Atomszerkezet, kötések

Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 016/17 Atomszerkezet, kötések Dr. Szabó Péter János szpj@eik.bme.hu

Az előadás során megismerjük: a két alapvető atommodell alapjait, és a modellek közötti különbségeket; az atomok fő energiajellemzőit; az elsőrendű és másodrendű kötéseket; az atomok közötti kötőerők és a makroszkópikus tulajdonságok kapcsolatait.

Bevezetés Az emberiséget ősidők óta foglalkoztatja az a kérdés, hogy melyek az anyag alapvető építőkövei. Thalész szerint a víz minden lét alapja, ebből keletkezik, és ezzé válik minden. Anaximenész az alapelemet a levegőben, Herakleitosz pedig a tűzben találta meg, míg Parmenidész a világot és a létet homogén gömb formájában képzelte el. Arisztotelész szerint a világ négy elem: a föld, a víz, a levegő és a tűz különböző arányú keverékéből és bomlásából jön létre. Démokritosz időszámításunk előtt a negyedik században alkotta meg valósággá lett álomnak" bizonyult elméletét, amely szerint: Adott az oszthatatlan testek sokasága, végtelen számosságukban és alakjuk változatosságában... Mindegyikük természete ugyanaz... 3

Az atom felépítése Atommag: részecskékből (nukleonokból) áll Proton: pozitív töltésű, a neutronnal megegyező tömegű Neutron: semleges töltésű Elektron: negatív töltése a protonéval megegyező nagyságú tömege négy nagyságrenddel kisebb mint az atommagé 4

Alapfogalmak Atomszám, rendszám (Z) Z a protonok száma, Tömegszám (A) A = Z + N ahol N a neutronok száma Nuklid: adott proton és neutronszámú atomok Egy elem valamennyi atomjában azonos számú proton van. 5

Izotóp: azonos számú protont, de eltérő számú neutront tartalmazó atom; Relatív atomtömeg (A r ): viszonyszám, amely megmutatja, hogy az adott elem adott nuklidja hányszor nagyobb tömegű a 1 C-izotóp tömegének 1/1 részénél. (A periódusos rendszerben az adott elem különböző izotópjainak természetes arányához tartozó átlagos relatív tömeg szerepel.) Kémiai anyagmennyiség (mol): N A = 6,03x10 3 db atom/molekula Vegyértékelektron: az atom külső héján található elektronok, amelyek részt vesznek más atommal való kötés kialakításában. 6

Kérdés 7

Bohr-atommodell Az atomokban stacionárius pályák (orbitok) léteznek, amelyev - elektron ken az elektron sugárzás nélkül keringhet. - r h + mvr n n proton, neutron e n, Az elektron változtatja a pályáját, energia elnyelés / kibocsátás történik energiakvantum formájában: E E h n1 A centrifugális erő egyenlő az elektront a maghoz vonzó erővel: e r mv r v r n n me h: Planck állandó, m: elektron tömege, v: elektron sebessége, r: pálya sugara, n: egész szám, e: elektron töltése, ν: foton frekvencia, E n 1 me n 4 8

Schrödinger-egyenlet h m 8 x y U z E h: Planck állandó, m: részecske tömege U: potenciális energia, E: összes energia Ψ: hullám függvény, x,y,z: koordináták Az elektron kötött pálya helyett az atom bármely részében tartózkódhat, de előfordulási valószínűsége nem azonos. Az elektronfelhő sűrűségét az elektron ott tartózkodásának valószínűsége szabja meg. Ψ dv: a vizsgált részecske előfordulásának valószínűsége a dv elemi térfogatban. 9

Atomi orbitálok (n=) s p y, m=1 p x,m=-1 p z, m=0 10

Atomi orbitálok (n=3) 3p z, m=0 3p x,m=-1 3p y,m=1 11

3d xz, m=-1 3d z, m=0 3d yz,m=1 3d xy, m=- 3d x - y, m= 1

Kvantumszámok Kvantumszám Jelölés Érték Jelentés Fő n 1,,3,4,5,6,7 K,L,M,N,O,P,Q Mellék l l=0,1,..(n-1) s, p, d, f Mágneses m m=-l..0..+l Spin m s m s =-1/, +1/ M r köz ~n Orbitál alakja Orbitál iránya Orbitál mérete l l 1 M z m Pauli-elv: az atom nem tartalmazhat két olyan elektront, amelynek mind a négy kvantumszáma megegyezik. 13

n Elektronhéjak és állapotok Elektronhéj Alhéj Állapotok száma Alhéj elektronszám Héj elektronszám n 1 K s 1 s 1 L 8 p 3 6 3 M 4 N s p d s p d f 1 3 5 1 3 5 7 6 10 6 10 14 18 3 14

