tihonova (523116), страница 3
Текст из файла (страница 3)
атомы, содержащие слабо связанные валентные электроны, могут бытьсоединены в очень прочную структуру. В металле множество валентных электроновспособны "свободно" перемещаться в пределах структуры, сообщая металлам такие свойства,как проводимость, блеск, непрозрачность.Металлическая связь может быть сопоставлена с ковалентной связью, при которой валентныеэлектроны обобществляются соседними атомами.
Но столь же правомерно и сопоставлениеее с ионной связью, если считать, что отрицательные ионы скрепляют вместе положительныеионы. Выбор того или иного сопоставления зависит от рассматриваемого металла.Подвижность электронов в металле оправдывает применение таких терминов, как"электронный газ" и "электронное облако". Поскольку металлическая связь не обладаетнаправленностью, координационное число, как правило, велико. У большого числа металлов,например Be, Mg, Al, Ca, Ti, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Ag, Cd, Fe (при высокой температуре), каждыйатом окружен 12 соседями. Другие металлы - Li, Na, K, V, Cr, Mo, W, Fe (при высокойтемпературе) имеют координационное число 8. Лишь у металлов со значительной степеньюковалентности - Si, Ge, Sn (при низкой температуре) - координационное число равно 4.В металлических кристаллах благодаря сферическому распределению заряда ионов металлавозникает возможность максимальной плотности упаковки.
Наличие незанятыхэнергетических уровней валентных электронов в металлических кристаллах обуславливает ихвысокую электро- и теплопроводность, высокую отражательную способность световых лучей(металлический блеск).Наличие электронного газа и сферическая симметрия заряда ионов определяет и такоеважное свойство, как пластичность металлов.Прочность металлов в большинстве случаев высокая и особенно высока у переходныхметаллов, что объясняется участием в образовании связи не только s-электронов, но и частиэлектронов d-подуровня.
Это сказывается на повышении модуля упругости и температурыплавления, которая особенно высока у тугоплавких переходных металлов VA, VIA, VIIAподгрупп.Ван-дер-Ваальсова связь и молекулярные кристаллыПредставителями тел с полярным типом связи являются H2, N2, CO2, H2O, CH4 взакристаллизованном (твердом) состоянии.Ван-дер-Ваальсова связь относится к так называемым вторичным связям. Силы,ответственные за появление слабых вторичных связей, обусловлены присутствиемвнутренних диполей. Эти диполи могут образоваться в результате дисперсионных эффектов,т.е.
в результате неоднородности распределения электронов в атомах и молекулах, или могутпредставлять собой постоянные диполи в асимметричных молекулах.Первый случай приводит к возникновению очень слабых сил, проявляющихся как силыпритяжения и вызывающих при низкой температуре конденсацию инертных газов (He, Ne, Arи др.) или симметричных молекул, таких, как CH4, F2, H2, CO2, N2. Дисперсионные эффекты,иногда скрытые более прочными связями, наблюдаются во всех материалах.Постоянные диполи образуются в асимметричных молекулах, когда не совпадают центрыположительного и отрицательного зарядов:Из-за такого несовпадения положительный конец одного диполя будет притягиваться котрицательному концу диполя другой молекулы, что проявляется как межмолекулярноепритяжение. О величине энергии связей в дипольных атомах и молекулах можно судить позначению температуры кипения.
Эта энергия весьма мала в случае благородных газов ивозрастает до 10 ккал/моль в случае "водородных мостиков", наиболее отчетливовыраженных в молекулах HF и H2O.В молекуле водорода атом может рассматриваться как протон, находящийся на одном концековалентной связи. В отличие от других атомов, соединенных ковалентной связью, протон неэкранируется окружающими электронами. Поэтому может возникнуть более тесная ипрочная связь между таким протоном и электронами атомов других молекул. Это притяжениеобъясняет тот факт, что вода и HF имеют более высокую температуру кипения, чем другиежидкости с близкой молекулярной массой. Это же обстоятельство объясняет высокуюудельную теплоемкость воды и хорошую способность органических молекуладсорбироваться на поверхностях.Из технических материалов Ван-дер-Ваальсова связь наблюдается между макромолекулами вполимерных материалах.Лекция 3.
Электронная теория металловКлассическая электронная теория.Элементы квантовой теории свободных электроновАтомы являются структурными составляющими любого технического материалаЯдра элементов состоят из нейтронов и протонов, числокоторых изменяется от 1 (водород) до 100 и более (трансурановые элементы). Атомныйномер равен числу протонов и, в свою очередь, равен числу окружающих ядро электронов вэлектрически нейтральном атоме. Эти электроны оказывают существенное влияние наэлектрические свойства.
Так как масса электронасоставляет всего лишь 1/1840массы протона, то масса атома примерно пропорциональна общему числу протонов инейтронов. Атомная масса определяет плотность и теплоемкость твердых тел, ноотносительно слабо влияет на технические характеристики материалов.к играет важную роль, так как электропроводность и электроннаяЗаряд электронаполяризация зависят от числа валентных электронов и их заряда. Заряд ионов являетсякратным заряду электронов, поскольку заряд иона определяется избытком или недостаткомэлектронов. Это в свою очередь определяет прочность ионных связей и зависящие от нихсвойства. Кроме того, распределение электронов ответственно за возникновение магнитногомомента.
