А.Н. Матвеев - Атомная физика (1120551), страница 90

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 90)

Типы связя в кристаллах Описываются типы связи и аристиппах. Возникновение кристаллической структуры. Твердое состояние возникает при столь сильном взаимодействии между молекулами (атомами или ионами), что тепловое движение молекул не играет роли, т. е. когда энергия связи молекул значительно больше кинетической энергии их теплового движения. Равновесное устойчивое расположение молекул друг относительно друга достигается при минимуме свободной энергии. Если условия равновесия выполнены в некоторой области пространства, то они должны быть выполнены и в других областях пространства и, следовательно, должны обусловить аналогичное расположение молекул в другой области пространства.

Это означает, что взаимное расположение молекул повторяется при переходе из одних областей просгранства в другие, т.е. возникает периодическая структура твердых тел. Она реализуется в виде кристаллической решетки, а сами твердые тела являются кристаллами. Точки равновесного положения составляющих кристалл атомов, молекул или ионов называются узлами кристаллической решетки. Наличие кристаллической решетки — наиболее важный признак твердого тела. Однако в повседневной жизни человека кристаллические твердые тела составляют лишь часть твердых тел, с которыми он имеет дело.

Например, растительные и животные ткани (древесина, кожа, шерсть, хлопок и т.д.), целлюлоза, стекло и стекловолокно, каучук, пластмассы и громадное число других повседневно используемых материалов не относятся конкретно к кристаллическим твердым телам, хо- тя по своим механическим свойствам (сохранение формы и объема) они твердые тела. Все они образуют большой и важный класс веществ, называемых полимерами. В принципиальном смысле этим веществам также свойственна кристаллическая структура, но в обычных условиях они не находятся в равновесном состоянии. Например, стекло по истечении нескольких сотен лет кристаллизуется. В пластмассах процесс кристаллизации сильно затруднен перепутыванием между собой образующих их длинных молекул, Структура твердых тел, описание кристаллических решеток и другие аналогичные вопросы достаточно подробно излагаются в курсе молекулярной физики.

Там же описаны механические и тепловые свойства твердых тел. В этой книге рассмотрены главным образом электронные свойства твердых тел. Но прежде необходимо проанализировать типы связи атомов и молекул в кристалле, которые обеспечивают устойчивое существование кристаллической решетки. Энергия взаимодействия атомов.

Общий вид потенциальной энергии взаимодействия атомов представлен на рис. 95. На болыпих расстояниях атомы притягиваются, на малых-отталкиваются. На расстоянии Яо силы притяжения компенсируются силами отталкивания и атомы пребывают в положениях устойчивого равновесия. В зависимости от обстоятельств такое устойчивое равновесие осуществляется либо между атомами в молекуле, либо между атомами в узлах кристаллической решетки.

В последнем случае говорится об атомных кристаллах. Общий характер зависимости потенциальной энергии от расстояния между атомами, показанный на рис. 95, соблюдается также и для й 65 Типы связи з кристаллах ззз молекул. Это приводит к возникновению кристаллов, в узлах кристаллической решетки которых находятся молекулы. Такие кристаллы называют молекулярными. Конкретные параметры, описывающие зависимость потенциальной энергии взаимодействующих молекул или атомов, определяются свойствами последних и механизмом взаимодействия, обеспечивающим связь между ними.

В кристаллах можно указать пять тинов связи; ионную, ковалентную, водородную, металлическую и молекулярную. В реальных ситуациях ча~це всего действую~ одновременно несколько из этих связей, но обычно удается выделить ту из них, которая является доминирующей. Ионная связь. Она осуществляется между атомами, один из которых легко теряет электрон и превращается в положительный ион, а другой стремится приобрести дополнительный электрон и превра)цается в отрицателытый ион.

Эти ионы испытывают кулоновское притяжение и могут образовать связанную систему. Например, ионная связь обеспечивает существование кристалла )х)аС). Электронная оболочка атома натрия получает- З З Ионная связь осуществляется между атомами, один из которых легко теряет электрон и превращается в положительный ион, а другой стремится приобрести положительный электрон и превращается в отрицательный ион.

