1c - Hemijske Veze - As

Mašinski materijali - Predavanje (AS) -

Hemijske veze

Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

1

Gradivne čestice materije (atomi, joni, molekuli) održavaju se u odredjenim položajima delovanjem električnih privlačnih i odbojnih sila koje su najjače kad je materija u čvrstom stanju, slabije u tečnom i zanemarljive u gasovitom stanju.


2

Hemijske veze Hemijske veze formiraju se kretanjem elektrona u elektronskim ljuskama koje su najbliže površini atoma. Svaki atom teži da svoju ljusku najbližu površini popuni maksimalnim brojem elektrona koju ona može da primi. Osam je maksimalni broj elektrona koje atomi mogu da drže u svojim ljuskama najbližim površini. Da bi to učinili, atomi ili primaju elektrone od drugih atoma da bi do osam popunili elektrone u svojim ljuskama najbližim površini, ili ako imaju manje elektrona u svojim spoljašnjim ljuskama oni ih daju drugom atomu. Težnja atoma da razmenjuju elektrone čini osnovnu pokretačku silu hemijskih veza koje oni međusobno formiraju. Ta pokretačka sila, to jest, težnja atoma da povećaju broj elektrona u svojim spoljašnjim ljuskama do maksimuma, čini da atom formira tri tipa veze sa drugim atomima.


3

Vrste hemijskih veza Hemijske veze izmedju atoma i molekula dele se na:

• primarne (jake) i • sekundarne (slabe). Jake veze mogu biti:

• kovalentne, • jonske i • metalne, a slabe veze nastaju izmedju molekula koji imaju stalne ili promenljive dipole.


4

Kovalentna veza Kovalentna (atomna) veza nastaje izmedju dva atoma jednog te istog elementa tako što oni odaju valentne elektrone, koji postaju zajednički za oba atoma:

Cl + Cl

Cl Cl

Primer: Cl2 molekula. Atomski broj za Cl je Z =17 (1s2 2s2 2p6 3s2 3p5) N’ = 7, 8 - N’ = 1 → Postoji potreba samo za jednu kovalentnu vezu


5

Kovalentna veza - primer Hlor ne postoji u prirodi kao samostalan atom

Cl

Cl

Vezan par Slobodan par

Cl Cl Hlorovi atomi dele elektrone u spoljnoj ljusci Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

6

Cl2


7

Valentni elektroni prikazani su tačkama Elektron-tačka simbol – Primer: Na•, •Mg•, …


8

Izmedju dvaju atoma istog elementa može postojati više zajedničkih parova elektrona; to definiše Hajgensovo pravilo 8-N, gde je N- grupa kojoj element pripada u periodnom sistemu elemenata. Tako će hlor (grupa 7) imati jednu dvostruku vezu, kiseonik ili sumpor (grupa 6) dve, azot ili fosfor (grupa 5) tri, itd.:

Cl Cl , O O , N N Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

9

Višestruka (dupla) kovalentna veza Treba sastaviti drugi par elektrona

O

O

Samo 7 elektrona ima Nije sastavljeno 8 elektrona!

Zajednički jedan par elektrona Jedna kovalentna veza

O O Zajednička dva para elektrona Dve kovalentne veze Dvostruka veza

O O Dvostruka veza predstavljena sa dvostrukom linijom


10

Višestruka (trostruka) kovalentna veza Azot

N N Zajednička tri para elektrona Tri kovalentne veze Trostruka veza

N N Trostruka veza predstavljena sa trostrukom linijom


11

Kovalentna veza Primer: Ugljenik. Z (C) = 6 (1s2 2s2 2s2) N’ = 4, 8 - N’ = 4 → potrebno je obezbediti četiri kovalentne veze Molekul etilena:

Molekul polietilena: etilen mer

Dijamant: (svaki C atom ima četiri kovalentne veze sa druga četiri atoma ugljenika) Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

12

Kovalentna veza • Potrebni zajednički elektroni • Primer: CH4 C: ima 4 valentna e, neostaje još 4 H: ima 1 valentni e, nedostaje još 1


13

Tetraedarska struktura silikata (Si02), sa kovalentnom vezom između atoma silicijuma i kiseonika


14

Kovalentna veza

H2

Cl2


15

Primer: Kovalentna veza H2 H 2.1 Li 1.0 Na 0.9 K 0.8

Be 1.5 Mg 1.2 Ca 1.0

Rb 0.8 Cs 0.7

Sr 1.0 Ba 0.9

Fr 0.7

Ra 0.9

column IVA

H2O CC(diamond) (dijamant) SiC Ti 1.5

Cr 1.6

Fe 1.8

Ni 1.8

Zn 1.8

Ga 1.6

C 2.5 Si 1.8 Ge 1.8

F2 He O 2.0

As 2.0

Sn 1.8 Pb 1.8

F 4.0 Cl 3.0 Br 2.8 I 2.5 At 2.2

Ne -

Cl2

Ar Kr Xe Rn -

GaAs

• Molekuli sa nemetalnim elementima (npr., F2, Cl2) • Molekule sa metalima i nemetalima (npr., H2O, CH4) • Čista jedinjenja (npr., SiC, GaAs) Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

