Atomaire structuur en bindingen
zondag 19 februari 2023 10:26
Atoomstructuur & interatomaire bindingen
Vinden van intermoleculaire bindingen d.m.v. 3D mapping of Atomic Force Microscopy (AFM)
Scant over oppervlak en neemt Vander Waals krachten op
Meet straal ve atoom
Op atomaire niveau ve vaste stof
Bv: Afzonderlijke goudatomen zichtbaar maken
Goud heeft straal van 0.144 nm
Structuur van een materiaal
Aard van atomen
Samenstelling in n0, e-, p+
Aard van intermoleculaire bindingen
Stapeling en ordening
Kristalstructuur, amorf
Mechanische eigenschappen
Respons op fysische kracht
Sterkte, vervormbaarheid, elasticiteit
Functionele eigenschappen
De rest
Elektrisch, thermisch, optisch, corrosie, magnetisch
Atomic force Microscopy: Naald die Van der Waals kracht meet
Atomaire mapping van vaste stof
Atoomstructuur: fundamentele concepte
Materiaalkunde Pagina 1
,Kracht & Energie tussen 2 atomen
Indien atomen elkaar naderen door aantrekking, gaan uiteindelijk de buitenste elektronschillen van de 2 atomen overlappen >> sterke
afstoting
>> r0 = evenwichtsafstand tussen de 2 atomen waarbij er netto geen aantrekking/afstoting meer is
R0 = 0.3 nm voor de meeste atomen
Energie tussen 2 atomen = Integraal vd aantrekkingskracht F
E0 = bindingsenergie = energie nodig om de 2 atomen uit elkaar te halen
E-r curves zijn verschillend voor elk materiaal
Afhankelijk vh type binding tussen de atomen
Bepaald de verschillende eigenschappen
Hoge E0 : Vaste stoffen met hoog smeltpunt
Laag E0: Gassen
Tussenliggend E0: Vloeistoffen
Materiaalkunde Pagina 2
,Interatomaire bindingen in vaste stoffen
Primaire bindingen
Natuur van de binding is afhankelijke vd elektronenconfiguratie vd deelnemende atomen
Atomen bekomen een stabiele elektronen configuratie door een volledig gevuld buitenste energieniveau na te streven
Ionische Binding
Steeds tussen metallische en niet-metallische elementen
Metallisch element staat e- af en niet-metallisch neemt op
Atomen krijgen elektrische lading door het 'te kort' en 'te veel' aan elektronen t.o.v. de grondtoestand = ionen
Atomen blijven samen door aantrekkingskrachten tussen de tegengestelde ladingen = Coulomb aantrekking
Sterkte van de ionische binding is richtingsonafhankelijk
Dominant in keramische materialen
Hoge bindingsenergie: 600-1500 kJ/mol -> Hoge smelttemperatuur
Typisch hard en bros, elektrisch en thermisch isolerend
Covalente bindingen
In een covalente binding wordt de stabiele e--configuratie bekomen door een e- te delen tussen 2 atomen
Bindingen in niet-metallische elementen en moleculen met verschillende atomen
Ook elementaire stoffen zoals diamant, silicium, germanium en andere elementen rechts vh PSE
Typische binding in polymeren = lange keten van C-atomen covalent gebonden aan elkaar en andere elementen
Sterkte is richtingsafhankelijk
Zijn zeer sterk, zoals in diamant met zeer hoge smelttemp. Of zeer zwak zoals bij bismuth met lage smelttemp.
