Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 1
Osobine (karakteristike) mašinskih materijala
Građa atoma
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 2
Najmanja čestica materije koja zadržava karakteristične osobine hemijskog
elementa jeste atom, koji je sastavljen od tri vrste subatomskih čestica:
• protona,
• neutrona i
• elektrona.
Proton i neutron zajedno
obrazuju jezgro atoma (nukleus),
dok spoljne delove atoma čine
elektroni
Atom = Nukleus (protoni i neutroni) + Elektroni
Grčki – Atomos - nedeljiv
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 3
Elektron je otkrio 1897.god. Thomson (Tomson)
On je negativno naelektrisan
Ima masu koja je ~1/2000 deo mase protona.
Proton je otkrio 1919. Rutherford (Radeford)
Predstavlja sastavni deo jezgra atoma
Ima pozitivno naelektrisanje
Masa je ~2000 puta veća od mase elektrona
Neutron je identifikovao 1932. Chadwick (Čadvik):
Drugi sastavni deo jezgra
Nema naelektrisanje
Masa je aproksimativno jednaka masi
protona
Delovi atoma
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 4
Modeli atoma – istorijski razvoj
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 5
U pogledu gradje atoma Nils Bor je 1913. godine predložio planetarnu teoriju kojom se
mogu objasniti spektralne linije vodonika i drugih elemenata sličnih vodoniku. Borova teorija
objašnjava karakteristične spektre i gradju atoma malog atomskog broja (atoma sličnih
vodoniku).
Šredinger (Schrödinger) je 1926. godine, Borov model sferne orbite, po kojoj se elektroni
kao materijalne kuglice obrću oko jezgra, zamenio prostornom ljuskom - elektronskim
oblakom koji može imati više slojeva (nivoa). To znači da jedna ljuska može imati elektrone
rasporedjene po različitim slojevima tj. orbitalama
6
Elektroni su čestice koje kruže oko jezgra
atoma slično Zemlji koja se obrće oko
sopstvene ose dok istovremeno kruži oko
Sunca.
Ta rotacija, kao i ona koju čine planete,
ostvaruje se neprekidno i u savršenom redu
po putanjama koje zovemo orbite.
Da načinimo poređenje između veličine
elektrona i veličine Zemlje:
ako uvećamo atom do veličine Zemlje,
elektron bi bio veličine jabuke.
Solarni sistem
Modeli atoma
Elektroni
Elektroni su sićušne čestice, veličine skoro
dvehiljaditog dela veličine neutrona i protona. Atom
ima isti broj elektrona kao i protona, i svaki elektron
nosi negativno (-) naelektrisanje koje je jednako
pozitivnom (+) naelektrisanju koje nosi svaki proton.
Ukupno pozitivno (+) naelektrisanje u jezgru i ukupno
negativno (-) naelektrisanje elektrona poništavaju
jedno drugo i atom postaje neutralan.
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić
7
Jezgro atoma
Proton Neutron Do 1932. godine, smatrano je da se jezgro sastoji
samo od protona i elektrona. Tada je otkriveno da u
jezgru nema elektrona već neutrona koji se nalaze
pored protona. Poznati naučnik Čedvik (Chadwick)
dokazao je 1932. godine postojanje neutrona u
jezgru i bio je nagrađen Nobelovom nagradom za
svoje otkriće). Jezgro atoma se sastoji iz približno
jednakog broja protona i neutrona.
Protoni su pozitivno naelektrisani, a elektroni
negativno, tako da je atom u električnom pogledu
neutralan. U svakom atomu, protoni i neutroni gusto
su zajednički spakovani i čine oko 99.9% ukupne
mase atoma, a ostatak mase čine elektroni.
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 8
Atomski broj (Z) pokazuje broj protona (pozitivno naelektrisanih čestica) u jezgru
atoma i u neutralnom atomu atomski broj je takođe jednak broju elektrona u
njegovom naelektrisanom oblaku. Svaki element ima svoj vlastiti karakteristični
atomski broj koji određuje hemijske osobine elementa i prema tome atomski broj
određuje element.
