ATOM YAPISI Konu 2

Maddenin Yapısı Empedocles (492 m.ö. ve 432 m.ö.): Tüm maddeler dört ana elementin birleşiminden oluşmuştur. Democritus (460 m.ö. to 370 m.ö.) : Maddenin bölünemeyecek kadar küçük parçasını atom olarak adlandırdı, bunun manası “görülemez” demektir. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-1

Maddenin Yapısı Aristotle ve Plato, Democritus reddetti ve Empedocles destekledi Dalton (1803) ilk olarak kendi atom modelini önerdi UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-2

Atomik Yapı Atomlar: tüm katı sıvı, ve gazların en küçük yapı birimleridir Atom: Bir elementin kimyasal özelliklerini koruyan en küçük birimidir. Atomlar tek başlarına var olabilecekleri gibi diğer atomlarla moleküllerde oluşturabilirler. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-3

Atom Yapısı ATOM Elektron Proton Nötron YÜK AĞIRLIK ATOM: Elektronlar, protonlar ve nötronlardan oluşur ATOM YÜK AĞIRLIK Elektron -1.6022x10-9 C 9.11x10-31kg Proton +1.6022x10-9 C 1.673x10-27kg Nötron yüksüz 1.675x10-27kg UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-4

TANRI PARÇAÇIĞI Higgs Bozonu Temel parçacıklar dünyasında, parçacıklar büyüklü - küçüklü çeşitli kütlelere sahiptir. Bu kütlelerin farklılıkları nereden geliyor? Parçacık niye bu kütleyi kazanmış, neden şu anda sahip olduğu kütleye sahiptir? UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-4

Bu soruları, kendine ilk soranlar arasında olan TANRI PARÇAÇIĞI Higgs Bozonu Bu soruları, kendine ilk soranlar arasında olan Peter Higgs, 1964 UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-4

TANRI PARÇAÇIĞI Peter Higgs, 1964 1964 yılında temel parçacıkların kütle kazanımına, bugün Higgs Bozonu olarak bilinen parçacığın sebep olduğunu ileri sürmüştür. Buna göre, herhangi bir temel parçacık Higgs Bozonu ile ne kadar etkileşirse o kadar kütle kazanmaktadır. Bu olaya Higgs mekanizması adı veriliyor" diye konuştu. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-4

TANRI PARÇAÇIĞI Peter Higgs, 1964 Higgs mekanizması baz alınırsa Higgs'in olmaması, bizi maddenin oluşmayacağı fikrine götürmektedir. Evrenin başlangıcı büyük bir patlamaya dayandırılmaktadır. Bu patlama ile birlikte büyük bir enerji oluşmakta ve bu enerjiyle patlamadan çok kısa bir süre sonra parçacıklar meydana gelmektedir. Eğer Higgs olmamış olsaydı, bu enerji sadece ısı ve ışık olarak yayımlanırdı ve madde oluşmazdı. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-4

TANRI PARÇAÇIĞI Peter Higgs, 1964 Higgs parçacığının bulunması ile ilgili, "CERN yetkilileri bulunan parçacığın kesin olarak bir atom altı parçacık olduğunu belirttiler. Ancak parçacığın Higgs bozonu olup olmadığı konusunda küçük de olsa bir belirsizlik mevcut. Bununla beraber, bulunan atom altı parçacığının kütlesi, ki bulunan parçacığın Higgs olduğunu kabul edersek iyot atomuna yakın bir kütle değerine sahiptir. (Doç.Dr. Barış Tamer Tonguç) UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-4

TANRI PARÇAÇIĞI Peter Higgs, 1964 Professor Higgs wipes a tear from his eye as fellow scientists find his 'God particle' on 'momentous day for science' - 40 years after he predicted its existence UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-4

TANRI PARÇAÇIĞI Peter Higgs, 1964 Two high-energy photons collide. Their energy (the red lines) is measured in by an 'electromagnetic calorimeter'. The yellow lines are the measured tracks of other particles produced in the collision. The pale blue volume shows the track through which the particles are sent UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-4

