1c - Hemijske Veze - As

Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 1

Mašinski materijali- Predavanje (AS) -

Hemijske veze


Gradivne čestice materije (atomi, joni, molekuli) održavaju se u odredjenim položajima delovanjem električnih privlačnih i odbojnih sila koje su najjače kad je materija u čvrstom stanju, slabije u tečnom i zanemarljive u gasovitom stanju.


Hemijske veze formiraju se kretanjem elektrona u elektronskim ljuskama koje su najbliže površini atoma. Svaki atom teži da svoju ljusku najbližu površini popuni maksimalnim brojem elektrona koju ona može da primi. Osam je maksimalni broj elektrona koje atomi mogu da drže u svojim ljuskama najbližim površini. Da bi to učinili, atomi ili primaju elektrone od drugih atoma da bi do osam popunili elektrone u svojim ljuskama najbližim površini, ili ako imaju manje elektrona u svojim spoljašnjim ljuskama oni ih daju drugom atomu. Težnja atoma da razmenjuju elektrone čini osnovnu pokretačku silu hemijskih veza koje oni međusobno formiraju. Ta pokretačka sila, to jest, težnja atoma da povećaju broj elektrona u svojim spoljašnjim ljuskama do maksimuma, čini da atom formira tri tipa veze sa drugim atomima.

Hemijske veze


Vrste hemijskih veza

Hemijske veze izmedju atoma i molekula dele se na:

• primarne (jake) i

• sekundarne (slabe).

Jake veze mogu biti:

• kovalentne,

• jonske i

• metalne,

a slabe veze nastaju izmedju molekula koji imaju stalne ili promenljive

dipole.


Kovalentna (atomna) veza nastaje izmedju dva atoma jednog te istog elementa tako što oni odaju valentne elektrone, koji postaju zajednički za oba atoma:

Cl + Cl Cl Cl

Kovalentna veza

Primer: Cl2 molekula. Atomski broj za Cl je Z =17

(1s2 2s2 2p6 3s2 3p5)

N’ = 7, 8 - N’ = 1 → Postoji potreba samo za jednu kovalentnu vezu


Cl Cl

Hlor ne postoji u prirodi kao samostalan atom

Cl ClHlorovi atomi dele elektrone u spoljnoj ljusci

Vezan par

Slobodan par

Kovalentna veza - primer


Cl2


Valentni elektroni prikazani su tačkamaElektron-tačka simbol

– Primer: Na•, •Mg•, …


Izmedju dvaju atoma istog elementa može postojati više zajedničkih parova elektrona; to definiše Hajgensovo pravilo 8-N, gde je N- grupa kojoj element pripada u periodnom sistemu elemenata.

Tako će hlor (grupa 7) imati jednu dvostruku vezu,

kiseonik ili sumpor (grupa 6) dve,

azot ili fosfor (grupa 5) tri, itd.:

Cl Cl , O O , N N


O

O OZajednički jedan par elektrona

Jedna kovalentna veza

Samo 7 elektrona imaNije sastavljeno 8 elektrona!

Treba sastavitidrugi parelektrona

O O OZajednička dva para elektronaDve kovalentne vezeDvostruka veza

Dvostruka veza predstavljena sa dvostrukom linijom

Višestruka (dupla) kovalentna veza


N

N

N

NZajednička tri para elektronaTri kovalentne vezeTrostruka veza

Trostruka veza predstavljena sa trostrukom linijom

Azot

Višestruka (trostruka) kovalentna veza


Primer: Ugljenik. Z (C) = 6 (1s2 2s2 2s2)N’ = 4, 8 - N’ = 4 → potrebno je obezbediti četiri kovalentne veze

Molekul etilena:

Molekul polietilena:etilen mer

Dijamant:(svaki C atom ima četirikovalentne veze sa druga četiri atoma ugljenika)

Kovalentna veza


• Potrebni zajednički elektroni

• Primer: CH4

C: ima 4 valentna e,neostaje još 4

H: ima 1 valentni e,nedostaje još 1

Kovalentna veza


Tetraedarska struktura silikata (Si02), sa kovalentnom vezom između atoma silicijuma i kiseonika


H2

Cl2

Kovalentna veza


• Molekuli sa nemetalnim elementima (npr., F2, Cl2)• Molekule sa metalima i nemetalima (npr., H2O, CH4)

• Čista jedinjenja (npr., SiC, GaAs)

He -

Ne -

Ar -

Kr -

Xe -

Rn -

F 4.0

Cl 3.0

Br 2.8

I 2.5

At 2.2

Li 1.0

Na 0.9

K 0.8

Rb 0.8

Cs 0.7

Fr 0.7

H 2.1

Be 1.5

Mg 1.2

Ca 1.0

Sr 1.0

Ba 0.9

Ra 0.9

Ti 1.5

Cr 1.6

Fe 1.8

Ni 1.8

Zn 1.8

As 2.0

SiC

C(diamond)

H2O

C 2.5

H2

Cl2

F2

Si 1.8

Ga 1.6

GaAs

Ge 1.8

O 2.0

co

lum

n IV

A

Sn 1.8Pb 1.8

Primer: Kovalentna veza

C (dijamant)