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 9
Razne vrste atoma nastaju kombinacijama različitih brojeva protona, neutrona i
elektrona. Ukupna masa svih čestica predstavlja atomsku masu.
Relativna atomska masa je broj koji se dobija upoređivanjem sa masom nekog
drugog atoma, odnosno delom mase atoma koji je uzet za standard. Danas se
kao standard koristi 1/12 mase ugljenika C12. Relativna atomska masa pokazuje
koliko je puta masa atoma određenog elementa veća od 1/12 mase atoma C12.
Osnovna jedinica za količinu materije je mol. Mol je količina materije koja sadrži
onoliki broj osnovnih čestica koliko ima atoma ugljenika u 12 g izotopa C12. Taj
broj je uvek 6,023 × 1023 i naziva se Avogadrov broj.
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 10
Najprostiji atom, atom vodonika
sastoji se iz jednog protona i jednog
elektrona te mu je atomski broj 1.
Vodonik je najlakša materija koju
poznajemo; u tečnom vodoniku
potonuće čak i pluta.
Atom vodonika
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 11
Elementi sa 90 i više protona
(npr. uranijum) imaju
nestabilne izotope - jezgra im
se raspadaju i nastaju atomi
drugih elemenata.
Hemijski elementi koji se razlikuju
po broju neutrona, a imaju isti broj
protona nazivaju se izotopima
datog elementa.
Mase izotopa su različite, ali su im
identične hemijske osobine. Tako
npr. stabilan izotop ugljenika C12
ima 6 protona i 6 neutrona, a
radioaktivni ugljenik C14 ima 6
protona i 8 neutrona
Ugljenik CUgljenik C12 14
Izotopi
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 12
-
Prva ljuska (orbita) Najniži energetski nivo
Druga ljuska (orbita) Viši energetshi nivo
Treća ljuska (orbita) Još viši energetshi nivo
Elektroni se obrću samo u elektronskim ljuskama. Postoji sedam elektronskih
ljuski. Svaka elektronska ljuska ima određen nivo energije koji varira u skladu sa
udaljenošću ljuske od jezgra.
Orbite, orbitale i energetski nivoi
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 13
Svaka elektronska ljuska ima
"podljuske“ (orbitale), u okviru kojih se
elektroni te ljuske neprestano kreću.
Elektron mora da primi spoljašnju
energiju da bi mogao da putuje
između ljuski. Izvor te energije je
"foton".
Što je elektronska ljuska bliža jezgru,
njeni elektroni imaju manje energije, a
što je dalja od jezgra, njeni elektroni
imaju veću energiju.
orbita orbitala
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 14
Glavni kvantni broj n predstavlja pozitivne cele
brojeve od 1 do 7 (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) i definiše
energetski nivo elektrona (označava se i slovima
K, L, M, N, O, P, Q);
Što je veća vrednost n, to je ljuska dalja od jezgra,
Udaljeniji elektroni poseduju veću energiju,
Glavni kvantni broj
Kvantni brojevi elektrona i atoma
Orbitalni elektroni: n = glavni kvantni broj
n=3 2 1
K
L
M
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 15
-
Prva ljuska
broj e- = 2(1)2 = 2 e-
Druga ljuska
broj e- = 2(2)2 = 8 e-
Treća ljuska
broj e- = 2(3)2 = 18 e-
Postoji sedam elektronskih ljuski oko jezgra atoma. Broj elektrona u ovih sedam
elektronskih ljuski, koji se nikad ne menja, određen je matematičkom formulom:
Maksimalan broj elektrona koji može da bude prisutan u svakoj elektronskoj ljusci
oko atoma fiksiran je tom formulom. (Slovo "n" označava broj elektronske ljuske.)
2n2.
