close

Enter

Log in using OpenID

B2 - A. Alper Cerit, PhD

embedDownload
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Giriş
Temel Kavramlar
Atomlarda Elektronlar
Periyodik Tablo
Bağ Kuvvetleri ve Enerjileri
Atomlararası Birincil Bağlar
İkincil bağlar veya Van Der Waals Bağları
Moleküller
MALZEME BILGISI‐B2
Bu özelliklerinden dolayı, bir cismin alt yüzeyi boyunca ve
dik duvarlarda hızlıca hareket edebilirler. Geko, aslında tek
ayağı ile vücut ağırlığını taşıyabilir. Bu ilginç kabiliyetini,
ayak tabanında çok sayıdaki mikroskobik küçük tüylerin
varlığına borçludur. Bu tüyler bir yüzey ile temas
ettiklerinde, tüy molekülleri ile yüzey üzerindeki
moleküller arasında zayıf “van der Waals” çekim kuvvetleri
oluşur.
Bilim adamları bu adhezyon mekanizmasını kullanarak
son derece kuvvetli birçok sentetik yapıştırıcı
geliştirmişlerdir. Bunlardan birisi sol üstteki fotoğrafta
gösterilen yapıştırıcı banttır. Bu bant, özellikle cerrahi
operasyonlarda yara ve kesiklerin kapatılmasında
kullanılan ameliyat iplikleri ile zımba yerine kullanılması
konusunda gelecek vaat etmektedir. Nemli ortam da
yapışkanlığını koruyan bant malzeme, hastanın iyileşme
sürecinde biyolojik olarak bozulmakta ve herhangi bir
toksik madde salmamaktadır.
MALZEME BILGISI‐B2
Her atom, proton ve nötronları barındıran bir çekirdek ile bu çekirdek etrafında
hareket halindeki elektronlardan oluşmaktadır. Gerek elektronlar, gerekse protonlar
büyüklüğü 1,60x10‐19 C olan elektrik yüküne sahiptir. Elektronlar negatif, protonlar
pozitif elektrik yüklüdür, nötronlar ise elektriksel olarak nötrdürler. Atomu oluşturan
bu parçacıkların kütleleri oldukça küçüktür. Protonlar ve nötronlar 1,67x10‐27 kg
mertebelerinde yaklaşık olarak aynı kütleye sahip iken, elektronun kütlesi 9,11x10‐31
kg olup, proton ve nötronun kütlesine göre önemli ölçüde küçüktür.
Her bir kimyasal element, atom çekirdeği içerisindeki proton sayıları veya atom numarası (Z) ile karakterize edilir. Elektriksel olarak nötr yani proton sayısı elektron sayısına eşit olan bir atomda, atom numarası ile elektron sayısı birbirlerine eşittir.
MALZEME BILGISI‐B2
Göz önüne alınan bir atomun kütlesi (A), çekirdekteki proton ve nötronların
kütlelerinin toplamına eşittir. Verilen bir elementin tüm atomlarında proton sayıları
aynı olmasına izotop rağmen, nötron sayıları (N) değişebilir. Bu nedenle, bazı
elementlerin atomları iki veya daha fazla farklı atom kütlelerine sahiptir ve bunlar
izotop olarak adlandırılır. Bir elementin atom atom ağırlığı doğal olarak meydana
gelen izotop atomlarının atom kütlelerinin ortalama ağırlıklarına eşittir ve atomik
kütle birimi (a.k.b) atom ağırlığı hesaplamalarında atomik kütle birimi kullanılabilir. 1
a.k.b, karbonun en yaygın izotopu olan karbon 12 (12C) (A=12,00000)’ye ait atom
kütlesinin 1/12’sine eşit alındığı bir skala oluşturulmuştur. Bu skalaya göre,
protonların ve nötronların kütleleri birden biraz büyüktür ve
A=Z+N
Bir elementin atom ağırlığı veya bir bileşiğin molekül ağırlığı a.k.b cinsinden
malzemenin mol atomu (molekülü) veya kütlesi dikkate alınarak belirlenir. Buna göre,
bir mol maddede 6,023 X 1023 (Avogadro sayısı) kadar atom veya molekül vardır. Bu
atom ağırlıkları birbiriyle aşağıdaki şekilde ilişkilidir:
1 a.k.b/atom (veya molekül) =1 g/mol
MALZEME BILGISI‐B2
ATOMLARDA ELEKTRONLAR
Atom Modelleri
Kuantum mekaniğinin ilk olarak ortaya
koyduğu olgu basitleştirilmiş Bohr atom
modelidir, burada elektronların atom çekirdeği
etrafında farklı yörüngelerde döndükleri
varsayılmakta ve bir elektronun konumu
bulunduğu yörüngeye göre tanımlanmaktadır.
