ELEKTRİK-ELEKTRONİKMÜHENDİSLİĞİİÇİNMALZEMEBİLGİSİ

Prof. Dr. Bülent ÇAKMAK

İÇERİK I. Malzeme bilimine giriş

•  Malzemelerin atom yapısı ve atomlar arası bağlar II. Kristal yapılar

•  Kristal sistemler, kristal düzlem ve yönleri III. Mühendislik malzeme türleri

•  Kompozitler, polimerler, nanomalzemeler IV. Malzemelerin mekaniksel, ısıl, elektriksel ve optik özelikleri. V. İletken, yalıtkan ve yarıiletken malzemeler

•  Tanımlar •  P ve N tipi yarıiletkenler •  P-N eklemi

VI. Elektronik elemanlar •  NTC, PTC, röle, diyot ve transistör

VII. Dirençler üzerindeki gürültü •  Beyaz gürültü, termik gürültü, potansiyel gürültüsü •  Dirençlerde deri olayı

VIII. Baskı devre montaj tekniği ve PCB test tekniklerinin incelenmesi IX. ISİS ile devre modellemesi

KAYNAKLAR

1- “Elektronik Cihazlar ve Devre Teorisi”, Robert BOYLESTAD, Louis NASHELSKY, Onuncu baskıdan çeviri, Palme Yayınevi, 2010.

2- “Elektronik Devre Elemanları ve Elektronik Devreler”, Hüseyin DEMİREL, Birsen Yayınevi, 2012.

3- “ Elektronik Devre Elemanları”, Avni MORGÜL, Papatya Yayıncılık, 2012.

4- Elektrik-Elektronik Rehberi, Sadık KARA, Ufuk Kitapevi, 2004.

5- Microelectronic Devices, Edward S. Yang, McGraw Hill, 1988.

6- Malzeme Bilimi, Prof. Dr. Kaşif ONARAN, Bilim Teknik Yayınevi, 2006

7- Principle of Electronic Materials and Devices, S. O. Kasap

8- www.silisyum.net

•  1 arasınav yapılacak (%30).

•  2 adet ödev verilecek (%10). Ödev teslim tarihi Internet vasıtasıyla bildirilecek.

•  1 adet quiz yapılacak (%15) – Konu: ISİS devre modellemesi

•  Haftalık ders notları ve sınav sonuçlarına web sayfasından ulaşılabilir.

E-posta adresi : bulent.cakmak@erzurum.edu.tr

Malzeme nedir? M a l z e m e l e r , g ü n l ü k y a ş a n t ı m ı z d a kullandığımız hemen hemen her şeyi meydana getiren temel bileşenlerdir. Doğal olarak oluşmuş veya yapay olarak elde edilmiş malzemeler akla gelebilecek her türlü sanayi, örneğin; otomotiv, havacılık, kimya, b i lg isayar, e lek t ron ik , g ıda ü re t im i , biyomedikal sektöründe kullanılmaktadır. Malzemeler dört temel gruba ayrılabilir:

§  Seramikler §  Metaller §  Elektronik ve Fotonik Malzemeler §  Polimerler

Binlerce Yıllık Malzemeler…

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

§  Malzeme Bilimi; Malzemelerin doğasını araştırır. Çeşitli teori ve tanımlarla malzemenin iç yapısının, malzemenin kompozisyon, özellik ve davranışları ile olan ilişkisini belirler. §  Malzeme Mühendisliği; Özgün bir gereksinimi karşılayacak malzemenin geliştirilmesi, hazırlanması, modifiye edilmesi ve uygulanması için temel ve ampirik bilgi birikimini sentezler ve uygular. Tüm mühendislik dallarının ve temel bilim dallarının Malzeme Bilimi ve Mühendisliği ile yakın bir ilişkisi vardır. A.B.D.’de gerçekleştirilen istatistiksel bir bulguya göre diğer tüm mühendislik alanlarında çalışan mühendislerin her 6 saatlik çalışma sürelerinin en az bir saati malzeme ve onun uygulamaları ile ilgili olmaktadır.

