ΤΛΗΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΗ ΜΔΛΛΟΝ ΠΑΝΔΠΗΣΖΜΗΟ ΚΡΖΣΖ ΣΜΖΜΑ ΔΠΗΣΖΜΖ ΚΑΗ ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΑ ΤΛΗΚΩΝ

Transcript

1 ΤΛΗΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΗ ΜΔΛΛΟΝ Η ΠΑΝΔΠΗΣΖΜΗΟ ΚΡΖΣΖ ΣΜΖΜΑ ΔΠΗΣΖΜΖ ΚΑΗ ΣΔΥΝΟΛΟΓΗΑ ΤΛΗΚΩΝ

2 Άδειεσ Χρήςησ -Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται ςτην άδεια χρήςησ Creative Commons και ειδικότερα Αναφορά - Μη εμπορική Χρήςη - Όχι Παράγωγο Έργο v. 3.0 (Attribution Non Commercial Non-derivatives) - Για εκπαιδευτικό υλικό, όπωσ εικόνεσ, που υπόκειται ςε άλλου τφπου άδειασ χρήςησ, η άδεια χρήςησ αναφζρεται ρητώσ.

3 4 Γεζκνί

4 Πξωηεύνληεο δεζκνί Φεκηθνί δεζκνί κεηαμύ αηόκσλ γίλνληαη κε ηα ειεθηξόληα ζζέλνπο θαηά ηέηνην ηξόπν ώζηε λα ειαηηώλεηαη ε ζπλνιηθή ελέξγεηα ηνπ ζπζηήκαηνο Η ειάρηζηε ζπλνιηθή ελέξγεηα επηηπγράλεηαη όηαλ θάζε άηνκν έρεη νθηώ ειεθηξόληα ζηελ εμσηεξηθή ηνπ ζηηβάδα Ηνληηθόο δεζκόο Τα άηνκα αληαιιάζνπλ ειεθηξόληα ζζέλνπο Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Τα άηνκα κνηξάδνληαη ειεθηξόληα ζζέλνπο Μεηαιιηθόο δεζκόο Τα ειεθηξόληα ζζέλνπο είλαη θνηλά γηα όια ηα άηνκα

5 Υεκηθνί δεζκνί Μεραληθά αλάινγα Οι δεςμοί ωσ «ςυμπαγείσ» ράβδοι Οι δεςμοί ωσ «ελατήρια»

6 Υεκηθνί δεζκνί Γπλάκεηο κεηαμύ ηωλ αηόκωλ Κεληξηθό πεδίν δπλάκεωλ R 12 e 21 e 12F 12 F 21 r 1 r 2 Ειθηηθέο Απσζηηθέο

7 Υεκηθνί δεζκνί Δύλακε Σεκείν ηζνξξνπίαο Απόζηαζε 0 Άπωζε Έιμε

8 Υεκηθνί δεζκνί e 12 R 12 dr 12 Γπλακηθό r 1 r 2 dw d d d F12 r1 F21 r2 F12 R12 F f( R ) e dw f ( R ) dr Έξγν εζσηεξηθώλ δπλάκεσλ dw de p εζσηεξηθή ελέξγεηα E ( B) E ( A) dw p p B A

9 Υεκηθνί δεζκνί Γπλακηθό 0 Ep( ) Ep( A) f ( R ) dr A Π.ρ. γηα θεληξηθό πεδίν δπλάκεσλ Coulomb: A Ep( ra) E ( r ) f ( R ) dr p A f( R ) A r 12 2 A r A

10 Υεκηθνί δεζκνί Δπλακηθό (ev) Σεκείν ηζνξξνπίαο 0 Απόζηαζε (nm) Άπωζε Έιμε

11 Υεκηθνί δεζκνί Δπλακηθό Σεκείν ηζνξξνπίαο Σπλνιηθή δύλακε 0 Απόζηαζε Άπωζε Έιμε

12 Υεκηθνί δεζκνί Ηνληηθόο Γεζκόο Σα άηνκα αληαιιάζνπλ ειεθηξόληα ζζέλνπο Ελέξγεηα πνπ απαηηείηαη γηα ην ζρεκαηηζκό ηνπ: Ελέξγεηα πνπ ρξεηάδεηαη γηα ηε κεηαθνξά θνξηίνπ Τν έξγν πνπ ρξεηάδεηαη γηα λα ππεξληθεζνύλ νη κηθξήο εκβέιεηαο απσζηηθέο δπλάκεηο κεηαμύ αληόληνο θαη θαηηόληνο Τν έξγν ησλ ειθηηθώλ δπλάκεσλ κεηαμύ αληόληνο θαη θαηηόληνο