Kuantum mekaniğin bir başka önemi de; elektronların enerjilerinin nicel olması ve sadece
kendilerine özgü enerji değerlerine sahip olmasıdır. Bir elektron, enerji absorblayarak
yüksek enerji seviyesine veya enerji yayarak düşük enerji seviyesine geçebilir. Bu
davranışın genellikle, elektronun eneiji seviyesi veya durumu ile ilişkili olduğu
düşünülmektedir. Bu enerji seviyeleri ancak belirli enerji değerleriyle değişebilir, diğer bir
ifadeyle, komşu enerji seviyeleri arasında belirli bir sınır enerji farkı vardır.
MALZEME BILGISI‐B2
Şekilde
görüldüğü
gibi,
çekirdekten
dış
enerji
seviyelerine
doğru
enerji
değerleri sıfıra yaklaşmaktadır.
Enerjinin sıfır olması durumu,
elektronların çekirdeğe bağlı
olmadığı
veya
elektronun
serbest
konuma
(serbest
elektron) geçtiği anlamına gelir.
Doğal olarak hidrojenin mevcut
tek elektronu, bu enerji
seviyelerinden sadece birini
doldurmaktadır.
MALZEME BILGISI‐B2
Daha sonra, elektronlar ile ilgili bazı olayları
açıklamada yetersiz kalan Bohr mo
delinin bazı önemli sınırlamalara sahip olduğu
anlaşılmıştır. Bunun için elektronun hem
dalga‐mekanik model dalga hem de parçacık
özelliğini gösterdiği dikkate alınarak, dalga‐
mekanik modeli ortaya atılmıştır. Bu modelle,
bir elektronun konumu, çekirdek etrafında
değişik bölgelerde bulunma ihtimalinden daha
çok, belirli bir yörüngede hareket eden bir
parçacık olarak düşünülmüştür. Bir başka
ifadeyle, elektronun konumu bir dağılıma ait
olasılık
veya
elektron
bulutu
ile
tanımlanmaktadır. Şekil 2.3 ‘te hidrojen atomu
için Bohr ve dalgamekanik modelleri
karşılaştırmalı olarak verilmiştir
MALZEME BILGISI‐B2
Kuantum Sayıları
Dalga mekaniği modeline göre, bir atomda her bir elektron, kuantum sayısı olarak adlandırılan
dört parametreyle belirtilir. Bir elektronun boyutu, şekli ve olasılık yoğunluğu dağılımının
uzaydaki konumu bu kuantum sayılarının 3 ‘ü tarafından belirtilir. Bohr enerji seviyeleri, elektron
alt yörüngelerini ayrı tutarken kuantum sayıları, her bir alt yörüngedeki enerji seviyelerinin
sayısını belirtir.
Yörüngeler 1 ile başlayan tam sayılardan oluşan ana kuantum sayısı n ile belirtilir. Bu yörüngeler
n = 1 , 2, 3, 4, 5 ‘e karşılık gelen K, L, A4 AÇ 0 gibi büyük harflerle de ifade edilir. Bu kuantum
sayısının sadece Bohr modeli ile ilişkili olduğu da unutulmamalıdır. Kuantum sayısı, bir
elektronun çekirdekten uzaklığı veya konumuyla ilgilidir.
