Bevezetés. Atomszerkezet, kötések. Az előadás során megismerjük:

Átírás

1 Anyagzekezettan é anyagvizgálat 0/7 Atomzekezet, kötéek D. Szabó Péte Jáno Az előaá oán megimejük: a két alavető atommoell alajait, é a moellek közötti különbégeket; az atomok fő enegiajellemzőit; az előenű é máoenű kötéeket; az atomok közötti kötőeők é a makozkóiku tulajonágok kacolatait. Bevezeté Az embeiéget őiők óta foglalkoztatja az a kéé, hogy melyek az anyag alavető éítőkövei. Thaléz zeint a víz minen lét alaja, ebből keletkezik, é ezzé válik minen. Anaximenéz az alaelemet a levegőben, Heakleitoz eig a tűzben találta meg, míg Pameniéz a világot é a létet homogén gömb fomájában kézelte el. Aiztoteléz zeint a világ négy elem: a föl, a víz, a levegő é a tűz különböző aányú keveékéből é bomláából jön léte. Démokitoz iőzámítáunk előtt a negyeik zázaban alkotta meg valóággá lett álomnak" bizonyult elméletét, amely zeint: Aott az ozthatatlan tetek okaága, végtelen zámoágukban é alakjuk változatoágában... Minegyikük temézete ugyanaz...

2 Az atom feléítée Atommag: ézeckékből (nukleonokból) áll Poton: ozitív töltéű, a neutonnal megegyező tömegű Neuton: emlege töltéű Elekton: negatív töltée a otonéval megegyező nagyágú tömege négy nagyágenel kiebb mint az atommagé 4 Alafogalmak Atomzám, enzám (Z) Z a otonok záma, Tömegzám (A) A = Z + N ahol N a neutonok záma Nukli: aott oton é neutonzámú atomok Egy elem valamennyi atomjában azono zámú oton van. Izotó: azono zámú otont, e eltéő zámú neutont tatalmazó atom; Relatív atomtömeg (A ): vizonyzám, amely megmutatja, hogy az aott elem aott nuklija hányzo nagyobb tömegű a Cizotó tömegének / ézénél. (A eióuo enzeben az aott elem különböző izotójainak temézete aányához tatozó átlago elatív tömeg zeeel.) Kémiai anyagmennyiég (mol): N A =,0x0 b atom/molekula Vegyétékelekton: az atom külő héján található elektonok, amelyek ézt veznek má atommal való köté kialakítáában.

3 Kéé 7 Bohatommoell Az atomokban tacionáiu ályák (obitok) léteznek, amelyev elekton ken az elekton ugázá nélkül keinghet. h + mv n n oton, neuton A centifugáli eő egyenlő az elektont a maghoz vonzó eővel: 4 e mv e n me v,, E n n me n Az elekton változtatja a ályáját, enegia elnyelé / kibocátá töténik enegiakvantum fomájában: En En h h: Planck állanó, m: elekton tömege, v: elekton ebeége, : álya ugaa, n: egéz zám, e: elekton töltée, ν: foton fekvencia 8 Schöingeegyenlet h U E m x y z 8 h: Planck állanó, m: ézecke tömege U: otenciáli enegia, E: öze enegia Ψ: hullám függvény, x,y,z: kooináták Az elekton kötött álya helyett az atom bámely ézében tatózkóhat, e előfoulái valózínűége nem azono. Az elektonfelhő űűégét az elekton ott tatózkoáának valózínűége zabja meg. Ψ V: a vizgált ézecke előfouláának valózínűége a V elemi téfogatban. 9

4 Atomi obitálok (n=) y, m= x,m= z, m=0 0 Atomi obitálok (n=) z, m=0 x,m= y,m= xz, m= z, m=0 yz,m= xy, m= x y, m= 4

5 Kvantumzámok Kvantumzám Jelölé Éték Jelenté Fő n,,,4,,,7 K,L,M,N,O,P,Q Mellék l l=0,,..(n),,, f Mágnee m m=l..0..+l Sin m m =/, +/ Obitál méete köz ~n Obitál alakja M l Obitál iánya l M z m Paulielv: az atom nem tatalmazhat két olyan elektont, amelynek min a négy kvantumzáma megegyezik. n Elektonhéjak é állaotok Elektonhéj Alhéj Állaotok záma Alhéj elektonzám Héj elektonzám n K L 8 M 4 N f Elektonkonfiguációk Elem Szimbólum Renzám Elektonzekezet Hiogén H Hélium He Lítium Li Beillium Be 4 Bó B Kabon C