Malzeme Özellikleri

MalzemeSeçiminiEtkileyenÖzelliklerEkonomik Fiyat,bulunabilirlik…

Mekanik ÇekmevesıkışNrmamukavemeO,elasOsitemodülü,tokluk,yorulmavesürtünmemukavemeO,…

Isıl Isıliletkenlik,ısılgenleşme,ısıldayanım

OpOk Geçirgenlik

Elektriksel Elektrikseliletkenlik

Yüzey Aşınma(abrazif,korozif)

Teknolojik İşlenebilirlik,kaynaklanabilirlik

EsteOk Tasarımınalbenisininolması

İMALAT İKİ AŞAMADAN OLUŞUR

DİZAYN Ø  Tasarım Ø  Çizim

ÜRETİM Ø  Üretim Usulleri (litografi vb.)

GÜVENLİK EKONOMİKLİK

İmalat ve Malzeme

Mühendislik Malzemeleri

Metaller

Demir Esaslı Malzemeler

Dökme demirler

Lamelli grafitli

Küresel grafitli

Temper

Beynitik

Çelikler

Yapı çeliği

Takım çeliği

………….

Demir olmayan metaller

Hafif metaller

Al, Mg, Ti, Be

Ağır metaller

Cu, Ni, Zn, Pb

Metal olmayan malzemeler

Inorganik malzemeler

Yarı iletkenler

Seramikler

Camlar

Mermerler

Betonlar

Organik malzemeler

Plastikler

Ağaçlar

Deriler

Malzeme çeşitleri nelerdir?

Metal Malzemeler

Lama Çelik Altı köşe çelik Kare Çelik Kare Çelik

Oluklu Çelik

Tamamı çelik Rulman

Dairesel çelik

Bakır

Nikel,çinko,pirinç karışımı metalik paralar

Alüminyum cephe giydirmeleri ve panjurlar

Alüminyum raflar

Seramik Malzemeler

Cam Tuğlalar

Kompozit Malzemeler

Çelik Gövdeli Lastik

Betonarme

Kompozit malzemeler

Plastikler

Organik doğal

malzemeler

Camlar

Metaller Yarı iletkenler

Seramikler

İnorganik doğal

malzemeler

Demir esaslı malzemelerden dökme demirlerin dışında olan çeliklerin 2000 çeşidi olduğu ve bunların da kendi içlerinde çeşitli yönlerden sınıflandırıldığı düşünülürse konunun o kadar basit olmadığı anlaşılabilir.

Elmas Grafit

Celestite

Sülfür Pyrite(Sülfürdioksit)

Malzeme Biliminin Kapsamı

Atom altı seviye: Bağ oluşumu Atomik seviye: Malzeme içerisinde atomların yerleşim düzeni. Örneğin C hem grafit hem de elmas halindedir.

Mikroskobik seviye: Malzeme içerisinde taneler mikroskop ile tespit edilebilir.

Makroskobik seviye: Gözle görülebilecek yapılar.

Angstrom : 1 Å = 10-10 m

Femtometre : 1 fm = 10-15 m

Pikometre : 1 pm = 10-12 m

Nanometre : 1 nm = 10-9 m

Mikrometre : 1 µm = 10-6 m

Milimetre : 1 mm = 10-3 m

Malzemelerin Atom Yapısı

Bütün maddeler kimyasal elementlerden oluşur. Elementler ise atomlardan meydana gelir. Klasik fiziğin atom modelinde bir atom, çekirdekten ve bu çekirdeğin etrafını saran eksi yüklerin sardığı örtü tabakasından oluşur. Çekirdekte pozitif yüklü protonların yanında elektrik yüklü olmayan nötronlarda bulunur.

Proton ve nötronların kütleleri elektronlarınkine göre çok daha büyüktür.. Protonun kütlesi yaklaşık olarak 1.673x10-24 g, nötronun kütlesi 1.675x10-24 g ve elektronun kütlesi 9.11x10-28 g’dır. Bir protonun kütlesi elektronun kütlesinin tam 1836 katıdır. Nötr, yani dışa karşı herhangi bir elektrik yükü görünmeyen atomda elektron sayısı adet olarak proton sayısına eşittir. Çünkü bir elektron yükü, ters işaretli olarak proton yüküne eşittir.

