Atomsal bağ_2014 - Prof.Dr Akgün Alsaran

Malzeme Bilgisi
Prof. Dr. Akgün ALSARAN
Atom ve moleküller arası
Atomsal bağlar
İçerik
Atomlararası denge mesafesi
Elastisite modülü
Atomlar niçin bağ yapmak ister?
İyonik bağ
Kovalent bağ
Metalik bağ
Van der Waals bağ
2
Atomlararası denge mesafesi
Atomlar birbirleri ile sürekli etkileşim içerisindedir. Bu etkileşimlerden biride
atomlar arası itme ve çekme olaylarıdır.
3
Atomlararası denge mesafesi
Nötr durumda protonlarla elektronların sayısı eşittir ve net elektriksel yük sıfırdır.
Atomlar birbirine elektron vererek veya alarak yüklü duruma geçerler. Bu durumda
Coloumb kuvveti doğar.
dW  Fdx
x
W   Fdx
0
dW
O K ' de........F 
0
dx
o
DENGE
4
Atomlararası denge mesafesi
Xo mesafesinin yeri sıcaklığa göre değişir.
Sıcaklık artıkça xo artar. En küçük olduğu
sıcaklık 0°K’dir. Çekme (kohezyon) kuvveti
soğuk şekillendirme derecesini açıklar.
Fa(x) =İtme kuvveti
FT(x) =Toplam kuvvet
Çekme kuvvetini değeri iyonlar arası
mesafe x ile 1/x şeklinde değişirken, itme
Kuvvet
kuvveti
Fr(x) =Çekme kuvveti
1/xm
şeklinde
değişir
ki
m=10’dur Dolayısıyla itme kuvveti iyonlar
arası mesafe küçüldükçe, elektrostatik
çekme kuvvetinden daha hızlı bir şekilde
artar.
5
Atomlararası denge mesafesi
Sonsuz mesafe uzaklıkta bulunan atomların birbirlerine karşı çekme ve itme gibi bir etkisi
olmadığından potansiyel enerji sıfırdır. Herhangi bir etki ile bu atomlar birbirlerine
yaklaştırılırsa, bu iki atom arasında bir çekme etkisi meydana gelecek ve kinetik enerji artarken
potansiyel enerji azalacaktır.
Aralarındaki mesafe azaldıkça, bu sefer itme kuvveti oluşacaktır. 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 halin geldiklerinde aralarında çeşitli bağlar oluştururlar.
Enerji diyagramında FT=0 hali dE/dr=0 haline karşılık gelir.
Diğer bir ifade ile iki atomdan oluşan sistemin potansiyel enerjisi minimumdadır.
Çekme, kimyasal ilginin fiziksel anlamı olup, kinetik enerji ile ilgilidir. İtme ise kısa mesafelerde kendini gösterir ve atomlar
arası denge mesafesinin oluşmasını sağlar.
6
Atomlararası denge mesafesi
Denge halinde potansiyel enerji minimumdur.
Atomlar arası mesafe dolayısıyla potansiyel enerji çukuru;
• Bağ türü ve enerjisine
• Sıcaklığa…….0oK’de atomlar statik, potansiyel enerji minimum
• Atomun hangi iyon halinde olduğuna…..ortalama çap değişir
• Atomların diziliş şekli yani kristal sistemine bağlıdır…. Koordinasyon sayısı
Dar ve derin enerji çukuru elastisite modülünün yüksek olduğu, elastisite
modülünün yüksekliği de ergime sıcaklığını yüksek ve düşük genleşme katsayısı
anlamına gelir. Dolayısıyla mukavemet yüksektir. Aksine geniş olan enerji
çukurlarında ise, düşük ergime sıcaklığı, yüksek genleşme katsayısı ve düşük
elastisite modülü görülür.
7
Elastisite modülü
FN
Uygulanan gerilme
ve oluşan elastik şekil
değiştirme (strain)
arasında;
 = E.
ilişkisi vardır ve E
elastik modül olarak
adlandırılır.
Lo + dL
A
F
E dFN/dr
dFN
r
0
dFN
(a)
dFN
Repulsive
F
Attractive
Solid
ro
dr
(b)
Fig. 1.14: (a) Applied forces F strech the solid elastically from Lo to
d L . The force is divided amongst chains of atoms that make the
solid. Each chain carriers a force d FN. (b) In equilibrium, the
applied force is balanced by the net force d FN between the atoms
as a result of their increased separation.
From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002)
http://Materials.Usask.Ca
8
Elastisite modülü

