NANO BİLİM VE TEKNOLOJİ FARKINDALIĞI Hafta 3 Moleküller Arası Kuvvetler: Zayıf Etkileşimler Yüzey Alanı/Hacim Oranı

Moleküllerarası Kuvvetler Moleküller arası kuvvetler molekülleri bir arada tutan çekim kuvvetleridir. Molekül içi kuvvetler bir molekül içindeki iyonları birarada tutan kuvvetlerdir. Moleküllerarası kuvvetler genel olarak Vander Waals kuvvetleri adını alırlar. Molekül içi ve Moleküller arası kuvvetlerin karşılaştırılması 1 mol suyu buharlaştırmak için 41 kJ enerji gereklidir. (moleküller arası kuvvet) 1 mol su içerisinde bulunan O-H bağını kırmak için ise 930 kJ gereklidir.(molekül içi kuvvet) Genel olarak, moleküller arası kuvvetler, molekül içi kuvvetlerden çok daha zayıftır.

Dipol-Dipol Kuvvetleri Bu etkilesim, iki polar molekülde mevcut olan dipollerin elektrostatik olarak etkilesmesidir. Bu etkilesime, polar sıvılar ve polar bir maddenin polar bir sıvıda çözünmesiyle olusan çözeltiler örnek verilebilir. Örneğin sıvı kloroformda moleküller arasındaki etkilesim ve azot monoksitin sudan çözünmesiyle olusan çözeltide NO ve H2O molekülleri arasındaki etkilesim dipol-dipol etkilesimidir.

Moleküller arası Kuvvetler Dipol-Dipol Kuvvetleri Polar moleküller arasında gelişen çekim kuvvetleridir. Katı içerisindeki polar moleküllerin düzeni

Molekül polarlığı arttıkça, kaynama noktası artar.

Moleküller Arası Kuvvetler Iyon-Dipol Kuvvetleri Bu etkilesim, bir iyon ile bir polar molekülün elektrostatik olarak etkilesmesidir. Her ne kadar Coulomp yasası yönsel değilse de, iyonun dipolü yönlendirmesi nedeniyle iyon-dipol etkilesimi yönseldir. Bu etkilesime, iyonik bilesiklerin suda çözünmesi örnek verilebilir. Bir iyon ve bir polar molekülü bir arada tutan çekim kuvvetleridir. Ion-Dipole Interaction

Kalıcı dipollerin pozitif kutbu ile negatif iyonlar ve kalıcı dipolün negatif kutbu ile pozitif iyonlar arasında bir elektriksel çekim kuvveti oluşur. Bu çekim kuvvetine iyon-dipol kuvvetleri denir. İyonik katılar ( NaCl, KF, CaBr2… ), su gibi polar çözücülerde çözündüğünde iyon - kalıcı dipol etkileşimleri oluşur.

Su ve Katyonlar Arasındaki Etkileşim çözeltide

KALICI VE GEÇİCİ ( İNDÜKLENMİŞ ) DİPOLLER Polar moleküllerde kalıcı dipoller oluşur. Örneğin ; HCl, HBr, NH3 ve H2O da kalıcı dipoller oluşur. Apolar moleküllerde ( N2, O2, CH4, BF3 ) geçici dipoller oluşur. Bu moleküllerde ve soygaz atomlarında elektron yoğunluğu eşit olarak dağılmıştır. Bundan dolayı kalıcı dipoller oluşmaz. Bu tür maddelere dışarıdan elektriksel etki yapıldığında elektronlar atomun veya molekülün bir bölgesinde toplanır. Bu sayede apolar moleküller veya soygazlar polar yapı kazanır. Bu şekilde oluşan dipollere indüklenmiş ( geçici dipol ) denir. Bu kuvvetlere London kuvvetleri de denir. London kuvvetleri moleküller arası etkileşimin en zayıfıdır.