13 Ηνληηθόο Γεζκόο Γπλακηθό Ηνληζκνύ απαηηνύκελν έξγν γηα ηελ απόζπαζε ειεθηξνλίνπ από ην ειεθηξνζεηηθό άηνκν Η Ε ηνηρείν (ev) Li 5.39 Na 5.14 K 4.34 Rb 4.18 Cs 3.89 Fr 3.83 Ζιεθηξνζπγγέλεηα απαηηνύκελε ελέξγεηα γηα ηελ πξόζιεςε ειεθηξνλίνπ από ην ειεθηξαξλεηηθό άηνκν Α Ε ηνηρείν (ev) F Cl Br I O S

14 Ηνληηθόο Γεζκόο Ζιεθηξαξλεηηθόηεηα (χ) κέηξεζε ηεο ηθαλόηεηαο ελόο αηόκνπ ή κνξίνπ λα έιθεη ειεθηξόληα ζηα πιαίζηα ελόο ρεκηθνύ δεζκνύ Κιίκαθα Pauling ππνιόγηζε ηελ ελέξγεηα ηνπ δεζκνύ Α-Β D AB πνπ είλαη θαηά Γ ΑΒ κεγαιύηεξε ηνπ ½ (D AΑ + D ΒB ) ηειηθά: Γ ΑΒ (χ Α -χ Β ) 2 Κιίκαθα Mulliken 1 ( I A ) 2 z z z Δσναμικό ιονιζμού ηλεκηροζσγγενεια ( H) 2.2 ( F) 3.98 ( Fr) 0.7 max min πζρέηηζε ειεθηξαξλεηηθόηεηαο θαηά Pauling θαη Mulliken, User:Physchim62/ Wikimedia Commons/ CC-BY-SA-3.0

15 Ηνληηθόο Γεζκόο Ζιεθηξαξλεηηθόηεηα (Κιίκαθα Pauling) Μειώνεται η ατομική ακτίνα Αυξάνεται η ηλεκτραρνητικότητα Αυξάνεται η ενζργεια ιονιςμοφ Ζιεθηξνζεηηθά Ζιεθηξαξλεηηθόηεηα ζηνλ πεξηνδηθό πίλαθα, User: Adblocker / Wikimedia Commons/ CC-BY-SA-3.0 Ζιεθηξαξλεηηθά

16 Ηνληηθόο Γεζκόο Ζιεθηξαξλεηηθόηεηα θαη κεηαθνξά θνξηίνπ Η ηάζε γηα κεηαθνξά θνξηίνπ απμάλεη κε ηελ αύμεζε ηεο δηαθνξάο ειεθηξαξλεηηθόηεηαο κεηαμύ ησλ δύν αηόκσλ Όηαλ έλα ειεθηξαξλεηηθό θαη έλα ειεθηξνζεηηθό άηνκν πιεζηάζνπλ, κπνξνύλ θαη ηα δύν λα απνθηήζνπλ δνκή επγελώλ αεξίωλ κεηαθέξνληαο ειεθηξόληα ζζέλνπο από ην ειεθηξνζεηηθό ζην ειεθηξαξλεηηθό άηνκν θαηηόλ αληόλ

17 Ηνληηθόο Γεζκόο Ζιεθηξαξλεηηθόηεηα θαη κεηαθνξά θνξηίνπ Μεηά ηε κεηαθνξά θνξηίνπ, ηα δύν άηνκα είλαη ειεθηξηθά θνξηηζκέλα: ην ειεθηξαξλεηηθό κε αξλεηηθό θνξηίν (αληόλ) θαη ην ειεθηξνζεηηθό κε ζεηηθό θνξηίν (θαηηόλ) Τα αληίζεηα θνξηηζκέλα ηόληα έιθνληαη κε δπλάκεηο Coulomb θαηηόλ + - αληόλ

18 Ηνληηθόο δεζκόο Γπλάκεηο κεηαμύ ηωλ αηόκωλ Ειθηηθέο Δπλάκεηο Coulomb Απσζηηθέο Όηαλ ηα άηνκα πιεζηάδνπλ ηα ειεθηξνληθά ηνπο λέθε αιιά θαη νη ππξήλεο ηνπο απσζνύληαη. Οη απσζηηθέο δπλάκεηο είλαη πνιύ ηζρπξέο ζε πνιύ κηθξέο απνζηάζεηο m ~ 12

