tihonova (523116), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Величина этих сил зависит от расстояниямежду атомами. Поэтому взаимное расположение атомов в том или ином агрегатномсостоянии определяется равнодействующей этих сил, связанной с энергией ихвзаимодействия, которую в первом приближении можно определить в виде суммыпотенциалов сил притяжения и отталкивания (рис.2.1).При значительных расстояниях между атомами силы притяжения малы, а силы отталкиваниявообще равны нулю. При сближении атомов начинают возрастать силы притяжения, апотенциальная энергия приобретать отрицательное значение.
При дальнейшем сближенииатомов начинают появляться силы отталкивания, которые определяют положительнуюсоставляющую потенциальной энергии. Положение минимума на кривой потенциальнойэнергии определяет равенство сил притяжения и отталкивания и равновесное расстояниемежду атомами, а значение минимума потенциальной энергии - энергию связи частиц.Если энергия взаимодействия ЕАВ двух атомов А и В меньше суммарной энергииизолированных атомов ЕА и ЕВ, то между атомами преобладают силы притяжения (атомыобразуют устойчивую молекулу). Если при сближении атомов преобладают силыотталкивания, то образование устойчивой молекулы невозможно.Какие же силы обусловливают энергию химического взаимодействия ( Связь между атомамиобеспечивается силами электрического взаимодействия и осуществляется периферийнымиэлектронами атомов - валентными электронами.
По химической активности все элементыделятся на две группы: металлы и неметаллы, атомы которых обладают соответственноэлектроположительными и электроотрицательными свойствами. Химическое взаимодействиеможет осуществляться как между атомами, принадлежащими к одинаковым, так и к разнымгруппам.Прочность и возможность образования химического соединения А + В = АВ, помимовеличины суммарной энергии взаимодействия ЕАВ, зависит от валентного состояния атомов вэтом соединении и определяется:- числом валентных электронов, участвующих в связи;- числом и кратностью связей, образуемых данным атомом с соседними (одинарные,двойные, тройные и т.д.);- конфигурацией связей (например, пирамидальные и плоские);- перераспределением плотности валентных электронов и степени полярности связи.При перекрытии оболочек внешних электронов атомов наблюдается :- резонанс (возможность перехода электрона от одного атома к другому);- обобществление электронов, когда невозможно определить принадлежность электрона ккакому-нибудь одному атому.Силы притяжения, возникающие при сближении атомов и перекрытии волновых функцийэлектронов, называются силами сцепления или силами химической связи.Энергия химической связи (энергия сцепления) может быть определена из выражениягде ЕА и ЕВ - сумма энергии свободных атомов, Емол - энергия молекулы.
Если эта разницаположительна, то образование молекулы АВ из свободных атомов возможно, тогда можнонаблюдать химическую реакцию типа А + В = АВ.Ионная связь и ионные кристаллыИоны с разноименными зарядами притягиваются друг к другу под действием кулоновскихсил. Изменение энергии в результате сближения двух ионов описывается выражениемгде а - расстояние между ионами; е - заряд электрона, Z1 и Z2 - заряд взаимодействующихионов, который может быть и положительным, и отрицательным. Как это следует изуравнения (2.6), при одноименных зарядах необходима затрата энергии для сближения ионов,Eкул > 0, а при разноименных зарядах сближение ионов приводит к выделению энергии.Из экспериментов известно, что расстояние между ионами в ионных твердых телах редкобывает меньше 2 , кроме того, из уравнения (2.6) очевидно, что при уменьшении а (т.е.
присближении ионов) выделяемая энергия увеличивается. Почему же центры ионов не могутсблизиться еще больше, чтобы положение их было еще более устойчиво и соответствовалонаинизшей энергии? Установлено, что диаметр ядра составляети чтоэлектроны сами по себе не занимают пространства, поэтому причина, вероятно, заключаетсяне в отсутствии свободного объема. Суть дела сводится к отталкиванию электронов соседнихатомов при малых межатомных расстояниях. Другое объяснение может быть связано спринципом запрета Паули, согласно которому на одной и той же орбите может находиться неболее двух электронов (с противоположными спинами), а при дальнейшем уменьшениимежатомного расстояния орбиты электронов неизбежно перекрывались бы.
При обоихвариантах объяснения можно показать, что в случае сближения атомов энергия отталкиванияэлектронов приобретает существенное значение. Эта энергия Еотт обратно пропорциональнамежатомному расстоянию, с показателем степени n (6<n<12):Таким образом, полное изменение энергии при сближении пары разноименныходновалентных ионов описывается равенствомили в более общем видеВ уравнениях (2.7) и (2.8) величина b представляет собой константу, определяемуюэкспериментально.Кривые, соответствующие уравнениям (2.6)-(2.8), представлены на рис. 2.1.
