Az anyagszerkezet alapjai

Átírás

1 Kérdések Az anyagszerkezet alapjai Az atomok felépítése Mik az építőelemek? Milyen elvek szerint épül fel az anyag? Milyen szintjei vannak a struktúrának? Van-e végső, legkisebb építőelem? A legkisebbeknél megismert törvényszerűségek hatnak-e a magasabb szinten? Másképp: kell nekünk tudni a kvantummechanikát? A szabályok vagy az attól való eltérés lesz fontosabb? (ld: kristályhibák) Hogy ismerhető meg a szerkezet? Modelleket ismerünk, vagy az igazit? Alapfogalmak, adatok Atom építőkövei: Proton atommag Neutron Elektron m neutron m proton 2000 m elektron m proton = 1,67 x kg, m elektron =9,11 x kg q proton = -q elektron = 1,6 x C tömegszám: 35 Cl rendszám: 17 Rendszám: protonok száma Tömegszám: protonok + neutronok száma Atomtömeg / móltömeg egység: 12 C izotóp 1/12 része mol: anyagmennyiség egysége 1 mol = db molekula / atom Avogadro szám 1 mol = moltömegnyi anyag (gramm) Az atom szerkezete 2. Az elektron energiaállapotai kvantáltak 3.Heisenberg-féle határozatlansági reláció A kvantummechanika alapgondolatai: 1. Az elektron (anyag) kettős természete: de-broglie, részecske - hullám λ=h/mv h = 6, Js: (Planck állandó) Bizonyíték: interferencia, elektronsugarak diffrakciója Ni kristályon Alkalmazás: pl. elektronmikroszkóp No, you're not going to be able to understand it. You see, my physics students don't understand it either. That is because I don't understand it. Nobody does. Richard Feynman Az elektronok (és más mikrorészek) csak adott energiaszinteket foglalhatnak el. W 3 W 0 = hν = hc/λ foton kibocsátás x p x h/2π Egy mikrorészecske (elektron) helybizonytalansága és impulzusbizonytalansága nem csökkenthető egyszerre minden határon túl Ha pl. egy elektron energiáját nagyon pontosan megmérem, a helyét ugyanakkor csak korlátozott pontossággal ismerhetem meg. 1

2 4.Schrödinger egyenlet Képünk az atomról, a mikrovilágról Az elektron állapotát (helyzetét és energiáját) egy hullámegyenlet írja le. Megoldásaegy függvénysorozat, Sajátérték: energiaszintek Sajátfüggvény: elektron megtalálási valószínűsége Nincs kézzelfogható modell Nincs hely, pontos méret, helyette megtalálási valószínűség, töltéssűrűség Nem folytonos az energia, hanem kvantált Egyszerre részecske és hullám Károlyházi Frigyes: Igaz varázslat (Gondolat zsebkönyvek 1976) Elektronkonfiguráció Képzeljük térbeli állóhullámoknak A mag erőterében levő elektronok állapotát adja meg. Jellemzés: kvantumszámok (mögöttük a Schrödinger egy. 1-1 megoldása) Főkvantumszám, N: a magtól való távolság, elektronhéj száma potenciális energia durva értéke N: 1, 2, 3, 4,... stb. jelölés:k, L, M, N Mellékkvantumszám, l: a pálya alakja, a pot. energia finom eltérése maximális értéke l = N-1, 0, 1, 2, 3 jelölés: s, p, d, f A p x, p y, p z pályák alakja Az 1s és 2s pályák alakja Egy és kétdimenziós állóhullám d és f pályák Mágneses kvantumszám, m: a pályák külső mágneses térhez viszonyított iránya, lehetséges értékei: m= -l l Spin kvantumszám, s: az elektron saját impulzusmomentuma lehetséges értékei: s= +-1/2 Az elektronkonfiguráció következményei H atom: alapállapotban 1s elektron, gerjesztve magasabb energiaszintek További atomok: Fokozatosan betöltik a magasabb szinteket Energiaminimum elv Pauli elv: egy rendszeren belül nem lehet két elektron ugyanabban a kvantumállapotban 2

3 A periódusos rendszer Mengyelejev: rendezési elv: Atomtömeg és kémiai fizikai tulajdonságok Rendszám: protonok száma Később magyarázat atomszerkezeti alapon: Periodicitás oka: azonos külső elektronhéj Külső elektronok főkvantumszáma = periódus száma Legkülső pályán lévő elektronok száma = főcsoport (oszlop) száma Mellékkvantumszám szerint: s, p, d, f mező Atomok, ionok mérete Egy perióduson belül: mag vonzás nő, elektronok taszítása nő Oszlopon belül: új elektronhéj Pozitív ion: elektron taszítás csökken, legkülső elektronhéj megszűnik Negatív ion: elektron taszítás nő Ionizációs energia Elektronaffinítás A fény és az atom kölcsönhatása Az az energia, amely ahhoz kell, hogy egy semleges atomból egyszeresen pozitív ion keletkezzen Az az energia, amely ahhoz kell, hogy egy semleges atomból egyszeresen negatív ion keletkezzen 3