Çekirdek yarıçapı 10-12 cm mertebesinde olup, bu değer 1°A (10-8 cm) mertebesindeki atom çapından çok daha küçüktür. O durumda yükler karşılıklı olarak dengelenmiş olurlar.

Atom modeli

Elementlerin periyodik sistemde sahip oldukları atom numarası Z, proton adedine ve bununla beraber her atomun kendi elektronlarının adedine eşittir. Atomun kütle sayısı A, proton adedi Z ve nötron adedi N ' nin toplamına eşittir.

A = Z + N

Kısaca : Z elektron => elektron örtü tabakası Z proton +N nötron => A atom çekirdeği Atom çekirdeği + Elektron örtü tabakası => ATOM

Örtü tabakalarını oluşturan elektronların adedi, atomun proton adedinden fazla ise negatif yüklü iyon, az ise pozitif yüklü iyon ortaya çıkar. Kimyasal reaksiyonlardaki yük değişimi protonların eksilmesi veya artmasıyla değil, sadece ve sadece dışardan elektron alıp vermesiyle gerçekleşir.

Metre, vakumda ışığın 1/299 792 458 saniyede aldığı mesafedir.

Füzyon: Bir elementin protonlarının bir kısmını yitirmesi, yani çekirdeğinin parçalanması (atom reaktörleri ve atom bombasında olduğu gibi) veya hidrojen bombasında ve güneş merkezindeki çekirdek füzyonunda olduğu gibi bir kısım proton kazanması demek, o elementin başka bir elemente veya elementlere dönüşmesi demektir.

Bu reaksiyonları, fiziksel reaksiyonlar olarak nitelemek gerekir. K imyasa l reaks iyon la r i se e lek t ron a l ışver iş i y le gerçekleşenlerdir.

Saniye, 133Cs izotopunun 9 192 631 770 titreşimi esnasında geçen zamandır. Bir elementin farklı kütle sayısına sahip atomlarına o elementin izotopları denir.

Modern atom modeline göre elektronların yeri kesin olarak bilinemez. Fakat elektronlar orbital adı verilen bölgelerde buluma ihtimalleri yüksektir. Çekirdeğin çevresinde "n“ kuvant sayısıyla ifade edilen enerji düzeyleri bulunur.

25

Modern atom teorisine göre, elektronların yörüngesini, enerjilerini, hareketlerini belirlemek için 4 kuantum sayısı vardır.

Bunlar; n = Ana (baş) kuantum sayısı l = Alt (açısal momentum) kuantum sayısı ml = Manyetik kuantum sayısı ms = Elektron dönüş (spin) kuantum sayısı

Ana kuantum sayısı, n = 1 , 2 , 3, … gibi tam sayılar olabilir, ve hidrojen atomunda n’nin değeri orbital enerjisini belirler. Ana kuantum sayısı, belirli bir orbitaldeki elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığını da gösterir ; “n” ne kadar büyük olursa, orbitalde elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığı o kadar büyük olur ve orbital de o derece büyük ve kararsız olur.

Elektron Düzeni

Bir atomun kimyasal özellikleri, çekirdeği saran örtü tabakasındaki elektronların dizilişi ile etkilenir.

Örtü tabakasının tamamı, farklı enerjili elektronların yer aldığı tabakalar oluşturur. En düşük enerjiye, yarı çapı en küçük olan K tabakasındaki elektronlar sahiptir.

