belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 98
Текст из файла (страница 98)
Это означает, что такая связь имеет направленный характер и под влиянием гомеополярной связи атомы не только устанавливаются на определенных расстояниях друг от друга, по и образуют определенные пространственные конфигурации. Ковалентная химическая связь очень прочна, поэтому атомные кристаллы отличаются высокой температурой плавления, большой твердостью и малой летучестью. Ионные кристаллы. В узлах кристаллической решетки ионных кристаллов находятся ионы. Ионы располагаются так, что силы кулоновского притяжения между ионами противоположного знака больше, чем силы отталкивания между ионами одного знака. Таким образом, ионная связь (она также называется полярной, гетерополярной) обусловлена преимущественно электростатическим взаимодействием противоположно заряженных ионов.
Ионная связь является типичной для неорганических соединений. Силы электростатического притяжения и отталкивания между ионами обладают сферической симметрией, и поэтому ионы разных знаков ведут себя подобно твердым шарам, притягивающимся друг к другу. Возникает естественный вопрос: почому многие атомы легко присоединяют электрон и становятся электроотрицательными ионами (как, например, хлор)? Казалось бы, у нейтрального атома нет сил кулоновского взаимодействия с электроном. На самом деле, действительно, взаимодействие нейтрального атома с электроном не является следствием статического притяжения.
Электрон наводит в атоме электрический дипольный момент, в результате чего возникает потенциал притяжения, пропорциональный 1/г и действующий на болыпих расстояниях. Во многих случаях этот поляризационный потенциал притяжения достаточно велик для того, чтобы свободный атом смог присоединить добавочный электрон. Число ионов противоположного знака, которое составляет ближайшее окружение данного иона в кристалле, называется координационным числом К. 7.3. Т1ЛНЫ СВЯЗЕЙ В КРИСТАЛЛАХ 361 Значение координационного числа определяется величиной отношения радиусов ионов противоположного знака гд (7 „.
Чем ближе это отношение к единице, тем больше К. Так, например, при равенстве ионных радиусов (г, = 7 „) К = 12, при 7'„)гв ( 0,22 координационное число К = 2. Достаточно хорошей моделью иогшых кристаллов является модель твердых шаров. Это связано с тем, что степень ионизации атомов, составляющих ионный кристалл„часто такова, что электронные оболочки всех ионов соответствуют электронным оболочкам, характерным для атомов инертных газов.
Так, например, электронная оболочка иона Ма'1 подобна Ме, иона С1 --- Аг, и тем самым ионный кристалл состоит как бы из сферических заряженных атомов. Поэтому тип решетки ионных кристаллов практически определяется соотношением ионных радиусов. Например, кристаллы хлористого натрия имоют структуру грапецентрировапной кубической решетки вследствие того, что размер иона хлора (1,81 А) почти вдвое превышает размер иона натрия (0,98 А); при таком соотношении ионных радиусов в центре кубической ячейки хлористого натрия свободное пространство оказывается недостаточным для размещения еще одного иона и образования объемноцентрированной ячейки. Иначе обстоит дело с кристаллом хлористого цезия.
Размерь1 ионов хлора и цезия близки (1,81 и 1,65 А), пространство в центре элементарного куба оказывается достаточным для размещения еще одного иона, и энергетически выгоднее оказывается более плотно упакованная структура объемноцентрированный куб. Метпалличесяие кристаллы. Как и в ковалентных криств31лах, в узлах пространственной решетки металлических кристаллов размещаются совершенно одинаковые частицы (для простоты рассуждений мы будем рассматривать чистые металлы, а не сплавы). При конденсации паров металла в жидкое или твердое состояние его атомы сближаются столь близко, что волновые функции валентных электронов существенно перекрываются и становятся «общими» для всего объема металла.
Поэтому валентные электроны в металлах принято называть обоб7цесгввленными или коллективизированными. Можно говорить в таком случае, что внутри металлического кристалла имеется свободный электронный газ. Электроны связывают положительные ионы металла в прочную систему. Если исходить из модели плотной упаковки шаров, то можно определить атомшяй радиус элемента как половину расстояния между соседними атомами. Атомный радиус металла значительно больше его ионного радиуса в каком-либо соединении.