İkinci kuantum sayısı 1, alt yörüngeleri s, p, d veya f gibi küçük harfler ile gösterilir ve bu
elektronun alt yörüngesinin şekli ile ilgilidir. Ayrıca, alt yörüngelerin sayısı, n ana kuantum sayısı
tarafından kısıtlanmaktadır. Her bir alt yörüngede enerji seviyelerinin sayısı üçüncü kuantum
sayısı olan m tarafından belirlenir. Bir s alt yörüngesinde bir tek enerji seviyesi söz konusudur,
diğer taraftan p, d ve f alt yörüngelerinde sırasıyla ü., beş ve yedi enerji seviyesi mevcuttur. Bir
dış manyetik alanın bulunmaması durumunda, her bir alt yörüngedeki enerji seviyeleri
eşdeğerdir. Ancak bir manyetik alanın uygulanması durumunda, enerjileri birbirlerinden çok az
farklı olduğu kabul edilen bu alt yörüngelere ayrılır.
MALZEME BILGISI‐B2
MALZEME BILGISI‐B2
MALZEME BILGISI‐B2
Elektronların bu enerji seviyelerine yerleşme şekillerini belirlenmesinde Pauli dışlama bir başka kuantum‐mekanik kavramı, Pauli dışlama prensibi kullanılır. Bu prensip, bir prensibi enerji seviyesinde zıt spinli iki elektrondan fazla elektronun bulunamayacağını zorunlu kılmaktadır. Böylece; s, p, d ve f alt yörüngelerinde sırasıyla 2, 6, 10 ve 14 adet elektron bulunur.
Doğal olarak, bir atomda olası tüm seviyeler elektronlar tarafından doldurulamaz. Bir
çok atomda elektronlar, ana ve alt yörüngelerinde her seviyede zıt işaretli olmak üzere iki
elektron öncelikle olası en alt enerji seviyelerine yerleşirler. Bir sodyum atomuna ait enerji
seviyeleri Şekil 2.5 ‘te şematik olarak gösterilmiştir. Bütün elektronlar yukarıda anılan
en düşük enerji sınırlamalara göre en düşük enerji seviyelerine yerleştiklerinde, atomun en
düşük enerji (taban) durumu (taban) durumunda olduğu söylenir.
MALZEME BILGISI‐B2
MALZEME BILGISI‐B2
Bu noktadan sonra açıklamaların elektron dizilişlerine göre yapılması gerekir. Öncelikle,
valans elektronları, en dış yörüngede bulunan elektronlar olduğu belirtilmelidir. Bu
elektronlar çok önemli olup atom ve molekül kümelerini oluşturmak için atomlararasında
bağların oluşmasını Sağlar. Ayrıca, katılan fiziksel ve kimyasal özellikleri bu valans
elektronlarına bağlıdır.
Dahası, bazı atomlar “kararlı elektron dizilişlerine” sahiptirler yani en dış enerji seviyesi
veya valans elektron yörüngesi tamamen dolmuştur. Neon, argon ve kriptonda olduğu gibi,
kararlı atomlar normal olarak, en dış yörüngelerinde sadece s ve p seviyelerinin toplam 8
elektron tarafından işgal edilmiştir. Burada helyum istisnai olarak sadece 1s alt enerji
seviyesinde iki elektron bulundurur. Bu elementler (Ne, Ar, Kr ve He) soy gazlardır ve
kimyasal olarak aktif değildir. Valans yörüngeleri dolmamış diğer elementlerin atomları
elektron alarak veya vererek yüklü iyon oluşturmak veya diğer atomlarla elektron
paylaşarak kararlı elektron yapılarını oluşturur.
MALZEME BILGISI‐B2
Bütün
elementler
elektron
yapılarına göre periyodik tabloda
sınıflandırılır. Burada, elementlerin
artan atom numarasına göre yer
aldığı yatay yedi satır periyot olarak
adlandırılır. Tabloda bir sütunda,
yani
grupta
verilen
bütün
elementlerin valans elektron yapısı
yanı sıra, kimyasal ve fiziksel
özellikleri de benzerdir. Bu özellikler,
her bir yatay periyot ve düşey grup
boyunca kademeli olarak değişir.