Uygulanan gerilme ile kuvvet doğrultusunda uzaklaşan atomlar, şekildeki gibi
geri çağırıcı kuvvetin etkisinde kalır.

dr yer değiştirmesi ile ortaya çıkan dFN kuvveti sistemi eski haline döndürmeye
çalışan kuvvettir.
dFN
2
0
r
  E
dr
r0
E, Elastisite modülünün FN kuvvetinin r=ro’daki değişimi ile orantılı olduğu
görünmektedir veya Enerjinin ro’daki eğriliği ile orantılıdır.
2
1  dFN 
1  d Ebağ 
E 
 


ro  dr  r r0 r0  dr 2  r r
0
9
Elastisite modülü
E f

Ebağ
3
0
r
Yaklaşık ifadesi ile Elastisite modülü ile bağ enerjisi arasındaki ilişki
verilmektedir.

Büyük bağ enerjisine sahip katıların büyük elastik modülüne sahip
olacakları görülmektedir.

İkincil tür bağlar için bağ enerjisinin küçüklüğü ile Elastisite
modülüde küçük olacaktır.
10
Atomsal bağlar
Kimyasal bağ, iki ve daha fazla atomum yeni bir madde oluşturmak
için birleşmesidir.
İki veya daha çok atom çekirdeğinin elektronlarına yaptıkları çekme
kuvvetlerine “Birincil bağ (iyonik ; σ, π, ∆ kovalent ve metalik bağlar)
”, 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.
11
Atomlar niçin bağ yapmak ister?
Atomlar daha karalı bir hale gelebilmek için ya elektron alırlar, ya verirler yada ortak
kullanılırlar. Yani soy gazlara benzemek isterler.
Elektron nokta diyagramı, Lewis yapılar
12
Levis 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.
Atomların Lewis yapıları
Atom için kimyasal simge valans elektron sayısına karşılık gelen noktaların sayısı ile çevrilidir.
Valans elektronları, kimyasal reaksiyonlar süresince kendi atomunu terk edebilecek ara tabakasını tam doldurmamış
elektronlardır. Yani son kabuktaki elektronlar
13
Atomsal bağlar

