Struktur Atom

Yuni Kusumastuti

Which of these is true?

1. Atom and molecule mean the same thing.

2. Atoms are made of molecules.

3. Molecules are made of atoms.

Mengapa perlu dipelajari?

Para ahli kimia melakukan observasi di tataran macroscopic dan berusaha untuk mendapatkan sifat-sifat dasar dari benda pada tataran microscopic (i.e. molekul dan atom).

Alasan mengapa bahan-bahan kimia tertentu dapat saling bereaksi adalah konsekuansi langsung dari stuktur atom bahan kimia tersebut.

Sehingga dengan mengetahui struktur mikroskopik dari suatu bahan kita bisa memprediksi sifat-sifat makroskopisnya

1. Atomic Structure

The structure of the atom

ELECTRON negative, mass nearly nothing

PROTON positive, same

mass as neutron (1)

NEUTRON neutral, same

mass as proton (1)

The Ancient Greeks used to believe that everything was made up of very small particles. I

did some experiments in 1808 that proved this and called these particles ATOMS:

Dalton

The Atom

Nucleus Electron

Shell or Orbit

The Atom Hydrogen

Proton Electron

Hydrogen has one proton, one electron and NO neutrons

The Atom Helium

Electron Proton

Neutron

Helium has two electrons, two protons and two neutrons

Mass and atomic number

Particle Relative Mass Relative Charge

Proton 1 1

Neutron 1 0

Electron 0 -1

MASS NUMBER = number of protons + number of neutrons

SYMBOL

PROTON NUMBER = number of protons (obviously)

The Atom Helium

Electron Proton

Neutron

Helium has two electrons, two protons and two neutrons

The Atom Lithium

Protons

Neutrons

Electrons

The Atom Beryllium

Protons

Neutrons

Electrons

Beryllium has four electrons, four protons and five neutrons.

The Atom Boron

Protons

Neutrons

Electrons

Boron has five electrons, five protons and six neutrons.

The Atom Carbon

Protons

Neutrons

Electrons

Carbon has six electrons, six protons and six neutrons.

The Atom Nitrogen

Protons

Neutrons

Electrons

Nitrogen has seven electrons, seven protons and seven neutrons.

The Atom Oxygen

Protons

Neutrons

Electrons

Oxygen has eight electrons, eight protons and eight neutrons.

The Atom Fluorine

Protons

Neutrons

Electrons

Fluorine has nine electrons, nine protons and ten neutrons.

The Atom Neon

Protons

Neutrons

Electrons

Neon has ten electrons, ten protons and ten neutrons.

The Atom Sodium

Protons

Neutrons

Electrons

Sodium has eleven electrons, eleven protons and twelve neutrons.

How many protons, neutrons and electrons?

Mendeleev

Periodic table

The periodic table arranges all the elements in groups according to their properties.

Horizontal rows are called PERIODS

Vertical columns are called GROUPS

H He

Li Be B C N O F Ne

Na M

g Al Si P S Cl Ar

K Ca Fe Ni C

u Zn Br Kr

Ag I Xe

Pt A

u

H

g

The Periodic Table Fact 1: Elements in the same group have the

same number of electrons in the outer shell (this correspond to their group number)

E.g. all group 1 metals have __ electron in their outer shell

These elements have __ electrons in their outer shell

These elements have __ electrons in their outer shells

H He

Li Be B C N O F Ne

Na M

g Al Si P S Cl Ar

K Ca Fe Ni C

u Zn Br Kr

Ag I Xe

Pt A

u

H

g

The Periodic Table Fact 2: As you move down through the periods an

extra electron shell is added:

E.g. Lithium has 3 electron in the configuration 2,1

Potassium has 19 electrons in the configuration __,__,__

Sodium has 11 electrons in the configuration 2,8,1

H He

Li Be B C N O F Ne

Na M

g Al Si P S Cl Ar

K Ca Fe Ni C

u Zn Br Kr

Ag I Xe

Pt A

u

H

g

The Periodic Table Fact 3: Most of the elements are metals:

These elements are metals

This line divides metals from non-metals

These elements are non-metals

H He

Li Be B C N O F Ne

Na M

g Al Si P S Cl Ar

K Ca Fe Ni C

u Zn Br Kr

Ag I Xe

Pt A

u

H

g

The Periodic Table Fact 4: (Most important) All of the elements in the same group have similar PROPERTIES. This

is how I thought of the periodic table in the first place. This is called PERIODICITY.