Artan enerjiye göre sıralanan ana elektron tabakaları şunlardır:

K, L, M, N, O, P, Q tabakaları

Anatabakalar K L M N O P Q Anakuantum sayısı (n) 1 2 3 4 5 6 7

Her tabakaya düşen en çok elektron adeti (2n2) 2 8 18 32 50 72 98

Atomların ana elektron tabakaları ve ve bunlarda bulunabilecek en çok elektron sayıları:

N u c l e u s

2 s 2 p

1 s K

L

L s h e l l w i t h t w o s u b s h e l l s

1 s 2 2 s 2 2 p 2

F i g . 1 . 1 : T h e s h e l l m o d e l o f t h e a t o m i n w h i c h t h e e l e c t r o n s a r e c o n f i n e d t o l i v e w i t h i n c e r t a i n s h e l l s a n d i n s u b s h e l l s w i t h i n s h e l l s . F r o m P r i n c i p l e s o f E l e c t r o n i c M a t e r i a l s a n d D e v i c e s , S e c o n d E d i t i o n , S . O . K a s a p ( © M c G r a w - H i l l , 2 0 0 2 ) h t t p : / / M a t e r i a l s . U s a s k . C a

Çekirdek

İki alt kabuklu L kabuğu

Atomun kabuklu modeli. Elektronlar belirli kabuk ve alt kabuklarda bulunmak zorundadırlar.

Proton ve nötronları bir arada çekirdek içinde tutan 10-15 m de etkin olan çekirdek kuvvetleri tarafından tutulmaktadır.

28

Ø  Elektromanyetik teoriye göre, dönen yüklü bir parçacık bir manyetik alan yaratır ve bu hareket de elektronun bir mıknatıs gibi davranmasına neden olur.

Ø  Elektronun dönmesini işin içine katabilmek için dördüncü bir kuantum sayısına ihtiyaç vardır.

Ø  Bir elektronun iki olası dönmesi (saat yönünde ve ters yönünde), elektron dönüş (spin) kuantum sayısı, ms ile gösterilir ve bu sayı +½ veya -½ değerlerini alır.

n  Yatay sütun Periyot : 7 tane periyot vardır n  Düşey Sütun Grup : 8 tane A grubu element vardır.

n  “B” grubu elementlerine geçiş elementleri denir.

Periyodik cetvel elementlerin artan atom numaralarına göre dizilimini gösteren bir tablodur. Bu tabloda belli kimyasal özellikleri birbirine yakın olan elementler, belli gruplarda toplanmıştır.

Periyodik Cetvel

1A 2A 8A 6A 7A 5A 4A 3A B Grubu Elementleri: Geçiş Metalleri

SOY GAZLAR (8A Grubu Elementler)

v  Doğada çok az bulunan bu elementlerin tümü renksizdir. v  Sadece Radon (Rn) radyoaktiftir. v  Grupta He dışındaki tüm elementler kararlı elementlerdir. v  Erime ve kaynama noktaları çok düşüktür. v  İyonlaşma enerjileri en yüksek olan elementlerdir.

ALKALİ METALLER (1A Grubu Elementler)

v  Doğada daha çok bileşikler halinde bulunurlar. v  En yüksek temel enerji düzeylerinde bir elektron (+1) vardır. v  Yumuşak, bıçakla kesilebilen, hafif metallerdir. v  Erime ve kaynama noktaları diğer metallerden düşüktür. v  İyonlaşma enerjileri en düşük olan elementlerdir. v  Elektrik akımını ve ısıyı iyi iletirler.

q  Alkali metaller, havanın oksijeni ile etkileşerek oksit oluştururlar.

2 M(k) +1/2 O2 ( g) M2O(k)

q  Halojenlerle birleşerek tuzları oluştururlar.

2 M(k) + X2 2 MX(k)

q  Su ile hızlı tepkimeye girerler ve hidrojen gazı (H2) oluştururlar.

2 M(k) + 2 H2O(s) 2 MOH (suda) + H2 (g)

ALKALİ METALLER

TOPRAK ALKALİ METALLER (2A Grubu Elementler)

v  Bileşiklerinde +2 değerliklidirler. v  Alkali metallerden daha sert, erime ve kaynama noktaları daha

yüksektir. v  İyonlaşma enerjileri alkali metallerden daha yüksektir. v  Özkütleleri alkali metallerden daha büyüktür. v  Alkali metaller için geçerli olan rekasiyonlar bunlar için de

geçerlidir. v  Isı ve elektrik akımını iyi iletirler.