Bağ çeşitleri
 Metal-metal olmayan (İyonik bağ)
 Metal olmayan-metal olmayan (Kovalent bağ)
 Metal-metal (Metalik bağ)
14
İyonik bağ
•
Metal ve ametal arasında görülür.
•
Elektron alışveriş esasına dayanır.
•
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. Sonuç olarak iyon bağın
oluşabilmesi için iki atomun elektronegativite değerleri arasında çok fark olmalıdır.
•
Oluşan iyonik yapıda, elektron veren atom + iyon haline, elektron alan da – iyon haline
geçerler.
Bağ kuvveti bu iyonlar arasında ki elektrostatik çekmeden doğar.
15
İyonik bağ
• Oluşan iyonik bağ simetrik (elektron dağılımı homojen) bir yapı gösterir.
Dolayısıyla bağda açı oluşumu söz konusudur. Simetriklikten uzaklaştıkça
kovalent bağ oluşma eğilim artar.
• Katı halde iyon bileşikleri elektriği çok az iletirken, ergimiş halde elektrik akımını
iyi iletirler.
16
İyonik bağ
• İyon bileşiklerinin ergime ve kaynama noktaları çok yüksektir.
• İyon bileşikleri düzenli kristal yapıdadırlar.
• İyon kristalleri kırılgan yapı sergilerler.
• İyon kristalleri saydam olup ışığı kırmazlar.
• Örnek : NaCl , LiF
17
6
Cl
0
-
-6
-6.3
Cl
-
r=
+
Na
1.5 eV
0.28 nm
Cohesive energy
Potential energy E(r), eV/(ion-pair)
İyonik bağ
Cl
r=
Separation, r
Na
+
Na
ro = 0.28 nm
18
Kovalent bağ
• Elektron alışverişi söz konusu olmayıp elektron ortaklaşmasına ya da girişimine
dayanır. Atomlar son yörüngelerindeki valans elektronlarını ortaklaşa kullanarak
güçlü bağ oluştururlar.
• Özellikle N, O, H, F ve Cl gibi ametal atomları arasında görülür. Si, Ge, Sb ve Se gibi
metaller arasında da kısmen kovalent bağ da oluşur. 3B-7B arasındaki geçiş
elementleri arasında da kısmen kovalent bağlı bileşikler oluşabilir.
• Kovalent bağın oluşabilmesi için son kabuktaki orbitallerde en az bir elektron
boşluğu olması gerekir.
-
+
-
+
Elektromanyetik alan
Dönme (spin)
H2 molekülü ve elektronların spinleri
19
Kovalent bağ
• Bu şekilde bağlanan bileşikleri oluşturan atomlar arasındaki elektronegativite
farkı düşüktür. Bu fark arttıkça iyonik özellik artar.
• Bu bağlar açılı yani ayrıktırlar, dolayısıyla elektron dağılımı asimetriktir.
• 6. Bağı oluşturan atomların aynı olup olmadıklarına göre Apolar (genelde aynı
cins atomlar arasında) ve Polar (farklı cins atomlar arasında) ikiye ayrılırlar. Son
yörüngedeki elektronların hangi tür orbitalden bağ oluşturmasına göre de σ (s-s
ve s-p arasında), π (p-p arasında), ∆ (d orbitalleri arasında)
+
H
CH4
H
109.5
°
H
C
H
+
+
120°
F
F
B
F
20
Kovalent bağ
• Bir elementteki kovalent bağ sayısı 8 - Grup No değerine eşittir.
• Kovalent bağlı bileşikler hem katı hem de sıvı halde elektriği iyi iletmezler.
Çok
atom
Soru:
Kovalent
bağlı
yarı iletkenler (Si, Ge,
Sn gibi) elektriği iyi
iletir neden?
Kovalent ve iyonik bağ yapma eğilimin, belirlemek zordur. Bir çok katı her iki bağıda yapabilirler. Genellikle dış yörüngeleri
hemen hemen dolu olan elementlerin bileşikleri iyonik, yarı yarıya dolu olanlar ise kovalent bağ yapma eğilimindedirler. 21
Metalik bağ
• Metal atomları arasında görülür.
• Metalik bağda da kovalent bağda olduğu gibi atomların birbirlerine yaklaşarak
enerjilerini düşürme eğilimi vardır.
• Kovalent bağ iki atom arasında gerçekleşebilirken, metalik bağ çok sayıda atom
arasında gerçekleşir.
• Bağlanmada serbest elektron ya da delokalize elektronların pozitif çekirdekler
arasında bir elektron denizi oluşturmaları ve bu elektron denizininin pozitif
çekirdekler tarafından ortak olarak paylaşmaları söz konusudur. Elektron denizi
pozitif çekirdekleri birarada tutmaktadır. Hiçbir elektron bağı oluşturan herhangi
