbon). Tungsten, yüksek yoğunluğa sahip ve oldukça kırılgandır. Berilyum, elastisite modülü yüksek ve alüminyumdan daha düşük yoğunluğa sahiptir. Ancak, Be toksiktir. Tercih edilen malzeme epoksi içine gömülen karbon fiber kompozit olabilir. Karbon fiberler, yüksek elastisiteye ve düşük yoğunluğa sahiptir. Uzaydaki ortamdan dolayı yüksek ve düşük sıcaklıklara maruz kalması da gözönüne alınmalıdır. Uzay mekiği robot kolu 45 feet uzunluğunda, 15 inç çapında ve 900 pounddur. 260 ton yük kaldırabilir. Şekil NASA’nın uzay mekiğinin uzaktan kumandalı sistemi. KISA ÖZET… ÖZET: İyonik bağ: Elektron transferi söz konusu ve yönlenme yoktur. Kovalent bağ: Elektron paylaşımı vardır ve yönlenme söz konusudur. Metalik bağ: Yine elektron paylaşımı söz konusudur fakat yönlenme yoktur. Süblimasyon katıdan direk olarak gaz fazına geçme anlamına gelir. Sublimasyon enerjisi, bağ enerjisi değerleri hakkında fikir verir. FİZİKSEL ÖZELLİKLER Özgül ağırlık: Kuvvetli bağlarda yüksek CN. Belli hacimde daha fazla atom miktarı. Elektrik iletkenliği: Yapıda bulunan serbest elektronlar tarafından sağlanır. SiC’de metalik + 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 birbirinden 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 atomik bağların kopması anlamına gelir. Kuvvetli bağlara sahip malzemeler yüksek erime sıcaklığına sahiptir. SiC: Silisyum Karbür Yararlanılan Kaynaklar/Eserler Prof. Dr. Adnan Dikicioğlu, Malzeme Bilimi, Sunumlar, İTÜ. Prof. Dr. Kaşif Onaran, “Malzeme Bilimi”, Bilim Teknik Yayınevi, 2003. Yrd. Doç. Dr. Hüseyin Uzun, Prof. Dr. Fehmi Fındık, Prof. Dr. Serdar Salman, Malzeme Bilimin Temelleri, Değişim Yayınevi, 2003. Prof. Dr. Ahmet Aran, “Malzeme Bilgisi Ders Notları”, İTÜ Makine Fakültesi, 2007-2008. Yrd. Doç. Dr. Şeyda Polat, Yrd. Doç. Dr. Ömer Yıldız, “Malzeme Dersi Notları”, Kocaeli Üniversitesi Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü. Asst. Prof. Dr. C.Ergun, MAK214E-Malzeme Dersi Notları”, İTÜ. Prof. Dr. İrfan Ay / Arş. Gör. T. Kerem Demircioğlu, “Malzeme Seçimi Ders Notları”. William F. Simith (Tercüme: Nihat G. Kınıklıoğlu), Malzeme Bilimi ve Mühendisliği William D. Callister, Davit G. Rethwisch, Material Science and Engineering Prof. Dr. Gültekin Göller, Doç. Dr. Özgül Keleş, Araş. Gör. İpek Akın, Malzeme Bilimi Ders Sunumları Prof. Dr. Mehmet Gavgalı , Prof. Dr. Akgün Alsaran – Yrd. Doç. Dr. Burak Dikici, “Malzeme Bilimi Ders Slaytları” Not: Eserlerinden yararlandığım tüm bilim insanlarına teşekkürlerimi sunarım. / Dr. Abdullah DEMİR