Tamamen dolu elektron yörüngesine sahip dolayısıyla kararlı yapıda olan Grup 0’da yer alan
elementler, en sağdaki soy gazlardır. Grup VIIA ve VIA elementlerinin kararlı yapıya
ulaşabilmeleri için, sırasıyla bir ve iki elektron almaları gerekir. Bu grup VIIA elementler (F, Cl,
Br, I ve At) bazen halojenler olarak adlandırılır.
MALZEME BILGISI‐B2
PERİYODİK TABLO
Alkali ve alkalin toprak metalleri
(Li, Na, K, Be, Mg, Ca vs.) grup IA
ve IIA olarak ifade edilir ve
sırasıyla kararlı yapıya nazaran bir
ve iki elektron fazlalığına sahiptir.
Üç uzun periyotta, grup IIIB’den,
IIB’ye kadar d enerji seviyesi
kısmen dolmuş olan ve bazı
durumlarda bir sonraki yüksek
enerji yörüngesinde 1 veya 2
elektron bulunan elementlere
geçiş elementleri denir.
Grup IIIA, IVA ve VA (B, Si, Ge, As vs.) valans ve elektron yapıları ile metal ve ametal arasında
yer alacak özelliğe sahiptir.
MALZEME BILGISI‐B2
BAĞ KUVVETLERİ VE ENERJİLERİ
Malzemelerin birçok fiziksel özelliklerinin
anlaşılması atomları bir arada tutan atomlararası
kuvvetleriyle ilişkili olduğundan bunların
bilinmesi oldukça önemlidir. Atomlararası bağ
oluşumu, sonsuz uzaklıktan birbirlerine belirli
bir mesafeye yaklaştırılan yalıtılmış iki atom
arasındaki
etkileşim
dikkate
alınarak
açıklanabilir.
Ara mesafe çok büyük olduğunda, atomlar birbiri üzerine etki edemeyecek kadar uzakta
oldukları için, aralarındaki etkileşimler ihmal edilebilir. Ancak, mesafe küçüldükçe, yani
atomlar birbirine yaklaştıkça birbirleri üzerine kuvvet uygularlar. Bu kuvvetler çekme (FÇ) ve
itme (Fİ) olmak üzere iki türdür ve her birinin büyüklüğü atomlararasındaki mesafenin (r) bir
fonksiyonudur. FÇ, çekme kuvveti, daha önce kısaca ifade edildiği gibi, iki atom arasında
mevcut bağ tipiyle ilişkilidir. İki atom arasındaki itme kuvvetleri, negatif yüklü elektron
bulutları arasındaki etkileşimden kaynaklanır ve bu atomların elektron yörüngelerinin aşırı
derecede birbirlerine yaklaşması sadece r’nin küçük değerleri için önemlidir.
MALZEME BILGISI‐B2
Bazı durumlarda iki atom arasındaki kuvvet yerine potansiyel enerjiyi dikkate almak
tercih edilir. Matematiksel olarak, enerji (E) ve kuvvet (F) birbiriyle aşağıdaki gibi ilişkilidir:
çekme, itme ve net potansiyel enerji eğrilerinin iki atom arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak değişimi gösterilmiştir. Denklemden, net eğri, çekme ve itme eğrilerinin toplamıdır. Net enerji eğrisindeki minimum nokta, eğride r0 denge mesafesine karşılık gelir. Ayrıca, bu iki atom için bağ enerjisi E0, atomları birbirlerinden sonsuz mesafeye uzaklaştırmak için gerekli olan enerji olup Şekil 2.8b’de görüldüğü gibi, minimum noktadaki enerjiye karşılık gelir.
MALZEME BILGISI‐B2
Katılarda iyonik, kovalent ve metalik olmak üzere üç farklı birincil bağ veya kimyasal
bağ bulunur.