E.g. consider the group 1 metals. They all:

1) Are soft

2) Can be easily cut with a knife

3) React with water

Group 1 The alkali metals

Li

Na

K

Rb

Cs

Fr

Group 1 The alkali metals

1) These metals all have ___ electron in their outer shell

Some facts

2) Reactivity increases as you go _______ the group. This is because the electrons are further away from the _______ every time a _____ is added, so they are given up more easily. 3) They all react with water to form an alkali (hence their name) and __________, e.g:

Words down, one, shell, hydrogen, nucleus

Potassium + water potassium hydroxide + hydrogen

2K(s) + 2H2O(l) 2KOH(aq) + H2(g)

Group 0 The Noble gases

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

Group 0 The Noble gases Some facts

1) All of the noble gases have a full outer shell, so they are very _____________

2) They all have low melting and boiling points

3) They exist as single atoms rather then diatomic molecules

4) Helium is lighter then air and is used in balloons and airships (as well as for talking in a silly voice)

5) Argon is used in light bulbs (because it is so unreactive) and argon , krypton and neon are used in fancy lights

Group 7 The halogens

F

Cl

Br

I

At

Unsur-unsur yang seperiode memiliki jumlah kulit yang sama.

Akan tetapi, tidaklah berarti mereka memiliki jari-jari atom yang

sama pula. Semakin ke kanan letak unsur, proton dan elektron

yang dimiliki makin banyak, sehingga tarik-menarik inti dengan

elektron makin kuat. Akibatnya, elektron-elektron terluar tertarik

lebih dekat ke arah inti. Jadi, bagi unsur-unsur yang seperiode,

jari-jari atom makin ke kanan makin kecil.

Jari-jari atom adalah jarak dari inti atom sampai kulit

terluar. Bagi unsur-unsur yang segolongan, jari-jari

atom makin ke bawah makin besar sebab jumlah kulit

yang dimiliki atom makin banyak, sehingga kulit terluar

makin jauh dari inti atom.

Energi Ionisasi

Energi ionisasi adalah energi yang diperlukan untuk melepaskan

elektron terluar suatu atom. Energi ionisasi ini dinyatakan dalam

satuan kJ mol1.

Dalam 1 Golongan : makin ke bawah makin kecil karena elektron

terluar makin jauh dari inti (gaya tarik inti makin lemah), sehingga

elektron terluar makin mudah dilepaskan.

Dalam 1 periode : makin ke kanan, gaya tarik inti makin kuat,

sehingga energi ionisasi pada umumnya makin ke kanan makin

besar.

Perkecualian Gol IIA > IIIA, VA > VIA, dan VIIIA ternyata

mempunyai energi ionisasi yang sangat besar konfigurasi elektron stabil

Group 7 The Halogens Some facts

1) Reactivity DECREASES as you go down the group

Decre

asing

reactivity

(This is because the electrons are further away from the nucleus and so any extra electrons arent attracted as much).

2) They exist as diatomic molecules (so that they both have a full outer shell):

Cl Cl

3) Because of this fluorine and chlorine are liquid at room temperature and bromine is a gas

The halogens some reactions 1) Halogen + metal:

Na

+

Cl

-

Na Cl +

2) Halogen + non-metal:

H Cl + Cl H

Halogen + metal ionic salt

Halogen + non-metal covalent molecule

Orbitals and quantum numbers

The Schrdinger model uses three quantum numbers: n, l and ml to describe an orbital:

The principle quantum number 'n' Has values of 1, 2, 3, etc. As n increases the electron density is further away from

the nucleus

The azimuthal (second) quantum number 'l' Has values from 0 to (n-1) 'l' is referred to by a letter ('s'=0, 'p'=1, 'd'=2, 'f'=3) Defines the shape of the orbital

The magnetic (third) quantum number 'ml'

Has values between 'l' and -'l', including 0 Describes the orientation of the orbital in space

Example: If n=2

n

(principle

quantum

number)

l

(azimuthal)

(defines

shape)

Subshell

Designation

ml

(magnetic)

(defines

orientatio

n)

Number of

Orbitals in

Subshell

2 0 2s 0 1

1 2p -1,0,1 3

Example: If n=3

n

(principle

quantum

number)

l

(azimuthal)

