Muddiest  Point  1  -­‐  Bonding  

Topics  covered  in  this  screencast  are:      

•  Metallic  Bonding  •  Ionic  Bonding  •  Covalent  Bonding  •  Van  der  Waals  Bonding  •  Van  der  Waals  Bonding  in  Polymers  •  Bond  Strength  and  a  Material’s  ProperAes  

 

Metal  ions  are  surrounded  by  delocalized  electrons,    or  a  “sea  of  electrons”  (electron-­‐glue).    

Metallic  bonds    are  moderately  strong  Bonding  energies  (E0):  range:                850  kJ/mol  (8.8  eV/atom)  for  W.                406  kJ/mol  (4.1  eV/atom)  for  Fe.                324  kJ/mol  (3.3  eV/atom)  for  Al  MelAng  temperatures  (Tmelt~E0):    

 3410  C  for  W.    1493  C  for  Fe        660  C  for  Al  

 Stronger  bonds  lead  to  higher  melAng  temperature:                  atomic  scale  bonding  ⇒  macroscale  property.  

Primary  Bonding  -­‐  Metallic  Bonding  

2

Student  MisconcepAon  –  Sea  of  electrons  surrounding  protons  

Metallic  bonding  –  strong  aXracAve  force  in  metals  due  to  “sea”  of    delocalized  electrons  that  bind  together  metal  caAon  cores  in  a  solid    

3

•    Occurs  between  metal  (+)  and  nonmetal  (-­‐)  ions.  

•    Mechanism  is  by  electron  transfer.  

•    Large  difference  in  electronegaAvity  (ΔeV  >  1.7ev).  

•    Example:    NaCl  (Na  =  0.9  eV;  Cl  =  3.0  eV;  Δev  =  2.1  eV)    

Primary Bonding - Ionic Bonding

Na  (metal)    unstable  

Cl  (nonmetal)    unstable  

electron    

+   -  Coulombic    AXracAon    

Na  (caAon)    stable  

Cl  (anion)    stable  

Ionic  bonding  –  strong  aXracAve  coulombic  force  between  adjacent    caAons  and  anions  due  to  transfer  of  electrons  between  atoms  

Primary Bonding - 0-D, 1-D, 3-D Covalently Bonded Materials

1-­‐D  Covalent  Bonding  -­‐  Polymer  -­‐Polyethylene  [CH2]n  

3-­‐D  Covalent  Bonding  -­‐    Ceramic  Diamond  

0-­‐D  Covalent  Bonding  –  Fluorine  Gas  

4

Van  der  Waals  Bonding  

1-­‐D  Covalent  Bonded  Chain  

1-­‐D  Covalent  Bonded  Chain  

Covalent  bonding  –  strong  aXracAve  force  produced  by    sharing  of  electrons  between  neighboring  atoms  

Secondary Bonding – Van der Waals Bonding

secondary    bonding  

+   -­‐   +   -­‐  

Van  der  Waals  Bonding  –  weak  aXracAve  force  between  molecules    from  weak  columbic  aXracAon  due  to  temporary  or  permanent  dipoles.    

Dipole:  A  separaAon  of  posiAve  and  negaAve  charges.  Caused  by  unbalanced  electron  clouds.      

2  types  of  Dipoles:  Temporary  (fluctuaAng)  and  Permanent  

Temporary  Dipole:  Generally  Random  and  fluctuaAng    

Permanent  Dipole:  From  electronegaAvity  difference  Van  der  Waals  bonding  is  responsible  for  the  unique  proper7es  of  

polymers!  

Van  der  Waals  Bonding  in  Polymers  

1D  Covalently  Bonded  Chain  

1D  Covalently  Bonded  Chain  

VAN  DER  WAALS  BONDS  

Polymer  :  A  material  made  up  of  1D  covalently  bonded  molecules  with  Van  der  Waals  bonding  between  the  chains  

Van  der  Waals  bonds  are  what  determines  a  polymer’s  mel7ng  temperature,  elas7c  modulus,  and  coefficient  of  thermal  expansion  because  they  are  what  holds  

the  material  together.    

Order  of  Strength:  Van  der  Waals  <<<  Metallic  <  Covalent  <Ionic  

Property   Polymer-­‐  HDPE  

Metal-­‐  Copper  

Ceramic-­‐  Quartz  (SiO2)  

E  (GPa)   ~1   110   310  

Tm    (°C)    

~130   1084     1405      

Coefficient  of  Thermal  Expansion  (10-­‐6  m/m-­‐K)  

 

~180   17   0.33    

How  Does  Bond  Strength  Affect  a  Material’s  ProperAes?  

Polymer  –  1D  covalently  bonded  chains  with  Van  der  Waals  bonds  between  the  chains,  holding  the  polymer  together  

Metal  –  Metallic  bonding  (posiAvely  charged  metal  cores  in  a  sea  of  delocalized  electrons)    

Ceramic  –  3D  Covalent  or  Ionic  bonding.  Both  bond  types  are  very  strong  and  result  in  a  crystal  structure.  

Higher  bond  strength  =  Higher  E  and  Tm  but  lower  coefficient  of  thermal  expansion  

Lower  bond  strength  =  Lower  E  and  Tm  but  higher  coefficient  of  thermal  expansion  

Polymers  (VDW)  <<<  Metals  <  Ceramics  

AddiAonal  Videos  

•  Khanacademy  –  Van  der  Waals  Bonding  

•  �kosasihiskandarsjah  –  Ionic  and  Covalent  Bonding  Anima7on    

•  bozemanbiology  -­‐    Chemical  Bonds  

•  weiner7000  –  Metallic  Bonding  and  Metallic    Proper7es