međuatomske veze u kristalima - pmf.unsa.ba · metalna veza • pojavljuje se u metalima i...
TRANSCRIPT
• Ranije smo svrstali kristale na osnovu simetrije njihove kristalne strukture
• Čvrsta tijela postoje radi privlačnih sila između atoma (molekula, jona) kada se dovoljno približe jedni drugima
• Energija kristala (srednja ukupna energija ) je niža od energije slobodnih atoma (molekula, jona) E0
•• Energija veze (kohezije)
• Energija veze određuje jačinu veze među atomima
• Energija veze određuje temperaturu topljenja (velika energija veze-visoka temperatura topljenja)
E
EEEV −= 0
Potencijalna energija međuatomskih sila
Za R>R0 privlačne sileZa R<R0 odbojne sileOdbojni dio sile postoji zbog Paulijevog principa
Ev
E
Podjela međuatomskih veza
• Međuatomske sile se manifestiraju na različite načine u zavisnosti od vrste atoma (molekula, jona)- općenito čestica, koje čine čvrsto tijelo usljed čega ih dijelimo na:
• Primarne:
• Jonska veza (jonski kristali)
• Kovalentna veza (kovalentni kristali)
• Metalna veza (metali)
• Sekundarne (puno slabije):
• Van der Waalsova veza (van der Waalsovi kristali)
• Vodikova veza
Jonska veza
• Javlja se između + i negativnih - iona
• U atomima koji se udružuju u ovaj tip veze, vanjske energetske podljuske su približno popunjene
• Tipični ionski kristali su alkalni halogenidi- alkalni metal gubi, a atom halogenog elementa dobiva elektron (NaCl, LiCl, KF....)
• Transfer (izmjena) elektrona
• Potrebna je velika razlika u elektronegativnosti
• Primjer- NaCl
U izolovanim atomima Na (1s2 2s2 2p6 3s1) Cl(1s2 2s2 2p6 3s2 3p5)
Jonska veza
Mali potencijal jonizacije omogućava 3s elektronu Na da preñe u nepopunjeno kvantno stanje 2p podljuske hloraTime se stvaraju Na+ i Cl- ioni koji se privlače jakim kulonskim silama. Zbog toga je energija veze NaCl velikaTipične energije veze ionskih kristala su 5-10 eV
Jonska veza-neusmjerena (naboj jednoliko rasporeñen po površini atoma i veza se se ostvaruje u nekom odreñenom smjeru)
Kovalentna veza
• Pretežno u kristalima sa jednom vrstom atoma (dijamant, silicij, germanij...)
• Susjedni atomi izmjenjuju dva elektrona suprotnih spinova-djeljenje elektrona
• Ona povezuje atome kojima su vanjske energijske podljuske približno polovično popunjene
• Kovalentna veza se ne pojavljuje ako je vanjska ljuska sasvim popunjena
Kovalentna veza
• Svojstva kovalentne veze upoznat ćemo na najjednostavnijem primjeru, razmatrajući kako se dva vodikova atoma spajaju u molekulu H2.
• Kad se atomi dovoljno približe u vodikovoj molekuli elektroni prelaze iz potencijalne jame jednog atoma u potencijalnu jamu drugog atoma.Prelazi elektrona omogućeni su tunel-efektom. Izmjene elektrona su toliko česte da je besmisleno govoriti o tome kojem atomu pripada koji elektron. To novo stanje nije isto kao kad imamo dva izolovana atoma
• Elektroni tvore fermionski sistem pa njihova ukupna valna funkcija mora biti antisimetrična
Kovalentna veza
• To se može ostvariti na dva načina:
• Ako je spinski dio valne funkcije simetričan, onda je orbitalni antisimetričan i obrnuto.