(defines

shape)

Subshell

Designation

ml

(magnetic)

(defines

orientatio

n)

Number of

Orbitals in

Subshell

3 0 3s 0 1

1 3p -1,0,1 3

2 3d -2,-1,0,1,2 5

The number and relative energies of all hydrogen electron orbitals through n=3

Representations of Orbitals

Orbitals in many-electron atoms

In a many-electron atom, each electron is simultaneously:

attracted to the protons in the nucleus

repelled by other electrons (like-charge repulsion)

Electron spin and the Pauli exclusion principle

Electrons have another quantum property called electron spin (Uhlenbeck and Goudsmit, 1925) : A new quantum number for the electron called the

electron spin quantum number, or ms ms has a value of +1/2 or -1/2

Electron spin is crucial for understanding the electron structures

of atoms: The Pauli exclusion principle (Wolfgang Pauli, 1925) states

that no two electrons in an atom can have the same set of four quantum numbers (n, l, ml and ms)

Only two electrons at most can occupy the same orbital, and they have opposite values for magnetic spin (ms = +1/2, and -1/2)

Electron Configurations

Orbitals are filled in order of increasing energy, with no more than two electrons per orbital

Example: Lithium (3 e-):

1s22s1

Writing electronic configurations

[He]2s1

Writing electronic configurations

[Ne]3s1

3d orbital

Electron Configurations and the Periodic Table

The Alkali metals

Lithium, Sodium and Potassium have one electron in their outer shell and this is why they are found in group one of the periodic table.

The Nobel gases

The Nobel gases have full outer shells and they are found in group 0 of the periodic table. Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon and Radon.

The Halogens

Fluorine, Chlorine, Bromine and Iodine are the Halogens and they all have seven electrons in their outer shell. This is why they are found in group 7 of the periodic table.

Displacement

Fluorine can displace Chlorine, Bromine and Iodine.

F Cl Br I

Displacement

Chlorine can displace Bromine and Iodine but it cannot displace Fluorine

Cl Br I F

Displacement

Bromine can displace Iodine but it cannot displace Fluorine or Chlorine

Br I F Cl

Displacement

Iodine cannot displace Iodine Fluorine, Chlorine or Bromine

I F Cl Br

Which will displace?

2NaF + Cl2 Yes or No

2NaBr + Cl2 Yes or No

2KI + I2 Yes or No

2LiCl + I2 Yes or No

2NaBr + I2 Yes or No

2NaBr + F2 Yes or No

Cl2 + 2NaBr Yes or No

Group 1

Lithium, sodium and potassium are all in group 1.

They all have one electron in the outer shell.

They are all metals.

They react with group 7 to form metal halides.

Group 7

Fluorine ,Chlorine, Bromine and Iodine.

They all have 7 electrons in their outer shell.

They are all coloured.

They form metal halides with group 1 metals.

Group 8

These are the noble gases.

They have complete electron shells.

The electron shells are full.

They are unreactive.

They are inert.

They do not react.

They include, Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon and Radon

Halogens Name

Fluorine

Colour

Pale

Yellow

State

Gas

M.P.

-220

B.P.

-188

Chlorine Green Gas -101 -34

Bromine Brown Liquid -7 59

Iodine Slate

grey

Solid 114 184

Reactions

Sodium and Chlorine react to form

Sodium Chloride.

Iron and Chlorine react to form

Iron Chloride.

2Na + Cl2 2NaCl.

Fe + Cl2 FeCl2.

Uses of the Halogens

Fluorine is put into water supplies to kill harmful bacteria and to help keep teeth healthy.

Chlorine is used in swimming pools to bacteria in the water.

Bromine is used in pesticides. Silver bromide is used in photography.

Iodine is an antiseptic on cuts and grazes.