Например, радиус иона натрия в кристаллах поваренной соли равен 0,98 А, а его атомный радиус в кристалле металлического натрия 1,89 А. Это говорит о том, что одпоименио заряженные ионы металла в металлическом кристалле не могут сближаться так же тесно, как разноименные ионы в ионных соединениях. Если предположить, что ионы металла имеют сферическую форму, то можно полагжггн что стРУктУРа таких кРисталлов Должна соответствовать плотной упаковке шаров одинакового размера гранецентрированному или объемноцентрированному кубу, либо гексагональной решетке. Ближе всего к идеальной плотпоупакованной гексагонвльной решетке подходит решетка магния.
1Л. 7. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 362 Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решетки таких кристаллов находятся устойчивые молекулы, которые сохраняют индивидуальность не только в газообразной, но и в жидкой и твердой фазах (Н2, М2, С12, Вг2, СН, С02., Н20). Молекулы удерживаются в узлах решетки довольно слабыми вандерваальсовскими силами, природа которых сводится к взаимодойствию между молекулярными диполями. Различают три вида взаимодействия молекул, связанных силами Ван-дерВаальса.
1. Если молекулы данного вещества являются электрическими диполями, то силы электростатического взаимодействия между ними будут стремиться расположить молекулы в определенном порядке, которому соответствует минимум потенциальной энергии. '1'акой тип взаимодействия полярных молекул, зависящий от их ориентации, называется ориснтационным. 2. Неполярные молекулы некоторых веществ обладают высокой поляризуемостью, поэтому под влиянием внопшего электрического поля (например, при приближении полярной молекулы) у таких молекул возникает наввденный (индуцированный) электрический момент. При сближении такие индуцированные диполи будут взаимодействовать друг с другом аналогично взаимодействию жестких диполей. Такое взаимодействие называют индукционным или поллризационным.
3. Возможен и так называемый дисперсионныи' вид взаимодействия. Это динамическое по своей природе взаимодействие является результатом того, что атом (молекула) обладает вследствие движения электронов переменным по величине и направлению дииольным моментом, равным произведению заряда электрона на радиус его орбиты. Энергетически оказывается более выгодной такая конфигурация соседних атомов, когда мгновенные значения дипольных моментов соседних атомов совпадают по направлению, что приводит к возникновению притяжения между ними. Силы Ван-дер-Ваэльса являются более короткодейству2ющими, чем кулоновскис силы. Кулоновские силы пропорциональны г, а вандерваэльские -- 1 . Эта зависимость легко получается и:з рассмотрения поляризационного взаимодействия, когда статический диполь с моментом р1 наводит дипольный момент р2 = 2ор,)г' .
Так как р1 ~~ р2, то потенциальная энергия 2 3 равна (7. 2) Г(г) — 2р1р2,1г = 4ар1(г . Силы Ван-дер-Ваальса всегда слабы, поэтому молекулярные связи четко проявляются лишь в тех случаях, когда они возникают между нейтральными атомами или молекулами. Многие органические соединения (парафиновые цепи и жирные кислоты) образуют молекулярные кристаллы. Одним из видов межмолекулярного взаимодействия является и водородная связь.
Водородная связь между молекулами осуществляется атомом водорода, который, будучи химически связан с одной молекулой (например, через гидроксил), одновременно взаимодействует с атомом кислорода Другой молекулы. Соединения с волородной связью обладают тепдшщией к полимеризации. Существенную роль водородная связь играет во взаимодействии молекул воды, побуждая их ассоциироваться в группы из двух, четырех или восьми молекул, что обусловливает аномальные физические свойства воды и льда.
к ь жидкие кРистАллы Конечно, классификация кристаллов по типам связи достаточно условна, ибо в ряде случаев трудно отнести с определенностью кристаллы лишь к тому или иному классу. Но, тем не менее, приближенная классификация оказывается во многих случаях очень полезна, так как она позволяет выявить физическую природу сил, а значит и свойства образующихся структур.
7.4. жидкие кристаллы Большинство веществ может находиться только в трех агрегатных состояниях; твердом, жидком или газообразном. Однако некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, могут образовывать четвертое, жидкокристаллическое. Как следует из самого названия, речь идет о специфическом агрегатном состоянии вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