• Račun pokazuje da u stanju sa paralelnim spinovima energija monotono opada sa porastom razmaka jezgara vodikovih atoma
• Suprotno tome, energija pridružena stanju sa antiparalelnim spinovima ima minimum na određenoj konačnoj udaljenosti. Na toj udaljenosti se stvara stabilno stanje molekule H2
Kovalentna veza
• Sve veze u kovalentnim kristalima su jake. Jednako kao i ionski kristali, kovalentni kristali imaju veliku energiju kohezije
• Karakteristike kovalentne veze- zasićenje i usmjerenost-
prema elektronskoj konfiguraciji svaki se atom može povezati s određenim brojem susjeda, a smjerovi tih veza zatvaraju tačno određene uglove (usmjerenost elektronskih orbitala)
Metalna veza• Pojavljuje se u metalima i legurama
• Kad atomi dođu dovoljno blizu, valentni elektroni se jednostavno oslobađaju sila kojima ih veže jezgra i kreću se slobodno kroz cijeli kristal
• Energija veze dolazi usljed Kulonove interakcije između + jona i kvazi-slobodnog elektronskog plina
• Zato su metali dobri vodiči struje, topline i tipično sjajne reflektirajuće površine
Metalna veza
• Jaka veza
• Za razliku od kovalentnih kristala u kojima vezane elektrone izmjenjuju susjedni atomi, u metalima vezani elektroni pripadaju cijeloj kristalnoj rešetki. Valentni elektroni su kolektivizirani
• Delokalizacija elektrona
• Veza je neusmjerena
Van der Wallsova (molekularna)veza
• Atomi sa sasvim popunjenom vanjskom ljuskom (plemeniti gasovi) međudjeluju van der Wallsovom silom (Kr, Ar, Ne...)
• Pojavljuju se u kubnoj fcc strukturi• Slaba veza kratkog dosega (10 do 50 puta slabija od jonske ili kovalentne)
• Posljedica je atomske polarizabilnosti. Neutralni polarizirani atom svojim el. poljem polarizira drugi neutralni atom pa se ta dva međusobno inducirana dipola privlače
Van der Wallsova (molekularna)veza
• Ukupna pot. energija je jednaka
E=-A/r6+B/r12
• Lenard-Jonesova potencijalna energija
Vodikova veza
• Atom vodika povezuje dva susjedna atoma
• Najčešće su to atomi kisika, fluora, azota ili hlora
• Oni preuzimaju elektron od vodika pa nastaju proton i negativni ion (podsjeća na ionsku vezu).
• Međutim postoje dvije bitne razlike
• 1. Jonizacijska energija vodika je 13,6 eV, što je nekoliko puta veće od jonizacijskih energija alkalijskih metala
• 2. Jonizacijom vodikovog atoma nastaje proton, čiji je radijus približno 105
puta manji od radijusa jona. Susjedni atomi u vodikovoj veze nalaze se neposredno uz proton, a kako su dimenzije protona vrlo male, on se može vezati samo na dva atoma
Vodikova veza
• Zbog malih dimenzija protona nastaju novi oblici veze koje ne mogu formirati ostali pozitivni joni. U vodikovoj vezi susjedni negativni joni izmjenjuju proton koji prelazi iz jedne potencijalne jame u drugu
• Tipična energija veze je 0,1-0,5 eV- jača od van der Wallsove, ali slabija od ostalih vrsta veze
Vodikova veza
Primjer: kristal ledaSvaka molekula H2O formira kristalnostanje vodikovom vezom sa 4 druge molekule H2O. U vodi koja dopuštamolekulama da budu bliže jedna drugoj postojimanje reda nego u kristalu leda .Zato je gustoća leda manja od gustoće vodepa led pliva na vodi
Veze i osobine materijala
• Materijali sa velikom energijom veze obično imaju visoku temperaturu topljenja
• Korelacija između jačine veze i stanja materijala:
• Čvrsta tijela- velika energija veze
• Tečnosti –relativno mala energija veze
• Širenje/ skupljanje za vrijeme grijanja/hlađenja je povezano sa oblikom energije između atoma