1 / 59

Materjalide aatomstruktuur

Materjalide aatomstruktuur. 2.1 Sissejuhatus 2.2. Aatomi ehitus 2.2.1 Aatomnumbrid. 2.2.2 Aatommassid. 2.3. Aatomite elektronstruktuur. Vesiniku aatom. 2.3.1. Kõrvalepõige kvanmehhaanikasse. Kvantarvud Peakvantarv n Kõrvalkvantarv l. Magnetkvantarv m l . Spinkvantarv m s

tuwa
Download Presentation

Materjalide aatomstruktuur

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Materjalide aatomstruktuur

  2. 2.1 Sissejuhatus 2.2. Aatomi ehitus 2.2.1 Aatomnumbrid. 2.2.2 Aatommassid. 2.3. Aatomite elektronstruktuur. Vesiniku aatom. 2.3.1. Kõrvalepõige kvanmehhaanikasse. Kvantarvud Peakvantarv n Kõrvalkvantarv l. Magnetkvantarv ml. Spinkvantarv ms 2.4. Keerulisemate (multielektroonsete) aatomite elektronstruktuur 2.4.1 Aatomi suurus. 2.4.2 Elektron-konfiguratsioon elementides 2.5. Elektronstruktuur ja reaktsioonivõime

  3. 2.3. Aatomi ehitus

  4. 2.4. Aatomite elektronstruktuur. Vesiniku aatom

  5. 2.5. Elektronüleminekud vesiniku aatomis

  6. 2.5A. Elektronüleminekud vesiniku aatomis

  7. 2.6. Bohri vesiniku aatomi mudel

  8. 2.7. Kõrvalepõige kvantmehhaanikasse. Kvantarvud Peakvantarv n n= 1 - 7 Kõrvalkvantarvl l väärtused on vahemikus 0, 1,2,3,......, n-1 l = 0 1 2 3 l = s p d f Magnetkvantarv ml. ml väärtused on vahemikus - l - + l (ka 0) Spinkvantarv ms ms väärtused on + 1/2 ja -1/2

  9. 2.8. 2.4. Multielektroonsete aatomite elektronstruktuur Maksimaalne elektronide arv, mis võib asuda ühel elektronnivool kvantarvuga n võrdub arvuliselt 2n2. Seega võib I nivool olla 2 elektroni; II nivool - 8 elektroni; III nivool - 18 elektroni, IV nivool - 32 elektroni. Elektron-konfiguratsioon elementides Elektronid täidavad orbitaale järgnevas järjestuses 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6 Fe1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 Sa 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 5s2 4d10 5p6 4f66s2

  10. 2.9. Seaduspära orbitaalide täitumises

  11. 2.10. Spinnide mittepaardumine d-orbitaalil

  12. 2.11. Elektronstruktuur ja reaktsioonivõime Inertgaasid Inertgaaside suure keemilise inertsuse aluseks on s2p6 elektronkonfiguratsioon välimises elektronkihis. Elektropositiivsed ja elektronegatiivsed elemendid. Elektropositiivsed elemendid (metallid) võivad keemilistes reaktsioonides anda ära elektrone ja moodustada positiivseid ioone ehk katioone. Elektronegatiivsed elemendid võivadkeemilistes reaktsioonides juurde võtta elektrone ja moodustada negatiivseid ioone ehk anioone. Elektronegatiivsus Mõiste elektronegatiivsus määratleb ära astme, mil määral tõmbab aatom oma elektronkihtidesselisaelektrone.

  13. 3. Keemiline side materjalides 3.1. Aatom- ja molekulaarsideme erinevad tüübid. Primaarsed ja sekundaarsed aatomsidemed. 3.2. Iooniline side. Jõud ioonide vahel ioonpaaris. Ioonilise sideme energia. Ioonide paiknemine ioonsetes tahketes ainetes. Ioonide geomeetriline paiknemine ioonsetes materjalides. Koordinatsiooni-arv. Elektroneutraalsus ioonsetes materjalides. 3.3. Kovalentne side. Kovalentse sideme moodustumise põhialused. Kovalentne side süsinikus (benseenis, teemantis, grafiidis, fullereenides).

  14. 3.4. Metalliline side. 3.5. Sekundaarsed sidemed. Side mittepolaarsetes ja polaarsetes molekulides. 3.6. Erinevate sidemete kombinatsioonid: Iooniline-kovalentne, metalliline - kovalentne, metalliline - iooniline. 3.7. Kokkuvõte

  15. 2.14. 3.1. Aatom- ja molekulaarsideme tüübid. Keemiline side tekib aatomite vahel siis ja vaid siis kui selle tulemusena väheneb süsteemi kui terviku potensiaalne (vaba) energia. 3.1.1. Primaarsed aatomsidemed Iooniline side Kovalentne side Metalliline side 3.1.2. Sekundaarsed aatom- ja molekulaarsidemed. Püsivad dipoolsidemed Fluktuatiivsed (juhuslikud) dipoolsidemed

  16. 2.153.2. Iooniline side. Iooniline side moodustub tugevalt elektropositiivse ja tugevalt elektronegatiivse elemendi vahel. Ionisatsiooniprotsessis annab elektropositiivne element ära elektronegatiivsemale elemendile elektrone ja moodustuvad positiivselt laetud katioonid ja negatiivselt laetud anioonid. Sideme aluseks on tugevad kulonilised jõud nende erinimeliselt laetud ioonide vahel. Sideme moodustumine viib süsteemi vaba energia vähenemisele.

