hemijska veza predavanja
Post on 31-Oct-2015
108 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 1
Mašinski materijali- Predavanje (AS) -
Hemijske veze
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 2
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.
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 3
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.
Hemijske veze
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 4
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.
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 5
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
Kovalentna veza
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
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 6
Cl Cl
Hlor ne postoji u prirodi kao samostalan atom
Cl ClHlorovi atomi dele elektrone u spoljnoj ljusci
Vezan par
Slobodan par
Kovalentna veza - primer
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 7
Cl2
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 8
Valentni elektroni prikazani su tačkamaElektron-tačka simbol
– Primer: Na•, •Mg•, …
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 9
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 10
O
O OZajednički jedan par elektrona
Jedna kovalentna veza
Samo 7 elektrona imaNije sastavljeno 8 elektrona!
Treba sastavitidrugi parelektrona
O O OZajednička dva para elektronaDve kovalentne vezeDvostruka veza
Dvostruka veza predstavljena sa dvostrukom linijom
Višestruka (dupla) kovalentna veza
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 11
N
N
N
NZajednička tri para elektronaTri kovalentne vezeTrostruka veza
Trostruka veza predstavljena sa trostrukom linijom
Azot
Višestruka (trostruka) kovalentna veza
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 12
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 četirikovalentne veze sa druga četiri atoma ugljenika)
Kovalentna veza
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 13
• Potrebni zajednički elektroni
• Primer: CH4
C: ima 4 valentna e,neostaje još 4
H: ima 1 valentni e,nedostaje još 1
Kovalentna veza
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 14
Tetraedarska struktura silikata (Si02), sa kovalentnom vezom između atoma silicijuma i kiseonika
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 15
H2
Cl2
Kovalentna veza
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 1611
• Molekuli sa nemetalnim elementima (npr., F2, Cl2)• Molekule sa metalima i nemetalima (npr., H2O, CH4)
• Čista jedinjenja (npr., SiC, GaAs)
He -
Ne -
Ar -
Kr -
Xe -
Rn -
F 4.0
Cl 3.0
Br 2.8
I 2.5
At 2.2
Li 1.0
Na 0.9
K 0.8
Rb 0.8
Cs 0.7
Fr 0.7
H 2.1
Be 1.5
Mg 1.2
Ca 1.0
Sr 1.0
Ba 0.9
Ra 0.9
Ti 1.5
Cr 1.6
Fe 1.8
Ni 1.8
Zn 1.8
As 2.0
SiC
C(diamond)
H2O
C 2.5
H2
Cl2
F2
Si 1.8
Ga 1.6
GaAs
Ge 1.8
O 2.0
co
lum
n IV
A
Sn 1.8Pb 1.8
Primer: Kovalentna veza
C (dijamant)
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 17
Broj kovalentnih veza/Elementi
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 18
Jonska vezaAtomi 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.
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 19
• Javlja se između + i - jona.• Zahteva prelazak elektrona• Potrebna je velika razlika u elektronegativnosti.• Primer: NaCl
Proces jonizacije
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 20
Na otpušta elektron
Cl prima elektron
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 21
Atom Cl dobijajući elektron povećava svoj atomski radijus
Otpuštanjem elektrona iz spoljašnje ljuske smanjije se radijus atoma Na
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 22
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 23
Jonska veza (animacije)
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 24
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 259
• Pretežna veza kod keramika
Otpuštanje elektrona Primanje elektrona
He -
Ne -
Ar -
Kr -
Xe -
Rn -
F 4.0
Cl 3.0
Br 2.8
I 2.5
At 2.2
Li 1.0
Na 0.9
K 0.8
Rb 0.8
Cs 0.7
Fr 0.7
H 2.1
Be 1.5
Mg 1.2
Ca 1.0
Sr 1.0
Ba 0.9
Ra 0.9
Ti 1.5
Cr 1.6
Fe 1.8
Ni 1.8
Zn 1.8
As 2.0
CsCl
MgO
CaF2
NaCl
O 3.5
Primer: Jonska veza
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 26
Jonska veza
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 27
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 e-10 e- levo
dobija e-18 e-
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 28
Relativna veličina atoma: Na se smanjuje a Cl raste
Jonska veza je vrlojaka i neusmerena
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 29
NaCl - jonska veza
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 30
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.
Metalne veze
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 31
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.
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 32
Kretanje elektronausled različitih potencijala
Kretanje elektronausled različitih temperatura
Elementi (metali) koji imaju metalnu vezu predstavljaju dobre provodnikeElektrične struje i toplote – primer zlata
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 33
Metalna veza
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 34
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.
