background image

1

Problemy do rozważenia...

•  Jak tworzą się wiązania?

•  Jakiego rodzaju wiązania?

•  Jakie własności wynikają z rodzaju wiązań?

WIĄZANIA MIĘDZYATOMOWE 

I WŁASNOŚCI MATERIAŁÓW

Ciekawy przykład - węgiel: 

Dwie odmiany:

 

grafit

 

i

 

diament

grafit  – miękki, "smarujący"

diament – najtwardszy znany materiał

background image

2

Struktura Atomowa (Chemia)

• atom – 

electrony

 –  9.11 x 10

-31

 kg 

     

protony

 

      

neutrony

• Liczba atomowa 

= liczba protonów w jądrze atomu

           

= liczba elektronów (atom obojętny)

       liczba neutronów może być różna (

izotopy

)

• Masa atomowa

 

A

 = masa 6.023 x 10

23

 atomów

 

 

• Jednostka masy atomowej 

 = jma = u = 1/12 masy 

12

C

         

(A = 12.0000) 

 

 

A = Z + N

 

1 jma/atom = 1g/mol

C    12.011

H    1.008 etc.

}

 1.67 x 10

-27

 kg

background image

3

Model atomu wg Bohra

jądro – protony + 
neutrony

Energie elektronów są skwantowane

Wartości energii (stany) – ściśle określone 
wartości

Dozwolone stany 
energetyczne dla 
wodoru

Bardziej dokładny jest 
model falowy – mechanika 
kwantowa

Elektrony 
walencyj
ne

background image

4

Model falowy

Elektrony wykazują 
zarówno właściwości 
falowe jak i 
czasteczkowe

Położenie pojedynczego 
elektronu jest 
traktowane jako rozkład 
prawdopodobieństwa 
wokół jądra

Zasada Pauliego - w 
atomie nie może być 
więcej niż 2 elektronów 
znajdujących się w tym 
samym stanie 

background image

5

Struktura Elektronowa

• Elektrony mają właściwości falowe i 

korpuskularne + zasada Pauli'ego:  

– Elektrony zajmują ścisle określone stany 

energetyczne zdefiniowane przez 
prawdopodobieństwo 

(orbitale)

.

– Każdy orbital ma dyskretny poziom energii 

określony przez 

liczby kwantowe

.

 
Liczby kwantowe  Oznaczenie 

n = główna (określa powłokę)

KLMNO  (1, 2, 3, etc.)

l = poboczna (podpowłoka)

spdf   (0, 1, 2, 3,…, n

 

-1)

m

l

 = magnetyczna

1, 3, 5, 7 (-l to +l)

m

s

 = spin ½, -½

 

background image

6

Stany Energetyczne 

Elektronów

Elektrony zajmują kolejne orbitale na 

kolejnych powłokach tak aby atom jako 
całość posiadał jak najniższą energię. 

Znając

 

liczbę atomową

 

danego pierwiastka 

można łatwo samemu ustalić jego 
konfigurację elektronową

Reguły:

1.

Najpierw zapełnieniu ulegają orbitale "s", 
potem    "p", potem "d" i na końcu "f". 

2.

Orbitale z wyższych warstw są zapełniane 
dopiero po całkowitym zapełnieniu warstw 
niższych.

3.

Na orbitalach s mogą być tylko 2 
elektrony, na p 6, na d 10 i na f 14

4.

W pierwszej powłoce jest tylko orbital s, w 
drugiej są orbitale s i p, w trzeciej s, p i d i 
w końcu w czwartej i piątej pojawiają się 
jeszcze orbitale f. 

background image

7

Liczba możliwych stanów elektronów w 

poszczególnych powłokach i 

podpowłokach

background image

8

  

 

Większość pierwiastków ma konfigurację elektronową niestabilną

PRZEGLĄD PIERWIASTKÓW

Konfiguracja electronowa

(stabilna)

... 

... 

1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

(stabilna)

... 