  17. 2.16. Iooniline side NaCl moodustumisel

  18. 2.17. Ioonilise sideme teke LiF moodustumisel

  19. 2.18. 3.2.1. Jõud ioonide vahel ioonpaaris Fnet = Fattractive + Frespulsive Tõmbejõud Fattractive kui kuloniline jõud on avaldatav kujul

  20. 2.19. Vastupidiselt laetud Ioonide vahelised jõud ioonilise sideme moodustumisel sõltuvana ioonide vahelisest kaugusest

  21. 2.20 3.2.2. Ioonilise sideme energia

  22. 2.21. Aatomite süsteemi energia ioonilise sideme moodustumisel sõltuvana aatomite vahelisest kaugusest

  23. 2.22. Ioonide tasakaalne paigutus CsCl and NaCl kristallides (CsCl, KA = 8 ja NaCl, KA=6)

  24. 2.23. 3.2.3. Ioonide paiknemine ioonsetes materjalides Ioonilise sideme mittesuunatuse tõttu on ioonide paiknemine ioonses tahkes materjalis määratud vaid geomeetria reeglitega ning vajadusega säilitada tahke keha elektroneutraalsus. Ioonide geomeetriline paiknemine ioonsetes materjalides Ioonilise sideme puhul võib kordinatsiooniarvu arvutada kui suurte ioonide, mis mahuvad ümbritsema väiksemat iooni nii, et nad oleksid otseses kontaktisväiksemaga, maksimaalset arvu. Kordinatsiooniarv sõltub seega väiksema ja suurema iooni raadiuste suhtest r/R. Elektroneutraalsus ioonsetes materjalides Ioonsete materjalide struktuuris peavad ioonid olema paigutatud nii, et materjali elektriline neutraalsus säiluks ka lokaalsel tasandil.

  25. 2.24a. Kordinatsiooniarvu leidmine geomeetria reeglitega

  26. 2.24. Koordinatsiooniarv sõltuvana r/R; r/R>0, KA=2; r/R >0.155, KA= 3; r/R > 0.225, KA=4; r/R >0.414, KA=6; r/R >0.732, KA=8; r/R =1,KA=12

  27. 2.25 3.3. Kovalentne side Kovalentse sideme tekke aluseks on valentselektronide (välimiste s ja p elektronide) jagamine kahe naaberaatomi vahel nii, et kumbki sidemest osavõttev aatom saab inertgaasile vastava elektronkonfiguratsiooni. Kovalentne sideon tugevalt suunatud side. 1s1 elektronid elektronpaar kovalentne side H  + H  H : H Vesiniku aatomid vesiniku molekul Sideme tekkimisel on moodustunud molekuli energia väiksem kui algaatomite energiate summa.

  28. 2.26. Kovalentne side vesiniku molekulis

  29. 2.26aKovalentne side vesiniku molekulis

  30. 2.27. Kovalentne side F2, O2 ja N2 molekulides

  31. 2.28. Vaba energia muutus sõltuvana aatomite vahelisest kaugusestkovalentse sideme moodustumisel

  32. 2.28a. Vaba energia muutus kovalentse sideme moodustumisel ja H2 molekuli tekkel

  33. 2.293.3.2. Kovalentne side süsinikuga Süsiniku aatom omab elektronkonfiguratsiooni 1s2 2s2 2p2. Kovalentse sideme moodustumisel toimuval sp3 hübridatsioonil läheb üks 2s orbitaal üle 2p orbitaaliks nii, et moodustuvad 4 võrd-set sp3 hübriidset orbitaali. Vaatamata sellele, et hübridatsioonil on vaja lisaenergiat 2s elektroni üleminekuks 2p olekusse, on hübri-datsioon tervikune süsteemi energiat vähendav protsess, sest see energiakulu on väiksem energiast, mis vabaneb hiljem sp3 sideme moodustumise protsessis. 4 ekvivalentset 4 sp3 orbitaali on suunatud sümmeetriliselt tetraheedri nurkadesse. Orbitaalide vaheline nurk on 109,5°. 3.3.3. Kovalentne side benseenis Elektronid benseeni struktuuris on lokaliseerimata ning moodustunud side on vahepealne üksik ja kaksiksidemele. Lihtsustatud kujul esitatakse seda sidet ringina benseeni rõngas.