HALOJENLER (7A Grubu Elementler)

v  Tümü renkli, zehirli ve tehlikelidir ve element halinde 2 atomlu moleküllerden oluşurlar (F2, Cl2, Br2, I2 , At2).

v  Bileşiklerinde -1 ile +7 arasında çeşitli değerlikler alabilirler. Ancak F bileşiklerinde sadece -1 değerlik alır.

v  At (Astatin) doğada bulunmaz, ancak radyoaktif olaylarla oluşur. v  Oda koşullarında F ve Cl gaz; Br sıvı, I ise katı haldedir v  Erime ve kaynama noktaları grupta aşağıdan yukarıya doğru azalır. v  Elektron alma istekleri en fazla olan elementlerdir.

ÜÇÜNCÜ SIRA ELEMENTLERİ

v  Periyodik cetvelin üçüncü sırası Na (Sodyum) metali ile başlar ve Ar (argon) ile biter.

v  Periyodik cetvelin aynı grubundaki elementlerin değerlik elektron sayıları aynı, özellikleri de birbirine benzerdir. Ancak bir sırada bulunan elementlerin fiziksel ve kimyasal özelikleri oldukça farklıdır.

v  Soldan sağa doğru iyonlaşma enerjileri arttığından Na, Mg ve Al metal, Si yarıiletken ve P, S, Cl ve Ar elementleri ise ametaldir.

v  Na, Mg ve Al elektrik akımını ve ısıyı iyi iletir. P, S, Cl ve Ar elementleri ısıyı ve elektriği iletmez.

v  Buraya kadar incelediğimiz gruplarda ve sırada değerlik elektronları s ya da p orbitallerinde bulunuyordu. Yani A gruplarındaydı.

v  Geçiş elementlerindeyse değerlik elektronları d orbitallerinde bulunur ve bu elementler 2A ve 3A grubu arasında yer alır.

v  Periyodik cetvelin 21 atom numaralı Skandiyum (Sc) ile başlayıp 30 atom numaralı Çinko (Zn) ile biten sıradaki elementler ile bunların altında kalan tüm elementler, geçiş elementleri grubuna girer.

DÖRDÜNCÜ SIRA GEÇİŞ ELEMENTLERİ

v  Dördüncü sıra geçiş elementleri: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni , Cu, Zn.

v  Tümü metaldir. v  1A ve 2A grubu metallerinden farklı olup, sert ve

özkütlesi büyük metallerdir. v  Erime ve kaynama noktaları çok yüksektir. v  Elektrik akımı ve ısıyı iyi iletirler.

İyonlaşma Enerjisi

Ø Bir atomdan elektron koparmak için gerekli enerjiye İyonlaşma Enerjisi ( Ei ) denir.

Ø Kopan elektron çekirdek tarafından en zayıf kuvvetle

çekilen yani atom çekirdeğinden en uzakta bulunan elektrondur.

Ø Çekirdekle elektron arasında çekme kuvveti ne kadar fazla ise iyonizasyon enerjisi o kadar artar.

Ø Bir atomda kaç tane elektron bulunuyorsa, o kadar iyonlaşma enerjisi vardır. Bunlardan en küçüğü birinci iyonlaşma enerjisidir. Çünkü ilk kopan elektron yüksüz bir atomdan kopmaktadır.

Ø  İkinci elektron +1 yüklü bir iyondan koptuğu için bir elementin ikinci iyonlaşma enerjisi, birinci iyonlaşma enerjisinden daha büyüktür.

Ø  İyonlaşma enerjisi periyodik cetvelde aşağıdan yukarıya, soldan sağa doğru artar.

İyonlaşma enerjisi artar. (Enerji seviyesi dolayısıyla çekme kuvveti artar)

İyonlaşma enerjisi artar. (Çekme kuvveti artar)

Ø  Metalik özelliği elementlerin iyonlaşma enerjisi ile ilgilidir. İyonlaşma enerjisi düşük olan elementler metalik özelliğe sahip, iyonlaşma enerjisi yüksek olan elementler ise metalik özelliğe sahip değildir.