MOLEKUL

Definisi paling awal mendefinisikan molekul sebagai partikel terkecil bahan-bahan kimia yang masih mempertahankan komposisi dan sifat-sifat kimiawinya

Definisi ini sering kali tidak dapat diterapkan karena banyak bahan materi seperti bebatuan, garam, dan logam tersusun atas jaringan-jaringan atom dan ion yang terikat secara kimiawi dan tidak tersusun atas molekul-molekul diskret

PENGERTIAN

Molekul partikel terkecil dari suatu senyawa tersusun dari dua atom atau lebih umumnya tersusun dari atom-atom yang

berbeda, tetapi beberapa molekul tersusun dari atom-atom yang sama Molekul yang tersusun dari atom yang sama

dinamakan molekul unsure (unsure diatomic dan poliatomik)

Molekul yang terdiri atas atom yang berbeda disebut molekul senyawa

Contoh unsur diatomik dan poliatomik

Unsur diatomik, Unsur Nitrogen, N2

Unsur poliatomik, Unsur Posporus, P4

Contoh molekul senyawa

Tiap satu molekul air tersusun dari satu atom oksigen dan dua atom hidrogen

Gambar 2 menunjukkan molekul oksigen dan molekul air

Atom-atom dan kompleks yang berhubungan secara non-kovalen (misalnya terikat oleh ikatan hidrogen dan ikatan ion) secara umum tidak dianggap sebagai satu molekul tunggal

RUMUS EMPIRIS DAN RUMUS MOLEKUL

RUMUS EMPIRIS

Rumus empiris atau rumus perbandingan sebuah senyawa menunjukkan nilai perbandingan paling sederhana unsur-unsur penyusun senyawa tersebut - Sebagai contohnya, air (H2O) selalu memiliki nilai

perbandingan atom hidrogen berbanding oksigen 2:1 - Etanol (C2H5OH) pun selalu memiliki nilai

perbandingan antara karbon, hidrogen, dan oksigen 2:6:1

Perlu diperhatikan bahwa rumus empiris hanya memberikan nilai perbandingan atom-atom penyusun suatu molekul dan tidak memberikan nilai jumlah atom yang sebenarnya

RUMUS MOLEKUL

Rumus molekul menggambarkan jumlah atom penyusun molekul secara tepat

Contohnya, asetilena memiliki rumus molekuler C2H2, namun rumus empirisnya adalah (CH)

Dikenal beberapa senyawa dengan rumus empiris CH2O, antara lain : - Formaldehida, HCHO atau (CH2O); Mr = 30 - Asam asetat, CH3 COOH atau (CH2O)2 ; Mr = 60 - Glukosa, C6H12O6 atau (CH2O)6 ; Mr = 180

Secara umum, rumus molekul dari senyawa dengan rumus empiris RE dapat dinyatakan sebagai (RE)n ; adapun harga n bergantung pada massa molekul relatif (Mr) dari senyawa yang bersangkutan

BENTUK/STRUKTUR RUANG MOLEKUL

Bentuk Geometri Molekul

Struktur ruang suatu molekul dapat ditentukan berdasarkan adanya Pasangan Elektron Ikatan (PEI) dan Pasangan Elektron Bebas (PEB) pada kulit terluar atom pusat molekul tersebut

Oleh karena antar elektron tersebut memiliki muatan yang sejenis, maka akan terjadi gaya tolak-menolak

Pasangan elektron tersebut akan cenderung meminimumkan gaya tolak tersebut dengan cara membentuk suatu susunan tertentu (berupaya untuk saling menjauh)

Teori yang dipakai untuk menjelaskan struktur ruang molekul adalah Teori Tolakan Pasangan Elektron Kulit Valensi (VSEPR = Valence Shell Electron Pair Repulsion) yang disempurnakan dengan Teori Domain Elektron

Hibridisasi adalah penyetaraan tingkat energi melalui penggabungan antar orbital senyawa kovalen atau kovalen koordinasi

Bentuk molekul suatu senyawa dipengaruhi oleh bentuk orbital hibridanya

Bentuk dasar molekul (PEB & PEI)

Bentuk dasar molekul (PEB & PEI)

Trigonal planar (PEB+PEI=3)

Tetrahedral

(PEB+PEI=4)

Bipiramida trigonal

(PEB+PEI=5)

Oktahedral

(PEB+PEI=6)

dengan : A = atom pusat

I = pasangan elektron ikatan B = pasangan elektron bebas

n = jumlah PEI m = jumlah PEB

A In Bm

Bentuk molekul linier

Dalam bentuk ini, atom-atom tertata pada 1 garis lurus. Sudut ikatannya adalah 1800

Bentuk molekul segitiga datar / planar

Atom-atom dalam molekul, berbentuk segitiga yang tertata dalam bidang datar, 3 atom berada pada titik sudut segitiga sama sisi dan terdapat atom di pusat segitiga. Sudut ikatan antar atom yang mengelilingi atom pusat sebesar 1200

