ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Типы межатомной связи и классификация твердых тел из "Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА " По характеру сил связи твердые кристаллические тела можно условно разделить на следующие четыре группы ионные кристаллы (Na l, LiF, окислы и др.), в которых основным видом связи является иониая атомные кристаллы (алмаз, кремний, германий и многие химические соединения), в которых основные связи ковалентные металлические кристаллы. с характерной металлической связью молекулярные кристаллы, в которых связь осуществляется в основном силами Ван-дер-Ваальса. Рассмотрим кратко природу сил связи в этих кристаллах и их основные свойства. [c.15] Ионные кристаллы. Атомы, стоящие в периодической системе Д. И. Менделеева вблизи инертных газов, сравнительно легко могут принимать конфигурацию их электронных оболочек, отдавая или принимая электроны. Так, у атомов щелочных металлов, стоящих непосредственно за инертными газами, валентный электрон движется вне заполненной оболочки и связан с ядром слабо, вследствие чего энергия ионизации их низка (порядка 5 эВ). У галогенов, стоящих непосредственно перед инертными газами, недостает одного электрона для создания устойчивой электронной оболочки благородного газа. Поэтому они обладают высоким средством к дополнительному электрону (порядка 3 эВ). [c.15] Связь между такого рода атомами, т. е. между сильными метал- лами и галоидами осуществляется следующим образом. Вначале происходит перезарядка обоих атомов электрон от атома металла переходит к атому галоида. При этом атом металла становится положительно заряженным ионом (катионом), атом галогена — отрицательно заряженным ионом (анионом). Эти ноны взаимодействуют по закону Кулона как два разноименных заряда. Такая связь получила название ионной, или гетерополярной. [c.15] В ионных кристаллах не существует отдельных молекул каждый положительно заряженный ион окружен соответствующим числом отрицательно заряженных ионов и точно так же каждый отрицательно заряженный ион окружен таким же числом положительно заряженных ионов. Число k ближайших соседей, окружающих ион (атом) в решетке, называют координационным числом решетки. Для ионных решеток оно зависит от отношения радиуса катиона и аниона г , т. е. от числа R = rjr . При R 0,73, что имеет место, например, у s l, /г = 8 при 0,41 / 0,73, /г = 6 как у Na l при R 0,41 /г = 4 (решетка Lil). [c.16] На рис. 1.11, а показано расположение 6 ионов натрия вокруг иона хлора в решетке Na l, а на рис. 1.11, б — расположение 8 ионов цезия вокруг иона хлора в решетке s l. [c.16] Ионная связь — это сильная связь с энергией, колеблющейся от сотен до тысяч килоджоулей на моль. Поэтому твердые тела с ионной связью обладают значительной прочностью и твердостью, имеют высокие точки плавления и теилоты сублимации. Электропроводность их имеет ионную природу и резко зависит от температуры. Многие ионные кристаллы прозрачны в широком диапазоне длин волн. [c.16] Атомные (ковалентные) кристаллы. Для уяснения природы ковалентной связи рассмотрим простейший пример взаимодействия двух атомов водорода (рис. 1.12, а). Вследствие того, что плотность, электронного облака, описывающего состояние электрона в атоме очень быстро уменьшается с удалением от ядра, ири значительном расстоянии между атомами обнаружить электрон / у ядра Ь, а электрон 2 у ядра а мало вероятно. Поэтому атомы А и В можно-рассматривать как изолированные, а энергию системы, состоящей из двух атомов, принимать равной 2 о, где — энергия изолированного атома. [c.17] По мере сближения атомов вероятность перехода электронов к чужим ядрам увеличивается. При г л 2 А наступает заметное перекрытие электронных облаков этих атомов и частота перехода достигает величины 10 с . При дальнейшем сближении степень перекрытия облаков растет и частота обмена атомов электронами увеличивается настолько, что теряет смысл говорить о принадлежности электрона 1 атому А, электрона 2 атому В. Эта соответствует возникновению нового состояния, не свойственного системе, состоящей из двух изолированных атомов, и замечательного тем, что электроны в этом состоянии принадлежат одновременно обоим ядрам, или, как говорят, обобществлены. [c.17] Результирующая энергия связи должка составлять, таким образом, f/ B = — 413 кДж/моль, что близко к экспериментальному -значенню, равному — 456 кДн /моль. [c.18] Как мы видели, энергия ковалентной связи высока — порядка сотен килоджоулей на моль. Поэтому ковалентные кристаллы обладают высокой прочностью, твердостью, имеют высокие точки плавления и теплоты сублимации. В электрическом отношении они являются диэлектриками. Многие из них прозрачны в длинноволновой части спектра. [c.20] Металлические кристаллы. Внешние валентные электроны в атомах металлов связаны относительно слабо. При сбразованни твердого состояния атомы располагаются настолько близко друг от друга, что валентные электроны приобретают способность покидать свои атомы и свободно перемеш,аться внутри решетки. Такое обобществление электронов приводит к однородному распределению их в решетке металла. Связь возникает вследствие взаимодействия положительных ионов решетки с электронным газом электроны, находящиеся между ионами, стягивают их, уравновешивая силы отталкивания, действующие между самими ионамп. [c.20] Металлическая связь присуща типичным металлам и многим интерметаллическим соединениям. Энергия этой связи также высока (сотни килоджоулей на моль). Характерными решетками для металлов являются кубические гранецентрированная (ГЦК) и объемно-центрированная (ОЦК) и гексагональная плотной упаковки. Металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью, вызванной наличием свободных электронов, и высокой пластичностью, обусловленной характером связи, позволяющей смещаться без разрушения одной части решетки относительно другой на значительные расстояния. Наличием свободных электронов объясняется также непрозрачность и высокая отражательная способность металлов. [c.20] Молекулярные кристаллы. Наиболее общим видом связи, возникающим между любыми атомами и молекулами, является связь Ван-дер-Ваальса. Почти в чистом виде она проявляется между молекулами с насыщенными химическими связями (О2, Нг, СН4 и др.), а также между атомами инертных газов. В общем случае ван-дер-ваальсова связь включает в себя дисперсионное, ориентационное и индукционное взаимодействия. [c.20] Дисперсионное взаимодействие. Рассмотрим простейший пример взаимодействия двух атомов гелия (рис. 1.14, а, б). Распределение электронной плотности в атоме гелия обладает сферической симметрией, вследствие чего его электрический момент равен нулю. Но это означает лишь, что равно нулю среднее значение электрического момента. В каждый же момент времени электроны располагаются в определенных точках пространства, создавая мгновенный быстро меняющийся электрический диполь. При сближении двух атомов гелия в движении электронов этих атомов устанавливается корреляция (согласование), которая и приводит к возникновению сил взаимодействия. [c.20] Ван-дер-ваальсова связь является наиболее слабой связью с энергией порядка единиц килоджоулей на моль. Поэтому все структуры, обусловленные этой связью, мало устойчивы, легко летучи и имеют низкие точки плавления. В электрическом отношении они являются изоляторами. Многие кристаллы этого типа прозрачны для электромагнитного излучения вплоть до далекой ультрафиолетовой области спектра. [c.22] В заключение следует подчеркнуть, что в реальных кристаллах каждая из рассмотренных связей в чистом виде почти никогда не встречается. Практически всегда имеет место наложение двух и более типов связи. Одна из них.имеет, как правило, превалирующее значение, определяя структуру и свойства тела. [c.22] Вернуться к основной статье