ΥΛΙΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ

ΥΛΙΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ Ι 4 Δεσμοί ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ μεταξύ ατόμων γίνονται με τα ηλεκτρόνια σθένους κατά τέτοιο τρόπο ώστε να ελαττώνεται η συνολική ενέργεια του συστήματος Μηχανικό ανάλογο Η ελάχιστη συνολική ενέργεια επιτυγχάνεται όταν κάθε άτομο έχει οκτώ ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα Πρωτεύοντες δεσμοί Ιοντικός δεσμός Τα άτομα ανταλλάσουν ηλεκτρόνια σθένους Τα άτομα μοιράζονται ηλεκτρόνια σθένους Μεταλλικός δεσμός Τα ηλεκτρόνια σθένους είναι κοινά για όλα τα άτομα 1

Δυνάμεις μεταξύ των ατόμων Κεντρικό πεδίο δυνάμεων R 1 Δύναμη F 1 e 1 e 1 1 F1 Απόσταση Άπωση Έλξη e 1 1 R 1 dr 1 Α Έργο εσωτερικών δυνάμεων Δυναμικό dw d d d F1 = f( R1 e1 = F1 1 + F1 = F1 R1 = dw = d p Β p( B p( = dw B dw f ( R dr εσωτερική ενέργεια 1 1 Δυναμικό p( p( = f( R dr 1 1 = 1 1 p( = ( f( R dr p f( R1 =

Δυναμικό (ev Δυναμικό Συνολική δύναμη Απόσταση (nm Απόσταση Άπωση Έλξη Άπωση Έλξη Ιοντικός Δεσμός Τα άτομα ανταλλάσουν ηλεκτρόνια σθένους Ενέργεια που απαιτείται για το σχηματισμό του: Ενέργεια που χρειάζεται για τη μεταφορά φορτίου Το έργο που χρειάζεται για να υπερνικηθούν οι μικρής εμβέλειας απωστικές δυνάμεις μεταξύ ανιόντος και κατιόντος Το έργο των ελκτικών δυνάμεων μεταξύ ανιόντος και κατιόντος Ιοντικός Δεσμός Δυναμικό Ιονισμού απαιτούμενο έργο για την απόσπαση ηλεκτρονίου από το ηλεκτροθετικό άτομο Ηλεκτροσυγγένεια απαιτούμενη ενέργεια για την πρόσληψη ηλεκτρονίου από το ηλεκτραρνητικό άτομο Ι Ζ Α Ζ Στοιχείο (ev Li 5.39 Na 5.14 K 4.34 Rb 4.18 Cs 3.89 F 3.83 Στοιχείο (ev F - 3.57 Cl - 3.7 B - 3.53 I - 3.6 O - 1.47 S -.7 3

Ηλεκτραρνητικότητα (χ μέτρηση της ικανότητας ενός ατόμου ή μορίου να έλκει ηλεκτρόνια στα πλαίσια ενός χημικού δεσμού Ηλεκτραρνητικότητα (Κλίμακα Pauling Κλίμακα Pauling Κλίμακα Mulliken Ιοντικός Δεσμός υπολόγισε την ενέργεια του δεσμού Α-Β D B που είναι κατά Δ ΑΒ μεγαλύτερη του ½(D Α + D ΒB τελικά: Δ ΑΒ 3.6 (χ Α -χ Β χ ( =. χ ( F = 3.98 max ιονισμού 1 χ z = ( Iz + z ηλεκτροσυγγενεια Ιοντικός Δεσμός χ ( F =.7 min Ηλεκτροθετικά Ηλεκτραρνητικά Ηλεκτραρνητικότητα και μεταφορά φορτίου Ηλεκτραρνητικότητα και μεταφορά φορτίου Ιοντικός Δεσμός Η τάση για μεταφορά φορτίου αυξάνει με την αύξηση της διαφοράς ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ των δύο ατόμων Όταν ένα ηλεκτραρνητικό και ένα ηλεκτροθετικό άτομο πλησιάσουν, μπορούν και τα δύο να αποκτήσουν δομή ευγενών αερίων μεταφέροντας ηλεκτρόνια σθένους από το ηλεκτροθετικό στο ηλεκτραρνητικό άτομο Ιοντικός Δεσμός Μετά τη μεταφορά φορτίου, τα δύο άτομα είναι ηλεκτρικά φορτισμένα: το ηλεκτραρνητικό με αρνητικό φορτίο (ανιόν και το ηλεκτροθετικό με θετικό φορτίο (κατιόν Τα αντίθετα φορτισμένα ιόντα έλκονται με δυνάμεις Coulomb κατιόν + - ανιόν κατιόν ανιόν 4