4 A spektroszkópia alapjai Emissziós fotometria Abszorpciós fotometria Alapelv: Az energia-állapotok kvantáltak Az energia szintrendszer jellemző az atomra, molekulára E = hν = hc/λ Vizsgálható energia-átmenetek: Külső elektronhéj: UV, látható Belső elektronhéjak: UV, RTG Atommag: gamma Molekulák rezgési, forgási állapota: IR, mikro hullám Minta termikus gerjesztése Elektron magasabb energiaszinten Alapállapotba vissza, közben foton emisszió Kibocsátott fény elemzése Hullámhossz anyagi minőség Intenzitás anyagmennyiség Minta átvilágítása (fehér) fénnyel Az a hullámhossz nyelődik el, amelyik energiája pont elég egy elektron gerjesztéséhez Áteresztett fény elemzése Hullámhossz anyagi minőség Intenzitás anyagmennyiség Az anyagszerkezet alapjai II. Kötések Kötéstípusok Elektronegativítás EN Elsődleges kötés: kötési energia: egy kötés szétszakításához szükséges munka (ev), szoros:(kj/mol) kj/mol Ionos Kovalens Fémes A potenciális energia változása a kötés kialakulása során Atomok kémiai viselkedésére jellemző szám Az atomtörzs (mag és a lezárt héjak) mennyire vonzza a kötésben résztvevő elektronokat Pauling (1935): legerősebben vonzó: F 4 leggyengébb: K 1 Többi elemé a tulajdonságok szerint periodikusan változik 4

5 Ionos kötés EN különbség nagy Kis EN-ú partner lead, a nagy EN-ú felvesz 1 (2, max.3 elektront) Összetartó: Coulomb erő Nincs elkülönült molekula NaCl kristály Minden reakciópartner kis EN-ú Mind lead elektront Szabad elektronfelhő Pozitív fémionok Nincs kitüntetett irány Legszorosabb illeszkedés Fémes kötés Kovalens kötés Mindkét partner nagy EN Közös elektronpár(ok) molekulapályán Kötő elektronpár megtalálási valószínűsége a két atommag között nagy Irányított kötés, szigorúan adott kötési szög Laza helykitöltés A H 2 lehetsége molekulapályái: ellentétes spin kötő pálya párhuzamos spin lazító pálya A kovalens kötés típusai Homopoláros: pl. H 2, O 2, Cl 2, C-C kötés a szerves molekulákban. A töltéseloszlás szimmetrikus Poláros (heteropoláros): pl. H 2 O, HCl, SiO 2 A kötő elektronpár(ok) nagyobb valószínűséggel a nagyobb EN-ú atom közelében található(k). Következmény: dipólus molekula, nagyobb permittivitású anyag (pl. víz: ε r = 81) Egyszeres, σ kötés: Az első elektronpár mindig σ Tengelyszimmetrikus Lehet: s-s, s-p, p-p elektronok között A kötő elektronpár ellentétes spínű 5

6 Kettős kötés π Csak p-p elektronok között Tükörszimmetrikus Gyengébb, mint a σ Max kötés: σ + π + π Delokalizált kötés Konjugált π kötésrendszer szerves molekulákban - C = C C = C C = C -, benzolban Szervetlen molekulákban, ionokban CO 3 2-, NO 3 - Hármas kötés az acetilén molekulában Elsődleges kötések - összefoglalás Vezető polimerek Polimer makromolekulák vagy kisebb szerves molekulák Konjugált kötésrendszer Félvezető vagy 1 dimenziós fémes vezetés Adalékolható p, n félvezetővé Alkalmazás: OLED, display, napelem, akkumulátor, érzékelő A reakciópartnerek EN- a dönti el a kötés típusát Léteznek tiszta ionos, kovalens, fémes kötések, de léteznek átmeneti típusok A geometriai elrendezést A sztöchiometriai arányok A kovalens kötésszög Az atomok (ionok) méretaránya határozza meg A 3. periódus elemeinek egymás között kialakuló kötései Másodlagos kötések 2. Van der Waals kötés Molekulák között Sokkal gyengébb, mint az elsődleges 1.H-híd: 8 40 kj/mol A proton (H + ) az elektronpárhoz hasonlóan viselkedve hoz létre kötést. Csak a legnagyobb EN-ú elemek között: F, O, N, (Cl) Fontos biokémiai rendszerekben (pl. DNS), polimerekben: pl. nylon 1. Orientációs hatás: két dipól molekula között 2. Indukciós hatás: egy dipól molekula töltésmegosztást indukál a szomszédos apoláros molekulákban 3. Diszperziós hatás: két apoláros molekula között fellépő (mélyebb kvantummechanikai ismeretekkel értelmezhető) vonzás. 6