Embed Size (px)
Citation preview
10.11.2012
1
1
LENECEK KONULAR...
• Ba lar neden olu ur?
• Bu ba lar n çe itleri nelerdir?
• Hangi özellikler ba lara ba r?
Bölüm 2: Atomsal Yap & Atomlararas Ba lar
Kat maddelerin baz ba ca özellikleri atomlar n dizili ekillerine ve bu madde içerisinde bulunan atomlar veya moleküller aras ndaki etkile ime ba r.
2
Atomsal Yap
• atom – elektronlar – 9.11 x 10-31 kgprotonlarnötronlar } 1.67 x 10-27 kg
•Her atom proton ve nötronlardan olu an çok küçük bir çekirdek ve onun etraf nda hareket eden elektronlardan meydana gelir.
•Elektronlarla protonlar n elektriksel yükleri e ittir•De eri 1.60x10-19 C olup
•Elektronlarda negatif,•Protonlarda pozitif de erdedir.•Nötronlar elektriksel yük ta mazlar.
•Atom içerisindeki bu parçac klar n kütleleri sonsuz derecede küçüktür; protonlarve nötronlar yakla k olarak ayn kütleye sahiptir ve elektronlar nkinden önemli derecede büyüktürler.
3
• Atom say = çekirdekteki proton say= nötr elemanlarda elektron say
•Her kimyasal eleman çekirde indeki proton say veya ATOM SAYISI ile tan mlan r.
•Elektriksel olarak “nötr” veya “tamamlanm ” bir atom için atom say elektron say na e ittir:
•“Hidrojen” için 1 iken “Uranyum” için 92’dir
ATOM SAYISI
4
•Bir atomun a rl = Çekirde indeki nötron ve protonlar n kütlesel toplam r.
•Atom a rl k birimi (amu) : Atomsal a rl n hesaplanmas nda kullan r.
•Bir eleman n atomsal a rl veya bir bile in moleküler a rl , malzemenin “birim atomdaki (moleküldeki) amu de eri ” veya “bir molünün kütlesi” olarak tan mlan r.
ATOM A IRLI I / ATOM A IRLIK B
A [=] atom a rl k birimi = amu = 12C 1/12’si (kütlece)
•Bir atomun proton say sabit olsa da ayn ey nötronlar için geçerli olmayabilir.•Bundan dolay baz elemanlar n atomlar iki veya daha fazla atom kütlesine sahip olabilir. Bunlara izotop denir.•Bir eleman n atomsal a rl atom kütlelerinin do al olarak olu turduklar izotoplar n ortalama a rl r.
Click h
ere to
buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.comClic
k here
to buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.com
10.11.2012
2
5
Atomsal a rl k = 6.023 x 1023 molekül veya atomun a rl
1 amu/atom = 1g/mol
C 12.011H 1.008 gibi...
•Herhangi bir maddenin bir molünde 6.023x1023 (Avogadrosay ) kadar atom veya molekül vard r.
Atomlar n çaplar çok küçüktür (2-5 Angstrom). Atom numaras na ba olarak atom çekirde inin yar çap 10-12 -10-11
mm aral nda, atom yar çap ise yakla k 10-7 mm civar ndad r. Hidrojenin atom yar çap 0,46×10-7 mm, Toryumun atom yar çap 1,8×10-7 mm’dir.
6
Elektron Yap• Elektronlar n çekirdekten belli mesafedeki
yörüngelerde hareket etti i kabul edilir. • Her yörüngede 2n2 (n yörünge say ) say da
elektron bulunur. Yörüngeler K, L, M, N, O, Pve Q olarak adland r.– Her yörüngenin kuantum say ile tarif edilen
farkl enerji enerji seviyeleri mevcutturKuantum say simlendirme
n = esas (enerji seviyesi-kabu u) K, L, M, N, O (1, 2, 3, vb.)l = ikincil (yörüngeler) s, p, d, f (0, 1, 2, 3,…, n-1)
7
Elektron Enerji Seviyeleri
1s
2s2p
K-kabu u n = 1
L-kabu u n = 2
3s3p M-kabu u n = 3
3d
4s
4p4d
Enerji
N-kabu u n = 4
• farkl enerji seviyelerine sahiptir• en dü ük enerji seviyesine sahip olma e ilimindedirler.
Elektronlar...
yörüngeler
Enerji seviyesi
8
Baz Elektron Kabuklar ve Yörüngelerde Bulunan Enerji Seviyeleri :
“Pauli prensibi”’ne göre, her enerji seviyesi en fazla 2 elektron içerir ve bunlar birbirlerine ters yönde dönerler.