Δυνάμεις μεταξύ των ατόμων Δυνάμεις Coulomb Συνολική Δύναμη δυνάμεις Ιοντικός δεσμός Όταν τα άτομα πλησιάζουν τα ηλεκτρονικά τους νέφη αλλά και οι πυρήνες του απωθούνται. Οι απωστικές δυνάμεις είναι πολύ ισχυρές σε πολύ μικρές αποστάσεις m ~ 1 Ιοντικός δεσμός απωστικές δυνάμεις Απόσταση Ιοντικός δεσμός Δυναμική ενέργεια U ( = f ( d = ( f ( d + f ( d e n1n 1 K 1 U ( = + 4πε m 1 m 1 Ιοντικός δεσμός Συνολική Δυναμική ενέργεια Ενέργεια «απωστικό» Απόσταση «Ελκτικό» e φορτίο ηλεκτρονίου, n 1, n βαθμός ιονισμού ανιόντος και κατιόντος 5

Υβριδισμός Τα άτομα αμοιβαία συνεισφέρουν ηλεκτρόνια Συγχώνευση διαφορετικών αλλά παρόμοιας ενέργειας τροχιακών ενός ατόμου σε ισοδύναμα φ τροχιακά 1s Τα τροχιακά αλληλεπικαλύπτονται! S 3p x 3p z S 3p y Με αυτό τον τρόπο και τα δύο άτομα έχουν την εξωτερική τους στοιβάδα συμπληρωμένη με 8 ηλεκτρόνια Κανόνες Τροχιακά του ίδιου ατόμου, ίσης περίπου ενέργειας Αριθμός υβριδίων = αριθμός συγχωνευμένων τροχιακών Αναμιγνύονται τροχιακά και όχι ηλεκτρόνια Σε κάθε υβρίδιο μπορούν να συνυπάρξουν μόνο ηλεκτρόνια sp sp sp 3 - Υβρισισμός s s p x p + = p x + + = s + + p z + p y = sp p z = = = 1 O 19 O sp sp 3 Μοριακά τροχιακά Ηνέακυματοσυνάρτησηπροκύπτειαπότογραμμικό συνδυασμό των ατομικών κυμματοσυναρτήσεων Δεσμικό μοριακό τροχιακό (bonding molecula obital ψ = ψ + ψ σ Αντι-δεσμικό μοριακό τροχιακό (antibonding molecula obital B ψ σ = ψ ψ B BMO BMO Ενέργεια BMO BMO Απόσταση 6

- Μοριακά τροχιακά + = p x p x + = σ σ s s = p z p z σ p σ p π z π z - Μοριακά τροχιακά σ σ ( Numbe of electonsin BMO ( Numbe of electonsin BMO Bond Ode = (BO - Μοριακά τροχιακά Για να έχουμε δεσμό θα πρέπει η τάξη του δεσμού (Bond Ode να είναι μεγαλύτερη από μηδέν e ( BO = = e δεν σχηματίζεται σταθερός δεσμός! ( σ p x ( πp = ( π y pz ( πp = ( π y pz ( σ p x ( σ s ( σ s ( σ1s ( σ 1s - Μοριακά τροχιακά 7N: 1s s p 3 1 p x Παράδειγμα μόριο αζώτου N 1 p x p z N p z p y 1 1 p p p y p x x z π σ p y π p x π p z p 1 1 x p z 1 p y π σ p y N p x p z p y 1 1 p y p z p + p σ p + p π p + p π y y py z z pz x x px (6 + + ( + ( BO = = 3 7

Δυνάμεις μεταξύ των ατόμων Δυνάμεις μεταξύ των ατόμων Κβαντομηχανική ερμηνεία f ( = p Τα κοινά ηλεκτρόνια έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να βρεθούν ανάμεσα στους δύο πυρήνες Οι ατομικοί πυρήνες συγκρατούνται σε απόσταση με τις αμοιβαίες ελκτικές δυνάμεις που ασκούν στα κοινά ηλεκτρόνια Κβαντομηχανική ερμηνεία B f ( = q Τα κοινά ηλεκτρόνια σθένους έχουν όλα διαφορετικά σετ κβαντικών αριθμών, αλλά: Τα εσωτερικά ηλεκτρονικά τροχιακά είναι συμπληρωμένα και αλληλοεπικάλυψη τους προκαλεί απώσεις (Απαγορευτική Αρχή του Pauli Δυνάμεις μεταξύ των ατόμων Συνολική Δύναμη δυνάμεις B f ( = f ( = p q Ο ομοιοπολικός δεσμός είναι κατευθυνόμενος q > p απωστικές δυνάμεις Απόσταση Υπολογίζονται αναλυτικά χρησιμοποιώντας Κβαντομηχανική Ποιοτικά ίδιες με αυτές του ιοντικού 8

