Moleküllerarası Kuvvetler
Katı Türleri
Tanecikler Arasındaki Moleküller Arası (intermoleküler) Kuvvet(ler)
1. Metallik Kristaller (Metaller)
Örnekler: Na, Cu, Fe, Mn
Metalik Bağ: Değerlik elektronları metalik bağa sebep olan hareketli elektronlar denizini oluştururlar.
2. İyonik Kristaller (İyonik Katılar)
Örnekler: NaCl, MgCl2, MgO
İyonik Bağ: Farklı yüklü iyonların birbirini çekmesi. Örgü enerjisi iyonik bağ kuvvetinin bir ölçeğidir.
3. Kovalent Kristaller (Katı Örgüsü)
Örnekler (küçük molekül sınıfına!): C(elmas), SiC(k), SiO2 (kuarz)
Kovalent bağ örgüsü. Ağ katıları sonsuz(!) 3-boyutlu kovalent bağ örgüsünden dolayı çok yüksek erime ve kaynama noktasına sahip bileşiklerdir.
4. Moleküler Kristaller
Örnekler:
Aşağıdakilerden bir yada birkaçı:
(a) Hidrojenin O, N yada F’ye bağlanması gerekir: H2O, HF, NH3.
(a) Hidrojen bağı: Hidrojen bağları kovalent bağlardan daha zayıftırlar, ama aşağıdaki (b) yada © den daha kuvvetlidirler.
(b) C6H6 (benzen), polietilen, I2, F2, ve (a) daki bileşiklerin tümü.
(b) London (Dağılım) Kuvvetleri (anlık dipol – anlık dipol kuvvetleri): anlık dipoller arasındaki evrensel çekim kuvvetleri. Bu kuvvetler düşük molekül ağırlığına sahip moleküller için zayıf, fakat yüksek molekül ağırlıklı, uzun ve kolayca polarlaşabilen moleküllerde çok kuvvetlidir. Bu kuvvetler genellikle aşağıdaki © ye göre daha baskındır.
© CHF3, CH3COCH3 (aseton) ve H2O, HF, NH3.
© Dipol-dipol kuvvetleri: bu kuvvetler polar moleküller arasında görülür. Hidrojen bağlarına göre çok daha zayıftırlar.
Not: Van der Waals Kuvvetleri yukarıdaki (b) ve © kategorilerinin her ikisini de içeren bir kategoridir.
5. Atomik Kristaller
Örnekler: He, Ne, Ar, Kr, Xe
London Kuvvetleri: Yukarıda bölüm 4(b)’ye bakınız.
*Not: Örneklerde verilen bileşiklerin çoğu oda sıcaklığında katı halde bulunmazlar. Ancak bunları yeterince düşük sıcaklığa soğutursanız, nihayetinde katı hale geçeceklerdir.
Katılar ve Sıvılar
SIVILAR ve KATILAR
Gazlarla ilgili çalışmalar, gaz halindeki moleküllerin birbirlerinden uzak olmaları nedeniyle, yakın çarpışmalar hariç, aralarındaki moleküler etkileşimlerinin göz önüne alınmamasından dolayı basitleşmiştir. Bu yaklaşım bize gazların ideal gaz denklemiyle tanımlanması ve gaz davranışlarının kinetik kuram ile açıklanmasını sağlamıştır. Ama biz moleküller arası kuvvetleri inceleyerek, kimi katı ve sıvıların, niçin bu özelliklere sahip olduğunu anlayabiliriz. Sıvı ve katı haller için hiç bir denklem türetmeyeceğiz. Katılarla ilgili çalışmalar bunların atom ve molekülleri yakın olduğundan ve geometrik düzende yerleştiğinden komşu moleküller ile kuvvetli olarak etkileştiklerinden yine basitleştirilmiştir. Ancak sıvılarla ilgili basitleştirme faktörleri azdır; sıvılarda moleküller arası etkileşimler oldukça kuvvetli olup bunlar belirli bir hacim kaplarlar. Bu özelliklerinden dolayı katılara fazla gazlara daha az benzedikleri söylenirken kolaylıkla akmaları ve bulundukları kabın şeklini almaları özelliklerinden dolayı da gazlara benzemektedirler. Bu yüzden sıvı hali, gaz ve katı hal arasında kabul etmek mantıklıdır.