Elektron-konfigurációk Elem Szimbólum Rendszám Elektronszerkezet Hidrogén H 1 1s 1 Hélium He 1s Lítium Li 3 1s s 1 Berillium Be 4 1s s Bór B 5 1s s p 1 Karbon C 6 1s s p 15

Energia Energiaszintek s p s d p s f d p s f d p s f d p s d p s 1 3 4 5 6 7 Főkvantumszám Alapállapotú atom: A lehető legkisebb energiájú atom. Az atomban ekkor az elektronok a lehetőség szerint a legközelebb helyezkednek el az atommaghoz. 16

Kérdés 17

Atomok energiajellemzői Ionizációs energia: 1 mol gázhalmazállapotú atomból a legkönnyebben leszakítható elektron eltávolításához szükséges energia (kj/mol) Elektronaffinitás: azt fejezi ki, hogy mekkora energia szükséges 1 mol gázhalmazállapotú negatív ionból a töltést okozó elektronok eltávolításához (kj/mol). Elektronegativitás: a kötött atom elektronokat vonzó képességét jellemzi. Általában azoknak az atomoknak nagy az elektronegativitása, amelyeknek nagy az ionizációs energiája és az elektronaffinitása. A kis ionizációs energiájú elemek könnyen adnak le elektront (ionizálódnak), és kationná válnak. A nagy ionizációs energiájú elemek hajlamosak az elektronfelvételre, és anionná alakulnak át. 18

A periódusos rendszer Az egyszerű testek tulajdonságai, a vegyületek típusai és tulajdonságai, valamint az elemek atomsúlya között periódikus összefüggés van. (Mendelejev) A kémiai elemek az atommag és elektronhéj konfiguráció alapján periódusos táblázatba rendezhetők. A táblázat oszlopai az elektronhéj pozícióinak elektronnal való betöltöttségét, a táblázat sorai az elektronhéjak számát jelzik. Az egy függőleges oszlopba tartozó elemek hasonló tulajdonságúak. 19

0 1 IA 18 0 1 H 1.008 IIA 13 IIIA 14 IVA 15 VA 16 VIA 17 VIIA He 4.006 3 Li 6.939 4 Be 9.01 5 B 10.811 6 C 1.011 7 N 14.007 8 O 15.999 9 F 18.998 10 Ne 0.00 11 Na.990 1 Mg 4.31 3 IIIB 4 IVB 5 VB 6 VIB 7 VIIB 8 VIII 9 VIII 10 VIII 11 IB 1 IIB 13 Al 6.98 14 Si 8.086 15 P 30.974 16 S 3.064 17 lc 35.453 18 Ar 39.948 19 K 39.10 0 Ca 40.08 1 Sc 44.956 Ti 47.90 3 V 50.94 4 Cr 51.996 5 Mn 54.938 6 Fe 55.847 7 Co 58.933 8 Ni 58.71 9 Cu 63.54 30 Zn 65.37 31 Ga 69.7 3 Ge 7.59 33 As 74.9 34 Se 78.96 35 Br 79.91 36 Kr 83.80 37 Rb 85.47 38 Sr 87.6 39 Y 88.91 40 Zr 91. 41 Nb 9.91 4 Mo 95.94 43 Tc (99) 44 Ru 101.07 45 Rh 10.91 46 Pd 106.4 47 Ag 107.87 48 Cd 11.40 49 In 114.8 50 Sn 118.69 51 Sb 11.75 5 Te 17.60 53 I 16.90 54 Xe 131.30 55 Cs 13.91 56 Ba 137.34 7 Hf 178.49 73 Ta 180.95 74 W 183.85 75 Re 186. 76 Os 190. 77 Ir 19. 78 Pt 195.09 79 Au 196.97 80 Hg 00.59 81 TI 04.37 8 Pb 07.19 83 Bi 08.98 84 Po (10) 85 At (10) 86 Rn () 87 Fr (3) 88 Ra (6) 104 Rf (61) 105 Db (6) 106 Sg (63) 107 Bh (64) 108 Hs (65) 109 Mt (66) 110 Uuu (69) 111 Uun (7) 11 Uub (77) Lantanidák Aktinidák 57 La 138.91 58 Ce 140.1 59 Pr 140.91 60 Nd 144.4 61 Pm (145) 6 Sm 150.35 63 Eu 151.96 64 Gd 157.5 65 Tb 158.9 66 Dy 16.50 67 Ho 164.93 68 Er 167.6 69 Tm 168.93 70 Yb 173.04 71 Lu 174.97 89 Ac (7) 90 Th 3.04 91 Pa (31) 9 U 38.03 93 Np (37) 94 Pu (4) 95 Am (43) 96 Cm (47) 97 Bk (47) 98 Cf (49) 99 Es (53) 100 Fm (53) 101 Md (56) 10 No (54) 103 Lr (57) Alkáli fémek Alkáli földfémek Átmeneti fémek Egyéb fémek Metalloidok Nem-fémek halogének nemesgázok ritka földfémek

