Az anyagszerkezet alapjai Az atomok felépítése
Kérdések • Mik az építőelemek? • Milyen elvek szerint épül fel az anyag? • Milyen szintjei vannak a struktúrának? • Van-e végső, legkisebb építőelem? • A legkisebbeknél megismert törvényszerűségek hatnak-e a magasabb szinten? Másképp: kell nekünk tudni a kvantummechanikát? • A szabályok vagy az attól való eltérés lesz fontosabb? (ld: kristályhibák) • Hogy ismerhető meg a szerkezet? • Modelleket ismerünk, vagy az igazit?
Alapfogalmak, adatok Atom építőkövei: – Proton atommag – Neutron – Elektron mneutron mproton 2000 melektron
mproton = 1,67 x 10-27 kg,
melektron =9,11 x 10-31 kg
qproton = -qelektron = 1,6 x 10-19 C tömegszám: rendszám:
35 Cl 17
• Rendszám: protonok száma • Tömegszám: protonok + neutronok száma • Atomtömeg / móltömeg egység: 12C izotóp 1/12 része • mol: anyagmennyiség egysége – 1 mol = 6 ·1023 db molekula / atom Avogadro szám – 1 mol = moltömegnyi anyag (gramm)
Az atom szerkezete A kvantummechanika alapgondolatai: 1. Az elektron (anyag) kettős természete: de-Broglie, részecske hullám
=h/mv h = 6,63·10-34 Js: (Planck állandó)
Bizonyíték: interferencia, elektronsugarak diffrakciója Ni kristályon Alkalmazás: pl. elektronmikroszkóp
No, you're not going to be able to understand it. You see, my physics students don't understand it either. That is because I don't understand it. Nobody does. Richard Feynman
2. Az elektron energiaállapotai kvantáltak
3. Heisenberg-féle határozatlansági reláció
Az elektronok (és más mikrox px ~ h/2 részek) csak adott energiaszinteket foglalhatnak el. Javított:
x px h/4
W3 – W0 = h = hc/ foton kibocsátás
Egy mikrorészecske (elektron) helybizonytalansága és impulzusbizonytalansága nem csökkenthető egyszerre minden határon túl Ha pl. egy elektron energiáját nagyon pontosan megmérem, a helyét ugyanakkor csak korlátozott pontossággal ismerhetem meg.
4.Schrödinger egyenlet Az elektron állapotát (helyzetét és energiáját) egy hullámegyenlet írja le.
Megoldása egy függvénysorozat, Sajátérték: → energiaszintek Sajátfüggvény: → elektron megtalálási valószínűsége
Képünk az atomról, a mikrovilágról • Nincs kézzelfogható modell • Nincs hely, pontos méret, helyette megtalálási valószínűség, töltéssűrűség • Nem folytonos az energia, hanem kvantált • Egyszerre részecske és hullám
Károlyházi Frigyes: Igaz varázslat (Gondolat zsebkönyvek 1976) http://mek.oszk.hu/09400/09461/09461.pdf
Elektronkonfiguráció A mag erőterében levő elektronok állapotát adja meg. Jellemzés: kvantumszámok (mögöttük a Schrödinger egy-egy megoldása)
Főkvantumszám, N: a magtól való távolság, elektronhéj száma potenciális energia durva értéke N: 1, 2, 3, 4,... stb. jelölés: K, L, M, N Mellékkvantumszám, l: a pálya alakja, a pot. energia finom eltérése maximális értéke l = N-1, 0, 1, 2, 3… jelölés: s, p, d, f
Képzeljük térbeli állóhullámoknak
Az 1s és 2s pályák alakja
Egy és kétdimenziós állóhullám
A px, py, pz pályák alakja
Mágneses kvantumszám, m:
a pályák külső mágneses térhez
viszonyított iránya, lehetséges értékei: m= -l ... 0 ...+l
Spin kvantumszám, s: d ↑
és f ↓
pályák
az elektron saját impulzusmomentuma lehetséges értékei:
s= +-1/2
Az elektronkonfiguráció következményei H atom: alapállapotban 1s elektron, gerjesztve magasabb energiaszintek További atomok: Fokozatosan betöltik a magasabb szinteket •Energiaminimum elv •Pauli elv: egy rendszeren belül nem lehet két elektron ugyanabban a kvantumállapotban
http://www.shef.ac.uk/chemistry/orbitron/ http://www.orbitals.com/orb/ov.htm
A periódusos rendszer Mengyelejev: rendezési elv: • Atomtömeg és kémiai – fizikai tulajdonságok • Rendszám: protonok száma Később magyarázat atomszerkezeti alapon: • Periodicitás oka: azonos külső elektronhéj • Külső elektronok főkvantumszáma = periódus száma • Legkülső pályán lévő elektronok száma = főcsoport (oszlop) száma • Mellékkvantumszám szerint: s, p, d, f mező
A rajzok a belépő új elektron pályáját mutatják
Atomok, ionok mérete • Egy perióduson belül: mag vonzás nő, elektronok taszítása nő • Oszlopon belül: új elektronhéj
• Pozitív ion: elektron taszítás csökken, legkülső elektronhéj megszűnik • Negatív ion: elektron taszítás nő
Ionizációs energia
Elektronaffinítás