TANRI PARÇAÇIĞI Peter Higgs, 1964 Higgs parçacığının bulunması ile ilgili, "CERN yetkilileri bulunan parçacığın kesin olarak bir atom altı parçacık olduğunu belirttiler. Ancak parçacığın Higgs bozonu olup olmadığı konusunda küçük de olsa bir belirsizlik mevcut. Bununla beraber, bulunan atom altı parçacığının kütlesi, ki bulunan parçacığın Higgs olduğunu kabul edersek iyot atomuna yakın bir kütle değerine sahiptir. (Doç.Dr. Barış Tamer Tonguç) UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-4

TANRI PARÇAÇIĞI The particle accelerator: It is within these tubes that physicists are hunting for the 'God' particle The giant project is the most enormous piece of scientific apparatus ever constructed, and is buried 100m beneath the ground UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-4

Atom Yapısı Atom numarasına bağlı olarak; Atom çekirdeğinin yarıçapı 10-12 – 10-11 mm aralığında, Atom yarıçapı ise yaklaşık 10-7 mm civarındadır. Hidrojenin atom yarıçapı : 0,46×10-7 mm, Toryumun atom yarıçapı : 1,8×10-7 mm’ dir UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-5

Atom Yapısı Atom numarası: atomdaki protonların toplam sayısı Kütle numarası: atomdaki proton ve nötronların toplam sayısı Denge durumundaki bir atomda elektronların (-) sayısı protonların (+) sayısına eşittir. Bir atom gramda; Örneğin: 55,85 gram demirde = 02×1023 (Avagadro sayısı ) kadar atom vardır. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-6

Elementlerin Periyodik Tablosu Element: 118 saf kimyasal maddeden biridir. Aynı cins atomlardan meydana gelen saf maddelere element denir. Elementlerin Periyodik Tablosu UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-7

Elementler Elementler: metaller, ametaller ve yarı metaller olmak üzere üçe ayrılabilir. H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra ** Rf Ha Sg Ns Hs Mt Hafif metal Geçiş elementleri Ametaller UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-8

Elementler Periyodik tablonun en dış yörüngede 8 elektrona sahip olan elementler ideal gazlardır. H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra ** Rf Ha Sg Ns Hs Mt * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-9

Madde Yapısı Molekül: İki veya daha çok atomun kimyasal bağ ile bağlanması sonucu oluşan parçacıktır. Genel olarak bir molekül, saf kimyasal maddenin kendi başına bütün kimyasal bileşimini ve özelliklerini taşıyan en küçük parçasıdır. Bileşik: Elementlerin belirli oranlarda kimyasal birleşimleri ile oluşan malzemelerdir. Bileşikler kimyasal olarak basit maddelere ayrılabilirler. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-10

Elementler ve Atom Yapısı İZOTOP: Aynı atomun protonları sabit kalmakla beraber nötronları değişik olabilir ki bunlara izotop denilir. Örneğin; 26 Atom numarasına sahip demirin izotopları: 54Fe (26 p, 28 n) 55Fe (26 p, 29 n) 56Fe (26 p, 30 n) 57Fe (26 p, 31 n) 58Fe (26 p, 32 n) UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-11

Elementler ve Atom Yapısı İZOTOP: HİDROJENİN İZOTOPLARI Hidrojen Protium 1 p + 0 n Ağır Hidrojen Deuterium 1 p + 1 n Radyoaktif Hidrojen Tritium 1 p + 2 n UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-12

Elementler ve Atom Yapısı İZOTOP: Elementlerin kimyasal özelliklerini o elementin elektron ve proton sayısı belirler. Bir elementin tüm izotoplarında kimyasal özellikleri aynıdır. İzotoplarda yalnızca fark nötron sayısıdır. İzotoplarda bazı fiziksel özellikler birbirinden farklı olabilir. Örneğin bazı izotoplar radyoaktif olmalarına karşın diğerleri değildir. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-13

Elementler ve Atom Yapısı İZOBAR: Atom numaraları birbirlerine yakın elementlerin bazı izotopların kütle sayıları birbirlerine eşit olabilir. Proton adedi farklı, kütle sayıları aynı atomlara izobar denir. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-14

Elementler ve Atom Yapısı Atom Modelleri: Lewis-Langmuir Başlangıçta küp şeklinde ve elektronların hareket etmediği tahmin edilen model Dalga mekaniği son olarak elektronların dalga hareketi yaptığı ve belirli bir bölgede bulunması ihtimali olduğu yörüngeler Bohr çekirdek etrafında güneş sistemine benzer belirli yörüngelerde dönen elektronlar UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 2-15