6 Enegia Enegiazintek f f f 4 7 Főkvantumzám Alaállaotú atom: A lehető legkiebb enegiájú atom. Az atomban ekko az elektonok a lehetőég zeint a legközelebb helyezkenek el az atommaghoz. Kéé 7 Atomok enegiajellemzői Ionizáció enegia: mol gázhalmazállaotú atomból a legkönnyebben lezakítható elekton eltávolítáához zükége enegia (kj/mol) Elektonaffinitá: azt fejezi ki, hogy mekkoa enegia zükége mol gázhalmazállaotú negatív ionból a töltét okozó elektonok eltávolítáához (kj/mol). Elektonegativitá: a kötött atom elektonokat vonzó kéeégét jellemzi. Általában azoknak az atomoknak nagy az elektonegativitáa, amelyeknek nagy az ionizáció enegiája é az elektonaffinitáa. A ki ionizáció enegiájú elemek könnyen anak le elektont (ionizálónak), é kationná válnak. A nagy ionizáció enegiájú elemek hajlamoak az elektonfelvétele, é anionná alakulnak át. 8

7 A eióuo enze Az egyzeű tetek tulajonágai, a vegyületek tíuai é tulajonágai, valamint az elemek atomúlya között eióiku özefüggé van. (Menelejev) A kémiai elemek az atommag é elektonhéj konfiguáció alaján eióuo táblázatba enezhetők. A táblázat ozloai az elektonhéj ozícióinak elektonnal való betöltöttégét, a táblázat oai az elektonhéjak zámát jelzik. Az egy függőlege ozloba tatozó elemek haonló tulajonágúak. 9 IA H.008 IIA 4 Li Be Na Mg IIIB 4 IVB VB VIB halogének nemegázok itka fölfémek VIIB VIII VIII VIII IB IIB He IIIA IVA VA VIA VIIA B C N O F Ne Al Si P S lc A K Ca Sc Ti V C Mn Fe Co Ni Cu.4 0 Zn.7 Ga 9.7 Ge 7.9 A Se 78.9 B 79.9 K Rb S Y Z 9. 4 Nb Mo Tc (99) 44 4 Ru Rh P Ag C In Sn Sb Te I Xe C Ba Hf Ta W Re 8. 7 O I Pt Au Hg TI Pb Bi Po (0) 8 At (0) 8 Rn () 87 F () 88 Ra () 04 Rf () 0 Db () 0 Sg () 07 Bh (4) 08 H () 09 Mt () 0 Uuu Uun Uub (9) (7) (77) Lantaniák Aktiniák La Ce P N Ac Th Pa U (7).04 () 8.0 Pm (4) 9 N (7) Sm Eu G Tb Dy Ho E Tm Yb Lu Pu Am Cm Bk Cf E Fm M No L (4) (4) (47) (47) (49) () () () (4) (7) Alkáli fémek Átmeneti fémek Metalloiok Alkáli fölfémek Egyéb fémek Nemfémek 0 Atomi kötéek Előlege kötéek Féme Iono Kovalen Máolago kötéek 7

8 Féme köté A féme köté akko tu létejönni, ha az elemek a külő elektonhéjon levő elektonjaikat kéeek leani egy közö elektonfelhőbe. A ozitív fémionok hozútávon enezőve tébeli ácot, kitályo zekezetet alkotnak. fémionok elektonfelhő Jó elektomo é hővezető kéeég Kimétékű villamo ellenállá Nagymétékű kélékeny alakváltozá Iánytól független tulajonágok. Elektoozitív elem: elektont kée leani, é ezáltal ozitív ionná válik. Elektonegatív elem: elektont kée befogani, é így negatív ionná válik. Iono köté Az iono köté előfeltétele, hogy különbég legyen az elemek elektonegativitáában. Az iono köté olyan elemek között valóul meg, amelyeknél a külő elektonhéjak betöltetlenége eően eltéő, az egyik könnyen leaja, a máik eig könnyen felvezi az elektont. Az iono kötét a zát elektonhéjak különöen nagy tabilitáa biztoítja. Na Cl Na Cl Cl Na Cl Na Na Cl Na Cl Cl Na Cl Na Na Cl Na Cl Cl : (Z=7) Na : (Z=) Kation(+) anion() Féme é nemféme elemek között Roz hő é elektomo vezető Iánytól független tulajonágok Rieg vielkeé Keámiák tiiku kötée Iono köté é elektonegativitá H. Li.0 Na K Rb 0.8 C F Be Mg. 0 Ca.0 8 S.0 Ba Ra 0.9 Sc. 9 Y Ti 40 Z.4 7 Hf. V 4 Nb 7 Ta 4 C 4 Mo 74 W.7 Mn 4 Tc 7 Re NaCl MgO CaF CCl Fe 44 Ru 7 O 7 Co 4 Rh 77 I Elekton leaá Kiebb elektonegativitá 8 Ni 4 P 78 Pt 9 Cu 47 Ag 79 Au.4 0 Zn 48 C.7 80 Hg B.0 Al Ga 49 In.7 8 Ti C. 4 Si Ge 0 Sn 8 Pb 7 N.0 P. A.0 Sb 8 Bi Elekton felvétel 8 O. S. 4 Se.4 Te. 84 Po.0 9 F Cl.0 B.8 I. 8 At Nagyobb elektonegativitá He 0 Ne 8 A K 4 Xe 8 Rn 4 8

