Mühendislerin temel ilgi alanı

Atom yapısı ve bağlar Valans elektronları, en dış yörüngede bulunan elektronlar kastedilmektedir. Bu elektronlar çok önemli olup, atom ve molekül kümelerini oluşturmak için atomlararasında bağların oluşmasını katıların fiziksel ve kimyasal özellikleri bu valans elektronlarına bağlıdır

Bazı atomlar “kararlı elektron dizilişlerine” sahiptirler yani en dış enerji seviyesi veya valans elektron yörüngesi tamamen dolmuştur. Valans yörüngeleri dolmamış diğer elementlerin atomları elektron alarak veya vererek yüklü iyon oluşturmak veya diğer atomlarla elektron paylaşarak kararlı elektron yapılarını oluşturur. Periyodik tabloda, metaller valans elektronunu verme eğilimine sahip olduklarından, elektropozitif elementler olarak ifade edilir. Tablonun sağındakiler elektronegatif elementler (negatif iyon oluşturmak için kolaylıkla elektron alırlar) .

Katılarda Atomsal Bağ ro 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. 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, iki atom arasında mevcut bağ tipiyle, iki atom arasındaki itme kuvvetli ise, negatif yüklü elektron bulutları arasındaki etkileşimle ilişkilidir. ro

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.

Malzemelerin birçok özellikleri, E0 bağ enerjisi grafiğindeki eğrinin şekline ve bağın tipine bağlıdır. Yüksek bağ enerjisine sahip metaller - ergime sıcaklığı yüksektir. (oda sıcaklığında, katı maddeler yüksek, gazlar düşük, sıvılar ise orta büyüklükte bağ enerjilerine sahiptir). malzemenin ısıtma sonrası ne kadar genleştiği veya soğutma sonrası ne kadar büzüldüğü (malzemenin ısıl genleşme katsayısı) E0, bağ enerjisinin- r0 atomlararası mesafeyle değişimiyle ilişkili olduğundan, derin ve dar bir enerji çukur; yüksek bağ enerjisi anlamına gelmektedir. Yani malzeme düşük genleşme katsayısına sahiptir.

Gerilme, şekil değişimi tanımı Elastik davranış Bağ kuvveti- elastik davranış ilişkisi için verilmiş ön bilgidir. Gerilme, şekil değişimi tanımı Elastik davranış s : gerilme, e: birim şekil değişimi olarak tanımlanır. Telin boyundaki değişim (a) F=0, (b) Kuvvet altında (c) kuvvet kaldırılmış Mekanik davranışla ilgili olarak kitabın 6. bölümünün 152-159 sayfalarını okuyunuz.

Malzemeye özgü bir sabit, elastiklik modülü Hooke Kanunu olarak bilinen bu denklemdeki E orantı sabiti elastiklik modülü olarak adlandırılır.

Malzemenin elastiklik modülü malzemenin kuvvet-atomlararası mesafe eğrisinin şekline bağlıdır. Elastik modülü yüksek olan (rijit) malzemelerde r = r0 konumunda eğim oldukça diktir, düşük rijitliğe sahip malzemelerde ise eğim daha azdır.

Elastiklik modülünün sıcaklıkla değişimi Araştırma ödevi: elastik modülü neden sıcaklıkla azalır ? Ders kitabının ilgili kısımlarını okuyarak bu soruya cevap arayınız

Kuvvetli bağlara sahip ve atomların sık bir şekilde istiflendiği malzemelerin yoğunlukları genellikle yüksektir. Kuvvetli bağ, malzemenin elastiklik modülü ve teorik ayrılma dayanımının yüksek olmasını sağlamaktadır. Bağın türü malzemenin ısıl ve elektrik iletkenliğini belirleyecektir. Serbest elektronları bulunan metalik bağa sahip malzemeler (metaller) ısı ve elektriği iletken, plastik ya da seramikler ise nispeten yalıtkan davranırlar. Aynı şekilde korozyon gibi olaylarda serbest elektronlar rol oynadığı için metaller korozyona çok daha fazla duyarlıdır. Elektron bulutu nedeniyle metalik bağlı malzemeler ışığı önemli ölçüde yansıtmaktadır. [elektron bulutu ve etkisi konusu ayrıca metalik bağlar konusunda ele alınacaktır]