Moleküller Arası Kuvvetler Dispersiyon Kuvvetleri Atom veya moleküllerde oluşan geçici indüklenmiş dipol kuvvetlerinin sonucudur. İyon-indüklenmiş dipol etkileşimi: Geçici indüklenmiş moleküller (apolar molekül) ile iyonik bir maddenin iyonları arasında oluşan anlık çekim kuvvetlerine denir. Bu etkileşim çok zayıftır ve iyonları birbirinden ayırarak çözmeye yeterli değildir. Örneğin apolar olan CH4 molekülü ile iyonik yapılı NaCl karıştırıldığında anlık çok zayıf iyon-indüklenmiş dipol bağları oluşur . fakat bu bağlar Na+ ve Cl- arasındaki kuvvetli iyonik bağları koparamadığından çözünme gerçekleşmez. iyon-indüklenmiş dipol etkileşimi

dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi Polar moleküller ile indüklenmiş dipoller arasında oluşan anlık çekim kuvvetleri dipol- indüklenmiş dipol bağlarıdır.Dipol- indüklenmiş dipol bağları, polar moleküller arasındaki güçlü dipol –dipol bağlarını koparmaya yetmediğinden çözünme olmaz. Örneğin, polar H2O ve apolar CH4 molekülleri birbiri içinde çözünmez. dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi

London etkileşimi tüm moleküllerde bulunur; fakat sadece London etkileşiminin bulunduğu maddeler soygazlar, moleküler elementler ( N2- O2- Cl2 ) ve apolar moleküllerdir. Atomların ve moleküllerin molekül ağırlığı ve yüzey alanı büyüdükçe (dallanma azaldıkça ) London etkileşimi güçlenir. Bu da kaynama noktasının yükselmesine neden olur. Apolar moleküllerin elektron sayısı arttıkça polarlığı artar ve kaynama noktaları yükselir. İndüklenmiş dipoller arasında sadece çekme kuvveti ardır.

ÖRNEK: Aşağıdaki moleküller arasında ne tür moleküller arası kuvvetler vardır? HBr HBr polar bir molekül olduğu için dipol-dipol etkileşimi vardır, ayrıca HBr molekülleri arasında dispersiyon kuvvetleri de söz konusudur. CH4 CH4 apolar: dispersiyon kuvvetleri. SO2 S O SO2 polar bir molekül olduğu için dipol-dipol etkileşimi vardır ayrıca dispersiyon kuvvetleri de söz konusudur.

Moleküller Arası Kuvvetler Hidrojen Bağı Hidrojen bağı hidrojen atomu ve elektronegatif F, O, N atomları arasında oluşan özel bir dipol-dipol etkileşimidir. Elektronegatifliği yüksek olan N, O ve F a bağlı hidrojen atomu bu bağı bozmadan başka bir molekülde bulunan ortaklanmamış elektron çifti taşıyan diğer bir atomla da bağlanabilmektedir. Hidrojen atomu bu durumda iki molekül arasında köprü oluşturmuş olur. Bu şekilde hidrojenin oluşturduğu bağa hidrojen bağı denir. Bileşiğin yapısında – OH,- COOH ve NH2 varsa moleküller arası hidrojen bağı oluşturabilir.

A H … B veya A & B =F, O, yada N dir.

Hidrojen bağının varlığını gösteren ilk kanıt kaynama noktasıdır Hidrojen bağının varlığını gösteren ilk kanıt kaynama noktasıdır. Aynı periyottaki elementleri içeren bir seri benzer bileşiğin kaynama noktaları artan kütle ile artar. Fakat şekilde görüldüğü gibi 5A, 6A, 7A gruplarındaki elementlerin hidrojenli bileşikleri beklenin aksine çok yüksek kaynama noktasına sahiptir. Azalan mol kütlesi Azalan kaynama noktası

Hidrojen bağının olduğu moleküllerde dipol- dipol ve London etkileşimi de bulunur. Hidrojen bağı, dipol – dipol ve London etkileşimlerinden daha kuvvetlidir. Örneğin; alkol ( C2H5-OH ) su ( H2O ) içinde çözündüğünde moleküller arasında hidrojen bağı, dipol- dipol etkileşimleri ve London kuvvetleri oluşur. O2 apolar molekülleri H2O polar moleküller içinde çok az çözünür. Çözünme sırasında London kuvvetleri ve dipol – indüklenmiş dipol kuvvetleri meydana gelir. Örnek: A) CCl4 – H2O kalıcı dipol – indüklenmiş dipol B) H2O – C2H5OH dipol-dipol etkileşimi C) CCl4- I2 London kuvvetleri D) NaCl – H2O iyon – dipol E) NaCl – CCl4 hidrojen bağı – dipol etkileşimi Yukarıdaki bileşikler arasında oluşan zayıf etkileşimlerden hangisi yanlıştır ? Çözüm: E şıkkında iyon-indüklenmiş dipol bağları olmalıdır. Cevap:E