bir metal atomuna aittir denilemez. Bir atom her taraftan eşit kuvvetlerin etkisi
altındadır.
• Metalik bağlarda yönlenme söz konusu değildir.
22
Metalik bağ
• Metallerde
elektronların
serbest
kalma
özellikleri
nedeniyle çekirdek yükleri de azalmıştır. Bu nedenle
elektronların serbestçe hareket etmeleri kolaydır. Ayrıca
bu elektronların son kabuktan ayrılmış olmaları dalga
boylarının yükselmesi ve frekanslarının da azalması
anlamına gelir ki bu da kinetik enerjilerininde düşme
demektir. Elektronların metal içerisinde çok serbest
hareket etmeleri yapı içerisindeki potansiyel farkların da
minimum olması anlamına gelir, yani potansiyel enerjide
düşüktür. O halde metalik bağlarda elektronların kinetik
ve potansiyel enerjileri de düşüktür.
23
Metalik bağ
• Elektriksel anlamda çekirdek cazibesinden nispeten uzaklaşmış serbest
elektronların herhangi bir elektriksel, mekanik ve ısı enerjisiyle tahrik edilmesi
halinde birbirlerini itmesi de elektriksel ve ısıl iletkenlik ve şekillendirilebilirlik
anlamında elektronların birbirlerini itmesi ile gerçekleşir.
Metal deformasyonunun sebebi
Dış
kuvvet
Deforme
olmuş
metal
24
Metalik bağ
• Atomların valans elektronları ne kadar az ise, bu elektronların serbest kalma
ihtimali o kadar fazladır, dolayısıyla elektriksel ve ısıl iletkenlik artar.
İşlenebilirlikleri iyidir. Valans elektron sayısı arttıkça kovalent bağ yapma ihtimali
ve çekirdek yükü artar. 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 olabilir.
25
Van der Waals bağ
• Moleküller arası olan ikincil bağlardır.
• Elektronik kutuplaşmaya dayanır.
• Dış yörüngesi tam dolmuş soygazlar ya da tam dolmamış element atomlarının,
kovalent iyonik bağlı bileşiklerin kendi aralarında oluşan kutuplaşmalardan
çekme etkisi olur.
+
-
+
-
Dipol oluşumu
Ar atomları sıvılaşma sıcaklığında
26
Van der Waals bağ
• Bu çekme son yörüngesi tam dolu olan soygazlarda ve simetrik moleküllerde
geçici kutuplaşma ile gerçekleşir. Herhangi bir etki neticesinde elektronların
konumlarını değiştirmesiyle, salınımlarıyla ani kutuplaşmalar olur.
• Bu çekme özellikle kovalent bağlı bileşiklerde yönlülükten kaynaklanan asimetrik
yük dağılımından (molekül kutuplaşması) dolayıdır. Bu nedenle elektronların
hareketi, titreşim vs. gibi sebeplerle salınım yapar, yani dipoller (kutuplaşmalar)
meydana gelir. Bir bölgede çok küçük zaman dilimlerinde elektron yük dağılımı
değişir. Yani potansiyel enerji değişir. Bu potansiyel enerjinin minumum edilmesi
adına van der Waals bağları oluşur.
• Molekül kutuplaşması ile oluşan van der Waals bağları geçici kutuplaşma ile
oluşan van der Waals bağlarından güçlüdür.
• Örnek : H2O (molekül kutuplaşması) , sıvı azot (geçici kutuplaşma)
27
Van der Waals bağ
H
H
H2
28
Bağ türünün etkileri
•
Ergime ve buharlaşma sıcaklığı: Katı halden sıvı hale geçerken kuvvetli, sıvıdan buhara
geçerken zayıf bağlar kopar. Bağ enerjisi arttıkça ergime sıcaklığı artar.
•
Isıl genleşme: Ergime sıcaklığı ile ters orantılı gelişir.
•
Mukavemet
•
Elastisite modülü
•
Isıl iletkenlik: Serbest elektron hareketi ile ilişkilidir. İyonik ve kovalent bağlılarda ısı enerjisi
yalnızca atomların ısıl titreşimleri ile olur.
•
Optik özellikler: Metallerde ışık dalgası serbest elektron bulutu ile yansıtıldığından geçmez.
Bu nedenle metaller saydam değildir. Kovalent ve iyoniklerde ise serbest elektron
olmadığından ışık yansıtılmadan geçer. Yapıda kusur varsa?
•
Kimyasal özellikler: Metalik bağlılarda valans elektronları kolayca yapıdan ayrılır ve artı
yüklü iyonlar kalır. Bu iyonlarda çevrenin elektro-kimyasal etkilerine karşı duyarlı olur.
29