BV: methaanmolecule
Binding is vaak niet 100% van 1 type
Deel ionisch en deels covalent
Hoe groter het verschil in ENW, hoe ionischer de binding
Hoe dichter de atomen bij elkaar liggen ih PSE hoe covalenter de binding
-> %ionisch karakter = (1 - e(-0.25(a - b)²))*100
Met a & b = ENW van de atomen
Metallische bindingen
Metalen hebben 1 tot max 3 valentie-e-, die niet gebonden zijn aan 1 atoom, maar die als een e--wolk tussen atomen vrij
bewegen
Metalen zijn hierdoor goede elektrische en thermische geleiders t.o.v. ionische of covalente bindingen
Richtingsonafhankelijk
e--wolk omringt ionische kernen zodat ze elkaar niet afstoten
Bindingssterkte kan zowel sterk als zwak zijn
Materiaalkunde Pagina 3
, Secundaire bindingen
Veel zwakker dan primaire bindingen; grootteorde 10kJ/mol
Bestaan tussen alle soorten atomen
Effect ve secundaire binding valt enkel op
Indien er geen primaire bindingen aanwezig zijn (inerte gassen)
Tussen moleculen in covalent gebonden materiaal zoals bij polymeren
Ontstaan ten gevolge van dipolen (permanente of geïnduceerde)
Dipolen ontstaan als er een afstand is tussen + en - delen van een molecule
Coulomb aantrekking tussen dipolen en/of polaire moleculen
Ook wel Van der Waals Krachten
Waterstof bindingen
Sterkste van de secundaire bindingen
Grootte-orde 50 kJ/mol
Ontstaat tussen polaire moleculen waarin waterstof covalent is gebonden met vrije e--paren
HF & H2O hebben dan ook hogere kook- en smelttemp. Dan verwacht van hun gewicht
Moleculen
Sterk covalent gebonden atomen
Tussen moleculen bestaan enkel secundaire bindingen
Moleculen zijn zwak gebonden aan elkaar
Moleculair materiaal heeft meestal een lage smelttemperatuur
Meestal gassen of vloeistoffen
F2, O2, H2O, HNO3
Of Polymeren
Zeer grote moleculen die gebonden zijn via VDW krachten en waterstofbruggen
Bindingen in Polymeren
Intramoleculaire covalente bindingen
Bijzonder sterke bindingen
Intermoleculaire bindingen
Bijzonder zwakke bindingen
Zowel bij natuurlijke als synthetische polymeren
Materiaalkunde Pagina 4
zondag 19 februari 2023 10:26
Atoomstructuur & interatomaire bindingen
Vinden van intermoleculaire bindingen d.m.v. 3D mapping of Atomic Force Microscopy (AFM)
Scant over oppervlak en neemt Vander Waals krachten op
Meet straal ve atoom
Op atomaire niveau ve vaste stof
Bv: Afzonderlijke goudatomen zichtbaar maken
Goud heeft straal van 0.144 nm
Structuur van een materiaal
Aard van atomen
Samenstelling in n0, e-, p+
Aard van intermoleculaire bindingen
Stapeling en ordening
Kristalstructuur, amorf
Mechanische eigenschappen
Respons op fysische kracht
Sterkte, vervormbaarheid, elasticiteit
Functionele eigenschappen
De rest
Elektrisch, thermisch, optisch, corrosie, magnetisch
Atomic force Microscopy: Naald die Van der Waals kracht meet
Atomaire mapping van vaste stof
Atoomstructuur: fundamentele concepte
Materiaalkunde Pagina 1
,Kracht & Energie tussen 2 atomen
Indien atomen elkaar naderen door aantrekking, gaan uiteindelijk de buitenste elektronschillen van de 2 atomen overlappen >> sterke
afstoting
>> r0 = evenwichtsafstand tussen de 2 atomen waarbij er netto geen aantrekking/afstoting meer is
R0 = 0.3 nm voor de meeste atomen
Energie tussen 2 atomen = Integraal vd aantrekkingskracht F
E0 = bindingsenergie = energie nodig om de 2 atomen uit elkaar te halen
E-r curves zijn verschillend voor elk materiaal
Afhankelijk vh type binding tussen de atomen
Bepaald de verschillende eigenschappen
Hoge E0 : Vaste stoffen met hoog smeltpunt