11 16

Broj kovalentnih veza/Elementi


17

Jonska veza Atomi koji se kombinuju ovom vezom razmenjuju elektrone i tako popunjvaju broj elektrona u svojim spoljašnjim ljuskama do broja osam. Atomi koji imaju do četiri elektrona u svojim spoljaštnjim ljuskama daju te elektrone atomu sa kojim će se kombinovati, to jest, sa kojim će se vezati. Atomi koji imaju više od četiri elektrona u svojim spoljašnjim ljuskama primaju elektrone od atoma sa kojim će formirati vezu. Poznati molekuli kuhinjske soli (NaCl) su među supstancama koje su formirane ovom vezom.


18

• Javlja se između + i - jona. • Zahteva prelazak elektrona • Potrebna je velika razlika u elektronegativnosti. • Primer: NaCl

Proces jonizacije


19

Na otpušta elektron

Cl prima elektron


20

Otpuštanjem elektrona iz spoljašnje ljuske smanjije se radijus atoma Na

Atom Cl dobijajući elektron povećava svoj atomski radijus Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

21


22

Jonska veza (animacije)


23


24

Primer: Jonska veza • Pretežna veza kod keramika

NaCl MgO CaF2 CsCl

H 2.1 Li 1.0

Be 1.5

Na 0.9

Mg 1.2

K 0.8

Ca 1.0

Rb 0.8

He O F 3.5 4.0

Ne -

Cl 3.0

Ar -

Br 2.8

Kr -

Sr 1.0

I 2.5

Xe -

Cs 0.7

Ba 0.9

At 2.2

Rn -

Fr 0.7

Ra 0.9

Ti 1.5

Cr 1.6

Otpuštanje elektrona

Fe 1.8

Ni 1.8

Zn 1.8

As 2.0

Primanje elektrona


9 25

Jonska veza


26

Primer: NaCl Na ima 11 elektrona, Cl ima 17 electron,

11 Protona Na 1s2 2s2 2p6 3s1 11 Protona Na+ 1s2 2s2 2p6 17 Protona Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 17 Protona Cl- 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

daje e10 e- levo dobija e18 e-


27

Relativna veličina atoma: Na se smanjuje a Cl raste Jonska veza je vrlo jaka i neusmerena


28

NaCl - jonska veza


29

Metalne veze Metalna veza se ostvaruje pomoću slobodnih (valentnih) elektrona koji su slabo vezani za pozitivne jone, te se lako kreću kroz kristal i u obliku elektronskog oblaka zauzimaju veći deo prostora. Slobodni elektroni zajednički su za sve atome (sl. 1.5d), i povezuju ih kao lepak u čvrstu celinu. Poznato je da metalni elementi poseduju mali broj valentnih elektrona (< 2, Al-3, Pb-4) pa ne mogu obrazovati zajedničke elektronske parove, već tzv. elektronski oblak. Stabilnost metala, tj. sistema joni-elektroni, odredjena je električnom privlačnošću izmedju pozitivnih jona i zajedničkih elektrona. Ova interakcija izmedju jonskog skeleta i oblaka elektrona zove se metalna veza. Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

30

U običnim uslovima, kretanje valentnih elektrona je slučajno i ograničeno, a u električnom naponskom polju postaje usmereno. Zahvaljujući tome metali spadaju u električne provodnike prve vrste i velike provodnike toplote.


31

Kretanje elektrona usled različitih potencijala Kretanje elektrona usled različitih temperatura

Elementi (metali) koji imaju metalnu vezu predstavljaju dobre provodnike Električne struje i toplote – primer zlata


32

Metalna veza


33

Sekundarne veze (međumolekularne veze) Medjumolekularne veze (sekundarne veze) obrazuju se kod lako isparljivih materija kao što su vosak, voda, led (vodonična veza), kao i kod kristala joda, sumpora, selena, telura i medju lancima polimera (sami atomi lanaca su povezani kovalentno). Sile ove veze, zvane van der Valsove (van der Waals), rezultat su asimetričnog rasporeda naelektrisanja u molekulima ili atomima, odnosno privlačenja dipola. Posebna vrsta veze izmedju molekula je vodonična veza stvorena izmedju kovalentno povezanih atoma vodonika i usamljenog elektronskog para drugog atoma.


34

Sekundarne veze Nastaje kao interakcija između dipola • Promena dipola Primer: tečni H2 asimetrični elektronski H2 H2 oblak

+

-

sekundarna veza

-

+

H H

H H sekundarna veza

• Permanentni dipoli – pobuđeni molekuli - opšti slučaj: - primer: tečni HCl - primer: polimer

+

-

H Cl secon d

a ry b

sekundarna veza

+

sekundarna veza

H Cl

ondin

-

g


35

Van der Valsove veze Shematski prikaz međumolekulskih veza kod polivinil hlorida (PVC) a) veze između pojedinih lanaca su slabe van der Valsove veze koje se ostvaruju preko negativno naelektrisanog hlora i pozitivno naelektrisanog vodonika, b) pod dejstvom sila dolazi do kidanja van der Valsovih veza i do međusobnog klizanja između lanaca.