Broj elektrona u elektronskim ljuskama
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 16
Drugi (sekundarni, orbitalni) kvantni broj l = 0, 1, 2, …n-1,
odnosi se na podnivo elektrona (označava se sa s, p, d, f);
ovaj broj prikazuje moment količine kretanja elektrona
(2πr·mv, zamah), kojih u datom energetskom stanju može biti
2(2l+1),
Drugi (sekundarni, orbitalni) kvantni broj
Maksimalni
broj elektrona
u podljusci
s = 2
p = 6
d = 10
f = 14
Glavni kvantni broj, n
Energ
ets
ki niv
o,
→
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 17
Povećanje
energ
ije
n=1 n=2
n=3
n=4
Glavni i sekundarni kvantni broj
Glavni
kvantni broj Sekundarni
kvantni broj
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 18
Elektronska konfiguracija azota
Z = 7 → neophodno je 7 elektrona
1s
2s
3s
4s
2p
3p
4p 3d 4d
Energija
N 1s2 2s22p3
Prva glavna ljuska Druga glavna ljuska
Dva elektrona u
prvoj glavnoj ljusci
Dva elektrona u
s podljusci druge
glavne ljuske Tri elektrona u
p podljusci druge
glavne ljuske
Prva glavna
ljuska
Druga glavna
ljuska
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 19
Element Atomski broj Elektronska konfiguracija
Magnezijum (Mg) 12 1s2, 2s2p6, 3s2
Aluminijum (Al) 13 1s2, 2s2p6, 3s2, p1
Gvoždje (Fe) 26 1s2, 2s2p6, 3s2p6d6, 4s2
Bakar (Cu) 29 1s2, 2s2p6, 3s2p6d10, 4s1
Elektronske konfiguracije glavnih tehničkih metala (Fe, Al, Cu, Mg)
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 20
Mg - primer
Valentni elektroni i elektroni u unutrašnjim ljuskama
Valentna ljuska je spoljašnja ljuska atoma po kojoj se kreću elektroni
1s22s22p6
3s2 [Ne]
3s2 Elektroni u valentnoj
ljusci određuju hemijske
osobine
Elektroni u unutrašnjim
ljuskama nemaju značajnog
uticaja na hemijske osobine
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 21
Vodonik 1 1s1
Helijum 2 1s2
Litijum 3 1s22s1
Berilijum 4 1s22s2
Bor 5 1s22s22p1
Ugljenik 6 1s22s22p2
Azot 7 1s22s22p3
Kiseonik 8 1s22s22p4
Fluor 9 1s22s22p5
Neon 10 1s22s22p6
Natrijum 11 1s22s22p63s1
Magnezijum 12 1s22s22p63s2
Aluminijum 13 1s22s22p63s23p1
Silicijum 14 1s22s22p63s23p2
Fosfor 15 1s22s22p63s23p3
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
Atomski Elektronska Valentni Lewis-ove
Element broj konfiguracija elektroni tačke
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 22
Postoji 109 hemijskih elemenata
koji su do sada otkriveni. Ceo
svemir, naša Zemlja i sve živo i
neživo u našem svetu formirano je
raspoređivanjem tih 109 elemenata
u različitim kombinacijama. Do
sada smo videli da su svi elementi
izgrađeni od atoma koji su slični
jedni drugima i koji su sačinjeni od
istih čestica. Prema tome, ako su
svi atomi koji sačinjavaju elemente
izgrađeni od istih čestica, šta onda
čini da se elementi razlikuju jedni
od drugih i šta je uzrok formiranja
beskrajno različitih supstanci?
Broj protona u jezgru atoma suštinski odvaja elemente jedne od drugih. Postoji jedan proton u
atomu vodonika, najlakšem elementu, dva protona u atomu helijuma, drugom najlakšem
elementu, 79 protona u atomu zlata, 8 protona u atomu kiseonika i 26 protona u atomu gvožđa.