Δυναμική ενέργεια 1 B 1 U ( = + p 1 q 1 U ( = f ( d = ( f ( d + f ( d p 1 q 1 Συνολική Δυναμική ενέργεια Ενέργεια «απωστικό» Απόσταση «Ελκτικό» Ποιοτικά ίδιες με αυτές του ιοντικού Ηλεκτραρνητικότητα και ιοντικός χαρακτήρας Μεταλλικός δεσμός Πότε είναι ένας δεσμός ιοντικός και πότε ομοιοπολικός ; Όλα άτομα μοιράζονται τα ηλεκτρόνια σθένους Ιοντικός χαρακτήρας (% NaCl ~ 71.1% F ~ 55% SiO ~ 45% = % = 1 {1 xp[.5( χ χb ]} ηλεκτραρνητικότητα κλίμακα Pauling Τα τροχιακά τους αλληλεπικαλύπτονται! Συμβαίνει σε ηλεκτροθετικά υλικά (μέταλλα Τα ηλεκτροθετικά άτομα έχουν την τάση να χάσουν ηλεκτρόνια αλλά δεν υπάρχουν ηλεκτραρνητικά άτομα γιαναταδεχτούν, έτσι τα ηλεκτρόνια σθένους κινούνται ελεύθερα στη μάζα του μετάλλου 9

Μεταλλικός δεσμός κατιόντα ηλεκτρονικό νέφος Τα ηλεκτρόνια κινούνται ελεύθερα μέσα στο μέταλλο Το ηλεκτρονικό νέφος «δένει» τα κατιόντα μεταξύ τους με δυνάμεις Coulomb Τα μέταλλα αποκτούν μοναδικές ιδιότητες: Μεταλλική λάμψη Καλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα Είναι ελατά Μεταλλικός δεσμός Δυνάμεις μεταξύ των ατόμων Δυνάμεις Coulomb (μεταξύ κατιόντων και ηλεκτρονικού νέφους Όταν τα άτομα πλησιάζουν τα ηλεκτρονικά τους νέφη αλλά και οι πυρήνες του απωθούνται. Οι απωστικές δυνάμεις είναι πολύ ισχυρές σε πολύ μικρές αποστάσεις Τα κατιόντα ασκούν απωστικές δυνάμεις Coulomb f f C ( = s D ( = t Μεταλλικός δεσμός Συνολική Δύναμη απωστικές δυνάμεις δυνάμεις Απόσταση Μεταλλικός δεσμός Δυναμική ενέργεια C 1 D 1 U ( = + s 1 t 1 U ( = f ( d = ( f ( d + f ( d s 1 t 1 Ποιοτικά ίδιες με αυτές του ιοντικού 1

Συνολική Δυναμική ενέργεια «απωστικό» Δευτερεύοντες δεσμοί: δίπολα Τα άτομα έλκονται εξαιτίας της διπολικής ροπής Στιγμιαία δίπολα Μόνιμα δίπολα Μεταλλικός δεσμός Ενέργεια Απόσταση «Ελκτικό» Σε κάθε άτομο το ηλεκτρονικό νέφος ταλαντώνεται και παραμορφώνεται με περίοδο 1 fs. Όταν το ηλεκτρονικό νέφος παραμορφωθεί παροδικά τα κέντρα του αρνητικού και του θετικού φορτίου δεν συμπίπτουν οπότε σχηματίζεται ένα στιγμιαίο δίπολο Mόρια με ομοιοπολικούς δεσμούς Ασύμμετρη κατανομή υδρογόνων στο μόριο Ηλεκτρονικό νέφος μόνιμα μετατοπισμένο προς το ηλεκτραρνητικότερο άτομο Ποιοτικά ίδιες με αυτές του ιοντικού Στιγμιαία δίπολα: Δεσμός van de Waals Μόνιμα δίπολα: Δεσμός Υδρογόνου Δευτερεύοντες δεσμοί ΔύοάτομαΑργούσεχαμηλήθερμοκρασία(<1Κ Το Αργό είναι ευγενές αέριο (σταθερή ηλεκτρονική δομή, αδρανές «στιγμιαίο» δίπολο Δευτερεύοντες δεσμοί διπολική ροπή Η Ο διπολική ροπή ΗCl Δεσμός van de Waals 11

Τρεις φάσεις του νερού Τυπικές Ενέργειες Δεσμών Ατμός Νερό Πάγος 1