1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

3d

10

4s

2

4p

6

(stabilna)

             

Z

 

 

 

18

...

36

Pierwiastek

1s

1

 

1

Wodór

1s

2

2

Hel

1s

2

2s

1

 

3

Lit

1s

2

2s

2

4

Beryl

1s

2

2s

2

2p

1

5

Bor

1s

2

2s

2

2p

2

6

Węgiel

...

1s

2

2s

2

2p

6

(stabilna)

10

Neon

1s

2

2s

2

2p

6

3s

1

11

Sód

1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

 

12

Magnez

1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

1

13

Aluminium

...

Argon

...

Krypton

background image

9

Elektrony

• Elektrony walencyjne

 – 

elektrony w 

najdalszej (zewnętrznej) powłoce, biorą udział 
w tworzeniu wiązań międzyatomowych

• Elektrony walencyjne

 

wpływają 

(poprzez wiązania) na nastepujące własności:

1)Chemiczne
2)Electryczne 
3)Cieplne
4)Optyczne

Powłoka walencyjna

 nie jest zwykle w 

pełni obsadzona elektronami

background image

10

Konfiguracje Elektronowe

np:  Fe,  Z  

=

26

Elektrony 

walencyjne

1s

2s

2p

K  = 1

L  = 2

3s

3p

M  = 3

3d

4s

4p

4d

Energia

N  = 4

1s

2

   2s

2p

6

   3s

2

 3p

6

3d

 

6

  4s

2

background image

11

Układ okresowy pierwiastków

Kolumny:

  Podobna struktura 

walencyjna

Pierwiastki electrododatnie:
chętnie oddają elektrony
i stają się jonami dodatnimi

Pierwiastki electroujemne:
chętnie pobierają elektrony i stają się 
jonami ujemnymi

  

o

d

d

a

je

 1

e

  

o

d

d

a

je

 2

e

  

  

o

d

d

a

je

 3

e

  

 g

a

z

 d

o

s

k

.

  

 p

rz

y

jm

u

je

 1

e

  

p

rz

y

jm

u

je

 2

e

O

Se

Te

Po At

I

Br

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

F

Cl

S

Li

Be

H

Na

Mg

Ba

Cs

Ra

Fr

Ca

K

Sc

Sr

Rb

Y

background image

12

•  Zakres od 

0.7

 do 

4.0

,

Mniejsza elektroujemność

Większa elektroujemność

•  Duże wartości:  tendencja do przyjmowania electroów

Elektroujemność

background image

13

Wiązanie jonowe  –  

metal

    +     

nonmetal

                 dostarcza          

przyjmuje

                 electrony            

elektrony

 

Różne elektroujemności  

Np.: 

Mg

O

Mg

    1s

2

 2s

2

 2p

6

 

3s

2

          

O

    1s

2

 2s

2

 

2p

4

                [Ne] 3s

2

 

Mg

2+

  

1s

2

 2s

2

 2p

6

 

         

  

O

2-

  1s

2

 2s

2

 2p

6

 

 

     [Ne] 

             [Ne] 

background image

14

•  Występuje pomiędzy 

+

 i 

-

 jonami

•  Wymaga 

transferu electronów

•  Wymagana duża różnica w elektroujemności

•  Przykład:  

NaCl

Wiązanie jonowe

Na (metal) 

niestabilny

Cl (niemetal) 

niestabilny

electron 

+  

-  

Przyciąganie 

coulombowskie

 

Na (kation) 

stabilny

Cl (anion) 

stabilny

background image

15

Wiązanie jonowe w NaCl

Siły

Coulomb
a

background image

16

Wiązanie jonowe

Energia – minimum energii, najbardziaj stabilny 

układ

– Równowaga pomiędzy 

przyciąganiem

 a 

odpychaniem

r

A

n

r

B

E

N

 = 

E

A

 

E

R

 = 

Energia odpychania 

E

R

 

