Mašinski materijali - Predavanje (AS) – 1 ab c ab c
Hemijske veze
Gradivne čestice materije (atomi, joni, molekuli) održavaju se u odredjenim položajima delovanjem elektri čnih privla nih privlač nih nih i odbojnih sila koje su najjače kad je materija u čvrstom stanju, slabije u te čnom i zanemarljive u gasovitom stanju.
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 u činili, atomi ili primaju elektrone od drugih atoma da bi do osam popunili elektrone u svojim ljuskama najbližim površini, površini, ili ako imaju manje elektrona u svojim spoljašnjim ljuskama oni ih daju drugom atomu. Težnja atoma da razmenjuju elektrone čini osnovnu pokreta čku silu hemijskih veza koje oni me đusobno formiraju. Ta pokreta čka sila, to jest, težnja atoma da pove ćaju broj elektrona u svojim spoljašnjim ljuskama do maksimuma, čini da atom formira tri tipa veze sa drugim atomima.
Vrste hemijskih veza Hemijske veze izmedju atoma i molekula dele se na:
• primarne (jake) i • sekundarne (slabe). Jake veze mogu biti: kovalentne,, • kovalentne • jonske i metalne,, • metalne a slab slabe e vez veze nastaju izmedju molekula koji imaju stalne ili promenljive dipole.
Kovalentna veza Kovalentna (atomna) veza nastaje izmedju dva atoma jednog te istog elementa tako što oni odaju valentne elektrone, koji postaju zajedni čki 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
Kovalentna veza - primer Hlor ne postoji u prirodi kao samostalan atom
Cl
Cl
Vezan par Slob Slobod odan an par par
Cl Cl Hlorovi atomi dele elektrone u spoljnoj ljusci
Cl2
Valentni elektroni prikazani su ta čkama Elektron-tačka simbol – Primer: Na•, •Mg•, …
Izmedju dvaju atoma istog elementa može postojati više zajedni čkih parova elektrona; elektrona; to to definiše Hajgensovo pravilo 8-N, gde je NN- grupa kojoj element pripada u periodnom sistemu elemenata. Tako će hlor hlor (grupa (grupa 7) imati jednu imati jednu dvostruku vezu, kiseonik ili sumpor (grupa 6) dve dve,, azot ili fosfor (grupa 5) tri tri,, itd.:
Cl Cl , O O , N N
Više Višest stru ruka ka (dupl (dupla) a) kova kovale lent ntna na veza 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 Dve kovale valen ntne veze veze Dvostruka veza
O O Dvostruka veza predstavljena sa dvostrukom linijom
Više Višest stru ruka ka (tro (trost stru ruka ka)) kova kovale lent ntna na veza veza Azot
N N Zajednička tri para elektrona Tri kova kovale len ntne veze veze Trostruka veza
N N Trostruka veza predstavljena sa trostrukom linijom
Kovalentna veza Primer: Ugljenik. 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: (sva (svaki ki C ato atom m ima ima četiri kova kovale lent ntne ne veze veze sa dru druga ga četiri atoma ugljenika)
Kovalentna veza • Potrebni za zajednički elektroni • Primer: CH4 C: ima 4 valentna e, neos neosta taje je još još 4 H: ima 1 valentni e, nedo nedost staj aje e još još 1
Tetr Tetrae aeda dars rska ka struk truktu tura ra silika likata ta ( S i 0 2 ), sa kovalentnom vezom između atoma silicijuma i kiseonika
Kovalentna veza
H2
Cl2
Primer: Kovalentna ve veza H2O
H2
A V I n m u l o c
CC(diamond) (dijamant) H 2.1 Li 1.0
Be 1.5
Na 0.9
Mg 1.2
K 0.8
Ca 1.0
Rb 0.8
Sr 1.0
Cs 0.7
Ba 0.9
Fr 0.7
Ra 0.9
SiC Si C
F2 He O 2.0
C 2.5 Si 1.8
Ti 1.5
Cr 1.6
Fe 1.8
Ni 1.8
Zn 1.8
Ga 1.6
Ge 1.8
As 2.0
Sn 1.8 Pb 1.8
F 4.0
Ne -
Cl 3.0
Ar -
Br 2.8
Kr -
I 2.5
Xe -
At 2.2
Rn -
Cl2
GaAs
• Molekuli sa nemetalnim elementima (npr., F2, Cl2) • Molekule sa metalima i nemetalima (npr., H2O, CH4) • Čista ista jedi jedinj njen enja ja (npr (npr., ., SiC, GaAs) GaAs)
Broj kovalentnih veza/Elementi veza/Elementi
Jonska veza Atomi koji se kombinuju kombinuju ovom vezom razmenjuju razmenjuju elektrone i tako popunjvaju 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 me đu supstancama koje su formirane ovom vezom.