ATOMLAR ARASI BAĞLAR Konu 3

Atom Arası Bağlar Örneğin; Uzun zincir şekilli atomlar→Polimerler Atomlar malzemeleri oluşturur. Atomlar arası bağlar kendi kendine yeterli ise gaz, sıvı veya katılar oluşur. Örneğin; Uzun zincir şekilli atomlar→Polimerler Atomların üç boyutlu uzayda düzenli bir biçimde dizilmesi→Metaller UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-1

Atom Arası Bağlar Elektronlar, atom çekirdeği çevresinde belirli yörüngeler üzerinde sürekli hareket halindedir ve belirli enerji düzeyine sahiptir. Elektronlar, çekirdek üzerine yerleşirken önce en dış enerji yüzeyini doldururlar, sayıları arttıkça sırası ile daha dıştaki enerji düzeylerini işgal ederler. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-2

Atom Arası Bağlar Atomların son yörüngelerinde en çok sekiz elektron bulunabilir (tek yörüngeli atomlarda iki elektron). Tüm atomlar son yörüngelerindeki elektronları 8 yaparak soy gazlar gibi kararlı hale geçme eğilimindedirler. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-3

Atom Arası Bağlar + yüklü katyon Na0 → 11 p+ 11 e- Na+ → 11 p+ 10 e- İyonlaşma Enerjisi: Katyon oluşumunda elektronu uzaklaştırma için gerekli enerji Elektron uzaklaştırma + yüklü katyon Na0 → 11 p+ 11 e- Na+ → 11 p+ 10 e- UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-4

Atom Arası Bağlar Elektron İlgisi Cl0 → 17 p+ 17 e- Cl- → 17 p+ 18 e- Anyon oluşumunda elektron ekleme için gerekli enerji (-) yüklü anyon Cl0 → 17 p+ 17 e- Cl- → 17 p+ 18 e- UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-5

Atom Arası Bağlar İyonlaşma Enerjisi: Elektron İlgisi Katyon oluşumunda elektronu uzaklaştırma için gerekli enerji Elektron İlgisi Anyon oluşumunda elektron ekleme için gerekli enerji Elektronegatiflik: Atomun kimyasal bir bağda elektronu kendisine çekme eğilimi Elektron alma ve verme özelliğini belirleyecek basit bir ifade İSTENEN UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-6

Atom Arası Bağlar En dış yörüngede 5,6,7 atom bulunduran elementler sırası ile 3, 2, ve 1 elektron alabilirler. En dış yörüngede 1, 2, ve 3 elektron bulunduran elementler bu elektronları vererek en dış yörüngede 8 elektrona sahip olup kararlı düzeyi yakalamak. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-7

Atom Arası Bağlar En dış yörüngede 4 valans elektronu bulunduran elementler iki türlüde davranabilirler. İster elektron alır ister verebilirler. Valans elektronları: En dış yörüngedeki elektronlardır. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-8

ATOMIK BAĞLAR

Atom Arası Bağ Çeşitleri 1. İyonik Bağ Son yörüngedeki eksiklikler elektron alışverişi ile sekize tamamlanır. Elektron kaybeder Na (0) yüksüz Na+ (+) Katyon Cl (0) yüksüz Cl- (-) Anyon UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-11

Not: atomların boyutları değişir Na+ büzülür ve Cl- genişler Coulomsal etkileşim Katyon Anyon Not: atomların boyutları değişir Na+ büzülür ve Cl- genişler Iyonsal bağlar yönsüzdür ! Cl- Na+

Atom Arası Bağ Çeşitleri 1. İyonik Bağ İyonik bağ metaller ile ametaller arasında oluşur. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-13

İyonik Bağlar İyonik Bağın Özellikleri Çekim kuvveti elektrostatiktir (coulombik) Bağlar yönsüzdür (her + iyon mümkün olabilen en çok – iyonlarla çevrilir) Bağlar güçlü, kararlı, kırılgandır. Ergime sıcaklıkları yüksektir. (İyonsallık derecesi arttıkça bağ kuvvetleri artar dolayısı ile ergime sıcaklığı artar) UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-13

İyonik Bağlar İyonik Bağ Özellikleri İyonsallık derecesi: MgCl2 de 1 Mg2+ iyonuna karşı 2 Cl- iyonu bulunur, dolayısı ile atomların oranı ½ dır, bu aynı zamanda iyonsallık derecesini gösterir. Elektrik iletkenlikleri düşüktür. Farklı elektronegatiflik (bir yüksek, bir düşük) değerine sahip atomlar arasında oluşur. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-14