Click h
ere to
buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.comClic
k here
to buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.com
10.11.2012
3
9
Farkl kabuk ve yörüngeledeki elektronlar n ba l enerjilerinin ematik gösterimi :
•En küçük kuantum say en dü ük enerji seviyesine kar k gelir; (1s’in enerji seviyesi 2s’den daha dü üktür).
•Her kabuk içerisinde yörüngelerin enerji seviyeleri de kuantum say ile artar (3d’nin enerjisi 3p’den, onunki ise 3s’den büyüktür).
•Kom u kabuklar aras nda enerji bak ndan çak ma olabilir (3d’ninenerji seviyesi 4s’den büyüktür).
10
Tüm elektronlar mümkün olan en dü ük enerji seviyesinde bulununan atom için “Do ada Bulundu u Halde” oldu u söylenebilir. Ancak, daha yüksek enerji seviyelerine elektron geçi leri her zaman mümkündür.
Sodyum (Na) atomunun dolu ve bo enerji seviyelerinin ematik gösterimi.
11
• Neden? Valans (d ) yörüngeler genellikle tam olarak dolmaz.
• Birçok atomun elektron dizilimi kararl de ildir.
Elektron dizilimi
(kararl )
...
... 1s 22s 22p 63s23p 6 (kararl )... 1s 22s 22p 63s23p 63d 10 4s24p6 (kararl )
Atom #
18...36
Atom1s 11Hydrogen1s 22Helium1s 22s 13Lithium1s 22s24Beryllium1s 22s 22p 15Boron1s 22s 22p 26Carbon
...1s 22s 22p 6 (kararl )10Neon1s 22s 22p 63s111Sodium1s 22s 22p 63s212Magnesium1s 22s 22p 63s23p 113Aluminum
...Argon...Krypton
Asal Gazlar
12
Atomsal Yap
• Valans elektronlar atomlar aras ba , atomlar aras mesafeyi ve malzemenin birçok özelli ini etkiler
1) Kimyasal2) Elektriksel 3) Is l4) Optik
Click h
ere to
buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.comClic
k here
to buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.com
10.11.2012
4
13
Elektron Dizilimi• Valans elektronlar – en d yörüngede bulunan elektronlar:
– Atomlar aras ba olu umunu sa larlar– Cisimlerin fiziksel ve mekanik özelliklerinin birço unu
valans elektronlar belirler
– örnek: C (atom numaras = 6)
1s2 2s2 2p2
valans elektronlar
14
Elektron DizilimiÖr: Fe - atom # = 26
valanselektronlar
1s
2s2p
K-kabu u n = 1
L-kabu u n = 2
3s3p M-kabu u n = 3
3d
4s
4p4d
Enerji
N-kabu u n = 4
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2
15
•Geçi metallerinin valans elektron say di er grup atomlar ndan bir miktar farkl r.•Periodik tabloda soldan sa a do ru giderken, geçi metallerine eklenen elektronlar d yörüngesine yerle mesi gerekir.•Ancak burada 4s yörüngesinin enerji seviyesi 3d yörüngesinin enerjisinden daha dü üktür (ve5s’inki 4d’den dü üktür, vb.). Bu nedenle 4s yörüngesi daha önce dolar.•Dolay yla demirin elektron dizilimi 4s23d6 eklinde gösterilir.
ex: Fe 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
16
•Valans elektronlar en yörüngedeki veya en yüksek enejiye sahip elektronlar olarak tan mland na göre, demirde, 4. kabuktakiler valans elektronlard r.
•Buna göre 3d yörüngesindeki 6 elektron valans say lmaz.
•Sadece, 4 kabukta olduklar için, 4s yörüngesindeki 2 elektron say r.
•Bu nedenle geçi metallerinin birço u 2 valans elektrona sahiptir (kromda mevcut kurallar geçerli olmad için dizili i [Ar]4s13d5 eklindedir).
Click h
ere to
buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.comClic
k here
to buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.com
10.11.2012
5
17
Periodik Tablo• Her Kolon: Benzer Valans Yap da
Elektropozitif elemanlar:Kolayl kla elektron verip+ yüklü iyon (katyon) olu tururlar.
Elektronegatif elemanlar:Kolayl kla elektron al p– yüklü iyon (anyon) olu tururlar.