İyonik bağlar İyonik bağ oluşumunda metal atomları elektronlarından kolayca vazgeçtiklerinden, bu elektronlar kolayca metalik olmayan element atomlarına transfer olurlar. Örneğin: sodyum klorür (NaCl), iyonik bağa tipik bir örnektir. Bir sodyum atomu, bir 3s elektronunu, klor atomuna vererek tek pozitif yüklü hale geçebilir. Bu elektron transferinden sonra, klor iyonu, negatif bir yüke sahip olur. Sodyum klorür bileşiğinde, sodyum ve klorün her ikisi de iyon durumunda bulunur. Atomlararası bağ çekim kuvveti kulomb türü kuvvetlerdir; yani pozitif ve negatif iyonlar, net elektrik yükü ile orantılı olarak birbirlerini çekerler. Dolayısıyla toplam yük toplamı sıfırdır. Yöne bağlı olmayan (yönsüz) iyonik bağ yapısına sahip malzemeler karakteristik olarak sert ve gevrektirler, ayrıca elektrik ve ısı açısından yalıtkan özelliğe sahiptirler.

Kovalent bağ Kovalent bağda, komşu iki atom elektronlarını ortaklaşa kullanmak suretiyle kararlı elektron yapılarını oluşturdukları varsayılmaktadır. Kovalent bağlı yapıda, her bir atom, bağ oluşumuna en az bir elektron kadar katkıda bulunmakta ve paylaşılan elektronların her iki atoma ait olduğu düşünülmektedir. Karbon atomu dört (1s2,2s2,2p2) , diğer taraftan her bir hidrojen atomu sadece bir valans (1s1) elektrona sahiptir. Karbon atomu her bir hidrojen atomuyla bir elektronunu ortaklaşa kullandığında, hidrojen atomu, helyumun elektron dizilişine (iki 1s valans elektronuna) sahip olmaktadır. Bu durumda, karbon atomu her bir hidrojen atomuna ait ortak kullandığı ilave dört valans elektronla birlikte (2s2,2p6 ) toplam sekiz valans elektron sayısına ulaşmaktadır.

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. Metalik bağlar zayıf veya kuvvetli olabilir, bağ enerjileri civa için 68 kJ/mol , tungsten için 850 kJ/mol aralığında değişebilir. Buna bağlı olarak, bu elementlerin ergime sıcaklıkları da –39°C ile 3410°C aralığında değer almaktadır. - Metaller serbest elektronları nedeniyle hem elektrik, hem de ısıyı iletirler. iyonik ve kovalent bağ yapısına sahip malzemeler ise serbest elektrona sahip olmadıkları için, elektrik ve ısı iletimi bakımından yalıtkan özelliğe sahiptir. Çeşitli metallerin bağ enerji ve ergime sıcaklık değerleri Tablo 2.3’te verilmiştir.

İKİNCİL VEYA VAN DER WAALS BAĞLAR İkincil, van der Waals veya fiziksel bağlar, birincil veya kimyasal bağlara nispeten daha zayıftırlar ve bunların bağ enerjileri 10 kJ/mol (0,1 eV/atom) mertebesindedir. İkincil bağlar neredeyse bütün atom ve moleküllerde bulunur, İkincil bağ kuvvetleri atomsal veya moleküle ait dipollerden kaynaklanır. Esas itibarıyla, bir atomun veya molekülün pozitif ve negatif kutbu arasındaki mesafeden dolayı her zaman bir elektriksel dipol oluşumu söz konusudur ve bağ, dipolün pozitif ve negatif kutbu arasındaki Kulomb çekim kuvveti sonucu oluşur.

Suyun Donma Sırasında Hacimsel Genleşmesi Hidrojen bağı ile açıklanan suyun donma sırasındaki hacimsel olarak % 9 oranında genleşmesi olayı, ders kitabının 37 sayfası (Malzemenin Önemi başlıklı kısım) okunmak üzere öğrenciye bırakılmıştır.