• Javlja se između
i jona.
• Zahteva prelazak elektrona • Potreb Potrebna na je velika velika razlika razlika u elek elektro troneg negati ativno vnosti. sti. • Primer: NaCl
Proces jonizacije
Na otpušta elektron
Cl prima elektron
Otpuštanjem elektrona iz spoljašnje ljuske smanjije se radijus atoma Na
Atom Cl dobijajući elektron povećava svoj atomski radijus
Jonska veza (animacije)
Primer: Jonska ve veza • Pretežna ve veza ko kod keramika
NaCl MgO 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 -
CaF2 CsCl
O 3.5
F 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
Otpušt Otp uštanj anje e ele elektr ktrona ona
Fe 1.8
Ni 1.8
Zn 1.8
As 2.0
Primanje elektrona
Jonska veza
Primer: NaCl Na ima ima 11 ele elekt ktro rona na,, Cl ima ima 17 elec electr tron on,,
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-
Rela Relati tivn vna a veli veličina ina atom atoma: a: Na se sma sman njuje juje a Cl rast raste e Jons Jonska ka vez veza a je vrlo vrlo jaka i neusmerena
NaCl - jonska ve veza
Metalne veze Metal Me talna na veza se ostvaruje pomo ću slobodnih (valentnih) elektrona koji su slabo vezani za pozitivne jone, te se lako kre ću kroz kristal i u obliku elektronskog oblaka zauzimaju ve ći deo prostora. Slobodni elektroni zajedni čki su za sve atome (sl. (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 zajedni čke 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 oblaka elektrona zove se metalna metaln a veza veza.
U običnim uslovima, kretanje valentnih elektrona je slu čajno i ograničeno, a u električnom naponskom polju postaje usmereno. Zahvaljujući tome metali spadaju u elektri čne provodnike prve vrste i velike provodnike toplote.
Kretanje elektrona usled različitih potencijala Kretanje elektrona usled različitih temperatura
Elementi (metali) koji imaju metalnu vezu predstavljaju dobre provodnike Električne struje struje i toplote toplote – primer primer zlata zlata
Metalna veza
Sekundarne veze (međ umolekularne umolekularne veze) Medj Medjum umol ole ekularne ku larne veze veze (sekundarne veze) obrazuju se kod lako isparljivih materija kao što su vosak, voda, led (vodoni čna 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 asimetri čnog rasporeda naelektrisanja u molekulima ili atomima, odnosno privlačenja dipola. Posebna vrsta veze izmedju molekula je vodoni čna veza stvorena izmedju kovalentno povezanih atoma vodonika i usamljenog elektronskog para drugog atoma.
Sekundarne veze Nast Nastaj aje e kao kao inte intera rakc kcij ija a izme između dipola • Promena dipola Primer: tečni H2 asimetrični elektronski H2 H2 oblak
+
sekundarna veza
-
+
H H
H H sekundarna veza
• Permanentni dipoli dipoli – – pobuđeni molekuli - opšt opštii sl slučaj:
+
-
- primer: tečni HCl H Cl - pri primer: er: pol polim ime er
sekundarna veza sekundarna veza
s e e c co n o nd a d r a r y b o on d n i d i n g n g
+
-
H Cl
Van der Valsove veze Shematski prikaz me đumolekulskih 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 pod dej dejst stvo vom m sila sila dola dolazi zi do kidanja van der Valsovih veza i do međusobnog klizanja izme đu lanaca.
Seku Se kund ndar arne ne ve veze ze - va van n der der Va Vals lsov ove e ve veze ze
Prome romena dipola
Manja gustina elektrona
van van der Wa Wals-ove s-ove sile sile su elektrostatičke
Veća gustina elektrona
Vodonična veza Električno naelektrisanje vode je nula, to jest, voda je neutralna. Ipak, usled veli čine 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 me đusobno privla če i tako formiraju veoma posebnu vezu poznatu kao "vodonična veza". Vodonična veza je veoma slaba veza i izuzetno kratkoga veka. Trajanje vodoni čne
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 te čan oblik, jer su kombinovani slabom slabom vezom.
