Bevezetés az anyagtudományba II. előadás
2010. február 11.
Bohr-féle atommodell 1914
Niels Henrik David BOHR 1885-1962
Posztulátumai: 1) Az elektron a mag körül körpályán kering. 2) Az elektronok számára csak bizonyos körpályák (energiák) megengedettek. (mvr=nh/2π, ahol n=1, 2, 3, ...) 3) A körpályán keringő elektron nem sugároz energiát. 4) ∆E=hν http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model http://hu.wikipedia.org/wiki/Bohr-atommodell
Hullámmechanikai atommodell
diszkrét pozíció
előfordulási valószínűség
az elektronok részecske- és hullámtermészetét egyaránt figyelembe veszi
e--pálya
Bohr
e--felhő
hullámmechanikai
Bohr
hullámmechanikai
Kvantumszámok • Főkvantumszám (n=1,2,3,…; K,L,M,…): az elektron magtól mért átlagos távolságát jellemzi (héj)
• Mellékkvantumszám (l=0,1,…,n-1; s, p, d,...): az elektronpálya alakját (impulzusmomentumát) jellemzi (alhéj)
• Mágneses kvantumszám (m=-l,…,0,…+l): a pályák térbeli orientációját határozza meg (a pályák mágneses térben elfajulnak) (pálya)
• Spin kvantumszám (s=-½,+ ½): az elektron saját perdületét veszi figyelembe Atkins 355-370
Elektron pályák 1s
http://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/index.html
K héj
2s
2p
3s
3p
L héj
3d
M héj
Az atomok elektronszerkezete Pauli-féle kizárási elv: egy elektronpályán max. 2 db ellentétes spinű elektron tartózkodhat. Hund szabály: az elektronok egy alhéj elfajult pályáit egyenként töltik be párhuzamos spinnel mindaddig, amíg az alhéj félig be nem telik (a félig vagy teljesen betöltött alhéjak kiemelkedő stabilitásúak). alapállapot: az atom azon állapota, melyben elektronjai a legalacsonyabb energiájú pályákat foglalják el. (↔ gerjesztett állapot) vegyérték elektronok: az atom legkülső héjának elektronjai (a kötésekbe lépő elektronok, melyek a szilárd anyag kémiai, elektromos, optikai és hőtani tulajdonságait meghatározza) (vegyértékhéj) stabil elektronkonfiguráció: amikor a vegyértékhéj s és p-alhéjai telítettek (ú.n. nemesgáz konfiguráció) hibridizáció: egyes esetekben a különböző alhéjakhoz tartozó pályák kombinációjával a vegyértékelektronok alacsonyabb energiájú állapotba kerülhetnek (a IIIA-VA csoportok elemeire jellemző)
Pályaenergiák 4d 4p
N-héj n = 4
3d 4s Energia
3p 3s
M-héj n = 3
2p 2s
L-héj n = 2
1s
K-héj n = 1
pl. Fe - rendszám=26
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
3d6 4s2
vegyérték elektronok = [Ar] 3d6 4s2
http://acswebcontent.acs.org/games/pt.html
Periódusos rendszer Csoportok (oszlopok): Hasonló vegyértékszerkezet hasonló tulajdonságok
Periódusok
Dmitri Ivanovich MENDELEEV 1834 – 1907
H
He
Li Be
O
F Ne
Na Mg
S
Cl Ar
K Ca Sc Rb Sr
Se Br Kr
Y
Te
I
Xe
Po At Rn
Cs Ba Fr Ra
Elektropozitív elemek: elektron leadással kationok
Elektronegatív elemek: elektron felvétellel anionok
elektronegativitás
Az elemek tulajdonságának periódikus változása
1 atom – 2 atom – rács
E0: kötési energia (sok atom esetén)
r
r
r
E N = ∫ FN dr = ∫ FA dr E +N∫ F drA + ER = =RE ∞
∞
r0~0.3nm
∞
−
A r
+
B rn
Példasor 7. feladat!