Ono što čini razliku između zlata i gvožđa, i gvožđa i kiseonika je jednostavno različit broj protona
u njihovim atomima. Vazduh koji dišemo, naše telo, biljke i životinje, planete u svemiru, živo i
neživo, gorko i slatko, čvrsto i tečno, sve... sve ovo je izgrađeno od protona, neutrona i elektrona.
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 23
Periodni sistem elemenata
Zakon periodičnosti
Slična fizička i hemijska svojstva periodično se
ponavljaju pri čemu se elementi mogu poređati po
rastućim atomskim brojevima.
Ruski hemičar Dmitrij Mendeljejev predložio je 1869. godine da se svi do tada
poznati hemijski elementi srede prema rastućim atomskim težinama i
periodičnosti njihovih osobina. Docnije se pokazalo da je za postizanje
potpune periodičnosti osobina trebalo poredjati elemente prema rastućem
atomskom broju odnosno ukupnom broju elektrona.
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 24
Simbol elementa
Atomski broj
Atomska masa
Atomski broj = broj protona
Periodni sistem elemenata se sastoji od horizontalnih redova (perioda) i
vertikalnih redova (grupa). Periode se označavaju slovima K, L, M, N, O, P, Q
ili brojevima 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, a kolone rimskim brojevima od I - VIII + (nulta)
grupa (0). Kolone I - VII dodatno su podeljene na podgrupe označene slovima
A i B. Sa porastom atomskog broja dolazi do skokovite promene osobina po
kojima se elementi medjusobno razlikuju. Elementi koji se nalaze u istoj koloni
imaju sličnu gradju spoljašnjeg elektronskog sloja te stoga i slične osobine.
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 25
Periodni sistem zasnovan na elektronskoj konfiguraciji
Plemeniti gasovi Alkalni metali
Halogeni
elementi
Slična svojstva u
vertikalnim kolonama
koje se nazivaju grupe
Vrs
te s
e z
ovu
peri
od
e
Alkalni zemljani metali
Lantanidi
Aktinidi
K
L
M
N
O
P
Q
Metali
Nemetali
Prelazni metali
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 26
Moderan periodni sistem elemenata
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 27
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 28
Elektropozitivni elementi su po svojoj prirodi metalni i odaju elektrone u
hemijskim reakcijama stvarajući pozitivne jone, ili katjone. Najviše
elektropozitivni elementi su u grupi 1A i 2A Periodnog sistema elemenata.
Elektronegativni elementi su po svojoj prirodi nemetalni i primaju elektrone
u hemijskim reakcijama stvarajući negativne jone, ili anjone. Najviše
elektronegativni elementi su u grupi 6A i 7A Periodnog sistema elemenata.
Neki elementi mogu se ponašati na elektronegativni ili elektropozitivni način
(C, Si, Ge, P itd.).
Elektropozitivni i elektronegativni elementi
Plemeniti gasovi
Hemijska svojstva atoma elemenata zavise u osnovi od reaktivnosti
najudaljenijih elektrona. Najstabilniji ili najmanje reaktivni od svih elemenata su
plemeniti gasovi ili tzv. inertni gasovi (He, Ne, Ar, Kr, Xe i Rn).
Svi oni, osim He, u zadnjoj ljusci imaju s2p6 elektronsku konfiguraciju, koja ima
veliku hemijsku stabilnost što se odražava neaktivnošću plemenitih gasova da
hemijski reaguju sa drugim elementima.
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 29 7
Elektronegativnost se definiše kao stepen kojim atom privlači elektron ka sebi.
Uporedna težnja atoma da pokaže elektropozitivno ili elektronegativno ponašanje
može se kvantitativno izraziti označavanjem svakog elementa elektronegativnim
brojem.
Kreće se u granicama od 0.7 do 4.0,
Veće vrednosti: tendencija ka preuzimanju elektrona.
Manja elektronegativnost Veća elektronegativnost
Elektronegativnost
Mašinski/Tehnički materijali - Dr Marko Pantić 30
Sledi nastavak