1e-ve
rir2e
-ve
rir3e
-ve
rir
Asa
l gaz
lar
1e-al
r2e
-al
r
O
Se
Te
Po At
I
Br
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
F
ClS
Li Be
H
Na Mg
BaCs
RaFr
CaK Sc
SrRb Y
18
• 0.7 ile 4.0 aras ndad r,
Dü ük elektronegatiflik Büyük elektronegatiflik
• De er yükseldikçe elektron alma e ilimi artar.
Atomlar n Elektronegatiflik De erleri
Elektronegatifliklerin soldan sa a do ru ve a dan yukar ya do ru gidildikçe artmas genel bir kurald r.
19
yonsal ba – metal + ametal
e- verir e- al r
Farkl elektronegatiflikler!!!
ör: MgO Mg 1s2 2s2 2p6 3s2 O 1s2 2s2 2p4
Mg2+ 1s2 2s2 2p6 O2- 1s2 2s2 2p6
20
Kuvvetli Ba lar:yonsal, Kovalan ve Metalsel)
•Valans elektronlar ile gerçekle ir.
•Olu an ba n özellikleri bile ke atomlar n elektron yap lar na ba r. (valans e say az ise metalsel, çok ise kovalan)
••Ba olu umu,Ba olu umu, aatomlar n kararl elektron yap na sahip tomlar n kararl elektron yap na sahip olabilmek için en d taki elektron kabu unu tamamen olabilmek için en d taki elektron kabu unu tamamen doldurma e iliminden kaynaklanmaktad r. doldurma e iliminden kaynaklanmaktad r. (asal gazlar gibi).
Click h
ere to
buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.comClic
k here
to buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.com
10.11.2012
6
21
• (+) and (-) iyonlar aras nda meydana gelir.• Elektron al veri i ile gerçekle ir.• Atomlar n elektronegatiflikleri aras nda büyük fark gerektirir.• Örnek: NaCl
yonsal Ba lar
Na (metal) karars z
Cl (ametal) karars z
elektron
+ -CoulombikÇekim
Na (katyon) kararl
Cl (anyon) kararl
Bir metal atomlar kolayl kla bir ametale verir.
22
yonsal ba lar “yönsüzdür”; yani, küresel nitelikte olup üç boyutta etkilidir.
yonsal ba lar tek moleküller de il sürekli yap olu tururlar.
Ço unlukla kristal yap dad rlar.
yonsal malzemeler sert ve gevrek, elektriksel ve l yal tkand rlar.
Ergime s cakl klar yüksektir.
Kararl bir yap dad rlar
yonsal Ba lar
23
• Seramiklerde hakim olan ba türüdürÖrnekler: yonsal Ba lar
Elektron verir Elektron al r
NaClMgOCaF2
CsCl
24
C: 4 valans e-’a sahip 4 tane daha ihtiyac var
H: 1 valans e-’a sahip1 tane daha ihtiyac var
Kovalan Ba lar• Benzer elektronegatiflik elektron payla• Valans elektronlarla olu ur – s & p yörüngeleri ba
olu umunu belirler• Örnek : CH4 payla elektronlar
Karbon atomunun
Hidrojen atomununpayla elektronlar
H
H
H
H
C
CH4
En d taki elektron kabu unu tamamen doldurarak kararl elektron yap na sahip olma
iliminde
Click h
ere to
buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.comClic
k here
to buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.com
10.11.2012
7
25
• Yönlüdür. Ba boylar ve aralar ndaki aç lar bellidir• 1 do rultuda: lineer polimerler• 2 do rultuda: grafit• 3 do rultuda: elmas
• Elektronlar çifter çifter payla ld ndan en çok 4 adet kovalan ba olabilir
• Kovalan ba say artt kça;• Atomlar aras mesafe azal r• Ba boyu k sal r• Ba enerjisi artar
Ör: 1020 Si atomu içeren kütlede kaç tane kovalan ba vard r?(Si’da 4 valans elektron vard r)
Kovalan Ba lar
26
Metalsel Ba lar• Metalsel Ba lar -- serbest elektron bulutu
Metallerde ve ala mlar nda bulunur
•Metallik malzemeler bir, iki veya en fazla üç valans elektrona sahiptir. Bunlar hiçbir atoma ba kalmadan metal çekirdekleri etraf nda serbestçe dola rlar.
•Bu elektronlara “valans elektron denizi” veya “elektron bulutu” denir.
•Bu serbest elektronlar ile valans alt atomlar aras ndaki elektrostatik çekme kuvvetleri metalsel ba lar olu turur.
•Valans elektron say artt kça;•Ba enerjisi artar•Ergime s cakl artar
27
Çe itli malzemelerin genel davran lar ndan baz lar (ör., metaller, seramikler, polimerler) ba tipi ile aç klanabilir.