19 Ηνληηθόο δεζκόο Σπλνιηθή Δύλακε Σεκείν ηζνξξνπίαο Ειθηηθέο δπλάκεηο 0 Απόζηαζε r απσζηηθέο δπλάκεηο

20 Ηνληηθόο δεζκόο Γπλακηθή ελέξγεηα Ειθηηθέο Απσζηηθέο U( r) f ( r) dr ( f ( r) dr f ( r) dr) A r r r E Ur () e 2 n n K r m r m 1 e θνξηίν ειεθηξνλίνπ, n 1, n 2 βαζκόο ηνληζκνύ αληόληνο θαη θαηηόληνο

21 Ηνληηθόο δεζκόο Ελέξγεηα Σπλνιηθή Δπλακηθή ελέξγεηα Σεκείν ηζνξξνπίαο «απσζηηθό» δπλακηθό 0 Απόζηαζε r «Ειθηηθό» δπλακηθό

22 Υεκηθνί δεζκνί Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Σα άηνκα ακνηβαία ζπλεηζθέξνπλ ειεθηξόληα Τα ηξνρηαθά αιιειεπηθαιύπηνληαη! 1s H H H S 3p x 3p z S 3p y Με απηό ηνλ ηξόπν θαη ηα δύν άηνκα έρνπλ ηελ εμσηεξηθή ηνπο ζηνηβάδα ζπκπιεξσκέλε κε 8 ειεθηξόληα

23 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Τβξηδηζκόο πγρώλεπζε δηαθνξεηηθώλ αιιά παξόκνηαο ελέξγεηαο ηξνρηαθώλ ελόο αηόκνπ ζε ηζνδύλακα θ ηξνρηαθά Κανόνες Τξνρηαθά ηνπ ίδηνπ αηόκνπ, ίζεο πεξίπνπ ελέξγεηαο Αξηζκόο πβξηδίσλ = αξηζκόο ζπγρσλεπκέλσλ ηξνρηαθώλ Αλακηγλύνληαη ηξνρηαθά θαη όρη ειεθηξόληα Σε θάζε πβξίδην κπνξνύλ λα ζπλππάξμνπλ 2 κόλν ειεθηξόληα sp sp 2 sp 3

24 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο- Τβξηζηζκόο s p + = = sp sp 2 s p x p z = 120 O + + = s + sp 3 p x + p z + p y = = 109 O

25 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Ελέξγεηα Μνξηαθά ηξνρηαθά Ζ λέα θπκαηνζπλάξηεζε πξνθύπηεη από ην γξακκηθό ζπλδπαζκό ηωλ αηνκηθώλ θπκκαηνζπλαξηήζεωλ Δεζμικό μοριακό ηροτιακό (bonding molecular orbital) A B BMO ABMO Ανηι-δεζμικό μοριακό ηροτιακό (antibonding molecular orbital) BMO Απόζηαζε r * A B ABMO

26 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο- Μνξηαθά ηξνρηαθά ζ p * + = ζ p p x p x ζ* s + = s ζ π z * = π z p z p z

27 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο- Μνξηαθά ηξνρηαθά ζ* E H H ζ H 2 (BO) Bond Order ( Number of electrons in BMO) ( Number of electrons in ABMO) 2

28 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο- Μνξηαθά ηξνρηαθά Γηα λα έρνπκε δεζκό ζα πξέπεη ε ηάμε ηνπ δεζκνύ (Bond Order) λα είλαη κεγαιύηεξε από κεδέλ He 2 2 ( BO) 0 2 He δεν ζτημαηίζεηαι ζηαθερός δεζμός! E E( ) * 2 p E( ) E( ) * * 2p 2p E( ) E( ) 2p 2p E( ) 2 p E( ) * 2s E( ) 2s E( ) * 1s E( ) 1s x y y x z z

29 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο- Μνξηαθά ηξνρηαθά Παξάδεηγκα κόξην αδώηνπ N 2 7N: 1s 2 2s 2 2p 3 1 2p x N 2p z 2p y 1 1 2p 2p 2p y 2p x x z * p 2 y N 2p z 2p y 2p 2p y y 2 p 2p 2p z z 2 p 2p 2p x x 2 p z x y * * p p 2 x 2 z 1 2p x 2 p 1 1 x 2 p z 1 2p y 2p z 2p x 1 1 2p y 2p z 2 p y (6 2 2) (2 2) ( BO) 3 2

30 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Γπλάκεηο κεηαμύ ηωλ αηόκωλ Ειθηηθέο Κβαληνκεραληθή εξκελεία f E () r A p r Τα θνηλά ειεθηξόληα έρνπλ κεγαιύηεξε πηζαλόηεηα λα βξεζνύλ αλάκεζα ζηνπο δύν ππξήλεο Οη αηνκηθνί ππξήλεο ζπγθξαηνύληαη ζε απόζηαζε ηζνξξνπίαο κε ηηο ακνηβαίεο ειθηηθέο δπλάκεηο πνπ αζθνύλ ζηα θνηλά ειεθηξόληα

31 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Γπλάκεηο κεηαμύ ηωλ αηόκωλ Απσζηηθέο Κβαληνκεραληθή εξκελεία f A () r B q r Τα θνηλά ειεθηξόληα ζζέλνπο έρνπλ όια δηαθνξεηηθά ζεη θβαληηθώλ αξηζκώλ, αιιά: Τα εζσηεξηθά ειεθηξνληθά ηξνρηαθά είλαη ζπκπιεξσκέλα θαη αιιεινεπηθάιπςε ηνπο πξνθαιεί απώζεηο (Απαγνξεπηηθή Αξρή ηνπ Pauli)

32 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Γπλάκεηο κεηαμύ ηωλ αηόκωλ Ειθηηθέο Απσζηηθέο f E () r A p r f A () r B q r q > p Ο νκνηνπνιηθόο δεζκόο είλαη θαηεπζπλόκελνο Υπνινγίδνληαη αλαιπηηθά ρξεζηκνπνηώληαο Κβαληνκεραληθή

33 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Σπλνιηθή Δύλακε Σεκείν ηζνξξνπίαο Ειθηηθέο δπλάκεηο 0 Απόζηαζε r απσζηηθέο δπλάκεηο Πνηνηηθά ίδηεο κε απηέο ηνπ ηνληηθνύ

34 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Γπλακηθή ελέξγεηα Ειθηηθέο Απσζηηθέο U( r) f ( r) dr ( f ( r) dr f ( r) dr) A r r r E Ur () A 1 B 1 p 1 r q 1 r p 1 q 1

35 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Ελέξγεηα Σπλνιηθή Δπλακηθή ελέξγεηα Σεκείν ηζνξξνπίαο «απσζηηθό» δπλακηθό 0 Απόζηαζε r «Ειθηηθό» δπλακηθό Πνηνηηθά ίδηεο κε απηέο ηνπ ηνληηθνύ

36 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Ζιεθηξαξλεηηθόηεηα θαη ηνληηθόο ραξαθηήξαο Πόηε είλαη έλαο δεζκόο ηνληηθόο θαη πόηε νκνηνπνιηθόο ; Ηνληηθόο ραξαθηήξαο (%) {1 Exp[ 0.25( A B) ]} ηλεκηραρνηηικόηηηα NaCl ~ 71.1% HF ~ 55% κλίμακα Pauling SiO 2 ~ 45% H 2 = 0% Ζιεθηξαξλεηηθόηεηα ζηνλ πεξηνδηθό πίλαθα, User: Adblocker / Wikimedia Commons/ CC-BY-SA-3.0

37 Υεκηθνί δεζκνί Μεηαιιηθόο δεζκόο Όια άηνκα κνηξάδνληαη ηα ειεθηξόληα ζζέλνπο Τα ηξνρηαθά ηνπο αιιειεπηθαιύπηνληαη! Σπκβαίλεη ζε ειεθηξνζεηηθά πιηθά (κέηαιια) Τα ειεθηξνζεηηθά άηνκα έρνπλ ηελ ηάζε λα ράζνπλ ειεθηξόληα αιιά δελ ππάξρνπλ ειεθηξαξλεηηθά άηνκα γηα λα ηα δερηνύλ, έηζη ηα ειεθηξόληα ζζέλνπο θηλνύληαη ειεύζεξα ζηε κάδα ηνπ κεηάιινπ

38 Μεηαιιηθόο δεζκόο θαηηόληα ειεθηξνληθό λέθνο Τα ειεθηξόληα θηλνύληαη ειεύζεξα κέζα ζην κέηαιιν Τν ειεθηξνληθό λέθνο «δέλεη» ηα θαηηόληα κεηαμύ ηνπο κε δπλάκεηο Coulomb Τα κέηαιια απνθηνύλ κνλαδηθέο ηδηόηεηεο: Μεηαιιηθή ιάκςε Καιή ζεξκηθή θαη ειεθηξηθή αγσγηκόηεηα Είλαη ειαηά

39 Μεηαιιηθόο δεζκόο Γπλάκεηο κεηαμύ ηωλ αηόκωλ Ειθηηθέο Δπλάκεηο Coulomb (κεηαμύ θαηηόλησλ θαη ειεθηξνληθνύ λέθνπο) f E () r C s r Απσζηηθέο Όηαλ ηα άηνκα πιεζηάδνπλ ηα ειεθηξνληθά ηνπο λέθε αιιά θαη νη ππξήλεο ηνπο απσζνύληαη. Οη απσζηηθέο δπλάκεηο είλαη πνιύ ηζρπξέο ζε πνιύ κηθξέο απνζηάζεηο f A () r D t r Τα θαηηόληα αζθνύλ απσζηηθέο δπλάκεηο Coulomb

40 Μεηαιιηθόο δεζκόο Σπλνιηθή Δύλακε Σεκείν ηζνξξνπίαο Ειθηηθέο δπλάκεηο 0 Απόζηαζε r απσζηηθέο δπλάκεηο Πνηνηηθά ίδηεο κε απηέο ηνπ ηνληηθνύ

41 Μεηαιιηθόο δεζκόο Γπλακηθή ελέξγεηα Ειθηηθέο Απσζηηθέο U( r) f ( r) dr ( f ( r) dr f ( r) dr) A r r r E Ur () C 1 D 1 s 1 r t 1 r s 1 t 1

42 Μεηαιιηθόο δεζκόο Ελέξγεηα Σπλνιηθή Δπλακηθή ελέξγεηα Σεκείν ηζνξξνπίαο «απσζηηθό» δπλακηθό 0 Απόζηαζε r «Ειθηηθό» δπλακηθό Πνηνηηθά ίδηεο κε απηέο ηνπ ηνληηθνύ

43 Υεκηθνί δεζκνί Γεπηεξεύνληεο δεζκνί: δίπνια Σα άηνκα έιθνληαη εμαηηίαο ηεο δηπνιηθήο ξνπήο Σηηγκηαία δίπνια Μόληκα δίπνια Σε θάζε άηνκν ην ειεθηξνληθό λέθνο ηαιαληώλεηαη θαη παξακνξθώλεηαη κε πεξίνδν 1 fs. Όηαλ ην ειεθηξνληθό λέθνο παξακνξθσζεί παξνδηθά ηα θέληξα ηνπ αξλεηηθνύ θαη ηνπ ζεηηθνύ θνξηίνπ δελ ζπκπίπηνπλ νπόηε ζρεκαηίδεηαη έλα ζηηγκηαίν δίπνιν Mόξηα κε νκνηνπνιηθνύο δεζκνύο Αζύκκεηξε θαηαλνκή πδξνγόλσλ ζην κόξην Ηιεθηξνληθό λέθνο κόληκα κεηαηνπηζκέλν πξνο ην ειεθηξαξλεηηθόηεξν άηνκν

44 Γεπηεξεύνληεο δεζκνί ηηγκηαία δίπνια: Γεζκόο van der Waals Δύν άηνκα Αξγνύ ζε ρακειή ζεξκνθξαζία (<1Κ) Τν Αξγό είλαη επγελέο αέξην (ζηαζεξή ειεθηξνληθή δνκή, αδξαλέο) «ζηηγκηαίν» δίπνιν Δεζκόο van der Waals

45 Γεπηεξεύνληεο δεζκνί Μόληκα δίπνια: Γεζκόο Τδξνγόλνπ H Ζ 2 Ο δηπνιηθή ξνπή δηπνιηθή ξνπή H ΖCl

46 Υεκηθνί δεζκνί Σξεηο θάζεηο ηνπ λεξνύ Αηκόο Νεξό Πάγνο

47 Υεκηθνί δεζκνί Σππηθέο Δλέξγεηεο Γεζκώλ Τύποσ δεςμού Τυπικζσ ενζργειεσ δεςμών (ev/atom) Ιοντικοί Ομοιοπολικοί Μεταλλικοί Υδρογόνου Van der Waals ~( ) ev ~(0.08 ζωσ 0.3) ev

48 Υεκηθνί δεζκνί Melting Temperature (Kelvin) (x10 3 ) Binding Energy (ev) πζρέηηζε ελέξγεηαο δεζκνύ κε ζεξκνθξαζία ηήμεο compilation of data from ChemSpider & Wikipedia