Előadás 02 Anyagszerkezet alapjai I-II

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 – Neutron – Elektron

m

 m

 2000 m

m

= 1,67 x 10

kg, m

=9,11 x 10

kg q

= -q

= 1,6 x 10

C

atommag

tömegszám: 35 rendszám: 17

Cl

• Rendszám: protonok száma

• Tömegszám: protonok + neutronok száma

• Atomtömeg / móltömeg

egység:

C izotóp 1/12 része

• mol: anyagmennyiség egysége

– 1 mol = 6

10

db molekula / atom Avogadro szám

– 1 mol = moltömegnyi anyag (gramm)

Az atom szerkezete

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

A kvantummechanika

alapgondolatai:

2. Az elektron energia- állapotai kvantáltak

Az elektronok (és más mikro- részek) csak adott energia- szinteket foglalhatnak el.

3. Heisenberg-féle

határozatlansági reláció

_x _px  _h/2 Javított:

_x _px  _h/4

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.

W₃ – W₀ = h _{= hc/} foton kibocsátás

~

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. 1-1 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

Az 1s és 2s pályák alakja

A p_x, p_y, p_z pályák

alakja

Képzeljük térbeli állóhullámoknak

Egy és kétdimenziós állóhullám

Mágneses kvantumszám, m:

a pályák külső mágneses térhez viszonyított iránya,

lehetséges értékei:

m= -l ... 0 ...+l Spin kvantumszám, s:

az elektron saját impulzusmomentuma lehetséges értékei:

s= +-1/2

d ↑ és f ↓ pályák

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

Az elektronkonfiguráció

következményei

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

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

Az az energia, amely ahhoz kell, hogy egy semleges atomból egyszeresen pozitív ion keletkezzen

Elektronaffinítás

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

jellemző az atomra, molekulára

• E = h = hc/

Vizsgálható energia-átmenetek:

– Külső elektronhéj: UV, látható – Belső elektronhéjak: UV, RTG

– Atommag: gamma

– Molekulák rezgési,

forgási állapota: 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), 610²³-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

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

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:

kötés a szerves molekulákban.

A töltéseloszlás szimmetrikus

• Poláros

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: ε_r = 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 CO₃^2-, 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

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

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.

• Milyen típusai

lehetnek a kovalens kötésnek?

• Melyek a fémes kötés jellemzői?

– Kötő – lazító – Homopoláros,

heteropoláros

– , , 1x, 2x, 3x, delokalizált

– Szoros illeszkedés

– Nagy sűrűség, duktilitás – Vill- hővezetés