A kötéstípus meghatározza a kötési energia nagyságát és potenciálgörbe alakját. Az anyag számos makroszkópikus tulajdonsága ezektől függ.
E
Top. olvadáspont + halmazállapot ro
r kisebb Top. nagyobb Top.
α: lineáris hőtágulási együttható E ro Eo Eo
r nagyobb α kisebb α
Kötések • Elsőrendű, vagy kémiai kötések – Ionos (600-1500 kJ/mol) – Kovalens (300-730 kJ/mol) – Fémes (68-850 kJ/mol)
• Másodrendű, vagy van der Walls kötések – Hidrogénhídkötés (30-51 kJ/mol) – Dipól kölcsönhatás (5-30 kJ/mol)
Ionos kötés Elektron mozgás a kötésben résztvevő atomok között.
Coulomb kölcsönhatás
Nemesgáz szerkezetre törekvés Nem irányított Periódusos rendszer jobb és bal szélein levő elemek között. (kerámiák)
Tulajdonságok: •Magas op. •Kemény, törékeny •Jó elektromos és hőszigetelők
Kovelens kötés A kötésben résztvevő atomok megosztják elektronjaikat. Nemesgáz szerkezetre törekvés Irányított Periódusos rendszer jobb oldalán levő elemek (kerámiák, műanyagok, félvezetők) Tulajdonságok: attól függ, hogy atomrács vagy molekularács
(X A −X B )2 − 4 Ionos karakter=1− e x (100%) ahol XA, XB a Pauling-féle elektronegativitás
Fémes kötés Elektron megosztás (elektron felhő, max. 3e-/atom) atomtörzsek
Periódusos rendszer leggyakoribb kötése (fémes elemek és ötvözeteik) Nem irányított
Tulajdonságok: •Kemény, de jól alakítható •Jó elektromos és hővezetők
elektronfelhő
Számítsa ki a következő vegyületekben a kötés ionos karakterét: MgO, GaP, CsF, CdS és FeO! Milyen kötéstípusokba sorolná ezek alapján az egyes vegyületeket? Két XA és XB elektronegetivitású elem közti kötés ionos karaktere X −XB − A IC = 1 − e 2
2
⋅ 100% 1.2 −3.5 − IC = 1 − e 2 ⋅ 100% = 73.4% 2 1.6 − 2.1 − IC = 1 − e 2 ⋅ 100% = 6.1% 2
Ezt alkalmazva MgO-ra, XMg=1.2, XO=3.5 Ezt alkalmazva GaP-ra, XGa=1.6, XP=2.1
0.7 − 4.0 − IC = 1 − e 2
2
Ezt alkalmazva CsF-ra, XCs=0.7, XF=4.0
⋅ 100% = 93.4%
2
Ezt alkalmazva CdS-ra, XCd=1.7, XS=2.5
1.7 − 2.5 − IC = 1 − e 2
⋅ 100% = 14.8%
2
Ezt alkalmazva FeO-ra, XFe=1.8, XO=3.5
1.8− 3.5 − IC = 1 − e 2
⋅ 100% = 51.4%
S ezért a MgO és a CsF ionos, míg a GaP, CdS jellemzően kovalens karakterű vegyület. A FeO ionos és kovalens jelleget egyaránt mutat. Példasor 8. feladat!
Dipól kölcsönhatás Indukált dipól
Permanens dipól
Hidrogénhídkötés
pl. H2O, HF, NH3
Sok kicsi, sokra megy …
www.cchem.berkeley.edu/rmgrp/about_gecko.jpg
nano szőr http://physics.suite101.com/article.cfm/nanotechnology_mimicks_natures_adhesive
Összefoglalásként
További, ismertnek feltételezett fogalmak proton, elektron, neutron, rendszám, izotóp, atomtömeg, energiaszintek (állapotok), kötött és szabad elektron/állapot, kötésenergia, atomtörzs, delokalizált elektronfelhő, (elektromos) dipól, poláris/apoláris molekula