A ) CH4 – CH4 B ) Na – H2O C ) K – C2H5OH ÖRNEK: Dispersiyon kuvvetleri aşağıda verilen türlerden hangilerinin arasında görülür? A ) CH4 – CH4 B ) Na – H2O C ) K – C2H5OH D ) CH4 – NaCl E ) C2H5OH-H2O Çözüm: Bu kuvvetler apolar moleküller arasında görüldüğünden CEVAP : A ÖRNEK: I. CH3CH2CH3 II. CH3CH(CH3)CH3 III.CH3CH2CH2CH2CH3 Verilen bileşiklerin kaynamaya sıcaklıkları nasıl sıralanır? ÇÖZÜM: Karbon sayısı arttıkça kaynama noktası yükselir, dallanma arttıkça da düşer. Cevap:III>I>II

ÇÖZÜM: I, II ve III. de hidrojen bağı IV. de London kuvveti etkindir. Örnek: Aşağıda verilen bileşiklerden hangilerinin moleküller arası hidrojen bağı oluşmaz? A ) C2H5OH B ) HN3 C) CH4 D ) HCOOH E) C3H7OH ÇÖZÜM: CH4 apolar molekül olduğundan moleküller arası dispersiyon kuvveti etkindir. CEVAP:C Örnek: I - NH3 II - H2O III - HF IV - C2H6 Verilen bileşiklerin kaynama noktaları sıralaması büyükten küçüğe nasıldır? ÇÖZÜM: I, II ve III. de hidrojen bağı IV. de London kuvveti etkindir. Kaynama noktaları H2O> HF > NH3 > C2H6 dir.

Sıvıların Özellikleri Yüzey Gerilimi bir sıvının yüzeyinde birim yüzey kadar artışa yada gerilmeye neden olan enerji miktarıdır. Moleküller arası kuvvetli çekim Yüksek Yüzey Gerilimi

Sıvıların Özellikleri Kohezyon Aynı moleküller arasındaki çekim kuvvetleridir. Adhezyon Farklı moleküller arasındaki çekim kuvvetleridir. Adhesion Cohesion

Sıvıların Özellikleri Viskozite bir sıvının akmaya karşı gösterdiği dirençtir. Moleküller arasında kuvvetli çekim Yüksek viskozite

Birim hücrenin üç boyutta genişlemesi KRİSTAL YAPI Bir kristalin katı uzun mesafeli değişmez bir düzene sahiptir. Atomlar, moleküller veya iyonlar belirli bir pozisyon işgal eder. Bu tür bir düzen moleküller arası net çekim kuvvetlerinin max. düzende olması anlamına gelir Bir amorf katı tanımlanmış bir düzenleme ve uzun mesafeli moleküler yapıdan yoksundur. Bir birim hücre kristalin bir katının tekrarlanan temel yapı birimidir. Kafes noktası Kafes noktası Atomlar Moleküller Iyonlar Birim Hücre Birim hücrenin üç boyutta genişlemesi

Yedi Temel Birim Hücre Türü

Kristalin olmayan kuartz-cam Cam gibi amorf katıların atomları üç boyutlu düzenden yoksundur. Cam genellikle, kristallenmeksizin katı halde soğutulmuş anorganik malzemelerin optikçe sağlam bir erime ürünüdür. Kristalin Kuartz (SiO2) Kristalin olmayan kuartz-cam

Nano Boyutun Farkı Nedir? Nano ≠ Maddenin küçük boyutu Sadece küçülme değil, nano boyutlarda ortaya çıkan yeni özellikler: Boyut sınırlandırması Yüzeye bağlı etkiler Nanoboyutlarda ortaya çıkan yeni özellikleri makro boyutlardaki özelliklerden tahmin etmek mümkün değildir.