Кривая полнойэнергии имеет резкий минимум, определяющий величину межатомного расстояния а,соответствующего максимальной устойчивости, а также величину энергии, необходимой дляувеличения или уменьшения этого расстояния. Величина Ебеск- Еmin соответствует энергии(теплоте) сублимации, поскольку именно такая энергия должна быть подведена для полногоразделения двух атомов или ионов.В случае атомов, обладающих сильной связью, для отклонения от положения равновесиянеобходимы большие усилия. Межатомные расстояния остаются постоянными с точностьюдо 0,001 . Здесь применима модель твердых шаров: атомы удобно рассматривать кактвердые шары определенного радиуса. Равновесное расстояние а определяется какрасстояние между центрами расположенных рядом шаров.Кулоновские силы не обладают избирательностью, т.е.
положительный (или отрицательный)ион будет притягивать все противоположно заряженные ионы, находящиеся внепосредственной близости от него, как это следует из уравнения (2.6). В этом заключаетсяих принципиальное отличие от ковалентных связей, которые будут рассмотрены вдальнейшем.Это отличие порождает существенную разницу между механическими и электрическимисвойствами материалов при переходе от одного типа связи к другому.Из-за отсутствия избирательности кулоновского притяжения ионы обнаруживают тенденциюмаксимально координироваться с соседними ионами. В результате большой положительныйион может удерживать большее число отрицательных ионов, чем маленький положительныйион.
Примером этого могут служить хлориды. Ион цезия с радиусом более 1,6 достаточновелик, чтобы около него могли расположиться 8 ионов хлора, не соприкасаясь друг с другом,т.е. без значительного отталкивания электронных оболочек. А ион натрия с радиусом менее1 может соседствовать только с 6 ионами хлора.
Число находящихся в контакте соседнихионов называется координационным числом.Материалы с ионным типом связи в качестве конструкционных материалов практически неприменяются.Ковалентная связь и ковалентные кристаллыТермин ковалентный означает спаривание валентных электронов у соседних атомов.Наиболее наглядным примером служит молекула водорода.
Два электрона спротивоположными спинами одновременно принадлежат двум протонам:Это соответствует принципу запрета Паули, согласно которому два электрона спротивоположными спинами могут обладать одинаковой энергией и одинаковымиволновыми характеристиками.Упрощенная схема молекулы водорода:Примером ковалентной связи могут также служить молекулы метана СН4 и аммиака NH3. Сбольшим упрощением можно рассматривать ковалентную связь в молекуле водорода каквозникающую в результате притяжения положительных ионов к находящейся между нимипаре электронов с противоположными спинами.Ковалентная связь предполагает наличие спаренных электронов между данными атомами.Таким образом, если кулоновское притяжение в электрическом поле возникает во всехнаправлениях, то ковалентная связь имеет ориентировку, т.е.
направлена определеннымобразом в пространстве. Вследствие этого координационное число атома углерода равнолишь 4, несмотря на то, что в окружающем пространстве могло бы разместиться гораздобольше небольших по величине атомов водорода (протонов).Сильная ковалентная связь образуется только между ближайшими соседними атомами. Так,например, атом углерода в молекуле метана испытывает лишь незначительное притяжение состороны атомов других молекул. Доказательство тому - низкая температура плавления икипения метана: -183 и -151 єС соответственно.Типичный материал с ковалентным типом связи (атомный кристалл) - алмаз, состоящий изатомов углерода с электронным строениемВ силу того, что ковалентная связь создается взаимодействием валентных электронов,кристаллы, атомы которых связаны такой связью, называют иногда валентными.Преимущественно ковалентная связь имеет место в таких соединениях, как карбиды (Fe3C,SiC), нитриды (AlN), которые имеют большое значение в технических сплавах.
Прочностьковалентной связи зависит от степени перекрытия орбит валентных электронов: сувеличением перекрытия прочность связи повышается. Поэтому свойства тел с ковалентнымтипом связи могут сильно различаться. Характерными свойствами для таких материаловявляется малая плотность, высокая хрупкость, в ряде случаев очень высокая твердость(алмаз, карбиды, нитриды). Материалы с ковалентной связью являются диэлектриками илиполупроводниками.
Находят широкое применение: на базе их создаются полупроводниковыематериалы; соединения - карбиды, нитриды, которые являются важнейшими упрочняющимифазами в высокопрочных металлических сплавах. Ковалентный тип связи также весьмаважен и в полимерных материалах.Металлическая связьТретьим типом первичной связи является металлическая свяязь. Хотя иногда считают, что этасвязь занимает промежуточное положение между ионной и ковалентной, но все же удобнеерассматривать ее отдельно, так как металлы образуют важный класс материалов. Атомыметаллов, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