36

Sekundarne veze - van der Valsove veze

Promena dipola

Manja gustina elektrona

van der Wals-ove sile su elektrostatičke

Veća gustina elektrona Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

37

Vodonična veza Električno naelektrisanje vode je nula, to jest, voda je neutralna. Ipak, usled veličine atoma kiseonika i vodonika, kiseonik u molekulu vode ima blago negativno naelektrisanje, a vodonik blago pozitivno. Kada više od jednog molekula vode dospe blizu jedan drugom, pozitivna i negativna naelektrisanja se međusobno privlače i tako formiraju veoma posebnu vezu poznatu kao "vodonična veza". Vodonična veza je veoma slaba veza i izuzetno kratkoga veka. Trajanje vodonične

Molekul vode

Molekul vode

veze iznosi približno milijarditi deo sekunde. Međutim, čim se veza prekine, druga se formira. Tako molekuli vode ostaju povezani, dok istovremeno zadržavaju svoj tečan oblik,

Privlačenje

jer su kombinovani slabom vezom. Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

38

H2O

Vodonična veza

Različiti načini prikazivanja molekula vode Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

39

Vodonična veza Molekul vode

Privlačenje

Molekul vode

Molekul vode

H2O

H

H

O

H2O


40

Vodonična veza između molekula vode

“vodonični most”


41

Sekundarne veze

NH3 Vodonična veza


42

Veza između tipova veza i materijala

Kovalentna Keramike i stakla

Primeri hemijskih veza: Metali: Metalna Keramike: Jonska / Kovalentna Polimeri: Kovalentna i Sekundarna

Polimeri

Metali

Sekundarna

Metalna Jonska Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

43

Karakter veze različitih inženjerskih materijala

Materijal

Karakter veze

Primer

Metali

Metalna

Železne legure

Keramike

Jonska/ kovalentna

SiO2

Polimeri

Kovalentna i sekundarna

Polietilen


44

Energija, U

Zavisnost odbojne i privlačne potencijalne energije u funkciji međuatomskog rastojanja dva izolovana atoma

0 Uo

Odbijanje

Privlačenje

Odbijanje

ro

Rastojanje između atoma (r) Ukupna energija Ravnoteža

Privlačenje

Potencijalna energija privlačenja zavisi od položaja dva atoma. Kada atomske ljuske dva atoma počnu da se preklapaju nastaje odbijanje atoma. Kada sile odbijanja i privlačenja postanu jednake, centri atoma su tada na ravnotežnom rastojanju r0, a ukupna potencijalna energija ima minimalnu vrednost


45

U

0 Uo

Odbojna energija ro rastojanje između jona (r)

Ukupna energija Privlačna energija

Minimalna potencijalna energija za različite tipove veza


46

Poređenje energije veze Tip veze

Energija veze (kJ/mol)

Jonska

625-1550

Kovalentna

520 -1250

Metalna

100-800

Sekundarna

<40


47

Energija veze ne zavisi samo od prirode veze već i od temperature topljenja čiste supstance


48

ZAKLJUČAK: VEZE Tip Jonska

Kovalentna

Metalna

Sekundarna

Energija veze Velika! Promenljiva velika-Dijamant mala-Bizmut Promenljiva velika-Volfram mala-Merkur Vrlo mala

Komentar Neusmerena (keramike) Usmerena poluprovodnici, keramike polimerni lanci)

Neusmerena (metali) Usmerena između-lanaca (polimeri) među-molekularna


49

Svojstva veze: TM • rastojanje, r

• Temperatura topljenja, Tm

F

Energija (r)

F

r ro

• Energija veze, Eo

r

Energija (r)

manje Tm

ravnotežno rastijanje ro

r

Eo= “energija veze”

veće Tm Tm je veće ako je Eo veće.


50

Svojstva veze: E • Modul elastičnosti, E Poprečni presek A0

dužina, Lo

nedeformis.

ΔL F =E Ao Lo

ΔL

deformisano

Modul elastičnosti

F

Energija ravnotežno rastojanje ro

r

E je veće ako je Eo veće.

manji modul elastičnosti veći modul elastičnosti


51

Svojstva veze: α • Koeficijent termičkog širenja, α Koeficijent termičkog širenja

dužina,Lo nezagrejano, T1

ΔL Lo

ΔL

zagrejano, T2

= α (T2-T1)

Energija ro

r

α je veće ako je Eo manje.

veće α manje α Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

52

Zaključak Keramike

Veća energija veze

(Jonska & kovalentna vaza):

Metali (Metalna veza):

Polimeri

veće Tm veće E manje α

Promenljiva energija veze umereno Tm umereno E umereno α

Usmerena svojstva

(Kovalentna & Sekundarna): Sekundarne veze dominantne malo T secon malo E d a ry b o nd i ng veliko α Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic

53

Hvala na pažnji


54

1c - Hemijske Veze - As

Recommend Documents