Hafta 1

Malzeme Bilgisi
Prof. Dr. Akgün ALSARAN
Giriş- Atomik Yapı- Atomsal Bağlar
Malzeme Bilimi
İçerik
Genel prensipler
Haftalık planlama
Malzeme bilimi nedir?
Malzeme bilimi hangi konularla ilgilenir?
Malzeme çeşitleri nelerdir?
Uygulama örnekleri
2
Genel Bilgiler
Öğretim üyesi
Öğr. Gör Fatih Medet Alibeyoğlu
Görüşme saatleri
Salı 15-16
Ders notları
http://muhendis.kafkas.edu.tr/fatih-medet-alibeyoglu
Değerlendirme
Vize, final, ön test sonuçları ve ödev
Devam durumu
%80 katılım
Kaynaklar
• Ders slaytları
• Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, William D. Calllister-David G.
Rethwisch, Çeviri Editörü Kenan Genel, Nobel, 2013
Genel
prensiplerI9I9I8J6
• Malzeme
Bilimi
ve Muayenesi, Temel Savaşkan, 2009
3
Ders içeriği
Hafta
Konu başlıkları
1
Malzeme bilimine giriş , malzemelerin atom yapısı, atomlar arası bağlar
2-3
Kristal yapılar, kristal sistemler, kristal düzlem ve yönleri
4
Amorf yapılar, Kristal yapı hataları, amorf yapılar ve katı eriyikler
5
Difüzyon
7
Malzemelerin mekanik özellikleri ve muayene
8
Yeniden kristalleşme, yaşlanma ve hasar
9
Faz diyagramları
10
Fe-C denge diyagramı
11
Çelikler ve standardizasyon
12
Çeliklere uygulanan ısıl işlemler ve yüzey sertleştirme
13
Mühendislik malzemelerinin kullanım alanları, demir dışı malzemeler,
polimerler, seramikler, karma malzemeler (kompozitler)
14
Korozyon, elektriksel, ısıl, manyetik ve optik özellikler
4
Malzeme nedir?
Genel manada malzeme;
İhtiyaç duyulan madde
Teknik manada malzeme;
Bir teknik fikri gerçekleştirmede kullanılan katı cisim
Somut olarak;
Hem metaldir, plastiktir, lastiktir, ağaçtır, taştır ve hem
de yün, pamuktur.
5
Malzeme nedir?
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği
Malzeme Bilimi
Malzeme Mühendisliği
Özellik
Mekanik
Yapı
Makroskobik
Mikroskobik
Performans
Elektrik
İşlenebilirlik
Isıl
Atomik yapı
Manyetik
Atom altı
yapı
Optik
Hasar
6
Malzeme nedir?
Atom altı seviye:
Atomik seviye:
Mikroskobik
Makroskobik seviye:
Bağ oluşumu
Malzeme içerisinde
seviye: Malzeme
Gözle görülebilecek
atomların yerleşim
içerisinde taneler
yapılar.
düzeni. Örneğin C hem
mikroskop ile
grafit hem de elmas
tespit edilebilir.
halindedir.
7
Malzeme nedir?
8
Malzeme nedir?
Angstrom
Nanometre
Micrometre
Millimetre
= 1Å
= 1nm
= 1μm
= 1mm
= 1/10,000,000,000 metre = 10-10 m
= 1/1,000,000,000 metre = 10-9 m
= 1/1,000,000 metre
= 10-6 m
= 1/1,000 metre
= 10-3 m
Üretim aşamasında kullanılan her bir malzemeyi atom
altı seviyeden ele alarak doğru seçim yapabilme
kabiliyeti kazanılmalı.
9
Malzeme nedir?
İşlem
Yapı
Özellik
Performans
10
Malzeme bilimi ve önemi
Bir malzeme problemi mevcut binlerce malzeme içerisinden doğru
olarak seçmektir.
Çalışma koşulları
Hasar oluşma olasılığı
Maliyet
11
Malzeme bilimi ve önemi
• Uygun malzeme seçimi
• Özel uygulamalar için malzeme dizaynı
• Malzemelerin dizayna uygun bir şekilde verimli ve güvenli kullanımı
• Kullanım ömrü tamamlanan malzemelerin geri dönüşümü
Bir boru hattında bakır boru
kullanılmaktadır. Bakır borunun tercih
edilme sebebi, bu boruya şekil
verebilme zorluğu, verim , maliyet ve
ekonomiklik açısından bakır borunun
değerlendirmesi ve bakırın geri
dönüşümü sizce nasıl olur?
12
Malzeme Mühendisliği
Tüm metallerin ve metal olmayan malzemelerin, sentetik ve doğal
malzemelerin ham maddelerden üretilmesinden ta eskiyene ve hatta
ilaveten hurdadan tekrar kullanılmasına kadar geçen değerlendirmeleri
yapan mühendislik dalıdır.
13
Malzemelerin Sınıflandırılması
Mühendislik Malzemeleri
Metaller
Demir esaslı metaller
Dökme
demirler
Metal olmayan malzemeler
Demir olmayan metaller
Hafif
metaller
Çelikler
Inorganik malzemeler
Ağır
metaller
Plastikler
Yarı iletken
Lamelli
Küresel
Temper
Beynitik
Yapıl
…………
Takım
Al, Mg, Ti
Cu, Ni, Zn,
Pb
Organik malzemeler
Camlar
Deriler
Ağaçlar
Seramikler
Mermerler
Betonlar
14
Malzemelerin Sınıflandırılması
Yarı
iletkenler
Organik
doğal
malzemeler
Plastikler
Kompozit
Camlar
Metaller
Demir esaslı malzemelerden dökme demirlerin dışında olan çeliklerin 2000 çeşidi olduğu ve bunlarında kendi
içlerinde çeşitli yönlerden sınıflandırıldığı düşünülürse konunun o kadar basit olmadığı anlaşılabilir.
15
Malzemelerin Sınıflandırılması
Metal Malzemeler
Lama Çelik
Altı köşe çelik
Kare Çelik
Kare Çelik
Dairesel çelik
Oluklu Çelik
Çelik Rulman
Bakır
16
Malzemelerin Sınıflandırılması
Metal Malzemeler
Nikel,çinko,pirinç karışımı metalik paralar
Alüminyum raflar
Alüminyum cephe giydirmeleri ve panjurlar
17
Malzemelerin Sınıflandırılması
Seramik Malzemeler
Cam Tuğlalar
18
Malzemelerin Sınıflandırılması
Kompozit Malzemeler
Çelik Gövdeli Lastik
Betonarme
19
Malzemelerin Sınıflandırılması
Grafit
Elmas
Celestite
Sülfür
Pyrite(Sülfürdioksit)
20
Malzeme Seçimi