• Metaller serbest elektronlar sayesinde hem elektri i hem iyi iletirler. Çünkü bu elektronlar metali boydan boya katederler.
• yonsal ve kovalan ba malzemeler serbest elektronlar bulunmad ndan yal tkand rlar
28
ZAYIF BA LAREnerjileri kuvvetli ba lar n 1/10’i kadard r
Elektronlar n atomlar veya moleküller içinde asimetrik da larak elektriksel kutupla ma (D POL) olu turmas sonucu meydana gelir
Moleküllerin z t yüklü uçlar aras ndaki elektriksel çekim ile meydana gelir.
Bazen atomlar veya moleküller aras ili kiyi sa layan tek unsur olduklar nda önem kazan rlar
Click h
ere to
buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.comClic
k here
to buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.com
10.11.2012
8
29
GEKOGEKO
Gekolar, zarars z tropik kertenkelelerdir. Oldukça çekici ve s rad hayvanlard r. Yap kan ayaklar hemen hemen her yüzeye tutunabilir. Bu özellikleri onlara duvarlarda veya yatay yüzeylerin alt nda h zl ca ko abilmelerine olanak tan r. Asl nda bir geko kendi vücudunu tek bir parma yla bile ta yabilir!
30
Bu hayranl k verici özelli inin s rr her parma n alt nda çok say da mikroskopik küçüklükte k llara sahip olmas r. Bu k llar yüzeye temas etti inde, aralar nda zay f çekim kuvvetleri (van der Waals kuvvetleri)meydana gelir.
31
•Bu k llar n çok say da ve çok küçük olmas nas l bu kadar s tutunabildi ini aç klamaktad r.
•Geko parmaklar rarak k llar n
yüzeyden ayr lmas sa lamakta ve böylece tutunmay gev etmektedir.
• Karars z kutup çifti (Geçici kutupla ma)
ZAYIF BA LAR
•Normalde elektriksel olarak simetrik olan bir atom veya molekülde kutup çifti olu abilir. (+ yüklü çekirde e nazaran elektronlar n her do rultudaki da simetriktir)
32
•Tüm atomlarda görülen sabit titre im hareketleri bazen ani ve geçici bozukluklaraneden olur. Örne in dü ük s cakl klarda kom u atomlar n z t kutuplar birbirini çekerek zay f ba lar olu turur: Asal gazlar n yo mas .
elektron say arrt kça geçici kutupla ma olas artar
Click h
ere to
buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.comClic
k here
to buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.com
10.11.2012
9
33
asimmetrik elektronbulutu
+ - + -Zay f ba
HH HH
H2 H2
Zay f ba
ör: s H2
(Van der Waals) (Van der Waals)
• Karars z kutup çifti (Geçici kutupla ma)
34
• Sürekli kutup çifti- molekül etkisi
Polar Moleküller: Simetrik olmayan moleküllerde (+) ve (-) yük merkezlerinin çak mamas ndan do an kutupla mad r. Süreklidir.
Su molekülleri aras nda olu an bu ba a (Van der Waals) Hidrojen köprüsü ad verilir. Suyun yo unla mas sa lar
Polar Molekül
35
H FO
H
HC
H
H
HH
Simetrik Molekül Asimetrik Molekül
36
--
+
+
SU:
Click h
ere to
buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.comClic
k here
to buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.com
10.11.2012
10
37
Ba Kuvvetleri ve EnerjileriAtomsal ba lar n temel prensipleri sonsuz uzakl ktaki iki atomun birbirine yakla kça aralar nda meydana gelen etkile imin incelenmesiyle en iyi ekilde anla labilir.
+ -
Uzak mesafelerde atomlar aras ndaki etkile im ihmal edilebilir düzeydedir ancak, birbirlerine yakla kça etkile im ba lar.
=FA+FR
•Çekim kuvvetinin iddeti aralar ndaki mesafeyle ili kilidir.•Sonunda, en d elektron kabuklar çak maya ba lar ve bir itme kuvveti FR devreye girer.
38
FA ve FR it oldu unda, bile ke kuvvet rd r
(Denge durumundaki mesafeye r=r0 denir)
Denge mesafesi (r0) (Yakla k 0.3 nm)atomlar n merkezleri aras ndaki uzakl kt r
Ba Kuvvetleri ve Enerjileri
r0
39
• Enerji – en dü ük enerji seviyesi en kararl durumdur– Enerji dengesi çekme ve itme enerjileri toplam r
Çekme enerjisi EA
Toplam enerji EN
tme enerjisi ER
Interatomic separation r
rA
nrBEN = EA + ER = +-
ki atom aras ndaki ba enerjisi, E0, bu iki atomu birbirinden ay rmak için gerekli olan enerjiye e ittir.