Az az energia, amely ahhoz kell, hogy egy semleges atomból egyszeresen pozitív ion keletkezzen
Az az energia, amely ahhoz kell, hogy egy semleges atomból egyszeresen negatív ion keletkezzen
A fény és az atom kölcsönhatása
A spektroszkópia alapjai Alapelv: • Az energia-állapotok kvantáltak • Az energia szintrendszer Vizsgálható energia-átmenetek: jellemző az atomra, molekulára – Külső elektronhéj: UV, látható • E = h = hc/ – Belső elektronhéjak: UV, RTG – Atommag: – Molekulák rezgési, forgási állapota:
gamma
IR, mikro hullám
Emissziós fotometria • Minta termikus gerjesztése • Elektron magasabb energiaszinten • Alapállapotba vissza, közben foton emisszió • Kibocsátott fény elemzése • Hullámhossz anyagi minőség • Intenzitás anyagmennyiség
Abszorpciós fotometria • Minta átvilágítása (fehér) fénnyel • Az a hullámhossz nyelődik el, amelyik energiája pont elég egy elektron gerjesztéséhez • Áteresztett fény elemzése • Hullámhossz anyagi minőség • Intenzitás anyagmennyiség
Az anyagszerkezet alapjai II. Kötések
Kötéstípusok • Elsődleges kötés: • kötési energia: egy
kötés szétszakításához szükséges munka (eV),
61023-szoros: (kJ/mol) • 100 – 600 kJ/mol
• Ionos • Kovalens • Fémes
A potenciális energia változása a kötés kialakulása során
Elektronegativítás EN • Atomok kémiai viselkedésére jellemző szám • Az atomtörzs (mag és a lezárt héjak) mennyire vonzza a kötésben résztvevő elektronokat • Pauling (1935): legerősebben vonzó: F 4 leggyengébb: K 1 Többi elemé a tulajdonságok szerint periodikusan változik
Ionos kötés • EN különbség nagy • Kis EN-ú partner lead, a nagy EN-ú felvesz 1 (2, max.3 elektront) • Összetartó: Coulomb erő • Nincs elkülönült molekula
NaCl kristály
Fémes kötés • Minden reakciópartner kis EN-ú • Mind lead elektront • Szabad elektronfelhő • Pozitív fémionok • Nincs kitüntetett irány • Legszorosabb illeszkedés
Kovalens kötés • Mindkét partner nagy EN • Közös elektronpár(ok) molekulapályán • Kötő elektronpár megtalálási valószínűsége a két atommag között nagy • Irányított kötés, szigorúan adott kötési szög • Laza helykitöltés A H2 lehetsége molekulapályái: ellentétes spin kötő pálya párhuzamos spin lazító pálya
A kovalens kötés típusai • Homopoláros: pl. H2, O2, Cl2, C-C kötés a szerves molekulákban. A töltéseloszlás szimmetrikus
• Poláros (heteropoláros):
pl. H2O, HCl, SiO2 A kötő elektronpár(ok) nagyobb valószínűséggel a nagyobb EN-ú atom közelében található(k). Következmény: dipólus molekula, nagyobb permittivitású anyag (pl. víz: εr = 81)
• Egyszeres, kötés: – – – –
Az első elektronpár mindig Tengelyszimmetrikus Lehet: s-s, s-p, p-p elektronok között A kötő elektronpár ellentétes spínű
• Kettős kötés – Csak p-p elektronok között – Tükörszimmetrikus – Gyengébb, mint a – Max kötés: + + Hármas kötés az acetilén molekulában
Delokalizált kötés • Konjugált kötésrendszer szerves molekulákban -C=C–C=C–C=C-, benzolban • Szervetlen molekulákban, ionokban CO32-, NO3-
Vezető polimerek • Polimer makromolekulák vagy kisebb szerves molekulák • Konjugált kötésrendszer • Félvezető vagy 1 dimenziós fémes vezetés • Adalékolható p, n félvezetővé • Alkalmazás: OLED, display, napelem, akkumulátor, érzékelő
77” OLED TV
Elsődleges kötések - összefoglalás • A reakciópartnerek EN- a dönti el a kötés típusát • Léteznek tiszta ionos, kovalens, fémes kötések, de léteznek átmeneti típusok • A geometriai elrendezést – A sztöchiometriai arányok – A kovalens kötésszög – Az atomok (ionok) méretaránya határozza meg
A 3. periódus elemeinek egymás között kialakuló kötései
Emlékeztető
Másodlagos kötések • •
Molekulák között Sokkal gyengébb, mint az elsődleges
1. H-híd: 8 – 40 kJ/mol
A proton (H+) az elektronpárhoz hasonlóan viselkedve hoz létre kötést. Csak a legnagyobb EN-ú elemek között: F, O, N, (Cl) Fontos biokémiai rendszerekben (pl. DNS), polimerekben: pl. nylon
2. Van der Waals kötés 1. Orientációs hatás: két dipól molekula között 2. Indukciós hatás: egy dipól molekula töltésmegosztást indukál a szomszédos apoláros molekulákban 3. Diszperziós hatás: két apoláros molekula között fellépő (mélyebb kvantummechanikai ismeretekkel értelmezhető) vonzás.
B
A Milyen típusai lehetnek a kovalens kötésnek?
Melyek a fémes kötés jellemzői?
A kérdéseket nem kell leírni