Atomi kötések Elsődleges kötések Fémes Ionos Kovalens Másodlagos kötések 1

Fémes kötés A fémes kötés akkor tud létrejönni, ha az elemek a külső elektronhéjon levő elektronjaikat képesek leadni egy közös elektronfelhőbe. A pozitív fémionok hosszútávon rendeződve térbeli rácsot, kristályos szerkezetet alkotnak. fémionok elektronfelhő Jó elektromos és hővezető képesség Kismértékű villamos ellenállás Nagymértékű képlékeny alakváltozás Iránytól független tulajdonságok. Elektropozitív elem: elektront képes leadni, és ezáltal pozitív ionná válik. Elektronegatív elem: elektront képes befogadni, és így negatív ionná válik.

Ionos kötés Az ionos kötés előfeltétele, hogy különbség legyen az elemek elektronegativitásában. Az ionos kötés olyan elemek között valósul meg, amelyeknél a külső elektronhéjak betöltetlensége erősen eltérő, az egyik könnyen leadja, a másik pedig könnyen felveszi az elektront. Az ionos kötést a zárt elektronhéjak különösen nagy stabilitása biztosítja. Na Cl Na Cl Cl Na Cl Na Na Cl Na Cl Cl Na Cl Na Na Cl Na Cl Cl : 1s s p 6 3s 3p5 (Z=17) Na : 1s s p 6 3s 1 (Z=11) Kation(+) anion(-) Fémes és nemfémes elemek között Rossz hő és elektromos vezető Iránytól független tulajdonságok Rideg viselkedés Kerámiák tipikus kötése 3

4 Ionos kötés és elektronegativitás 1 H.1 He - 3 Li 1.0 4 Be 1.5 5 B.0 6 C.5 7 N 3.0 8 O 3.5 9 F 4.0 10 Ne - 11 Na 0.9 1 Mg 1. 13 Al 1.5 14 Si 1.8 15 P.1 16 S.5 17 Cl 3.0 18 Ar - 19 K 0.8 0 Ca 1.0 1 Sc 1.3 Ti 1.5 3 V 1.6 4 Cr 1.6 5 Mn 1.5 6 Fe 1.8 7 Co 1.8 8 Ni 1.8 9 Cu 1.9 30 Zn 1.6 31 Ga 1.6 3 Ge 1.8 33 As.0 34 Se.4 35 Br.8 36 Kr - 37 Rb 0.8 38 Sr 1.0 39 Y 1. 40 Zr 1.4 41 Nb 1.6 4 Mo 1.8 43 Tc 1.9 44 Ru. 45 Rh. 46 Pd. 47 Ag 1.9 48 Cd 1.7 49 In 1.7 50 Sn 1.8 51 Sb 1.9 5 Te.1 53 I.5 54 Xe - 55 Cs 0.7 56 Ba 0.9 57-71 1.1-1. 7 Hf 1.3 73 Ta 1.5 74 W 1.7 75 Re 1.9 76 Os. 77 Ir. 78 Pt. 79 Au.4 80 Hg 1.9 81 Ti 1.8 8 Pb 1.8 83 Bi 1.9 84 Po.0 85 At. 86 Rn - 87 Fr 0.7 88 Ra 0.9 89 10 1.1-1.7 NaCl MgO CaF CsCl Elektron leadás Elektron felvétel Kisebb elektronegativitás Nagyobb elektronegativitás

Kovalens kötés A periódusos táblázat egymás melletti, vagy egymáshoz közeli elemei alkotják oly módon, hogy a kötésben részt vevő atomok úgy osztják meg egymás között a legkülső elektronhéjon lévő elektronjaikat, hogy a kötésben részt vevő atomok a nemesgázokra jellemző stabil elektronkonfigurációval rendelkezzenek. 1s 1 +1s 1 H 5

CH 4 kötése H Karbon atom megosztott elektronjai H C H H Hidrogén atom megosztott elektronjai C: 4 vegyérték elektron van, H: 1 vegyérték e van, kell még 4 e. kell még 1 e. 6

