MALZEMENİN İÇ YAPISI: Katılarda Atomsal Bağ

Bölüm İçeriği Bağ Enerjisi ve Kuvveti Atomlar arası mesafe, Kuvvet ve Enerji İlişkisi Atomlar arası Mesafeyi Etkileyen Faktörler. Sıcaklık, Iyonsallik derecesi, Komsu atomlarin sayisi Kovalentlik derecesi Koordinasyon Sayisi (KS)

Bağ Enerjisi ve Kuvveti Cisimler çok sayida atomlarin bag kuvvetleri etkisi altinda bir arada dizilmeleri sonucu olusur. Atomlar arasi itme-çekme kuvvetlerinin esit ve potansiyel enerjisinin minimum oldugu denge konumu atomlar arasi denge uzaklığını belirler. Aralarinda bag bulunan belirli bir atom çifti için bu uzaklik kesindir. Bu uzakligi degistirmek için enerji gerekir.

Bağ Enerjisi ve Kuvveti

Bağ Enerjisi ve Kuvveti Iyonik bag konumu için itme ve çekme kuvvetleri asagidaki gibi yazilabilir :

Bağ Enerjisi ve Kuvveti :

Atomlar arasi mesafenin (a) itme-çekme kuvvetleri ve (b) potansiyel enerji ile iliskisi

Bağ Enerjisi ve Kuvveti Potansiyel enerji egrisinin biçimi ve enerji çukurunun derinligi malzemenin ; Mukavemeti Elastiste modülü Ergime sicakligi Isil genlesmesi ile yakindan ilgilidir.

Atomlar Arasi Mesafeyi Etkileyen Faktörler 1) Iyonsallik derecesi : Elektron alan atomun yariçapi büyür, verenlerin ise küçülür. Bu nedenle iyonsallik derecesi arttikça atomlar arasi mesafe artar. Örnek : rFe = 0,124; rFe2+ = 0,074; rFe3+ = 0,064 2) Kovalentlik derecesi : Iki atom arasinda kovalentlik derecesi arttikça birbirlerini daha kuvvetli çekerler. Bu nedenle kovalentlik derecesi arttikça atomlar arasi mesafe azalir.

3) Komsu atomlarin sayisi : Bir atomun komsu sayisi arttikça çevresindeki elektron yogunluğu artar, elektronlar arasi zit etkilenme atomlar arasi uzakligi artirir. 4) Sıcaklık: Artan sıcaklık atomlar arası mesafeyi artırır. Artan dış sıcaklık atomlar arası titreşime yol açar ve atomlar arası mesafe ısıl genleşmeden dolayı artar.

Koordinasyon Sayisi (KS) bir atoma teget birinci derecede komsularinin sayisidir. Hacimsal Atom Yogunlugu (atom/cm) KS ile yakindan ilgilidir ve bir kütle içinde atomlarin dizilis sikligini belirtir. KS ► r/R ‘e bağlı “r” küçük iyonun (katyon), “R” büyük iyonun (anyon) yarıçaplarıdır.

Gazlarda atomlar veya moleküller arasinda bag yoktur, bunlar bulunduklari kabin içinde sürekli serbest haldedir. Bu nedenle gazlar için ; KSgaz = 0 Sivilarda ve katilarda ise bag kuvvetleri nedeniyle atomlar birbirine deger. Sivilarda baglar daha zayif oldugu için ; KSsıvı <KSkatı Örnek : Al (kati) ► KS=12 , Al (sivi) ► KS=10-11 (Sonuç olarak kati sivi hale dönüstügü zaman özgül agirlik azalir.)

Son limit durumda merkez ve çevre atomlarin çaplari esittir Son limit durumda merkez ve çevre atomlarin çaplari esittir. Merkez atomun 12 komsusu vardir. Bu tür dizilis çogunlukla ayni atomlardan olusan metallerde görülür. KS = 12 için r/R = 1.0 olur !

KS, r/R ve ilgili geometri :

MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri

Bağ enerjilerinin değişimi

MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri (devamı) b) Isil Genlesme Malzemelerin isil genlesmesi ergime sicakligi ile ters yönde degisir. Ergime sicakligi yüksek malzemelerin bag enerjisi yüksek, potansiyel enerji çukuru daha derindir. Sicaklik yükselirken, atomlar arasi uzaklik minimumdan geçen düseye göre daha az sapar, bu nedenle isil genlesme daha az olur.

MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri c) Mukavemet Mukavemet, bir malzemeyi koparmak için birim alana uygulanan kuvvettir ve kaynağı atomlar arası bağ kuvvetidir. Teorik olarak bulunan kohesif mukavemet deneyde bulunan değerin yaklaşık 1000 katıdır (nedeni iç yapı kusurlarıdır). Atomlar arası kohesif kuvvet büyüdükçe, enerji çukurunun derinliği ve bağ enerjisi artar, mukavemet yükselir. Wb↑ Fc↑ mukavemet ↑

MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri d) Elastisite Modülü (E) Birim şekil değiştirme (ε) için uygulanacak gerilmedir (σ). Atomlar arası bağ kuvvetinin denge mesafesindeki eğimi elastisite modülü ile orantılıdır. Kohesif kuvvet büyüdükçe, eğrinin eğimi artar, enerji çukuru derinleşir ve elastisite modülü büyük olur. Sıcaklık artarsa bu eğim de azalır. Bu nedenle elastisite modülü artan sıcaklık ile azalır. Wb↑ Fc↑ E↑

MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri e) Elektriksel İletkenlik Malzemelerde elektriksel iletkenlik, elektrik alan uygulandığında elektron hareketleri ile sağlanır.   Metallerde valens elektronları serbest halde olduğu için yüksek iletkenlik elde edilir.   İyonsal ve kovalent bağlı malzemelerde serbest elektron bulunmadığı için iletken sayılmazlar.   Ancak bazı kovalent bağlı malzemelerde (Si, Ge, Sn gibi) yeterli alan etkisinde, yararlı sayıda elektron serbest hale gelerek iletim sağlanır (yarı iletkenler).

MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri f) Isıl İletkenlik Isı malzemelerde serbest elektron hareketi ve atomların ısıl titreşimi (fonon) ile iletilir. Serbest elektronlar fononlara göre 10-100 kat daha fazla ısıl enerji iletirler. Bu nedenle metallerin ısıl iletkenliği çok yüksektir. İyonsal ve kovalent bağlı malzemelerde ısı iletimi fononlarla sağlanır ve ısıl iletkenlik düşüktür.

MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri g) Optik Özellikler   Metallerde ışık dalgası serbest elektron bulutu tarafından yansıtılır ve ışık metalden geçemez.   Bu nedenle metaller saydam değil opaktır.   İyonsal ve kovalent bağlı katılarda serbest elektron bulutu olmadığı için, ışık yansıtılmadan kolayca geçebilir.   Bu malzemeler saf ve kusursuz halde saydamdır.   Ancak içlerine katılan katkı maddeleri ve iç yapı kusurları saydamlığı azaltır, yarı saydam veya opak hale gelmelerine neden olur.

MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri h) Kimyasal Özellikler  Kimyasal olaylar atomlar arası bağ kopması veya bağ oluşumuna, yani valens elektronlarının yapısına bağlıdır.   Metallerde az sayıda valens elektronu vardır. Bunlar kolayca ana atomdan ayrılır ve geride (+) yüklü metal iyonu kalır.   Metal iyonları çevrenin elektrokimyasal etkilerine karşı duyarlıdır ve kolayca korozyona uğrar.  

MALZEMELERİN İÇ YAPISI Atomlar arası bağların belirlediği malzeme özellikleri h) Kimyasal Özellikler  Metal iyonları çevrenin elektrokimyasal etkilerine karşı duyarlıdır ve kolayca korozyona uğrar.   Korozyon ürünü Fe’de olduğu gibi gevrek ve kolayca kabarıp dökülürse malzeme tahrip olur. Cu ve Al’de korozyon ürünü koruyucu bir tabaka oluşturur, böylece korozyon sürekli ilerlemez.   İyonsal ve kovalent bağlı malzemeler dış etkilere karşı dayanıklı olurlar.

MALZEMELERIN IÇ YAPISI Atomsal baglarina göre malzemelerin siniflandirilmasi 1) METALLER  Metalsel bağa sahip aynı veya benzer atomlar düzenli bir biçimde dizilerek kristal yapı oluştururlar.   Hacımsal atom yoğunlukları yüksektir (KS =12 veya 8). Bu nedenle özgül ağırlıkları yüksek olur (7 g/cm3 den büyük)   Serbest elektron içerirler, elektriksel ve ısıl iletkenlikleri yüksektir.   Opaktırlar, ışığı iyi yansıtırlar (reflektör).   Plastik şekil vermeye elverişlidirler.

MALZEMELERIN IÇ YAPISI Atomsal baglarina göre malzemelerin siniflandirilmasi 2) SERAMİKLER Metal ve ametal elementlerin oluşturduğu iyonik bileşiklerdir.   Elektropozitif elementler (Na, Mg, Fe, Al vb.), elektronegatif elementler (Cl, O vb.) ile kolaylıkla iyonik bağ yaparak NaCl, MgO, FeO, SiO2 gibi çok çeşitli seramikler meydana getirirler.   KS genellikle 6 veya 4 olur.   Yönsüz bağlı iyonlar ardışık dizilerek kristal yapı oluştururlar.

MALZEMELERIN IÇ YAPISI Atomsal baglarina göre malzemelerin siniflandirilmasi 2) SERAMİKLER.   Doğada çoğunlukla kristalli, kısmen amorf yapıda bulunurlar.   Özgül ağırlıkları metallerle plastikler arasındadır (2-3 g/cm3). Plastik şekil değiştirmez, sert ve gevrek olurlar. Yüksek sertlikleri nedeniyle aşındırıcı olarak kullanılırlar (Al2O3 gibi) Ergime sıcaklıkları yüksektir.

MALZEMELERIN IÇ YAPISI Atomsal baglarina göre malzemelerin siniflandirilmasi 2) SERAMİKLER.   Isıl iletkenlikleri düşüktür (refrakter malzemeler fırınlarda yalıtkan malzeme olarak kullanılır). Elektrik iletkenlikleri düşüktür. Bazıları saydamdır, ışığı kötü yansıtırlar. Dış etkenlere karşı dayanıklıdırlar.

MALZEMELERIN IÇ YAPISI Atomsal baglarina göre malzemelerin siniflandirilmasi 3) POLİMERLER   Ametallerden (C, H, O, N, S, Cl, F vb.) oluşan kovalent bağlı malzemelerdir.   Monomer denilen molekül bireyleri birbirine kovalent bağlarla eklenerek çok büyük moleküllere dönüşür, polimer adını alır.   Polimerler ısıya karşı olan davranışlarına göre termoplastik (PE, PVC vb.) ve termoset (epoksi, bakalit vb.) olarak gruplanır.  

MALZEMELERIN IÇ YAPISI Atomsal baglarina göre malzemelerin siniflandirilmasi 3) POLİMERLER   KS en fazla 4 olabilir. Bu nedenle polimerlerin hacımsal atom yoğunluğu ve özgül ağırlığı düşüktür (2 g/cm3’den az).   Isı ve elektriği iletmezler.   Saf halde saydam olurlar, en kötü yansıtıcılardır.