Privlačenje
H2O
č na Vodoni č na veza
Razli č čiti i ti nač ini ini prikazivanja molekula vode
Vodonična veza Molekul vode
Privlačenje
Molekul vode
Molekul vode
H2O
H
H
O
H2O
Vodonična veza između molekula vode
“vodonični most”
Seku Se kund ndar arne ne ve veze ze
NH3 Vodonična veza
Veza izmeđ u tipova veza i materijala
Kovalentna Keramike i stakla Metali
Primeri hemijskih veza: Metali: Metali: Metalna Jonska ka / Kova Kovalen lentna tna Keramike: Keramike: Jons Polimeri: Polimeri: Kova Kovale lent ntna na i Seku Sekund ndar arna na
Polimeri Sekundarna
Metalna Jonska
Karrak Ka aktter vez eze e raz azli ličitih inženjerskih materijala
Materijal
Karakter veze
Primer
Metali
Metalna
Železne legure
Keramike
Jonska/ kovalentna
SiO2
Polimeri
Kovalentna i sekundarna
Polietilen
Zavisnost odbojne i privla čne potencijalne energije u funkciji međuatomskog rastojanja dva izolovana atoma
U , a j i g r e n E
0 U o
Odbijanje
Privlačenje
Odbijanje
r o
Rastojanje između atoma (r) Ukupna energija Ravnoteža
Privlač enje enje
Potencijalna energija privla čenja zavisi od položaja dva atoma. Kada atomske ljuske dva atoma počnu da se preklapaju nastaje odbijanje atoma. Kada sile odbijanja i privla čenja postanu jednake, centri atoma su tada na ravnotežnom rastojanju r 0, a ukupna potencijalna energija ima minimalnu vrednost
U
0 U o
Odbojna energija r o rastojanje između jona (r)
Ukupna energija Privlač na na energija
Minimalna potencijalna energija za razli č čite i te tipove veza
Poređenje energije veze Tip veze
Ener Energi gija ja veze veze (kJ/ (kJ/mo mol) l)
Jonska
625-1550
Kovalentna
520 -1250
Metalna
100-800
Sekundarna
<40
Energija veze ne zavisi samo od prirode veze ve ć i od temperature topljenja čiste supstance
ZAKLJUČAK: VEZE Jonska
Kovalentna
Velika!
Neus Neusme mere rena na (keramike keramike))
Promenljiva velika-Dijamant mala-Bizmut
Usmerena poluprovodnici,, keramike poluprovodnici polimerni lanci)
Promenljiva Metalna
Sekundarna
velika-Volfram mala-Merkur Vrlo mala
Neus Neusme mere rena na (metali metali)) Usmerena između-lan -lanac aca a (polimeri polimeri)) među-molekularna
Svojstva ve veze: T m • rastojanje rastojanje,, r F
• Temperatura topljenja, topljenja, Tm Ener Energ gija ija (r) (r)
F
r ro
• Energija veze, veze, Eo
r
Ener Energi gija ja (r) (r) ro
manje Tm
ž
r Eo= “energija veze” veze”
veće Tm Tm je veće ako je Eo veće.
Svojstva ve veze: E • Modul elastičnosti nosti,, E Poprečni presek A0
duž dužina, Lo
nedeformis.
ΔL
deformisano
F
Modul elastičnosti ΔL F =E Ao Lo
Energija ravnotežno rastojanje ravnotež ro
r
E je veće ako je Eo veće.
manji modul elastičnosti veći modul elastičnosti
Svojstva veze: α • Koeficijent termičkog širenja, širenja, α Koeficijent termi čkog širenja
duž dužina,Lo nezagrejano, T
1
ΔL
ΔL
Lo
zagrejano, T
2
= α (T2-T1)
Energija Energija ro
r veće
manje
α α
α je
veće ako je Eo manje.
Zaključak Veća energija veze
Keramike (Jon (Jonsk ska a & kova kovale lent ntna na vaza vaza): ):
Metali (Met (Metal alna na veza veza): ):
Polimeri
veće Tm veće E manje α
Promenljiva energija veze umereno Tm umereno E umereno α
Usme Us mere rena na sv svoj ojst stva va
Seku kund ndar arne ne ve veze ze do domi mina nant ntne ne (Kovalen (Kovalentna tna & Sekundarna Sekundarna): ): Se malo T s e e c co n o nd a malo E d r a r y b o on d n i d in g n g veliko α