Bentuk molekul tetrahedron

Atom-atom berada dalam suatu ruang piramida segitiga dengan ke-4 bidang permukaan segitiga sama sisi. Sudut ikatannya 109,50

Bentuk molekul trigonal bipiramida

Atom pusat terdapat pada bidang sekutu dari 2 buah limas segitiga yang saling berhimpit, sedangkan ke-5 atom yang mengelilinginya akan berada pada sudut-sudut limas segitiga yang dibentuk. Sudut ikatan masing-masing atom pada bidang segitiga = 1200 sedangkan sudut bidang datar dengan 2 ikatan yang vertikal = 900

Bentuk molekul oktahedron

Adalah suatu bentuk yang terjadi dari 2 buah limas alas segiempat, dengan bidang alasnya berhimpit, sehingga membentuk 8 bidang segitiga. Atom pusatnya terletak pada pusat bidang segiempat dari 2 limas yang berhimpit. Sudut ikatannya = 900

Jumlah PEB Rumus Umum Bentuk Molekul Contoh

2 0 AI2B0 Linear BeCl2 ; HgCl2

1 AI2B1 Planar bentuk V SO2 ; O3

2 AI2B2 Bengkok H2O

3 AI2B3 Linear XeF2

3 0 AI3B0 Trigonal planar BF3

1 AI3B1 Piramida trigonal NH3

2 AI3B2 Planar bentuk T ClF3 ; BrF3

4 0 AI4B0 Tetrahedral CH4

1 AI4B1 Tetrahedron

terdistorsi SF4

2 AI4B2 Segiempat planar XeF4

5 0 AI5B0 Bipiramida trigonal PCl5

1 AI5B1 Piramida segiempat BrF5 ; IF5

6 0 AI6B0 Oktahedral SF6

Teori Domain Elektron

Adalah suatu cara untuk meramalkan bentuk molekul berdasarkan gaya tolak-menolak elektron pada kulit luar atom pusat

Teori ini merupakan penyempurnaan dari teori VSEPR. Domain elektron berarti kedudukan elektron atau daerah keberadaan elektron.

Jumlah domain elektron ditentukan sebagai berikut :

Setiap PEI ( baik itu ikatan tunggal, rangkap 2 maupun rangkap 3 ) berarti 1 domain.

Setiap PEB berarti 1 domain.

Setiap PEI ( baik itu ikatan tunggal, rangkap 2 maupun rangkap 3 ) berarti 1 domain

Prinsip dasar TDE

Antar domain elektron pada kulit luar atom pusat, saling tolak-menolak sehingga domain elektron akan mengatur diri sedemikian rupa sehingga gaya tolaknya menjadi minimum.

Urutan kekuatan gaya tolaknya : PEB PEB > PEB PEI > PEI PEI

Perbedaan gaya tolak ini terjadi karena PEB hanya terikat pada 1 atom saja, sehingga bergerak lebih leluasa dan menempati ruang lebih besar daripada PEI.

Akibat dari perbedaan gaya tolak ini, maka sudut ikatan akan mengecil karena desakan dari PEB.

Domain yang terdiri dari 2 atau 3 pasang elektron ( ikatan rangkap 2 atau 3 ) akan mempunyai gaya tolak yang lebih besar daripada domain yang hanya terdiri dari sepasang elektron.

Bentuk molekul hanya ditentukan oleh PEI.

Senyawa biner berikatan tunggal

Dirumuskan :

EV = jumlah elektron valensi atom pusat

B = jumlah PEB

I = jumlah PEI ( jumlah atom yang terikat pada atom pusat )

2] IEV[

B

Dengan demikian, tipe molekul dapat ditentukan dengan urutan sebagai berikut :

-Tentukan jumlah EV atom pusat.

- Tentukan jumlah domain elektron ikatan atau PEI ( I ).

- Tentukan jumlah domain elektron bebas atau PEB ( B ).

Senyawa Biner Berikatan Rangkap

Dirumuskan :

EV = jumlah elektron valensi atom pusat

B = jumlah PEB

I = jumlah elektron yang digunakan atom pusat

2] 'IEV[

B

POCl3 Jumlah EV atom pusat (P ) = 5

Jumlah PEI ( I ) = 4; tetapi jumlah elektron yang digunakan atom pusat = 3 x 1 ( untuk Cl ) + 1 x 2 ( untuk O ) = 5

Jumlah PEB ( B ) = 0

Tipe molekulnya = A I4 ( Tetrahedral ).