Atomlarars mesafe, r
Ba Kuvvetleri ve Enerjileri
40
•Ba enerjisinin büyüklü ü ve enerji – atomlararas mesafe e risinin biçimi malzemeye ba olarak farkl k gösterir çünkü her ikisi de mevcut atomsal ba tipine ba r.
•Birçok malzeme özelli i•E0,• rinin biçimi, ve•Ba tipi’ne göre de ir.
•Ba enerjileri yüksek olan malzemelerin ergime s cakl klar da yüksektir;
•Oda s cakl nda, kat maddeler yüksek ba enerjilerine sahipken gazlar n çok daha dü ük enerjileri vard r;
• lar n enerjileri ise orta düzeydedir.
Click h
ere to
buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.comClic
k here
to buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.com
10.11.2012
11
41
•Bir malzemenin mekanik dayan (Elastisite modülü) da bile ke kuvvet –atomlararas mesafe e risinin biçimine ba r. Görece sert bir malzemenin
risinin r=r0 noktas ndaki e imi olduk a dik iken daha esnek malzemelerde rinin tepe noktas daha az belirgindir.
42
Mekanik dayan m (elastisite modülü)
43
•Bir malzemenin ld nda ne kadar genle ti i veya so udu unda ne kadar büzüldü ü ( l genle me katsay ) E0-r0 risinin ekline ba r.
•Dar ve derin olmas na büyük ba enerjisine sahip malzemelerde kar la r, küçük l genle me katsay na kar k gelir ve de en s cakl kla birlikte görece küçük boyut de imleri görülür.
44
Türyonsal
Kovalan
Metalsel
Zay f
Ba EnerjisiBüyük!
De kenBüyük-elmasKüçük-bizmut
De ken Büyük-tungsten Küçük-civa
En küçük
YapYönsüz (seramikler)
Yönlü (yar iletkenler, seramiklerpolimer zincirleri)
Yönsüz (metaller)
Yönlü Zincirler aras (polimer)Molekiller aras
Özet: Ba lar
Click h
ere to
buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.comClic
k here
to buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.com
10.11.2012
12
45
Ba larla Malzeme Özellikleri Aras ndaki li kiler
• Özgül a rl kKristal yap türü bilinirse birim hücredeki atom say hesaplan rKusurlar nedeniyle ; gerçek atom say kusursuz haldeki atom say
• Mukavemet (Dayan m)Malzemeyi koparmak için birim alana uygulanan kuvvet demektir.Kayna atomlararas ba kuvvetleridir.
c= n . FcKohezif mukavemet Birim alandaki atom say
Kohezif kuvvet (bakoparmak için gerekli
kuvvet)
• Elastisite modülü
Kohezif mukavemet, deneyle bulunan mukavemetin yakla k 1000 kat kadard r.Bu fark iç yap kusurlar ndan kaynaklan r
Denge konumuna te et do runun e imidirBirim ekilde tirme için uygulanacak gerilme olarak tan mlan r
46
• Ba boyu, r
• Ba enerjisi, Eo
• Ergime s cakl , Tm
Eo büyük oldu unda Tm da büyüktür.
Ba larla Malzeme Özellikleri Aras ndaki li kiler
ro r
Enerjir
büyük Tm
küçük Tm
Eo=“ba enerjisi”
Enerji
ro rUzamam boy
47
• Is l genle me katsay , a
• a ~ ro civar nda simetrik
Eo küçük ise a büyük olur.
= a (T2 -T1)DLLo
Is l genle me katsay
DL
boy, Lo
lmam , T1
lm , T2
ror
Küçük a
Büyük a
EnerjiUzamam boy
Eo
Eo
Ba larla Malzeme Özellikleri Aras ndaki li kiler
48
Seramikler (Iyonsal & kovalan ba lar):
Büyük ba enerjisibüyük Tmbüyük Eküçük a
Metaller(Metalsel ba lar):
De ken ba enerjisiorta Tmorta Eorta a
Özet: Kuvvetli Ba lar
Polimerler(kovalan & zay f):
Do rultuya ba özelliklerZay f ba lar belirleyici
küçük Tmküçük Ebüyük a
Click h
ere to
buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.comClic
k here
to buy
ABB
YY PDF Transformer 3.0
www.ABBYY.com