Электроны вращаются вокруг оси, в результате этого вращения создаетсямагнитный момент, называемый магнетоном Бора и равныйЭлектроны, хотя и связаны с атомом, не являются неподвижными, а совершают непрерывноеволнообразное движение. При математическом рассмотрении это движение можно сравнитьсо стоячими волнами, имеющими характеристические частоты (гармоники).
Согласномеханической аналогии, волновые функции принадлежат всей решетке, а не отдельныматомам. Именно поэтому мы можем считать валентные электроны "свободными", а нелокализованными вблизи отдельных атомов. Окружающие атом электроны могут иметь лишьстрого определенные значения энергии. Также можно говорить лишь о вероятностинахождения электрона в той или иной координате поля притяжения рассматриваемого атомаи его соседей.Электроны, окружающие ядро атома, обладают неодинаковой энергией; поэтому взависимости от энергии их подразделяют на оболочки или на группировки с различнымиэнергетическими уровнями. Первая низшая квантовая оболочка содержит не более 2электронов, во второй может находиться не более 8 электронов, в третьей - 18, в четвертой 32.
Таким образом, максимальное число электронов в оболочке описывается соотношениемгде n - главное квантовое число (порядковый номер оболочки, начиная от ядра).Представление о квантовых оболочках удобно, но довольно упрощенно. Для более полногопонимания свойств материалов необходимо более детальное рассмотрение поведенияэлектронов. Согласно принципу запрета Паули, на каждой орбите с данным квантовымчислом n может находиться не более двух электронов. Даже эти два электрона не идентичны,так как обладают разными магнитными свойствами, т.е.
противоположными спинами. Таккак электроны в квантовой оболочке могут иметь неодинаковую энергию, то внутриоболочки выделяют ряд энергетических групп. Подгруппы с наименьшей энергиейзаполняются раньше, чем подгруппы с большей энергией, причем верхние уровни в даннойподгруппе могут соответствовать большей энергии, чем низший уровень следующейподгруппы с более высоким квантовым числом n.Экспериментальная проверка существования электронных оболочек и подгрупппервоначально была осуществлена путем спектроскопических исследоваений, на основаниикоторых был сделан вывод, что для перевода электрона с нижнего энергетического уровня наследующий, более высокий, необходимо затратить квант энергии. И наоборот, привозвращении электрона на нижний уровень выделяется квант энергии - фотон. Энергия Е,которой обладает фотон, может быть вычислена непосредственно по длине волны фотона:Наиболее резкие спектральные линии создаются электронами, которые переходят нанаинизший энергетический уровень в пределах данной квантовой оболочки.
Обозначениепоказывает, что два электрона с противоположными магнитными спинами размещаются нанизшем энергетическом уровне первой квантовой (К) оболочки. Аналогичнопоказывает,что два электрона располагаются в положении с наименьшей энергией на орбитальной иливторой (L) квантовой оболочке. Таким образом, в s-подгруппе может находиться не болеедвух электронов.Каждая последующая оболочка имеет дополнительные подгруппы, которые обозначаются p,d, f. Максимальное число электронов - соответственно 6, 10, 14.Примеры распределения электронов в свободном атоме железа и в двух- и трехвалентномионах железа:Точное положение электрона в пространстве не может быть установлено, так как при любойпопытке путем оптических, рентгеновских или магнитных измерений или другимиспособами будут изменяться волновые характеристики электрона.
Поэтому можно говоритьлишь о вероятности нахождения электрона в данной точке. В атоме водорода наиболеевероятно пребывание единственного электрона на радиусе 0,53от ядра.Электронный газДля полного описания разрешенных электронных состояний в кристалле потребовалось бынайти квантовомеханическое решение задачи многих тел для очень большого числа частиц ионов и "свободных" электронов. Эта проблема необычайно трудна. Поэтому чтобы сделатьее разрешимой принимаются некоторые допущения. Прежде всего, поскольку насинтересуют главным образом "свободные" электроны, можем принять, что ионы покоятся всвоих положениях равновесия и что решетка идеальна, т.е.
не содержит дефектов. Во-вторых,кристалл предполагается бесконечно большим, так что можно не учитывать никакихповерхностных эффектов.Таким образом, мы рассматриваем систему, состоящую из большого числа электронов,движущихся в потенциальном поле кристаллической решетки. Частицы считаютсянезависимыми, т.е. не учитывается электрон-электронное взаимодействие. Потенциал,создаваемый остальными N-1 электронами, предполагается размазанным по всему кристаллуи имеющим вид постоянного члена, который можно включить в потенциал решетки. Дванаиболее распространенных типа моделей, применяемых при рассмотрении электронов вметаллах, - модель газа свободных электронов и зонная модель почти свободных электронов.Модель газа свободных электронов позволяет с помощью статистики Ферми вычислитьосновные величины, характеризующие электроны проводимости (например, теплоемкостьили плотность состояний). В этой модели используют наиболее смелые допущения, которыеможно сделать для электронов в кристалле. Потенциал, создаваемый ионами решетки иостальными (по отношению к данному) электронами, представляется в виде однородногофона, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
