Alaşımların yapısı: Ara bileşikler

Ara bileşiklere geçmeden önce, kimyasal bileşikler hakkında kısa bir bilgi vererek başlayalım.

Kimyasal bileşikler, farklı elementlerin belli bir oranda bir araya gelerek birbirleriyle bağ kurmaları sonucunda oluşuyor. Elementlerin hangi oranda bir araya geldiklerini bileşiklerin kimyasal formüllerini yazarken belirtiyoruz. Örneğin bir bileşik sahip olduğu her iki A atomuna karşılık bir B atomu içeriyorsa, bu bileşiğin formülünü A2B şeklinde yazıyoruz. Kimyasal bileşikler, kendinlerini oluşturan elementlerden oldukça farkı özellikler sergileyebiliyorlar. Oda sıcaklığında gaz fazında bulunan hidrojen (H2) ve oksijenin (O2), aynı sıcaklıkta sıvı fazda bulunan suyu (H2O) meydana getirmelerini, bu duruma bir örnek olarak gösterebiliriz.

Bu başlık altında üzerinde duracağımız ara bileşikleri, sadece katı fazdaki malzemelerde gözlemliyoruz. Aynı kimyasal bileşiklerde olduğu gibi ara bileşikler de, elementlerin belli bir oranda bir araya gelmesiyle oluşuyor. Bu nedenle, bir sonraki sayfada bahsedeceğimiz katı çözeltilerden farklı olarak ara bileşikler, çok dar bir kompozisyon aralığına sahip oluyor. Ara bileşikler üç farklı şekilde karşımıza çıkıyor. Şimdi kısaca bu ara bileşik türlerinden bahsedelim.

İntermetalik bileşikler

İntermetalik bileşikler farklı elektronegatifliğe sahip, yani en dış yörüngesinde farklı sayıda elektron bulunduran elementler arasında oluşuyor. Bu bileşikler kovalent ya da iyonik gibi kuvvetli bağlarla oluştukları için, metalik özellikler sergilemiyorlar. Hatırlarsanız, atomlar arası bağlar konu başlığında, metalik bağ kurulduğunda elektronların malzeme içinde serbestçe hareket edebilmeleri nedeniyle kovalent ve iyonik bağa kıyasla daha zayıf bir etkileşim ortaya çıksa da, metallerin bu nedenle kolay şekil değiştirebildiklerinden bahsetmiştik. Kovalent ya da iyonik bağa sahip bu bileşikler, kolay şekil değiştiremedikleri için oldukça kırılgan bir doğaya sahip oluyorlar. İntermetalik bileşiklere örnek olarak Ni3Sn4, Cu2Se ve Mg2Sn bileşiklerini gösterebiliriz.

Arayer bileşikleri

Arayer bileşikleri, büyük ağır metal atomlarının (Fe, Ti, Ta, W gibi) küçük ametal atomlara (C, O, H ve N gibi) bağlanmasıyla oluşuyor. Arayer tabirinden de tahmin edebileceğiniz gibi, bu bileşiklerin kristal yapılarına baktığımızda, küçük ametal atomlarının büyük metal atomları arasındaki boşluklara yerleştiklerini gözlemliyoruz. Arayer bileşikleri daima metalik özelliklere ve çok sert bir doğaya sahip olarak karşımıza çıkıyorlar. Arayer bileşiklere örnek olarak Fe3C, Fe4N ve TiC bileşiklerini gösterebiliriz.

Elektron bileşikleri

Yüksek erime noktasına sahip demir, nikel ya da bakır gibi bazı elementler, düşük erime noktasına sahip magnezyum, alüminyum ya da çinko gibi elementlerle alaşımlandıklarında, enteresan bir benzerlik gösteren bileşikler meydana gelebiliyor. Bir araya gelen elementler hangileri olursa olsun, bir elektron bileşiği oluştuğunda bileşiğin sahip olduğu atom sayısı ile bağ kurulmasına olanak sağlayan dış yörünge elektronlarının sayısı arasında sabit bir oran bulunduğunu gözlemliyoruz. İlk olarak İngiliz metalurjist Hume-Rothery tarafından farkedilen bu benzerliğin, bileşiğin sahip olduğu atom ve dış yörünge elektronlarının oranıyla ilgili olması nedeniyle, bu bileşiklere elektron bileşikleri adını veriyoruz.

Bir örnek vermek adına, A adet atomdan oluşan bir bileşik düşünelim. Bu bileşiği meydana getiren atomların sahip oldukları dış yörünge elektronlarının toplam sayısına da E diyelim. Elektron bileşiklerindeki A/E oranı üç farklı şekilde karşımıza çıkıyor. Bu oranın aldığı değere göre bileşiğin kristal yapısı da değişiklik gösteriyor. Bu bileşiklerde karşımıza çıkan üç farklı A/E oranını şu şekilde özetleyebiliriz:

A/E Oranı Kristal Yapı Sembol
2/3 Hacim merkezli kübik β
4/7 Karmaşık kübik ɣ
13/21 Hegzagonal ε

Bu oranların nasıl hesaplandığını göstermek için basit bir örnek verelim. Örneğin bakır (Cu) ve kalay (Sn) alaşımlandığında oluşan Cu5Sn bileşiğini ele alalım. Bu bileşik her beş Cu atomuna karşılık bir Sn atomunun bir araya gelmesiyle oluşuyor. Dolayısıyla bileşik toplam (5+1) altı atomdan meydana geliyor. Bakırın en dış yörüngesinde bir, kalayın ise dört elektron; dolayısıyla toplamda dokuz elektron bulunuyor  (5 bakır atomundan gelen toplam 5 elektron, artı kalaydan gelen 4 elektron). Bu rakamlar doğrultusunda A/E oranını hesapladığımızda, bu oranın 6/9’a, yani 2/3’e eşit olduğunu görüyoruz. Böylece bu bileşiğin hacim merkezli kübik (HMK) kristal yapıya sahip olduğunu sadece A/E oranına bakarak çıkarabiliyoruz. Bileşiğin kristal yapısını da belirtmek adına, bu elektron bileşiğini β-Cu5Sn şeklinde gösteriyoruz.


Devamı: