ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ. Υλικά Ι. Ενότητα 4: Δεσμοί. Δημήτρης Παπάζογλου Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Υλικά Ι Ενότητα 4: Δεσμοί Δημήτρης Παπάζογλου Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών

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 τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Κρήτης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

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

5 4 Γεζκνί

6 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 Πξωηεύνληεο δεζκνί 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

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

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

9 Δύλακε Σεκείν ηζνξξνπίαο Υεκηθνί δεζκνί 0 Απόζηαζε Άπωζε Έιμε

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

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

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

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

14 Ηνληηθόο Γεζκόο Σα άηνκα αληαιιάζνπλ ειεθηξόληα ζζέλνπο Υεκηθνί δεζκνί 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

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

16 Ζιεθηξαξλεηηθόηεηα (χ) κέηξεζε ηεο ηθαλόηεηαο ελόο αηόκνπ ή κνξίνπ λα έιθεη ειεθηξόληα ζηα πιαίζηα ελόο ρεκηθνύ δεζκνύ Κιίκαθα Pauling Κιίκαθα Mulliken Ηνληηθόο Γεζκόο 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 ( H) 2.2 ( F) ( I A ) 2 z z z Δσναμικό ιονιζμού ηλεκηροζσγγενεια max ( Fr) 0.7 min πζρέηηζε ειεθηξαξλεηηθόηεηαο θαηά Pauling θαη Mulliken, User:Physchim62/ Wikimedia Commons/ CC-BY-SA-3.0

17 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

18 Ζιεθηξαξλεηηθόηεηα θαη κεηαθνξά θνξηίνπ Η ηάζε γηα κεηαθνξά θνξηίνπ απμάλεη κε ηελ αύμεζε ηεο δηαθνξάο ειεθηξαξλεηηθόηεηαο κεηαμύ ησλ δύν αηόκσλ Ηνληηθόο Γεζκόο 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

19 Ζιεθηξαξλεηηθόηεηα θαη κεηαθνξά θνξηίνπ Ηνληηθόο Γεζκόο 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

20 Γπλάκεηο κεηαμύ ηωλ αηόκωλ Ειθηηθέο Δπλάκεηο Coulomb Ηνληηθόο δεζκόο 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

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

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

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

24 Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Σα άηνκα ακνηβαία ζπλεηζθέξνπλ ειεθηξόληα Τα ηξνρηαθά αιιειεπηθαιύπηνληαη! Υεκηθνί δεζκνί 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

25 Τβξηδηζκόο πγρώλεπζε δηαθνξεηηθώλ αιιά παξόκνηαο ελέξγεηαο ηξνρηαθώλ ελόο αηόκνπ ζε ηζνδύλακα θ ηξνρηαθά Οκνηνπνιηθόο δεζκόο 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

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

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

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

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

30 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

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

32 Γπλάκεηο κεηαμύ ηωλ αηόκωλ Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Ειθηηθέο Κβαληνκεραληθή εξκελεία () 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 f E A p r

33 Γπλάκεηο κεηαμύ ηωλ αηόκωλ Οκνηνπνιηθόο δεζκόο Απσζηηθέο Κβαληνκεραληθή εξκελεία B () r 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) f A

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

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

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

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

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

39 Μεηαιιηθόο δεζκόο Όια άηνκα κνηξάδνληαη ηα ειεθηξόληα ζζέλνπο Υεκηθνί δεζκνί 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

40 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

41 Γπλάκεηο κεηαμύ ηωλ αηόκωλ Μεηαιιηθόο δεζκόο Ειθηηθέο Απσζηηθέο Δπλάκεηο Coulomb (κεηαμύ θαηηόλησλ θαη ειεθηξνληθνύ λέθνπο) 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 E f () r A C s r () r D t r Τα θαηηόληα αζθνύλ απσζηηθέο δπλάκεηο Coulomb

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

43 Γπλακηθή ελέξγεηα Μεηαιιηθόο δεζκόο Ειθηηθέο Απσζηηθέο U( r) f ( r) dr ( f ( r) dr f ( r) dr) A r r r E

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

45 Γεπηεξεύνληεο δεζκνί: δίπνια Σα άηνκα έιθνληαη εμαηηίαο ηεο δηπνιηθήο ξνπήο Σηηγκηαία δίπνια Μόληκα δίπνια Υεκηθνί δεζκνί 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

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

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

48 Σξεηο θάζεηο ηνπ λεξνύ Αηκόο Νεξό Υεκηθνί δεζκνί Πάγνο

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

50 Υεκηθνί δεζκνί πζρέηηζε ελέξγεηαο δεζκνύ κε ζεξκνθξαζία ηήμεο compilation of data from ChemSpider & Wikipedia

51 Τέλος Ενότητας