Energia wypadkowa, E

N

Energia przyciągania, EA

Odległość międzyatomowa, r

background image

17

Dominujące wiązanie w 

Ceramikach

Przykłady wiązań jonowych

Oddają elektrony

Przyjmują elektrony

NaCl

MgO

CaF

2

CsCl

background image

18

C:  ma 4 el. walencyjne e

-

,

      potrzebuje jeszcze 4

H:  ma 1 el walencyjny e

-

,

      potrzebuje jeszcze 1

Elektroujemności są
porównywalne

Wiązanie kowalencyjne

• podobna 

elektroujemność

  wspólne elektrony

• Wiązania tworzą elektrony z orbitali 

s

 & 

p

 

• Przykład: 

CH

4

Electrony od atomu  

węgla

Elektrony od 

atomów wodoru 

H

H

H

H

C

CH4

Wiązanie kowalencyjne jest 

kierunkowe

background image

19

Wiązanie metaliczne

Wiązanie metaliczne

 – chmura elektronów nie 

związana z żadnym konkretnym jonem

Wiązanie 
metaliczne nie ma 
charakteru 
kierunkowego

background image

20

Wynika z oddziaływania pomiędzy 

dipolami

•  

Dipole trwałe 

- cząsteczki

•  

Dipole fluktuacyjne 

przypadek ogólny:

ciekły HCl

polymer

WIĄZANIA WTÓRNE – Van der 

Waalsa

asymetryczna chmura

 

elektronów

+

-

+

-

wiązanie 

wtórne

H

H

H

H

H2

H2

wiązanie 

wtórne

np:  ciekły 
H

2

H Cl

H Cl

wiązanie 

wtórne

wiązanie 

wtórne

+ -

+

-

Wiązanie w

tórne

background image

21

Wiązanie wodorowe

Wiązanie wodorowe w 
HF

lód

woda

Szczególny przypadek wiązania 
wtórnego, występuje pomiędzy 
cząsteczkami zawierającymi 
wodór

background image

22

•  

Długość wiązania

r

•  

Energia wiązania,

 E

o

•  

Temperatura topnienia

T

m

T

m

 jest większa, gdy E

o

 jest większa

Własności zależne od typu 

wiązania: T

m

r

o

r

Energia

r

większa T

m

mniejsza T

m

E

o

=  

“energia wiązania”

Energia

r

r

Odległość 

background image

23

Energie wiązania i temperatury topnienia 

dla niektórych substancji

background image

24

•  

współczynnik rozszerzalności cieplnej

 mniejsze, gdy E

o

 jest 

mniejsza

Własności zależne od typu 

wiązania: 

 

=  (

2

T

)

L



T

-

1

L

o

 

L

długość, 

Lo

Temp.       T1

Temp.  T2

r

o

r

większe   

mniejsze   

Energia

długość

E

o

E

o

background image

25

Podsumowanie

background image

26

Ceramiki

(jonowe & kowalencyjneg):

Metale

(metaliczne):

Polimery

(kowalencyjne i wtórne):

Duża energia wiązania

wysoka T

m

duża E
mały wsp. 

Zmienna energia wiązania

średnia T

m

średnia E
średni 

   Własności kierunkowe

Wiązania wtórne dominują

  niskal T

m

  mała E
  duży wsp. 

Podsumowanie:  Wiązania 

pierwotne

Wiązanie w

tórne

background image

27

Typ

Jonowe

Kowalencyjne

Metaliczne

Wtórne

Energia

Duża!

Zmienna

Duża-Diament

mała-Bismut

Zmienna

duża-Wolfram

mała-Rtęć

najmniejsza

Uwagi

Bezkierunkowe (

ceramiki

)

Kierunkowe
(półprzewodniki,

ceramiki

łańcuchy polimerowe

)

Bezkierunkowe (

metale

)

Kierunkowe
Między łańcuchami (

polymer

)

Pomiędzy cząsteczkami

Podsumowanie


Document Outline