Nano Boyutun Farkı Nedir? Oran Farklı: Yüzey alanı/Hacim

Demirimsi Sıvı (Ferrofluid) Ferro sıvı, kolloid şeklinde içerisinde ferromanyetik nano-parçacıkalar içeren ve etrafları bir çözücü ile çevrilmiş sıvılardır. Fe3O4 :Demir (II-III) Oksit (magnetit) Harddisklerde, sürtünmeyi engelleyici olarak makine mühendisliğinde, teleskop yapımı, magnetik ilaç hedeflemede vb. kullanılmaktadır.

Ferrofuild video

Nano-parçacıklar/Kuvatum Noktaları Kuvantum noktaları, kuvantum mekanik özellik gösteren kristal yapılardır. Ne makro ne de atomik düzey Yüzey Alanı: 4πr2 Hacim: 4/3πr3 Elektronik özellikleri, makro yapıdaki yarı-iletkenler ile yalnız bir molekül arasındadır. Transistör, güneş panelleri, LED ve LASER teknolojileri üzerinde çalışılmaktadır. Tıpta işaretleyici olarak kullanılmaktadır. Altın nano-parçacıklar

Boyuta Bağlı Özellikller

Nanokristal Sentezi

Buraya CdSe vid Süreç 13 mg CdO’i 25 mL’lik ısıya dayanıklı balona ekle 0,6 mL oleik asit ve 10 mL oktadesin ekle Cd’u 225 derecede 20dk ısıt sonra oda sıcaklığında 1 mL Se ekle. Zamanı tut... Yaklaşık 1mL’lik örnekleri eşit zaman aralıklarında alıp tüplere dök. Daha sonra daha uzun aralıklarda örnek al Eg = h c / λ dan dalga boylarını ve partikül çapını hesap edebiliriz.  

Nano-Parçacıkların Kullanım Alanları Daha karmaşık nano-materyaller oluşturmada Yüksek yüzey/hacim oranından dolayı Yalıtkan Katalizör (Soy metal altın gibi) Enerji depolama Kaplamalarda Saydam Esnek (TiO2 kaplamalı ince film güneş panelleri) Kompozit malzemelere katkı maddesi olarak İşaretleyici olarak

Nano-parçacıkların Kullanım Alanları Nilüfer (Lotus) Etkisi: Kendi kendini temizleyen, kir tutmayan yüzeyler.

Karbon Karbon, doğada yaygın bulunan  ametal kimyasal element. Evrende bolluk bakımından altıncı sırada yer alan karbon, kızgın yıldızlarda hidrojenin termonükleer yanmasında temel rol oynar. Dünyada hem doğal halde, hem de başka elementlerle bileşik halinde bulunan karbon, ağırlık olarak yerkabuğunun yaklaşık % 0,2'sini oluşturur. En arı (katışıksız) biçimleri elmas ve grafittir; daha düşük arılık derecelerinde madenkömürünün, kokkömürünün ve odunkömürünün bileşeni olarak bulunur. Atmosferin yaklaşık % 0,05'ini oluşturan ve bütün doğal sularda erimiş olarak bulunan karbon dioksit, kireç taşı ve mermer gibi karbonat mineralleri, kömürün, petrolün ve doğal gazın başlıca yapıtaşları olan hidrokarbonlar, en bol bulunan bileşikleridir. (tr.vikipedia)

Karbon (C) Allotrop bir elementin atomlarının farklı şekillerde bir birlerine bağlanarak oluşturdukları farklı yapısal modifikasyonlardır. Karbonun dört allotropu vardır: Amorf (düzenli bir yapı yok) Grafit (altılı halkaların tabakalı katmanları) Elmas (düzgün dörtyüzlü örgü) Küresel (halkalardan oluşmuş küre)

Amorf yapılı karbon

Elmas ve grafit

Küresel (Bukyball)

Karbon Nanotüpler Karbonun allotropu olan grafit’in silindir şekline gelmiş halidir. İki türlüsü vardır: Tek duvarlı ve çok duvarlı

Karbon Nano Tüpler