9 Kovalen köté A eióuo táblázat egymá melletti, vagy egymához közeli elemei alkotják oly móon, hogy a kötében ézt vevő atomok úgy oztják meg egymá között a legkülő elektonhéjon lévő elektonjaikat, hogy a kötében ézt vevő atomok a nemegázoka jellemző tabil elektonkonfiguációval enelkezzenek. + H CH 4 kötée H Kabon atom megoztott elektonjai H C H H Hiogén atom megoztott elektonjai C: 4 vegyéték elekton van, H: vegyéték e van, kell még 4 e. kell még e. Kovalen kötéi élák H. H H O Cl F He Li.0 Na Be Mg. SiC B.0 Al C. 4 Si 7 N.0 P. 8 O. S. 9 F Cl.0 0 Ne 8 A 9 K Ca.0 Sc. Ti V 4 C Mn Fe 7 Co 8 Ni 9 Cu 0 Zn Ga Ge A.0 4 Se.4 B.8 K 7 Rb S.0 9 Y. 40 Z.4 4 Nb 4 Mo 4 Tc 44 Ru 4 Rh 4 P 47 Ag 48 C.7 49 In.7 0 Sn Sb Te. I. 4 Xe C Ba 7 La 7 Hf 7 Ta 74 W 7 Re 7 O 77 I 78 Pt 79 Au 80 Hg 8 Ti 8 Pb 8 Bi 84 Po 8 At 8 Rn F Ra Ac. GaA 7 9

10 Máolago (Van e Waal) kötéek Atomi vagy molekulái ióluok között ható Coulomb eők hozzák léte Változó iólu által inukált köté Elektomoan zimmetiku atom v. molekula iőlegeen oláoá válik, é a könyezetében iólut inukál. Pl.: nemegázok ziláuláako, H é Cl molekulák között Olvaá é foáont nagyon alacony H H H H Leggyengébb köté 8. Állanó iólu által inukált köté Azimetiku töltéelozláú molekulák aoláo molekulákat oláoá inukálnak. Pl.: HCl oláo molekula.. Állanó ióluok közötti köté (hiogén köté) A H eő kovalen kötéű molekulákat alkot különböző elemekkel (HF,H O,NH ). Minegyik HF, HO, HN köténél az elekton a máik elemmel van megoztva, é a köté végén ozitív töltéű állanó ólu alakul ki. A molekula máik éze negatív töltéűvé válik. F H O H HF H O Pl.: óiámolekulák (olimeek) közötti kötéek. 9 Kéé 0 0

11 F F Kötéi enegia, atomtávolág Atomtávolág: az atomok közötti egyenúlyi távolág, amit a köztük felléő vonzó é tazító eők eeője hatáoz meg. Kötéi enegia: az egyenúlyi távolágban lévő atomok között méhető enegia. Atomi köté é a makozkóiku tulajonágok kacolata Kötéhoz, Olvaáont, Tm Enegia () Kötéi enegia, U 0 Enegia () Eő 0 o ki T m nagy T m U 0 T m nagyobb, ha U 0 nagyobb Atomi köté é a makozkóiku tulajonágok kacolata Rugalmaági mouluz, E hoz, L 0 kezeti áll. alakváltozott D L keeztmetzet, S 0 F E ~ göbület 0 nál Enegia F D L = E S 0 L0 E nagyobb, ha U 0 nagyobb o kiebb mouluz nagyobb mouluz

12 Atomi köté é a makozkóiku tulajonágok kacolata Hőtágulái tényező, α hoz, L 0 kezeti áll. T D L hevített áll. T Enegia a(t) =( ~ 0 )/ 0 D L L o = a ( T T ) Enegia 0 ~ T o at) 0 K a nagyobb, ha U 0 kiebb 4 Kötéek özefoglaláa Tíu Kötéi enegia Megjegyzé Iono Kovalen Féme Máolago nagy változó nagy( l. gyémánt) kiebb (l. bizmut) változó nagy( l. wolfam) kiebb (l. higany) kici iányítatlan keámiák iányított félvezetők, keámiák, olimeek iányítatlan fémek iányított molekulák, olime láncok között Atommag Atomzám Atomtömeg Bohféle atommoell Schöingeegyenlet Kvantumzámok Elekton obitál Elekton konfiguáció Ionizáció enegia Peióuo táblázat Előlege köté Hibiizáció Kötéi enegia Fogalmak Elektonaffinitá Elektonegativitá Anion, kation Féme köté Iono köté Kovalen köté Vegyétékelekton Izotó Máolago köté Poláo, aoláo molekula Hiogénköté Atomok közötti vonzó é tazítóeő