Sıvılar
Sıvılar, yoğunlaşmış gazlar ya da düzensiz katılar olarak düşünülebilirler. Sıvı hal, tanecikler arasındaki çekme ve bu parçacıkların kinetik enerjilerine bağlıdır. Çekim kuvvetleri, sıvıyı belirli bir hacimde tutar ve kinetik enerjide parçaların hareketliliğini sağlar. Dolayısıyla bu hareket sıvıya akışkanlık sağlar. Sıvılar ve gazlar akışkanlık, kohezyon ve bulundukları kabın şeklini alma özelliğini paylaşırlar. Sıvıların çoğunluğu oda sıcaklığında moleküler haldedir.
Bir damla sıvı bir yüzey boyunca film halinde yayılırsa, bu sıvının yüzeyi ıslattığı söylenir. Bir sıvı damlasının bir yüzeyi ıslatması ya da yüzey üzerinde küresel biçimde kalması, iki zıt kuvvetin büyüklüklerine bağlıdır. Bunlar kohezyon ve adezyon kuvvetleri dır. Benzer moleküller arasındaki kuvvetlere kohezyon kuvvetleri farklı moleküller arasındaki kuvvetlere ise adezyon kuvvetleri denir. Kohezyon kuvvetleri baskınsa damla biçimini korur. Adezyon kuvvetleri sayesinde de yüzey ıslanır. Suyun temizlik aracı olarak kullanılmasının nedeni de budur. Deterjan katılarak ise hem yağ temizler hem de yüzey gerilimi düşürülür. Yüzey geriliminin düşmesi, damlanın film halinde yayılması için gereken enerjinin azalması demektir. Suyun yüzey gerilimini düşürerek kolayca yayılmasını sağlayan maddelere ıslatma maddeleri denir.
Viskozite: sıvıların akmaya karşı gösterdiği dirençtir. Ayrıca sıvıların buhar basınçları da vardır.
Sıvıların Buharlaşması: Belli bir sıcaklıkta moleküllerin hızları ve dolayısıyla kinetik enerjileri birbirine eşit değildir ve biz ortalama değerleri kullanırız. Kimi moleküller, moleküller arası çekim kuvvetlerini yüksek kinetik enerjilere sahiptirler ve bunlar sıvıdan kurtulabilirler. Moleküllerin bu şekilde sıvı yüzeyinden gaz yada buhar haline geçmesine buharlaşma denir. Bir sıvının buharlaşma eğilimi, sıcaklık arttıkça artar ve moleküller arttıkça azalır. Belirli bir miktar sıvıyı sabit sıcaklıkta buharlaştırmak için verilmesi gereken ısı miktarına buharlaşma entalpisi denir.
Buharlaşma endotermik bir olay olduğundan, Hbuhar her zaman pozitiftir. Bir gaz yada buharın sıvıya dönüşmesine yoğunlaşma denir. Yoğunlaşma, buharlaşmanın tersidir. Ekzotermik bir olaydır.
Sıvı ile dinamik denge halinde bulunan buharın yaptığı basınca buhar basıncı denir. Buhar basıncı yüksek sıvılara uçucu, buhar basıncı yüksek sıvılara da uçucu olmayan sıvılar denir. Bir sıvının uçucu olup olmamasını moleküller arası kuvvetlerin büyüklüğü belirler. Bu kuvvetler azaldıkça uçuculuk artar. Buhar basıncının sıcaklıkla değişimini gösteren grafiğe buhar basıncı eğrisi denir. Buhar basıncı sıcaklıkla artar. Sıvılar kaynama noktasına sahiptirler.
Bazı sıvılar arsında hidrojen bağları oluşur. Bu bağ gaz fazında oluşmaz. Su buharında, mesafe fazla olduğu için çekim gücü azalır. Sıvı ve katı halindeki hidrojen bağı su moleküllerini bir arada tutar. Bu nedenle su diğer sıvıların aksine donduğunda hacmi artar. Su sıcaklığı 0oC dan +4 oC a çıktığında hidrojen bağı kırılır ve moleküller arası uzaklık azalır. +4 oC nin üstünde kinetik enerji artar moleküller saçılır ve viskozite düşer. Su molekülünde paylaşılmamış elektron çifti zayıf protonlar tarafından çekilir.
