2 - Erzurum Teknik Üniversitesi

ELEKTRİK-ELEKTRONİKMÜHENDİSLİĞİİÇİN
MALZEMEBİLGİSİ
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 : [email protected]
•  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?
M a l z e m e l e r, g ü n l ü k y a ş a n t ı m ı z d a
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,
b i l g i s a y a r, e l e k t r o n i k , g ı d a ü r e t i m i ,
biyomedikal sektöründe kullanılmaktadır.
Malzemeler dört temel gruba ayrılabilir:
§  Seramikler
§  Metaller
§  Elektronik ve Fotonik Malzemeler
§  Polimerler
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 Özellikleri
MalzemeSeçiminiEtkileyenÖzellikler
Ekonomik
Fiyat,bulunabilirlik…
Mekanik
ÇekmevesıkışNrmamukavemeO,elasOsitemodülü,
tokluk,yorulmavesürtünmemukavemeO,…
Isıl
Isıliletkenlik,ısılgenleşme,ısıldayanım
OpOk
Geçirgenlik
Elektriksel
Elektrikseliletkenlik
Yüzey
Aşınma(abrazif,korozif)
Teknolojik
İşlenebilirlik,kaynaklanabilirlik
EsteOk
Tasarımınalbenisininolması
İmalat ve Malzeme
İMALAT İKİ AŞAMADAN OLUŞUR
DİZAYN
ÜRETİM
Ø  Tasarım
Ø  Çizim
Ø  Üretim Usulleri (litografi vb.)
GÜVENLİK
EKONOMİKLİK
Malzeme çeşitleri nelerdir?
Mühendislik
Malzemeleri
Metal olmayan
malzemeler
Metaller
Demir Esaslı
Malzemeler
Dökme demirler
Lamelli grafitli
Küresel grafitli
Temper
Beynitik
Çelikler
Yapı çeliği
Takım çeliği
………….
Demir olmayan
metaller
Hafif metaller
Al, Mg, Ti, Be
Ağır metaller
Cu, Ni, Zn, Pb
Inorganik
malzemeler
Organik
malzemeler
Yarı iletkenler
Plastikler
Seramikler
Ağaçlar
Camlar
Deriler
Mermerler
Betonlar
Metal Malzemeler
Lama Çelik
Altı köşe 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, 133Cs 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
ml
ms
= 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
Anakuantum sayısı (n)
Her tabakaya düşen en çok
elektron adeti (2n2)
K
L
M
N
O
P
Q
1
2
3
4
5
6
7
2
8
18
32
50
72
98
Atomun kabuklu modeli. Elektronlar belirli kabuk ve alt kabuklarda
bulunmak zorundadırlar.
İki alt
ell with
L shkabuklu
L kabuğu
two subshells
N
ucleus
Çekirdek
1s
K
L
2s
2p
1s22s22p2
-15
Proton
Fig. 1.ve
1: Tnötronları
he shell mbir
odearada
l of theçekirdek
atom in wiçinde
hich thtutan
e elect10
rons am
re de etkin
olan
confçekirdek
ined to livkuvvetleri
e within cetarafından
rtain shells atutulmaktadır.
nd in subshells within shells.
From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002)
http://Materials.Usask.Ca
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.
Yatay sütun
n  Düşey Sütun
vardır.
n 
n 
Periyot : 7 tane periyot vardır
Grup : 8 tane A grubu element
“B” grubu elementlerine geçiş elementleri denir.
B Grubu Elementleri: Geçiş Metalleri
1A 2A
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 O2 ( g)
q 
Halojenlerle birleşerek tuzları oluştururlar.
2 M(k) + X2
q 
M2O(k)
2 MX(k)
Su ile hızlı tepkimeye girerler ve hidrojen gazı (H2)
oluştururlar.
2 M(k) + 2 H2O(s)
2 MOH (suda) + H2 (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 (F2, Cl2, Br2, I2 , At2).
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 ( Ei ) 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)
Metalik Özellikler
Ø 
Ø 
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.
Metalik özellik azalır
Metalik özellik azalır
Elektronegatiflik
Ø 
Ø 
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.
Elektronegatiflik artar
Elektronegatiflik artar
ATOMVEMOLEKÜLLER
ARASIBAĞLAR
Atomlararası Denge Mesafesi
İtme
Atomlar birbirleri ile sürekli etkileşim içerisindedir. Bu etkileşimlerden biri de
atomlar arası itme ve çekme olaylarıdır.
Çekme
Potansiyel enerji (kj/mol)
Bağ oluştuğun
da açığa
çıkan enerji (Bağ enerjisi)
Bağ
koptuğunda
absorbe
edilen enerji
(+Bağ
enerjisi)
Minimum potansiyel enerji
çukuru (0°K’de)
Atomlararası uzaklık
H2 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.
dW = Fdx
x
W = ∫ Fdx : Atomlararası bağ enerjisi
0
o
O K ' de
dW
F=
=0
dx
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)
H2 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
CH4
H
C
H
109.5
°
+
H2
120°
F
H
B
F
BF3
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
Metalik bağ
ü  Metal atomları arasında görülür.
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
Atomlar
Elektronlar
e- bulutu
Saf metallerde
elektron
alabilecek
türden atomlar
olmadığı için
serbest kalan
bu elektronlara
elektron
bulutu denir.
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 : H2O (molekül kutuplaşması) , sıvı azot (geçici kutuplaşma)
Azot atomları
sıvılaşma sıcaklığında
+
-
+
-
Dipol oluşumu
H 20
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.