Teori domain elektron dapat digunakan untuk

meramalkan bentuk molekul, tetapi teori ini tidak dapat

digunakan untuk mengetahui penyebab suatu molekul

dapat berbentuk seperti itu.

Dengan teori domain elektron meramalkan molekul

metana (CH4) berbentuk tetrahedron dengan 4 ikatan C-

H yang ekuivalen ,

MENGAPA???

Dengan konfigurasi

elektron seperti itu, atom C

hanya dapat membentuk 2

ikatan kovalen (ingat,

hanya elektron tunggal

yang dapat dipasangkan

untuk membentuk ikatan

kovalen). Oleh karena

ternyata C membentuk 4

ikatan kovalen, dapat

dianggap bahwa 1 elektron

dari orbital 2s dipromosikan

ke orbital 2p, sehingga C

mempunyai 4 elektron

tunggal sebagai berikut.

Saat atom karbon membentuk ikatan

kovalen dengan H membentuk CH4, orbital

2s dan ketiga orbital 2p mengalami

hibridisasi membentuk 4 orbital yang

setingkat.

Orbital hibridanya ditandai dengan sp3

untuk menyatakan asalnya, yaitu satu

orbital s dan 3 orbital p. 6C: 1s2 2s1 2p3

mengalami hibridisasi menjadi 6C : 1s2

(2sp3)4

Teori Hibridisasi (Teori Ikatan Valensi)

Hibridisasi adalah peristiwa pembentukan orbital hibrida ( orbital gabungan ) yang dilakukan oleh suatu atom pusat.

Orbital hibrida adalah beberapa orbital ( dalam suatu atom ) yang tingkat energinya berbeda bergabung membentuk orbital baru dengan tingkat energi yang sama guna membentuk ikatan kovalen.

2. Crystal Structure (Metals and Ceramics)

Grafit Intan

ISSUES TO ADDRESS...

How do atoms assemble into solid structures?

How does the density of a material depend on its structure?

When do material properties vary with the sample (i.e., part) orientation?

1

How do the structures of ceramic materials differ from those of metals?

2

Non dense, random packing

Dense, regular packing

Dense, regular-packed structures tend to have

lower energy.

ENERGY AND PACKING

3

tend to be densely packed.

have several reasons for dense packing:

-Typically, only one element is present, so all atomic

radii are the same.

-Metallic bonding is not directional.

-Nearest neighbor distances tend to be small in

order to lower bond energy.

have the simplest crystal structures.

We will look at three such structures...

METALLIC CRYSTALS

4

Rare due to poor packing (only Po has this structure) Close-packed directions are cube edges.

Coordination # = 6 (# nearest neighbors)

(Courtesy P.M. Anderson)

SIMPLE CUBIC STRUCTURE (SC)

5

APF for a simple cubic structure = 0.52

Adapted from Fig. 3.19,

Callister 6e.

ATOMIC PACKING FACTOR

Coordination # = 8

8

Adapted from Fig. 3.2,

Callister 6e.

(Courtesy P.M. Anderson)

Close packed directions are cube diagonals. --Note: All atoms are identical; the center atom is shaded

differently only for ease of viewing.

BODY CENTERED CUBIC STRUCTURE (BCC)

aR

9

APF for a body-centered cubic structure = 0.68

Unit cell c ontains:

1 + 8 x 1/8

= 2 atoms/unit cell

Adapted from

Fig. 3.2,

Callister 6e.

ATOMIC PACKING FACTOR: BCC

6

Coordination # = 12

Adapted from Fig. 3.1(a),

Callister 6e.

(Courtesy P.M. Anderson)

Close packed directions are face diagonals. --Note: All atoms are identical; the face-centered atoms are shaded

differently only for ease of viewing.

FACE CENTERED CUBIC STRUCTURE (FCC)

Unit cell c ontains:

6 x 1/2 + 8 x 1/8

= 4 atoms/unit cella

7

APF for a body-centered cubic structure = 0.74

Adapted from

Fig. 3.1(a),

Callister 6e.