  34. 2.30. Kovalentse üksiksideme moodustumisel toimuv sp3 hübridatsioon süsinikus

  35. 2.31. Kovalentne side metaanis

  36. 2.32. Kovalentne side metaani molekulis

  37. 2.33. Lihtsamad kovalentse sidemega süsivesinikud

  38. 2.34. Lihsamad kovalentse mitmiksidemega süsivesinikud

  39. 2.46A “Spageti” tüüpi polümeerstruktuur ja vesinikside

  40. 2.35. Võimalused benseeni struktuuri esitamiseks

  41. 2.363.3.4 Kovalentne side grafiidis ja fullereenides. Süsiniku allotroopsed teisendid on teemant, grafiit, karbüün ja fullereenid. Allotroopiat aluseks on erinevus kristallstruktuurides. Teemanti kristallvõres on süsiniku aatomid paigutunud tetraeedriliselt üksteisest võrdsetel kaugustel. Grafiidi kristallvõres on süsiniku aatomid seotud tasapinnaliselt ja üksikute tasapindade vaheline side on nõrk. Karbüünis on süsiniku aatomid seotud lineaarselt ahelasse: … - CC - CC …. Fullereenide (C60, C70, C83, C90, C94….C96 jt.) struktuuris asuvad süsiniku aatomid mõttelise kera pinnal.Fullereenide täiuslik sümmeetria vastab Euleri seadusele - kõikides fullereenides on 12 viisnurkset kujundit ja kuusnurksete kujundite arv on alati paarisarvuline.

  42. 2.37. Süsiniku allotroopsed teisendid

  43. 2.383.3.5. Kovalentne side teemantis, I Teemanti struktuuris on süsiniku aatomite vahel sp3 tetraheedriline kovalentne side, kus 4 sp3 hübriidset orbitaali on suunatud regulaarse tetraheedri tippudesse. Teemanti ruumiline struktuur moodustab ise aga massiivse molekuli, kus side lähimate aatomite vahel on moodustunud sp3 kovalentse sidemena. Iga süsiniku aatom teemantis omab neli kovalentset sidet 4 endale lähima süsiniku aatomiga. Kovalentsele sidemele on iseloomulikud kordinatsiooni-arvud, mis on väiksemad, kui tuleneb geomeetrilisest kordinatsiooniarvude arvutamise teooriast. Näiteks, teemanti, kus r/R = 1,0 (kõik ühesugused C aatomid), kordinatsiooniarv on 4, mitte aga 12. See on tingitud sp3 hübritatsiooni effektist. Kovalentsele sidemele kui suunatud sidemele on iseloomulikud sideme suund ja nurk üksikute sidemete vahel. Sõltuvalt sidet moodustavate aatomite keemilisest loomusest ja sideme astmest (üksik, kaksik) varieerub nurk kuid jääb läheldaseks 109,5°-le.

  44. 2.39. Kovalentne side teemantis, II

  45. 2.403.4. Metalliline side Metallilise sideme tekke aluseks on elektronpilvede jagamine liituvate aatomite vahel, kuid erinevalt kovalentsest sidemest on metalliline side ilma suunata. Nagu ioonse sideme puhul on metallilise sidemekoordinatsiooniarv määratud geomeetriliste tingimustega. Et metalliline side moodustub tavaliselt läheldaste aatomraadiustega aatomite vahel, siis iseloomustavad seda kõrged kordinatsiooniarvu väärtused (8 – 12). Metalle võib esitada koosnevana positiivsetest ioonidest moodustunud kristallvõrest (mille moodustavad aatomid ilma nende valentselektronideta) ja valentselektronide poolt moodustatud elektronpilvest – elektrongaasist (2.41). Kui metalli aatomid moodustavad omavahel metallilise sideme, siis süsteemi kui terviku energia väheneb.

  46. 2.41. a)Aatomite paigutus Cu kristallis; b) Positiivsetest ioonidest kristallvõre ja valentselektronidest elektronpilv

  47. 2.42. Energia muutus metallilise sideme moodustumisel sõltuvana metalliaatomite vahelisest kaugusest

  48. 2.433.5. Sekundaarsed sidemed Sekundaarne side on suhteliselt nõrk ja tema moodustumise aluseks on koosmõju elektriliste dipoolide vahel. Selliste dipoolide tekke põhjuseks on positiivse ja negatiivse laengu jagunemise ebasümmeetrilisus sidet moodustavates aatomites ja molekulides. Dipoolne side võib tekkida läbi indutseeritud dipoolide, läbi indutseeritud dipooli ja polaarse molekuli ja kui side kahe polaarse molekuli vahel. 3.5.1. Side läbi fluktuaalsete dipoolide Sideon väga nõrk ja on tüüpiline inertgaasidele, mille välimine elektronkiht on täielikult täidetud (2s2 - He; s2p6 - Ne, Ar, Kr, Xe, Rn). Läbi fluktuaalsete dipoolide tekke moodustuval sidemel on suur osa inertgaaside veeldamisel ja tahkestumisel väga madalatel temperatuuridel ja kõrgetel rõhkudel.

  49. 2.43a. a) Elektriline dipool; b) elektriline dipool kovalentselt seotud molekulis

  50. 2.44A. Side läbi juhuslike dipoolide

More Related