Ковапентная связь возникает в результате увеличения плотности электронного обпака обобществленнык электронов между атомами. Водородная связь возникает в результате сильного обобществления электрона атома водорода одним атомом и притяжения ядра атома водорода (протона) другим электроотрицатепьным атомом. Металлическая связь осуществляется обобществленными электронамн. образующими в металле зпектроннмй газ.

Молекулярная связь осуществляется силами Ван-дер-Ваальса. ся при добавлении одного электрона к замкнутой электронной оболочке неона )х(е, являющегося инертным газом. Другими словами, электронную конфигурацию натрия можно условно представить в виде ()т)а) = ()х(е) Зк Электрон Зх очень слабо связан с основной частью атома и легко отрывается от атома, в результате чего получается ион )х(а'. В электронной оболочке атома хлора не хватает одного электрона, чтобы она стала замкнутой, эквивалентной электронной оболочке инертного газа аргона.

Хлор стремится приобрести электрон, чтобы заполни~ь место в замкнутой оболочке, в результате чего образуется отрицательный ион С! . Потенциальная энергия взаимодействия ионов, разделенных расстоянием г, равна е~44яе г~). Для расстояний порядка долей нанометра эта энергия имеет порядок нескольких электрон- вольт (типичная энергия взаимодействия атомов в ионных кристаллах). Следовательно, ионная связь возникаег в результате обмена зарядом между атомами. Ковалентная связь. Возникновение ковалентной связи в кристаллах аналогично ее возникновению в атомах (см. з 58).

Она возникает в результате обобществления электронов между атомами. Перекрытие электронных облаков между атомами весьма быстро изменяется при изменении расстояния между ядрами. Это означает, что силы ковалентной связи обычно велики. Поэтому ковалентные кристаллы, как правило, очень твердые и имеют высокие температуры плавления. Типичным ковалентным кристаллом является, например, алмаз. Часто заряд, обеспечивающий возникновение ковалентной связи, делится между взаимодействующими 334 13. Электронные свойства твердых тел атомами не поровну. Другими словами, электрон одного из атомов находится в окрестности второго атома относительно болыпую часгь времени, чем электрон второго атома в окрестности первого.

В результате такой ситуации оба атома оказываются частично ионизированными и между ними возникают электростатические силы. Связь между атомами становится частично ковалентиой и частично ионной, т. е, смеитиппой. Таким образом, имеется непрерывный переход от ковалентной к смешанной и к ионной связи, которые отличаются друг от друга характером обобществления заряда, Водородная связь. Атом водорода имеет один электрон и поэтому может быть связан ковалентной связью только с одним атомом.

Если этот атом сильно обобществляет электрон атома водорода, т.е. является электро- отрицательным атомом, то электрон большую часгь времени проводит вблизи этого атома, а протон (ядро атома водорода) оказывается незаэкранированным (атом водорода оказывается положительно заряженным). Он притягивается к другому электроотрицательному атому, в результате че1 о возникает связь двух электроотрицательных атомов посредством атома водорода. Такую связь называют водородной. Металлическая связь. В металлах электроны внешней оболочки атомов обобществляются и образуют электронный газ.

Электроны мигрируют из окрестности одних атомов в окрестности других, не будучи связаны устойчиво ни с одним из атомов. Эти электроны называют электронами проводимости. Они обусловливают злектропроводность металлов. Для отделения электронов от внешних оболочек а~омов требуешься затратить энергию. Тем не менее это энергетически выгодно, так как понижает общую энергию металла, что подтверждается самим фактом существования электронов проводимости в металле. Понижение энергии ме~алла в результате погружения положительно заряженных ионов в отрицательный электронный газ с определенным запасом компенсирует затраты энергии на отрыв электронов от атомов. Возникающую при этом связь между атомами металла называют мегпиппической.

Концентрация элек~ронов проводимости равна примерно концентрации атомов металла, т.е. на один атом металла приходится примерно один электрон проводимости. Например, на один атом серебра приходится 0,7 электрона; меди †,8; золота — 0,9. а у алюминия около двух электронов. У металлов концентрация атомов обычно 10та м Молекулярная связь. Если электроны сильно связаны с атомом, то осуществление какой-либо из перечисленных выше связей оказывается затруднительным.

Характеристики

Список файлов книги