Hidrojen bağları; elektronegatif bir atoma bağlı hidrojen atomu, komşu molekülün elektronegatifliği daha küçük bir atom tarafından da eş zamanlı olarak çekildiği zaman oluşan, moleküller arası kuvvetlerden daha kuvvetli bir bağdır. Hidrojen bağı oluşumunda, H atomunun kovalent olarak bağlandığı yüksek elektronegatiflikteki atom, bağ elektronlarını kendine doğru çekerek, hidrojen çekirdeğini (proton) çıplak bırakır. Elektronsuz kalan bu proton komşu moleküldeki elektronegatif atomun ortaklanmamış bir elektron çiftini çeker. Hidrojen bağı yalnızca H atomuyla oluşabilir., çünkü tüm öteki atomların iç kabuk elektronları atom çekirdeklerini perdeler. Bu nedenle hidrojen bağı yalnızca bazı hidrojen bileşiklerine aittir. Hidrojen atomu aynı molekül içindeki iki ametal atomu arasında da köprü oluşturabilir buna, molekül içi hidrojen bağı denir. Hidrojen bağı da ziyade, hidrojen içeren N, O ve F bileşiklerinde oluşursa da hidrojen, komşu moleküllerin Cl ve S atomlarıyla da çok zayıf hidrojen bağları yapabilir.
Katılar
Katılar sıkıştırılamayan, sabit hacimli ve belirgin şekillere sahip olan maddelerdir.
Katı Çeşitleri;
· Moleküler Katılar : Düzgün şekilli moleküler katılardır. Erime noktaları düşüktür. Elektronegatiflikleri çok farklı olmayan elementlerden oluşur.
· Kovalent Katılar : Kovalent bağlardan oluşan büyük moleküllü bileşiklerdir. Erime noktaları yüksektir. Grafit, elmas….
· Polimerler : Molekül ağırlıkları yüksek, amorf maddelerdir. Erime noktaları yüksektir.
İyonik Katılar : İyonlardan meydana gelen iyonik katılardır. Erime noktaları yüksektir.
( sodyum klorür, bakır klorür gibi..)
Metallik Katılar : Metaller, kristal yapı ve metal bağ denen bağlarla bağlanmışlardır. Metallik bağda, atomun değerlik elektronlarının boş bulunan orbitallerde gezinmesine izin verilir. Bu da metallik katılara çok iyi ısı ve elektrik iletkenliği sağlar.
Oda sıcaklığında sıvı olan 3 metal vardır. Civa, sezyum, galyum, diğerleri katıdır.
Kristallerin sıcaklık kapasiteleri, C aynen gazlarda olduğu gibi, 1 mol maddenin sıcaklığını bir derece artırmak için gereken enerji miktarıyla tanımlanabilir.
Kristaller katmanlar halinde atomlardan meydana gelmiş düzgün katılardır. Aynı zamanda kristal yapı içindeki bağımsız atomlar en yakın komşuları ile koordine halindedirler. Eğer bu katman lar üzerine ışık gönderilirse, her katmandan bir yansıma olacaktır. Yansıyan ışığın aldığı yol, yansıtılan katmanın sırasına bağlı olarak değişkenlik gösterir. Uygun ortam koşullarında alınan yol miktarları arasındaki fark yarım dalga boyu kadar olacaktır. Bunun için dalga boyu 1oA olan ışık kullanılmadır ki bu da X ışınıdır.
Katıların Bazı Özellikleri. : Erime ve donma noktasına sahiptirler. Kristal bir katı ısıtıldıkça katının yapısındaki atomlar, iyonlar yada moleküller daha şiddetli titreşirler. Sonunda bu titreşimlerin kristal yapısını bozacağı bir sıcaklığa ulaşılır; atomlar, iyonlar yada moleküller birbirinin üzerinden kayar; katı belli biçimini kaybeder ve sıvıya dönüşür. Bu olaya erime ve erimenin oluştuğu sıcaklığı da erime noktası denir. erimenin tersine, bir sıvının katıya dönüşmesine donma, donmanın olduğu sıcaklığı da donma noktası denir. bir katının erime noktası ile donma noktası aynıdır. Bir katının erimesi için gereken ısı miktarına erime entalpisi denir.
Moleküller arası kuvvetlerin daha büyük olduğu katılar, sıvılar ölçüsünde olmasa da buhar oluşturabilirler. Moleküllerin katı halden doğrudan buhar haline geçmesine süblümleşme denir. süblümleşmenin tersine, molekülün buhar halden katı hale geçmesine kırağılaşma denir.
Katı, sıvı ve gazların (buhar) tek faz yada biribiriyle dengede birden çok fazda bulunduğu basınç ve sıcaklıkların grafikle gösterimine faz diyagramı denir. diyagramda çizgiler arasındaki alanlar tek fazlara; alanları ayıran çizgiler ise bu alanların temsil ettiği fazların denge konumuna karşılık gelir.