Laag E0: Gassen
Tussenliggend E0: Vloeistoffen
Materiaalkunde Pagina 2
,Interatomaire bindingen in vaste stoffen
Primaire bindingen
Natuur van de binding is afhankelijke vd elektronenconfiguratie vd deelnemende atomen
Atomen bekomen een stabiele elektronen configuratie door een volledig gevuld buitenste energieniveau na te streven
Ionische Binding
Steeds tussen metallische en niet-metallische elementen
Metallisch element staat e- af en niet-metallisch neemt op
Atomen krijgen elektrische lading door het 'te kort' en 'te veel' aan elektronen t.o.v. de grondtoestand = ionen
Atomen blijven samen door aantrekkingskrachten tussen de tegengestelde ladingen = Coulomb aantrekking
Sterkte van de ionische binding is richtingsonafhankelijk
Dominant in keramische materialen
Hoge bindingsenergie: 600-1500 kJ/mol -> Hoge smelttemperatuur
Typisch hard en bros, elektrisch en thermisch isolerend
Covalente bindingen
In een covalente binding wordt de stabiele e--configuratie bekomen door een e- te delen tussen 2 atomen
Bindingen in niet-metallische elementen en moleculen met verschillende atomen
Ook elementaire stoffen zoals diamant, silicium, germanium en andere elementen rechts vh PSE
Typische binding in polymeren = lange keten van C-atomen covalent gebonden aan elkaar en andere elementen
Sterkte is richtingsafhankelijk
Zijn zeer sterk, zoals in diamant met zeer hoge smelttemp. Of zeer zwak zoals bij bismuth met lage smelttemp.
BV: methaanmolecule
Binding is vaak niet 100% van 1 type
Deel ionisch en deels covalent
Hoe groter het verschil in ENW, hoe ionischer de binding
Hoe dichter de atomen bij elkaar liggen ih PSE hoe covalenter de binding
-> %ionisch karakter = (1 - e(-0.25(a - b)²))*100
Met a & b = ENW van de atomen
Metallische bindingen
Metalen hebben 1 tot max 3 valentie-e-, die niet gebonden zijn aan 1 atoom, maar die als een e--wolk tussen atomen vrij
bewegen
Metalen zijn hierdoor goede elektrische en thermische geleiders t.o.v. ionische of covalente bindingen
Richtingsonafhankelijk
e--wolk omringt ionische kernen zodat ze elkaar niet afstoten
Bindingssterkte kan zowel sterk als zwak zijn
Materiaalkunde Pagina 3
, Secundaire bindingen
Veel zwakker dan primaire bindingen; grootteorde 10kJ/mol
Bestaan tussen alle soorten atomen
Effect ve secundaire binding valt enkel op
Indien er geen primaire bindingen aanwezig zijn (inerte gassen)
Tussen moleculen in covalent gebonden materiaal zoals bij polymeren
Ontstaan ten gevolge van dipolen (permanente of geïnduceerde)
Dipolen ontstaan als er een afstand is tussen + en - delen van een molecule
Coulomb aantrekking tussen dipolen en/of polaire moleculen
Ook wel Van der Waals Krachten
Waterstof bindingen
Sterkste van de secundaire bindingen
Grootte-orde 50 kJ/mol
Ontstaat tussen polaire moleculen waarin waterstof covalent is gebonden met vrije e--paren
HF & H2O hebben dan ook hogere kook- en smelttemp. Dan verwacht van hun gewicht
Moleculen
Sterk covalent gebonden atomen
Tussen moleculen bestaan enkel secundaire bindingen
Moleculen zijn zwak gebonden aan elkaar
Moleculair materiaal heeft meestal een lage smelttemperatuur
Meestal gassen of vloeistoffen
F2, O2, H2O, HNO3
Of Polymeren
Zeer grote moleculen die gebonden zijn via VDW krachten en waterstofbruggen
Bindingen in Polymeren
Intramoleculaire covalente bindingen
Bijzonder sterke bindingen
Intermoleculaire bindingen
Bijzonder zwakke bindingen
Zowel bij natuurlijke als synthetische polymeren
Materiaalkunde Pagina 4