7 Kovalens kötési példák 1 H.1 He - 3 Li 1.0 4 Be 1.5 5 B.0 6 C.5 7 N 3.0 8 O 3.5 9 F 4.0 10 Ne - 11 Na 0.9 1 Mg 1. 13 Al 1.5 14 Si 1.8 15 P.1 16 S.5 17 Cl 3.0 18 Ar - 19 K 0.8 0 Ca 1.0 1 Sc 1.3 Ti 1.5 3 V 1.6 4 Cr 1.6 5 Mn 1.5 6 Fe 1.8 7 Co 1.8 8 Ni 1.8 9 Cu 1.9 30 Zn 1.6 31 Ga 1.6 3 Ge 1.8 33 As.0 34 Se.4 35 Br.8 36 Kr - 37 Rb 0.8 38 Sr 1.0 39 Y 1. 40 Zr 1.4 41 Nb 1.6 4 Mo 1.8 43 Tc 1.9 44 Ru. 45 Rh. 46 Pd. 47 Ag 1.9 48 Cd 1.7 49 In 1.7 50 Sn 1.8 51 Sb 1.9 5 Te.1 53 I.5 54 Xe - 55 Cs 0.7 56 Ba 0.9 57 La 1.1 7 Hf 1.3 73 Ta 1.5 74 W 1.7 75 Re 1.9 76 Os. 77 Ir. 78 Pt. 79 Au.4 80 Hg 1.9 81 Ti 1.8 8 Pb 1.8 83 Bi 1.9 84 Po.0 85 At. 86 Rn - 87 Fr 0.7 88 Ra 0.9 89 Ac 1.1 F Cl H O GaAs SiC H

Másodlagos (Van der Waals) kötések Atomi vagy molekuláris dipólusok között ható Coulomb erők hozzák létre. + - + - 1. Változó dipólus által indukált kötés Elektromosan szimmetrikus atom v. molekula időlegesen polárossá válik, és a környezetében dipólust indukál. Pl.: nemesgázok szilárdulásakor, H és Cl molekulák között Olvadás- és forráspont nagyon alacsony H H H H Leggyengébb kötés 8

. Állandó dipólus által indukált kötés Aszimetrikus töltéseloszlású molekulák apoláros molekulákat polárossá indukálnak. Pl.: HCl poláros molekula. 3. Állandó dipólusok közötti kötés (hidrogén kötés) A H erős kovalens kötésű molekulákat alkot különböző elemekkel (HF,H O,NH 3 ). Mindegyik H-F, H-O, H-N kötésnél az 1s 1 elektron a másik elemmel van megosztva, és a kötés végén pozitív töltésű állandó pólus alakul ki. A molekula másik része negatív töltésűvé válik. F H O H HF H O Pl.: óriásmolekulák (polimerek) közötti kötések. 9

Kérdés 30

Kötési energia, atomtávolság Atomtávolság: az atomok közötti egyensúlyi távolság, amit a köztük fellépő vonzó és taszító erők eredője határoz meg. Kötési energia: az egyensúlyi távolságban lévő atomok között mérhető energia. 31

Atomi kötés és a makroszkópikus tulajdonságok kapcsolata Kötéshossz, r Olvadáspont, Tm F r F Energia (r) Kötési energia, U 0 Energia (r) r o r Erő kis T m r 0 r nagy T m U 0 T m nagyobb, ha U 0 nagyobb 3

Atomi kötés és a makroszkópikus tulajdonságok kapcsolata Rugalmassági modulusz, E hossz, L 0 kezdeti áll. alakváltozott D L keresztmetszet, S 0 F E ~ görbület r 0 -nál Energia F D L = E S 0 L0 E nagyobb, ha U 0 nagyobb r o r kisebb modulusz nagyobb modulusz 33

Atomi kötés és a makroszkópikus tulajdonságok kapcsolata Hőtágulási tényező, α hossz, L 0 kezdeti áll. T 1 D L D L L o = a ( T - T 1 ) hevített áll. T Energia a(t) =( ~ r r 0 )/r 0 Energia r 0 ~ r T r r o at) r 0 K a nagyobb, ha U 0 kisebb 34

Kötések összefoglalása Típus Kötési energia Megjegyzés Ionos Kovalens Fémes Másodlagos nagy változó nagy( pl. gyémánt) kisebb (pl. bizmut) változó nagy( pl. wolfram) kisebb (pl. higany) kicsi irányítatlan kerámiák irányított félvezetők, kerámiák, polimerek irányítatlan fémek irányított molekulák, polimer láncok között 35

Fogalmak Atommag Atomszám Atomtömeg Bohr-féle atommodell Schrödinger-egyenlet Kvantumszámok Elektron orbitál Elektron konfiguráció Ionizációs energia Periódusos táblázat Elsődleges kötés Hibridizáció Kötési energia Elektronaffinitás Elektronegativitás Anion, kation Fémes kötés Ionos kötés Kovalens kötés Vegyértékelektron Izotóp Másodlagos kötés Poláros, apoláros molekula Hidrogénkötés Atomok közötti vonzó- és taszítóerő 36