ATOMIC PACKING FACTOR: FCC

20

ABCABC... Stacking Sequence 2D Projection

A sites

B sites

C sites

B B

B

BB

B BC C

CA

A

FCC Unit Cell

FCC STACKING SEQUENCE

10

Coordination # = 12

ABAB... Stacking Sequence

APF = 0.74

3D Projection 2D Projection

A sites

B sites

A sites

Adapted from Fig. 3.3,

Callister 6e.

HEXAGONAL CLOSE-PACKED STRUCTURE (HCP)

11

Example: Copper Data from Table inside front cover of Callister (see next slide):

crystal structure = FCC: 4 atoms/unit cell atomic weight = 63.55 g/mol (1 amu = 1 g/mol) atomic radius R = 0.128 nm (1 nm = 10 cm) -7

Compare to actual: Cu = 8.94 g/cm3

Result: theoretical Cu = 8.89 g/cm3

THEORETICAL DENSITY,

12

Element

Aluminum

Argon

Barium

Beryllium

Boron

Bromine

Cadmium

Calcium

Carbon

Cesium

Chlorine

Chromium

Cobalt

Copper

Flourine

Gallium

Germanium

Gold

Helium

Hydrogen

Symbol

Al

Ar

Ba

Be

B

Br

Cd

Ca

C

Cs

Cl

Cr

Co

Cu

F

Ga

Ge

Au

He

H

At. Weight

(amu)

26.98

39.95

137.33

9.012

10.81

79.90

112.41

40.08

12.011

132.91

35.45

52.00

58.93

63.55

19.00

69.72

72.59

196.97

4.003

1.008

Atomic radius

(nm)

0.143

------

0.217

0.114

------

------

0.149

0.197

0.071

0.265

------

0.125

0.125

0.128

------

0.122

0.122

0.144

------

------

Density

(g/cm 3)

2.71

------

3.5

1.85

2.34

------

8.65

1.55

2.25

1.87

------

7.19

8.9

8.94

------

5.90

5.32

19.32

------

------

Adapted from

Table, "Charac-

teristics of

Selected

Elements",

inside front

cover,

Callister 6e.

Characteristics of Selected Elements at 20C

metals ceramic s polymer s

13

Why? Metals have... close-packing (metallic bonding)

large atomic mass

Ceramics have... less dense packing (covalent bonding)

often lighter elements

Polymers have... poor packing (often amorphous)

lighter elements (C,H,O)

Composites have... intermediate values Data from Table B1, Callister 6e.

DENSITIES OF MATERIAL CLASSES

14

Bonding: --Mostly ionic, some covalent.

--% ionic character increases with difference in

electronegativity.

Adapted from Fig. 2.7, Callister 6e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical

Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by

Cornell University.

Large vs small ionic bond character:

CERAMIC BONDING

25

Incoming X-rays diffract from crystal planes.

Measurement of: Critical angles, qc, for X-rays provide

atomic spacing, d.

Adapted from Fig. 3.2W,

Callister 6e.

X-RAYS TO CONFIRM CRYSTAL STRUCTURE

atoms pack in periodic, 3D arrays typical of:

26

Crystalline materials...

-metals

-many ceramics

-some polymers

atoms have no periodic packing occurs for:

Noncrystalline materials...

-complex structures

-rapid cooling

crystalline SiO2

noncrystalline SiO2 "Amorphous" = Noncrystalline Adapted from Fig. 3.18(b),

Callister 6e.

Adapted from Fig. 3.18(a),

Callister 6e.

MATERIALS AND PACKING

28

Quartz is crystalline SiO2:

Basic Unit:

Si0 4 tetrahedron4-

Si4+

O2-

Glass is amorphous Amorphous structure occurs by adding impurities

(Na+,Mg2+,Ca2+, Al3+)

Impurities: interfere with formation of

crystalline structure.

(soda glass)

Adapted from Fig. 12.11,

Callister, 6e.

GLASS STRUCTURE

Atoms may assemble into crystalline or amorphous structures.

We can predict the density of a material, provided we know the atomic weight, atomic

radius, and crystal geometry (e.g., FCC,

BCC, HCP).

Material properties generally vary with single crystal orientation (i.e., they are anisotropic),

but properties are generally non-directional

(i.e., they are isotropic) in polycrystals with

randomly oriented grains.

27

SUMMARY