Ø  Periyodik cetvelde soldan sağa, yukarıdan aşağı gidildikçe metalik özellik azalır. Metalik özellik azalır Metalik özellik azalır

Metalik Özellikler

Elektronegatiflik

Ø  Elektronegatiflik; elektronu çekme kapasitesine denir. Elektron ilgisi arttıkça elektronegatiflik artar. Elektron ilgisi fazla olan elementler daha elektronegatiftir. Bilinen en elektronegatif element flordur (F).

Ø  Elektronegatiflik; periyodik cetvelde soldan sağa, aşağıdan yukarıya doğru artar. Elektronegatiflik artar Elektronegatiflik artar

ATOMVEMOLEKÜLLERARASIBAĞLAR

Atomlar birbirleri ile sürekli etkileşim içerisindedir. Bu etkileşimlerden biri de atomlar arası itme ve çekme olaylarıdır.

Atomlararası Denge Mesafesi

Atomlararası mesafe

Bağ koptuğunda

absorbe edilen enerji

(+Bağ enerjisi)

Bağ oluştuğun da açığa

çıkan enerji (-Bağ enerjisi)

H2 bağ uzunluğu

Pot

ansi

yel e

nerji

(kj/m

ol)

Minimum potansiyel enerji çukuru (0°K’de)

Atomlararası uzaklık Çek

me

İtme

Sonsuz uzaklıkta bulunan atomların birbirlerine karşı çekme ve itme gibi bir etkisi olmadığından potansiyel enerji sıfırdır (Şekildeki 1 durumu). Herhangi bir etki ile bu atomlar birbirlerine yaklaştırılırsa, bu iki atom arasında bir çekme etkisi meydana gelecek ve kinetik enerji artarken potansiyel enerji azalacaktır (2 ve 3 durumu).

Aralarındaki mesafe azaldıkça, bu sefer itme kuvveti oluşacaktır (4 durumu). Öyle bir an gelir ki artık itme ve çekme kuvvetleri birbirlerine eşit yani bileşke kuvvet sıfır olduğunda atomlar denge haline gelir. İşte atomların denge halinde olduğu mesafeye atomlar arası denge mesafesi denir. Atomlar denge haline geldiklerinde aralarında çeşitli bağlar oluştururlar.

Çekme, kimyasal ilginin fiziksel anlamı olup, kinetik enerji ile ilgilidir. İtme ise kısa mesafelerde kendini gösterir ve atomlar arası denge mesafesinin oluşmasını sağlar.

Nötr durumda protonlarla elektronların sayısı eşittir ve net elektriksel yük sıfırdır. Atomlar birbirine elektron vererek veya alarak yüklü duruma geçerler. Bu durumda Coulomb kuvveti (F) doğar.

FdxdW =

0' ==dxdWFdeKOo

DENGE

:0∫=x

FdxW Atomlararası bağ enerjisi

İki veya daha çok atom çekirdeğinin elektronlarına yaptıkları çekme kuvvetlerine “Birincil bağ (iyonik, kovalent veya metalik bağlar)” denir.

Moleküller arasındaki etkileşimden doğan bağa da “İkincil bağlar (van der waals)” denir. Birincil bağların oluşması için atomlar arasındaki itme ve çekme kuvvetlerinin birbirine eşit olması, yani minimum potansiyel enerjinin sağlanması gerekir.

Kimyasal bağ, iki ve daha fazla atomun yeni bir madde oluşturmak için birleşmesidir.

Atomlararası Bağlar

Niçin atomlar bağ yapmak isteler? Atomlar daha kararlı bir hale gelebilmek için ya elektron alırlar, ya verirler ya da ortak kullanılırlar. Yani soy gazlara benzemek isterler.