Atom Arası Bağ Çeşitleri 2. Kovalent Bağ Elektronlar çekirdek etrafında döndükleri gibi kendi eksenleri etrafında da dönerler. Bu dönme hareketi neticesinde elektromagnetik kuvvetler oluşur. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-15

Atom Arası Bağ Çeşitleri 2. Kovalent Bağ Periyodik tabloda birbirine yakın ve elektronegatiflikleri arasında az fark bulunan elemanların atomları veya aynı elmanın kendi atomları valans elektronlarını çiftler halinde paylaşabilirler. Paylaşılan eksi yüklü elektronlar artı yüklü iki komşu arasında sürekli titreşim halinde kalarak bir köprü oluştururlar. Bu şekilde kovalen bağ oluşurken atomlar birbirine yaklaşır, potansiyel enerji azalarak minimuma erişir ve kararlı yapı elde edilir. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-16

Atom Arası Bağ Çeşitleri 2. Kovalent Bağ Ametaller ile Ametaller arasında olur. Valans elektronlarının ortak kullanımı söz konusudur. Paylaşılan elektron ile pozitif çekirdek arasında çekim kuvveti oluşur. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-17

Atom Arası Bağ Çeşitleri 2. Kovalent Bağ Bu bağ genellikle gazlarda meydana gelir (H2, NH3, O2, CH4 ).. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-18

Atom Arası Bağ Çeşitleri 2. Kovalent Bağ Buzda her su molekülü diğer 4 molekül tarafından sarılarak tetrahedron şeklinde bağlanmıştır. Üç boyutta da hidrojen bağları mevcuttur. Buz 00C’de eriyince hidrojen bağlarının kabaca %15’i kırılır. Sonuç olarak tetrahedral yapı bozulur, her su molekülü komşu 4 molekülden daha fazla moleküle bağlanır. Böylece yoğunluk 0.917’den 1’e çıkar. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-19

Atom Arası Bağ Çeşitleri 2. Kovalent Bağ Katılardaki en güzel örneği ise kübik yapıdaki elmastır. Silisyum, Germanyum, Karbon gibi elementler dört kovalent bağ ile tetrahedron bağ oluştururlar. Bu tetrahedron gruplar birleşerek elmas kübik yapı meydana getirirler. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-20

Atom Arası Bağ Çeşitleri 2. Kovalent Bağ Kovalent bağa sahip elementler (8-N) kuralına uyarlar. 8 N KURALI (8-N) kuralı: Bir atomun en yakın komşularının sayısı (8-N) eşittir. N valans elektronudur e-. N=7 olduğu zaman, örneğin Cl 8-7=1 → atomlar çiftlere ayrılır, iki atomlu moleküller gibi Cl + UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-21

Atom Arası Bağ Çeşitleri 2. Kovalent Bağ Kovalent bağa sahip elementler (8-N) kuralına uyarlar. 8 N KURALI N=6 olduğunda örneğin S 8-6=2 6 16S : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 Her atom iki yakın komşuya sahiptir bu nedenle uzun zincirler oluştururlar. S O, Se, Te elementleri de S gibi davranır. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-22

Kovelent Bağlar N=5 olduğunda, örneğin As 33As : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p3 8-5=3 → 3 yakın komşuya ihtiyaç hisseder dolayısı ile atom katmanı (levha) oluştururlar. N=4 olduğunda, örneğin 6C : 1s2 2s2 2p2 8-4=4 → 3-D yapılar oluştururlar. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-23

Kovelent Bağların Özellikleri Elektron paylaşımı üzerine kurulur. Bağlar yönlüdür (her atom belirli sayıda diğer atomlar tarafından çevrelenmiştir.) Bağlar sert ve güçlüdür (iyonsal bağlardan biraz düşük) UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-24

Kovelent Bağların Özellikleri Çok yüksek ergime sıcaklığına sahiptirler. Elektrik iletkenlikleri zayıftır. Yüksek elektronegatiflige sahip elementler arasında gerçekleşir. Kovalent bağlar elementlerle sınırlı değildir; birçok bileşik kovalent bağa sahiptir, örneğin HCl, H2O. UÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilimi 3-25