Her bir bağ tipinde, bağ oluşumu için valans elektronun bulunması gereklidir ve
ayrıca bağ yapısı, atomların elektron yapılarına bağlıdır
Genel olarak, bu üç bağ tipi, atomların kararlı bir elektron yapısı oluşturmak için, en
dış yörüngeleri tamamen dolu olan soy gazlara benzeme eğiliminden ileri
gelmektedir. Birçok katı malzemede, birincil bağlara göre oldukça zayıf olmasına
rağmen, bazı malzemelerin fiziksel özelliklerini etkileyen ikincil veya fiziksel kuvvetler
ve enerjiler bulunur.
MALZEME BILGISI‐B2
İyonik Bağ
İyonik bağ belki de tanımlanması en kolay olan bağ tipidir.
Bu bağ, periyodik tabloda metalik ve metalik olmayan
(ametal) elementlerin oluşturduğu bileşiklerde bulunurlar.
Metalik element atomları, valans elektronlarını metalik
olmayan elementlerin atomlarına kolayca verirler. Bu sayede
tüm atomlar kararlı veya soy gaz yapısına ulaşır ve ayrıca
elektriksel yüke sahip olmaları nedeniyle iyon durumuna
geçerler. Sodyum klorür (NaCl), tipik iyonik bağ yapısına
sahip bir malzemedir.
Bir sodyum atomu, bir 3s elektronunu klor atomuna vererek neonun (tek
pozitif yük) elektron yapısına geçebilir. Bu elektron transferinden sonra, klor
iyonu, argonun elektron yapısına eşdeğer negatif bir yüke sahip olur. Sodyum
klorür bileşiğinde, sodyum ve klorün her ikisi de iyon durumunda bulunur
MALZEME BILGISI‐B2
Atomlararası bağ çekim kuvvetleri kulomb türü kuvvetlerdir;
yani pozitif ve negatif iyonlar, net elektrik yükü ile orantılı
olarak birbirlerini çeker. İyonik bağ yapısı yönsüzdür, yani bir
iyonun çevresindeki bütün yönlerdeki bağ büyüklüğü
birbirine eşittir. Seramik malzemelerde ise yaygın olan bağ
yapısı iyoniktir.
İyonik bağ yapısına sahip malzemeler karakteristik olarak sert ve gevrektirler, ayrıca elektrik ve ısı açısından yalıtkan özelliğe sahiptirler. Son bölümde belirtildiği gibi, bu özellikler doğrudan elektron dizilişlerinin ve/veya iyonik bağ yapısının bir sonucudur.
MALZEME BILGISI‐B2
Kovalent Bağ
Kovalent bağda, komşu iki atom elektronlarını ortaklaşa
kullanmak
suretiyle
kararlı
elektron
yapılarını
oluşturdukları varsayılmaktadır. Kovalent bağ yapısını
oluşturan iki atom, bağ oluşumuna en az bir elektron
kadar katkıda bulunmakta ve paylaşılan elektronların her
iki atoma ait olduğu düşünülmektedir. Kovalent bağ
yönlüdür, diğer bir ifadeyle, elektronun paylaşildığı iki
atom arasında, sadece bir yönde bağ oluşumu söz
konusudur.
Birçok metalik olmayan (H2, Cl2, F2 gibi) temel moleküllerin yanı sıra CH4, H20, HNO3 ve HF gibi
farklı atomlardan oluşan moleküller de kovalent bağ yapısındadır. Ayrıca elmas (karbon),
silisyum ve germanyum gibi doğal katlarda ve periyodik tablonun sağ tarafında yer alan
elementlerin oluşturduğu galyum arsenik(GaAs), indiyum antimuan (InSb) ve silisyum karbür
(SiC) gibi bileşiklerde de bu tip (kovalent) bağ yapısı bulunur. Kovalent bağlar, çok sert ve
ergime sıcaklığı çok yüksek olan (>3550°C) elmasta olduğu gibi çok kuvvetli veya 270°C
civarında ergiyen bizmutda olduğu gibi, zayıf da olabilir.