Elektron nokta diyagramı, Lewis yapılar

Lewis yapılar

Valans elektronları, kimyasal reaksiyonlar süresince kendi atomunu terk edebilecek son kabuktaki elektronlardır.

•  Noktalar Valans elektronlarını gösterir.

•  Atomların ne çeşit bağla bağlanacaklarını valans elektronları belirler. Valans elektron sayısı periyodik cetveldeki konumdan belirlenir.

•  Valans elektronlarını göstermek için Lewis diyagramı kullanılır. Bu diyagramda elementin ismi ve çevresinde en dış enerji seviyesindeki valans elektronlarını gösterir.

Bağ çeşitleri

Ø  Metal-metal olmayan (İyonik bağ) Ø  Metal olmayan-metal olmayan (Kovalent bağ) Ø  Metal-metal (Metalik bağ)

İyonik bağ

ü  Metal ile ametal arasında görülür ve elektron alışveriş esasına dayanır.

ü  Son yörüngesi elektron dengesi bakımından dengesiz, elektron ilgisi düşük (elektropozitif) bir metal ile son yörüngesini elektronla doldurma isteğinde olan yani elektron ilgisi yüksek olan (elektronegatif) bir ametal arasında mevcut elektronların alış verişiyle kararlı bir yapı oluşturulması söz konusudur.

ü  Oluşan iyonik yapıda, elektron veren atom + iyon haline, elektron alan da – iyon haline geçerler. Örnek: NaCl, LiF

Bağ kuvveti, bu iyonlar arasındaki elektrostatik çekmeden doğar.

ü  Katı halde iyon bileşikleri elektriği çok az iletirken, ergimiş halde elektrik akımını iyi iletirler.

ü  İyon bileşiklerinin ergime ve kaynama noktaları çok yüksektir.

ü  İyon bileşikleri düzenli kristal yapıdadırlar.

ü  İyon kristalleri kırılgan yapı sergilerler.

ü  İyon kristalleri saydam olup ışığı kırmazlar.

Katı iyonik bileşik Erimiş iyonik bileşik

Su içerisinde çözünmüş iyonik bileşikler

Dış kuvvet

İtme kuvveti Kristal

kırılır

İyonik Bağın Kırılması

Kovalent bağ

ü  Elektron alışveriş i söz konusu olmayıp atomlar son yörüngelerindeki valans elektronlarını ortaklaşa kullanarak güçlü bağ oluştururlar.

ü  Özellikle N, O, H, F ve Cl gibi ametal atomları arasında görülür. Si, Ge, Sb ve Se gibi yarıiletkenler arasında da kovalent bağ oluşur. 3B-5B ve 3B-7B arasındaki geçiş elementleri arasında da kısmen kovalent bağlı bileşikler oluşabilir.

ü  Bu şekilde bağlanarak bileşikleri oluşturan atomlar arasındaki elektronegativite farkı düşüktür. Bu fark arttıkça iyonik özellik artar.

- + - + Elektromanyetik alan

Dönme (spin)

H2 molekülü ve elektronların spinleri

ü  Kovalent bağ, bağı oluşturan atomların aynı olup olmadıklarına göre Apolar (genelde aynı cins atomlar arasında) ve Polar (farklı cins atomlar arasında) olmak üzere ikiye ayrılır.

ü  Ergime ve buharlaşma sıcaklıkları yüksektir.

ü  Kovalent bağlı bileşikler hem katı hem de sıvı halde elektriği iyi iletmezler.

+ + +

H

H

H

H C

109.5°

F

F F

B

120°

H2

CH4 BF3

Soru: Kovalent bağlı yarıiletkenler (Si, Ge, Sn gibi) elektriği iyi iletir mi, neden?

Çok sayıda atom

ü Kovalent ve iyonik bağ yapma eğilimini belirlemek zordur. Bir çok katı her iki bağı da yapabilirler.

ü Genellikle dış yörüngeleri hemen hemen dolu olan elementlerin bileşikleri iyonik, yarı yarıya dolu olanlar ise kovalent bağ yapma eğilimindedirler.

Metalik bağ ü  Metal atomları arasında görülür.