Broj kovalentnih veza/Elementi


Jonska vezaAtomi koji se kombinuju ovom vezom razmenjuju elektrone i tako popunjvaju broj elektrona u svojim spoljašnjim ljuskama do broja osam. Atomi koji imaju do četiri elektrona u svojim spoljaštnjim ljuskama daju te elektrone atomu sa kojim će se kombinovati, to jest, sa kojim će se vezati.Atomi koji imaju više od četiri elektrona u svojim spoljašnjim ljuskama primaju elektrone od atoma sa kojim će formirati vezu. Poznati molekuli kuhinjske soli (NaCl) su među supstancama koje su formirane ovom vezom.


• Javlja se između + i - jona.• Zahteva prelazak elektrona• Potrebna je velika razlika u elektronegativnosti.• Primer: NaCl

Proces jonizacije


Na otpušta elektron

Cl prima elektron


Atom Cl dobijajući elektron povećava svoj atomski radijus

Otpuštanjem elektrona iz spoljašnje ljuske smanjije se radijus atoma Na



Jonska veza (animacije)



• Pretežna veza kod keramika

Otpuštanje elektrona Primanje elektrona

He -

Ne -

Ar -

Kr -

Xe -

Rn -

F 4.0

Cl 3.0

Br 2.8

I 2.5

At 2.2

Li 1.0

Na 0.9

K 0.8

Rb 0.8

Cs 0.7

Fr 0.7

H 2.1

Be 1.5

Mg 1.2

Ca 1.0

Sr 1.0

Ba 0.9

Ra 0.9

Ti 1.5

Cr 1.6

Fe 1.8

Ni 1.8

Zn 1.8

As 2.0

CsCl

MgO

CaF2

NaCl

O 3.5

Primer: Jonska veza


Jonska veza


Primer: NaCl

Na ima 11 elektrona,Cl ima 17 electron,

11 Protona Na 1s2 2s2 2p6 3s1

11 Protona Na+ 1s2 2s2 2p6

17 Protona Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

17 Protona Cl- 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

daje e-10 e- levo

dobija e-18 e-


Relativna veličina atoma: Na se smanjuje a Cl raste

Jonska veza je vrlojaka i neusmerena


NaCl - jonska veza


Metalna veza se ostvaruje pomoću slobodnih (valentnih) elektrona koji su slabo vezani za pozitivne jone, te se lako kreću kroz kristal i u obliku elektronskog oblaka zauzimaju veći deo prostora. Slobodni elektroni zajednički su za sve atome (sl. 1.5d), i povezuju ih kao lepak u čvrstu celinu. Poznato je da metalni elementi poseduju mali broj valentnih elektrona (< 2, Al-3, Pb-4) pa ne mogu obrazovati zajedničke elektronske parove, već tzv. elektronski oblak. Stabilnost metala, tj. sistema joni-elektroni, odredjena je električnom privlačnošću izmedju pozitivnih jona i zajedničkih elektrona. Ova interakcija izmedju jonskog skeleta i oblaka elektrona zove se metalna veza.

Metalne veze


U običnim uslovima, kretanje valentnih elektrona je slučajno i ograničeno, a u električnom naponskom polju postaje usmereno. Zahvaljujući tome metali spadaju u električne provodnike prve vrste i velike provodnike toplote.


Kretanje elektronausled različitih potencijala

Kretanje elektronausled različitih temperatura

Elementi (metali) koji imaju metalnu vezu predstavljaju dobre provodnikeElektrične struje i toplote – primer zlata


Metalna veza


Sekundarne veze (međumolekularne veze)

Medjumolekularne veze (sekundarne veze) obrazuju se kod lako isparljivih materija kao što su vosak, voda, led (vodonična veza), kao i kod kristala joda, sumpora, selena, telura i medju lancima polimera (sami atomi lanaca su povezani kovalentno). Sile ove veze, zvane van der Valsove (van der Waals), rezultat su asimetričnog rasporeda naelektrisanja u molekulima ili atomima, odnosno privlačenja dipola.

Posebna vrsta veze izmedju molekula je vodonična veza stvorena izmedju kovalentno povezanih atoma vodonika i usamljenog elektronskog para drugog atoma.


Nastaje kao interakcija između dipola• Promena dipola

• Permanentni dipoli – pobuđeni molekuli

secondary bonding

- opšti slučaj:

- primer: tečni HCl

- primer: polimer

Sekundarne veze

HH HH

H2 H2

sekundarnaveza

Primer: tečni H2asimetrični elektronskioblak

+ - + -sekundarna

veza

+ -

sekundarnaveza

+ -sekundarna

veza

H Cl H Cl


Shematski prikaz međumolekulskih veza kod polivinil hlorida (PVC)

a) veze između pojedinih lanaca su slabe van der Valsove veze koje se ostvaruju preko negativno naelektrisanog hlora i pozitivno naelektrisanog vodonika,

b) pod dejstvom sila dolazi do kidanja van der Valsovih veza i do međusobnog klizanja između lanaca.