MALZEME BILGISI‐B2
MALZEME BILGISI‐B2
Metalik Bağ
Birincil atom bağlarının sonuncusu olan metalik bağ, metal ve
alaşımlarında bulunan bir bağ türüdür. Metalik malzemelerde en
fazla üç valans elektronu bulunur. Bu modelde, katıdaki valans
elektronları herhangi bir atoma bağlı olmayıp tüm metal
içerisinde belirli oranda hareket etme yeteneğine sahiptir. Bu
serbest valans elektronlarının metal kütle içerisinde bir
“elektron denizi” veya “elektron bulutu” oluşturduğu
düşünülmektedir. Valans elektronları dışındaki diğer elektronlar
ile atomun çekirdeği, iyon çekirdeğini oluşturur. Bunlar (iyon
çekirdekleri) atom başına toplam valans elektron yüküne eşit
net bir pozitif yüke sahiptir
Metalik bağlar zayıf veya kuvvetli olabilir, bağ enerjileri civa için 68 kJ/mol (0.7 eV)’den,
tungsten için 850 kJ/mol (8,8 eV) aralığında değişebilir. Buna bağlı olarak, bu elementlerin
ergime sıcaklıkları da —39°C ile 3410°C aralığında değer almaktadır. Metalik bağ periyodik
tablodaki IA ve IIA grubu elementlerinde ve bütün ana metallerde bulunur.
MALZEME BILGISI‐B2
Metalik Bağ
Metaller, seramikler ve polimerler gibi
malzemelerin genel davranışları atomlararası bağ
tipi ile açıklanabilir. Örneğin, metaller serbest
elektronları nedeniyle hem elektriği hem de ısıyı
iyi iletirler. Diğer taraftan iyonik ve kovalent bağ
yapısına sahip malzemeler ise serbest elektrona
sahip olmadıkları için, elektrik ve ısı iletimi
bakımından yalıtkan özelliğe sahiptir.
Çoğu metal ve alaşımları oda sıcaklığında sünek türde hasara uğrar, diğer bir ifadeyle,
malzeme önemli derecede kalıcı deformasyon gösterdikten sonra kırılır. Bu davranış dolaylı
olarak metalik bağın özelliği ile ilişkili olan deformasyon mekanizmasıyla açıklanabilir.
Ancak iyonik bağa sahip malzemeler elektrik yüklü iyon yapısının bir sonucu olarak oda
sıcaklığında gevrek özellik gösterir.
MALZEME BILGISI‐B2
Van Der Walls Bağ
İkincil, Van Der Waals veya fiziksel bağlar, birincil veya
kimyasal bağlara nispeten daha zayıftırlar ve bunların
bağ enerjileri 10 kJ/mol (0,1 eV) mertebesindedir.
İkincil bağlar neredeyse bütün atom ve moleküllerde
bulunur, ancak daha önce ele alınan birincil bağlar
nedeniyle, bunların (ikincil bağlar) varlığının anlaşılması
güçtür.
MALZEME BILGISI‐B2
Moleküller
Yaygın olan birçok molekül, kuvvetli kovalent bağ ile birbirine bağlanmış atom
gruplarından oluşur. Bu kapsama çift atomlu basit moleküllerin (F2, °2, 1*1 vs.) yanı sıra
çoğu bileşikler de (H20, C02, HNO3, C6H6y CH4 vs.) girmektedir. Yoğuşmuş sıvı ve katı
durumundaki moleküller arasındaki bağlar zayıf ikincil bağlardır. Sonuç olarak molekül
yapısına sahip malzemelerin ergime ve kaynama sıcaklıkları nispeten düşüktür. Az
sayıdaki atomlardan oluşan bu küçük molekülerin çoğu normal şartlar (sıcaklık ve basınç)
altında gaz halindedir. Buna karşılık, aşırı büyüklükteki moleküllerden oluşan birçok
modern polimerler ise katı formdadır, bunların bazı özellikleri önemli ölçüde van der
Waals ve ikincil hidrojen bağları ile ilişkilidir.
MALZEME BILGISI‐B2
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
0
File Size
1 767 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content