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 35
Nastaje kao interakcija između dipola• Promena dipola
• Permanentni dipoli – pobuđeni molekuli
secondary bonding
- opšti slučaj:
- primer: tečni HCl
- primer: polimer
Sekundarne veze
HH HH
H2 H2
sekundarnaveza
Primer: tečni H2asimetrični elektronskioblak
+ - + -sekundarna
veza
+ -
sekundarnaveza
+ -sekundarna
veza
H Cl H Cl
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 36
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.
Van der Valsove veze
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 37
Sekundarne veze - van der Valsove veze
Promena dipola
Veća gustina elektrona
Manja gustina elektrona
van der Wals-ove silesu elektrostatičke
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 38
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
Vodonična veza je veoma slaba veza i
izuzetno kratkoga veka. Trajanje vodonične
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,
jer su kombinovani slabom vezom.
Privlačenje
Molekulvode
Molekulvode
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 39
H2O
Različiti načini prikazivanja molekula vode
Vodonična veza
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 40
Vodonična veza
H H O H2O
Molekulvode
Molekulvode
Molekulvode
Privlačenje
H2O
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 41
“vodoničnimost”
Vodonična veza između molekula vode
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 42
Sekundarne veze
NH3
Vodonična veza
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 43
Veza između tipova veza i materijala
Kovalentna
MetalnaSekundarna
Jonska
Metali
PolimeriKeramikei stakla
Primeri hemijskih veza:Metali: MetalnaKeramike: Jonska / KovalentnaPolimeri: Kovalentna i Sekundarna
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 44
Materijal Karakter veze Primer
Metali Metalna Železne legure
Keramike Jonska/
kovalentna SiO2
Polimeri Kovalentna i sekundarna Polietilen
Karakter veze različitih inženjerskih materijala
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 45
Rastojanje izmeRastojanje između atomađu atoma (r)(r)
Privlačenje
Odbijanje
Ukupna energijaUUoo
rroo00
Ene
rgija
, UE
nerg
ija, U
Ravnoteža
Privlačenje Odbijanje
Zavisnost odbojne i privlačne potencijalne energije u funkciji međuatomskog rastojanja dva izolovana atoma
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
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 46
UU
rastojanje između jonarastojanje između jona (r)(r)
Privlačna energija
Odbojna energija
Ukupna energijaUUoo
rroo00
Minimalna potencijalna energijaza različite tipove veza
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 47
Poređenje energije veze
Tip veze Energija veze (kJ/mol)
Jonska 625-1550
Kovalentna 520 -1250
Metalna 100-800
Sekundarna <40
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 48
Energija veze ne zavisi samo od prirode veze već i od temperature topljenja čiste supstance
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 49
Tip
Jonska
Kovalentna
Metalna
Sekundarna
Velika!
Promenljivavelika-Dijamantmala-Bizmut
Promenljiva
velika-Volframmala-Merkur
Vrlo mala
Neusmerena (keramike)
Usmerenapoluprovodnici, keramike
polimerni lanci)
Neusmerena (metali)
Usmerenaizmeđu-lanaca (polimeri)
među-molekularna
Energija veze Komentar
ZAKLJUČAK: VEZE
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 50
• rastojanje, r
• Energija veze, Eo
F F
r
• Temperatura topljenja, Tm
Tm je veće ako je Eo veće.
Svojstva veze: TM
r
veće Tm
manje Tm
Energija (r)
ro
Eo=
“energija veze”
Energija (r)
ro rravnotežno rastijanje
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 51
• Modul elastičnosti, E
E je veće ako je Eo veće.
Svojstva veze: E
ΔLFAo
= ELo
Modul elastičnosti
PoprečnipresekA0
ΔL
dužina, Lo
F
nedeformis.
deformisano
r
veći modul elastičnosti
manji modul elastičnosti
Energija
roravnotežno rastojanje
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 52
• Koeficijent termičkog širenja, α
α je veće ako je Eo manje.
= α (T2-T1)ΔLLo
Svojstva veze: α
Koeficijent termičkog širenja
r
manje α
veće α
Energija
ro
ΔL
dužina, Lo
nezagrejano, T1
zagrejano, T2
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 53
Keramike(Jonska & kovalentna vaza):
Metali(Metalna veza):
Polimeri(Kovalentna & Sekundarna):
secondary bonding
Usmerena svojstvaSekundarne veze dominantne
malo Tmalo Eveliko α
Veća energija vezeveće Tm
veće Emanje α
Promenljiva energija vezeumereno Tm
umereno Eumereno α
Zaključak
Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 54
Hvala na pažnji
top related