ü  Kovalent bağ iki atom arasında gerçekleşebilirken, metalik bağ çok sayıda atom arasında (soldaki şekil) gerçekleşir.

ü  Bağlanmada serbest elektronlar pozitif çekirdekler arasında bir elektron bulutu (sağdaki şekil) oluştururlar. Hiçbir elektron, bağı oluşturan herhangi bir metal atomuna ait değildir. Bir atom her yönden eşit kuvvetlerin etkisi altındadır.

Atomlar Elektronlar

e- bulutu

Çok sayıda atom

Saf metallerde elektron alabilecek türden atomlar olmadığı için serbest kalan bu elektronlara elektron bulutu denir.

ü  Metalik bağın oluşması için, valans elektronlarının sayısı 3 ya da daha az olmalı ve elementin iyonlaşma enerjisi düşük olmalıdır.

ü  Atomların valans elektronları ne kadar az ise, bu elektronların

serbest kalma ihtimali o kadar fazladır, dolayısıyla elektriksel ve ısıl iletkenlik artar. Mekaniksel işlenebilirlikleri de daha kolaydır. Valans elektron sayısı arttıkça kovalent bağ yapma ihtimali ve çekirdek yükü artar.

ü  Bu nedenle valans elektron sayısı yüksek olan Fe, Ni, W ve Ti gibi elementlerin atomlarının yaptıkları metalik bağlanmalar sonucunda bu metallerin ergime dereceleri yüksek olmaktadır, yani kısmen kovalent özellik göstererek yönlenmeleri söz konusu olabilmektedir.

Atomların ortalama kafes konumları etrafındaki titreşimleri sonucu fonon (elastik dalga) oluşumunun şematik gösterimi

Dış kuvvet

Deforme olmuş metal

Metal deformasyonunun sebebi

Metalik Deformasyon

Van der Waals bağlar ü  Moleküller arasında oluşan çekme ya da itme kuvvetlerinin

toplamıdır. ü  Elektronik kutuplaşmaya dayanır. ü  Molekül kutuplaşması ile oluşan Van der Waals bağları geçici

kutuplaşma ile oluşan Van der Waals bağlarından güçlüdür. ü  Örnek : H2O (molekül kutuplaşması) , sıvı azot (geçici kutuplaşma)

+ - + -

Dipol oluşumu

Azot atomları sıvılaşma sıcaklığında

H20

Bağların Etkisi

1.  Ergime ve buharlaşma sıcaklığı: Katı halden sıvı hale geçerken kuvvetli, sıvıdan buhara geçerken zayıf bağlar kopar. Bağ enerjisi arttıkça ergime sıcaklığı artar.

2.  Ergime sırasında kuvvetli bağlar kopar. Buharlaşma sırasında ise zayıf bağlar kopar.

3.  Katılarda kuvvetli bağlar, sıvılarda zayıf bağlar egemendir.

4.  Isıl genleşme: Ergime sıcaklığı ile ters orantılı gelişir.

Bağların diğer etkileri olan elektriksel iletkenlik, ısıl iletkenlik, optik özellikler ve kimyasal özellikler aşağıdaki slaytlarda açıklanmaktadır.

1- Elektriksel İletkenlik

valans

2- Isıl İletkenlik

3- Optik Özellikler

4- Kimyasal Özellikler §  Kimyasal olaylar atomlar arası bağ kopması veya bağ oluşumuna

bağlıdır. §  Metallerde valans elektronları serbest halde olduğundan geride

(+) yüklü metal iyonu kalır. §  Metal iyonları çevrenin elektrokimyasal etkilerine karşı duyarlıdır

ve kolayca korozyona uğrar. §  Korozyon, Fe’de olduğu gibi gevrek olduğundan ve kolayca

kabarıp döküldüğünden malzeme tahrip olur. Cu ve Al’de ise korozyon koruyucu tabaka oluşturur yani korozyon ilerlemez.

§  İyonsal ve kovalent bağlı malzemeler dış etkilere karşı dayanıklı olurlar.