Van der Valsove veze


Sekundarne veze - van der Valsove veze

Promena dipola

Veća gustina elektrona

Manja gustina elektrona

van der Wals-ove silesu elektrostatičke


Električno naelektrisanje vode je nula, to jest, voda je neutralna. Ipak, usled veličine

atoma kiseonika i vodonika, kiseonik u molekulu vode ima blago negativno

naelektrisanje, a vodonik blago pozitivno.

Kada više od jednog molekula vode dospe blizu jedan drugom, pozitivna i negativna

naelektrisanja se međusobno privlače i tako formiraju veoma posebnu vezu poznatu

kao "vodonična veza".

Vodonična veza

Vodonična veza je veoma slaba veza i

izuzetno kratkoga veka. Trajanje vodonične

veze iznosi približno milijarditi deo sekunde.

Međutim, čim se veza prekine, druga se

formira. Tako molekuli vode ostaju povezani,

dok istovremeno zadržavaju svoj tečan oblik,

jer su kombinovani slabom vezom.

Privlačenje

Molekulvode

Molekulvode


H2O

Različiti načini prikazivanja molekula vode

Vodonična veza


Vodonična veza

H H O H2O

Molekulvode

Molekulvode

Molekulvode

Privlačenje

H2O


“vodoničnimost”

Vodonična veza između molekula vode


Sekundarne veze

NH3

Vodonična veza


Veza između tipova veza i materijala

Kovalentna

MetalnaSekundarna

Jonska

Metali

PolimeriKeramikei stakla

Primeri hemijskih veza:Metali: MetalnaKeramike: Jonska / KovalentnaPolimeri: Kovalentna i Sekundarna


Materijal Karakter veze Primer

Metali Metalna Železne legure

Keramike Jonska/

kovalentna SiO2

Polimeri Kovalentna i sekundarna Polietilen

Karakter veze različitih inženjerskih materijala


Rastojanje izmeRastojanje između atomađu atoma (r)(r)

Privlačenje

Odbijanje

Ukupna energijaUUoo

rroo00

Ene

rgija

, UE

nerg

ija, U

Ravnoteža

Privlačenje Odbijanje

Zavisnost odbojne i privlačne potencijalne energije u funkciji međuatomskog rastojanja dva izolovana atoma

Potencijalna energija privlačenja zavisi od položaja dva atoma. Kada atomske ljuske dva atoma počnu da se preklapaju nastaje odbijanje atoma. Kada sile odbijanja i privlačenja postanu jednake, centri atoma su tada na ravnotežnom rastojanju r0, a ukupna potencijalna energija ima minimalnu vrednost


UU

rastojanje između jonarastojanje između jona (r)(r)

Privlačna energija

Odbojna energija

Ukupna energijaUUoo

rroo00

Minimalna potencijalna energijaza različite tipove veza


Poređenje energije veze

Tip veze Energija veze (kJ/mol)

Jonska 625-1550

Kovalentna 520 -1250

Metalna 100-800

Sekundarna <40


Energija veze ne zavisi samo od prirode veze već i od temperature topljenja čiste supstance


Tip

Jonska

Kovalentna

Metalna

Sekundarna

Velika!

Promenljivavelika-Dijamantmala-Bizmut

Promenljiva

velika-Volframmala-Merkur

Vrlo mala

Neusmerena (keramike)

Usmerenapoluprovodnici, keramike

polimerni lanci)

Neusmerena (metali)

Usmerenaizmeđu-lanaca (polimeri)

među-molekularna

Energija veze Komentar

ZAKLJUČAK: VEZE


• rastojanje, r

• Energija veze, Eo

F F

r

• Temperatura topljenja, Tm

Tm je veće ako je Eo veće.

Svojstva veze: TM

r

veće Tm

manje Tm

Energija (r)

ro

Eo=

“energija veze”

Energija (r)

ro rravnotežno rastijanje


• Modul elastičnosti, E

E je veće ako je Eo veće.

Svojstva veze: E

ΔLFAo

= ELo

Modul elastičnosti

PoprečnipresekA0

ΔL

dužina, Lo

F

nedeformis.

deformisano

r

veći modul elastičnosti

manji modul elastičnosti

Energija

roravnotežno rastojanje


• Koeficijent termičkog širenja, α

α je veće ako je Eo manje.

= α (T2-T1)ΔLLo

Svojstva veze: α

Koeficijent termičkog širenja

r

manje α

veće α

Energija

ro

ΔL

dužina, Lo

nezagrejano, T1

zagrejano, T2


Keramike(Jonska & kovalentna vaza):

Metali(Metalna veza):

Polimeri(Kovalentna & Sekundarna):

secondary bonding

Usmerena svojstvaSekundarne veze dominantne

malo Tmalo Eveliko α

Veća energija vezeveće Tm

veće Emanje α

Promenljiva energija vezeumereno Tm

umereno Eumereno α

Zaključak


Hvala na pažnji

Documents

1c - Hemijske Veze - As