Kalça protezlerine ihtiyaç duyulan durumlar;



Kırıklar
Osteoarterit (Kıkırdak iltihabı veya kaybı)
Romatoid arterit (Sinoviyal sıvının yetersizliği)
21
Malzeme Seçimi

Gereksinimler
Mekanik mukavemet
(bir çok çevrim)
 Düşük sürtünme
 Biyouyumluluk

22
Malzeme Seçimi
23
Malzeme Seçimi
Kalça Protezleri

Kullanılan malzemeler


Metaller

Kobalt- Krom alaşımları

Titanyum ve alaşımları

Paslanma çelik
Polimerler

Polymethyl methacrylate (PMMA)
çimento

Ultrahigh molecular weight
polyethylene (UHMWPE) çukurcuk
(cup) veya astar (liner).

Seramikler
24
Malzeme Seçimi

Çözüm için anahtar

Acetabular cup ı tutmak için
sabitleştirici

Cup sürtünmesini azaltmak için
yağlayıcı

Kalça kemiğine ait tutucu

Cup ta herhangi bir aşınma
ürününden sakınmak gerekir
25
İçerik-Atomsal Yapı
Temel kavramlar
Atom modeli
Elektron düzeni
Periyodik sistem
26
Temel kavramlar
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.
27
Temel kavramlar
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.
28
Temel kavramlar
Elementlerin periyodik sistemde sahip oldukları atom numarası Z, proton adedine
ve bununla beraber her atomun kendi elektronlarının adetine eşittir. Atomun kütle
sayısı A, proton adeti Z ve nötron adeti 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.
29
Temel kavramlar
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
farklılık gösterebilirler. Örneğin bazı izotoplar radyoaktif olmalarına karşın diğerleri
değildir.
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.
30
Temel kavramlar
Kısaca :
Z elektron
Z proton +N nötron
Atom çekirdeği + Elektron örtü tabakası
=> elektron örtü tabakası
=> A atom çekirdeği
=> 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.
31
Temel kavramlar
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.
32
Atom modeli
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.
33
Atom ağırlığı
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.
34
Atom
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.
35
Atom
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.
36
Elektron düzeni
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 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
37
Elektron düzeni
Elektron düzenlerine örnekler;
Li
1s2 2s2
Ne
1s2 2s2 2p6
7s
7p
7d
Cl
1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
6s
6p
6d
6f
Ti
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2
5s
5p
5d
5f
Ga
1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d10
4s2 4p1
4s
4p
4d
4f
Kr
1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d10
4s2
3s
3p
3d
2s2
2p6
3s2
3p6
3d0
2s
2p
K
1s2
Ca
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d0 4s2
4s1
4p6
1s
Niçin bazı malzemeler manyetiklik bazıları ise yüksek ergime sıcaklığı gösterir?
Valans elektronları, kimyasal reaksiyonlar süresince kendi atomunu terk edebilecek ara tabakasını tam doldurmamış
elektronlardır.
38
Elektron düzeni
Bütün elementler elektron yapılarına göre periyodik tabloda sınıflandırılırlar. Burada
elementlerin artan atom numarasına göre yer aldığı yatay yedi adet satır periyot
olarak adlandırılır. Aynı sütunda verilen elementlerin valans elektron yapısı,
kimyasal ve fiziksel özellikleri benzerdir.
39
İçerik-Atomsal Bağ
Atomlararası denge mesafesi
Elastisite modülü
Atomlar niçin bağ yapmak ister?
İyonik bağ
Kovalent bağ
Metalik bağ
Van der Waals bağ
40
Atomlararası denge mesafesi
Atomlar birbirleri ile sürekli etkileşim içerisindedir. Bu etkileşimlerden biride
atomlar arası itme ve çekme olaylarıdır.
41
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
42
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.
43
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.
44
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.
45
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
0
dFN
(a)
dFN
Repulsive
F
Attractive
Solid
ro
r
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
46
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
47
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.
48
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.
49
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
50
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
51
Atomsal bağlar

Bağ çeşitleri
 Metal-metal olmayan (İyonik bağ)
 Metal olmayan-metal olmayan (Kovalent bağ)
 Metal-metal (Metalik bağ)
52
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.
53
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.
54
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
55
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
56
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
57
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
58
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. 59
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.
60
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.
61
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
62
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.
63
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
64
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)
65
Van der Waals bağ
H
H
H2
66
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.
67